Механические свойства костей и суставов в биомеханике

Рычаги в биокинематических цепях. Механические свойства костей и суставов

Биомеха́ника — раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления. Биомеханические исследования охватывают различные уровни организации живой материи: биологические макромолекулы, клетки, ткани, органы, системы органов, а также целые организмы и их сообщества. Чаще всего объектом исследования этой науки, является движение животных и человека, а также механические явления в тканях, органах и системах. Под механическим движением понимается движение всей биосистемы в целом, а также движение отдельных частей системы относительно друг друга — деформация системы. Все деформации в биосистемах, связаны с биологическими процессами, которые играют решающую роль в движениях животных и человека. Это сокращение мышцы, деформация сухожилия, кости, связок, фасций, движения в суставах. Отдельным направлением биомеханики является – биомеханика дыхательного аппарата, его эластичное и неэластичное сопротивление, кинематика (то есть геометрическая характеристика движения) и динамика дыхательных движений, а также другие стороны деятельности дыхательного аппарата в целом и его частей (лёгких, грудной клетки); биомеханика кровообращения изучает упругие свойства сосудов и сердца, гидравлическое сопротивление сосудов току крови, распространение упругих колебаний по сосудистой стенке, движение крови, работу сердца и др. Биомеханика человека — наука комплексная, она включает в себя самые разнообразные знания других наук, таких как: механика и математика, функциональная анатомия и физиология, возрастная анатомия и физиология, педагогика и теория физической культуры.

Рычаги в биокинематических цепях

Костные рычагизвенья тела, подвижно соединенные в суставах под действием приложенных сил,могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние.

Все силы, приложенные к звену как рычагу, можно объединить в две группы: а) силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычага (они не могут повлиять на движение вокруг этой оси) и б) силы или их составляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси рычага (они могут влиять на движение вокруг оси в двух противоположных направлениях). Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходу движения (движущие) и против него (тормозящие).

Когда группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода, а когда по одну сторону — одноплечим, или рычагом второго рода. Для разных мышц, прикрепленных в разных местах костного звена, рычаг может быть разного рода. Так, относительно своих сгибателей предплечье (при работе против веса груза) представляет собой одноплечий рычаг; относительно же мышц-разгибателей (при удержании груза над головой) — двуплечий рычаг.

При преодолевающих движениях сила сокращающихся мышц (их равнодействующая тяга) — движущая сила, при уступающих движениях сила растягиваемых мышц (их равнодействующая тяга) — тормозящая. Силы сопротивления направлены противоположно действию мышц.

Каждый рычаг имеет следующие элементы:

а) точку опоры (0),

б) точки приложения сил,

в) плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил — l ),

г) плечи сил (расстояния от точки опоры до линий действия сил — опущенные на них перпендикуляры— d ).

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры (произведение силы на ее плечо).

Костные рычаги: а — двуплечий, 6 — одноплечий; вращающая составляющая (Ft) и укрепляющая (FH) силы при углах ее приложения: в — в прямом, г — тупом, д — остром

Механические свойства костей и суставов

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.

Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН.

Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.

Прочность суставов, как и прочность костей, небеспредельна. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см 2 . При более высоком давлении прекращается смазка суставного хряща и увеличивается опасность его механического стирания.

Аспекты рукопашного боя

Динамика движений человека

Как мы узнали на прошлой лекции, динамика рассматривает влияние взаимодействия между телами на их механическое движение. При этом надо различать:

динамику поступательного движения, или динамику материальной точки, и
динамику вращательного движения, или динамику твердого тела.

Силой называется некоторая физическая величина, выражающая взаимодействие между рассматриваемым телом и другими телами или полями. Поэтому все силы можно разделить на две основных категории: силы, проявляющиеся при непосредственном взаимодействии тел, и силы, которые действуют без непосредственного контакта. Ко второй категории относятся силы от полей: гравитационного, электромагнитного и других.

Ускорение тела пропорционально силе, действующей на тело: F

a. Тогда отношение величины силы, действующей на тело, к приобретенному телом ускорению, постоянно для данного тела и называется массой тела: масса = сила/ускорение.

Масса тела является неизменной характеристикой данного тела, не зависящей от его местоположения. Масса характеризует два свойства тела:

1) Инерцию: тело изменяет состояние своего движения только под воздействием внешней силы.

2) Тяготение: между телами действуют силы гравитационного притяжения.

Не путать массу тела (мера инертности) с весом тела (силой с которой оно давит на опору). Простой пример – поведение тел в невесомости. Тогда тела не имеют веса (невесомость), но наличие массы не отменяет выполнