Принципы мышечно-суставной биодинамики рассмотрим на работе M. biceps (рис. 2).
Точкой прикрепления этой мышцы является передняя поверхность плечевой кости, ее сокращение вызывает или стремится вызвать вращение предплечья в локтевом суставе вокруг оси, направление которой приближается к поперечной плоскости этого сустава.
Сила или момент (М) вращения зависит от трех факторов:
собственной силы мышцы (Fm);
угла приложения мышечной силы, который образуют между собой предплечье и мышца (угол á);
длины плеча костного рычага, идущего от оси вращения локтевого сустава к месту прикрепления сухожилия (l).
Рис. 2. Биодинамика М. biсерs(стрелкой указано направление сгибания)
Момент вращения на уровне оси локтевого сустава определяется по формуле:
Значение sin á для угла 90° составляет единицу, тогда сила вращения равняется произведению Fm · l, если направление мышечной силы перпендикулярно правлению предплечья. Чем меньше плечо тяги и чем больше угол, под которым действует сила тяжести, тем большее требуется напряжение мышц. Для локтевого сустава минимальная сила при 10°, средняя при 30°, максимальная при 90° (sin 90° = 1).
При 90° рычаг формируется таким образом, что плечо тяги мышцы имеет длину порядка 3 см, т. е. бицепс прикрепляется к кости несколько ниже плечевого сустава. Плечо же груза, удерживаемого кистью, составляет около 30 см. Отношения плеч рычага составляют 1: 10. В итоге это приводит к тому, что происходит проигрыш в силе в 10 раз, т. е. чтобы удержать груз весом 10 кг при согнутой руке, мышца должна развить усилие в 100 кг. Аналогичные отношения имеются и в других суставах, например в голеностопном. Там проигрыш в силе составляет 6 раз. Поэтому при поднятии на носки человека весом 60 кг икроножная мышца должна развивать усилие в 420 кг. Не случайно ахиллово сухожилие является самым мощным ему приходится выдерживать нагрузки до 500 кг. Проигрыш в силе в костно-мышечных рычагах не является ошибкой эволюции, ибо он сопровождается выигрышем в скорости движений. Таким образом, наши мышцы фактически развивают более интенсивные усилия, чем это проявляется в отношении внешних нагрузок и чем это представляется в обыденной жизни.
При изучении естественных движений невозможно рассматривать изолированные сегменты тела или отдельные мышцы. В этих случаях речь идет о сложной системе рычагов, приводимых в движение совместным действием мышечных групп. Любое движение является результатом совместной деятельности мышц трех функциональных категорий:
мышц-агонистов, которые преодолевают сопротивление и обеспечивают начало движения;
мышц-антагонистов, которые контрбалансируют и умеряют деятельность предыдущей группы;
фиксирующих мышц, обеспечивающих стабилизацию элементов скелета.
Движения требуют для своего осуществления включения действий рычагов, в состав которых входит вся костная система человека. В таких случаях формируются сложные механические построения, содержащие несколько последовательных сочленений и сегментов тела, связывающих эти сочленения между собой, т. е. несколько звеньев. Такие построения имеют общее название артикуляционные (кинематические) цепи. При биомеханическом исследовании артикуляционных цепей выделяют два вида: закрытые и открытые (рис. 3).
Рис. 3. Примеры открытой (а) и закрытой (б) артикуляционных цепей (стрелка указывает направление движения)
Если дистальный конец цепи не подвергается заметному действию внешнего сопротивления, которое ограничивает его движение, то такую цепь называют открытой. В результате свободы движений ей можно сообщить значительную скорость и ускорение (это движения для переноса предметов и манипуляции с ними).
Если дистальный конец цепи не подвергается заметному действию внешнего сопротивления, которое ограничивает его движение, то такую цепь называют открытой. В результате свободы движений ей можно сообщить значительную скорость и ускорение (это движения для переноса предметов и манипуляции с ними).
Если дистальный конец встречает внешнее сопротивление, которое ограничивает свободу движений, такую цепь называют закрытой (это движения для поддержания рычагов управления, рукояток). Для преодоления этого сопротивления мышцы должны развивать более или менее значительную силу, что является характерной чертой закрытых цепей.
Сложность движений зависит от количества звеньев в кинематической цепи и мышечных групп, вовлеченных в движение. Различают 5 классов сложности движений:
1) только пальцев руки;
2) пальцев и кисти;
3) пальцев, кисти и предплечья;
4) пальцев, кисти, предплечья и плеча;
5) пальцев, кисти, предплечья, плеча и туловища.
При исследовании движения в суставах используют понятие о степенях свободы движений, которые характеризуют возможности перемещения различных тел в пространстве.
Степени свободы это направления, в которых данное тело может совершать движения.
Шарнирный механизм может совершать вращение вокруг единственной оси и имеет одну степень свободы движений.
Абсолютно свободное тело имеет 6 степеней свободы движений: три степени взаимно перпендикулярных направления движения (вверх вниз, вправо влево, вперед назад) и три взаимно перпендикулярных оси вращения в тех же направлениях.
Суставы с одной степенью свободы могут совершать движение только в одной плоскости (межфаланговые).
Суставы с двумя степенями свободы обеспечивают движение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях (лучезапястный, коленный).
Суставы с тремя степенями свободы обеспечивают движение в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (плечевой и тазобедренный).
Если в изолированном суставе с 2 3 степенями свободы заложены большие двигательные возможности, то в целостном организме эти возможности возрастают в огромной мере, потому что в организме мы имеем не изолированные пары костей, а ряд кинематических цепей с несколькими последовательными звеньями.
Свойства кинематической цепи подчиняются правилу: число степеней свободы периферического звена равно сумме степеней свободы предшествующих звеньев (например, кисть руки имеет 7 степеней свободы движений по отношению к туловищу 3оси вращения у плечевого сустава и по 2 оси у локтевого и лучезапястных суставов, в результате имеется запас одной степени свободы). Поскольку уже 6 степеней свободы дают безграничные возможности перемещений, то в пределах длины руки кисть может двигаться так, как будто она вовсе не имеет связи с лопаткой.
При наличии такого большого числа степеней свободы выполнения движений верхней конечности приобретают определенность и целесообразность благодаря тому, что в каждое мгновение в каждом сочленении за счет сокращения мышц исключаются все возможные движения, все степени свободы, кроме одной, соответствующей выполняемому целесообразному движению. Поэтому простейшее движение поднятие груза на вытянутых руках происходит так, что вследствие одновременного напряжения мышц-антагонистов в локтевом и лучезапястном суставах вся рука фиксирована в виде жесткого рычага и все подвижности в этих суставах погашены. Также исключено напряжение мышц, осуществляющих приведение и отведение плеча. Оставшаяся возможность движения верхней конечности сгибание и разгибание в плечевом суставе используется для такого рабочего движения, как поднятие груза на вытянутых руках. Более сложное движение свободное поднятие груза выполняется при одновременном сгибании руки в плечевом и локтевом суставах. Движение поднятия груза с укладкой его на подставку выполняется так, что в начале движения происходит одновременное сгибание в плечевом и локтевом суставах, а затем, в середине траектории поднятия, сгибание в локтевом суставе прекращается и переходит в разгибание. В то же время в плечевом суставе продолжает происходить сгибание (вынос плеча вперед).
1.4. Статистическая и динамическая работа мышц. Сила и выносливость мышц
В мышечной работе различают два компонента: статическую и динамическую работу.
Динамическая работа. Это работа, связанная с перемещением тела или его отдельных частей в пространстве. При динамической работе происходит изменение длины мышечных волокон, но напряжение волокон остается постоянным. Для динамической работы характерна более или менее регулярная смена процессов сокращения и расслабления мышцы. Мышечная сила при динамической работе может быть больше или меньше величины внешнего противодействия. При динамической работе сопротивления, т. е. когда мышечная сила меньше величины внешнего противодействия, происходит удлинение мышечных волокон (опускание груза, спуск по лестнице). Особенностью динамической работы является то, что при ней наблюдается чередование противоположных движений за счет работы мышц-антагонистов. Такое чередование создает благоприятные условия для работы мышц. Во-первых, их работа чередуется с периодами отдыха. Во-вторых, в такие периоды отдыхают и руководящие мышцами нервные центры, что создает благоприятные условия для функционирования нервной системы в целом.
Динамическая работа. Это работа, связанная с перемещением тела или его отдельных частей в пространстве. При динамической работе происходит изменение длины мышечных волокон, но напряжение волокон остается постоянным. Для динамической работы характерна более или менее регулярная смена процессов сокращения и расслабления мышцы. Мышечная сила при динамической работе может быть больше или меньше величины внешнего противодействия. При динамической работе сопротивления, т. е. когда мышечная сила меньше величины внешнего противодействия, происходит удлинение мышечных волокон (опускание груза, спуск по лестнице). Особенностью динамической работы является то, что при ней наблюдается чередование противоположных движений за счет работы мышц-антагонистов. Такое чередование создает благоприятные условия для работы мышц. Во-первых, их работа чередуется с периодами отдыха. Во-вторых, в такие периоды отдыхают и руководящие мышцами нервные центры, что создает благоприятные условия для функционирования нервной системы в целом.
Статическая работа. Это работа мышц при неподвижном удержании груза. При статической работе длина мышечных волокон не меняется, а изменяется степень напряжения. В повседневной жизни статическая работа проявляется в двух формах: поддержании позы и удержании какого-либо груза. Сила сокращения при поддержании позы сравнительно невелика. Непрерывное мышечное сокращение при этом становится необязательным, оно производится только в определенные моменты с целью исправления легких нарушений равновесия позы. Однако некоторые специальные позы, такие как удержание верхних конечностей в горизонтальном положении, требуют значительных статических усилий. В большинстве случаев при удержании груза или сохранении позы противодействующей силой является сила тяжести. В некоторых случаях статическое сокращение может быть направлено на преодоление другой внешней силы. Особенностью статической работы является то, что при ней функционируют одни и те же мышечные группы. Это ведет к чрезвычайно быстрому утомлению их, в основном из-за ухудшения питания. Поэтому необходимо стремиться в любой работе свести статический компонент к минимуму.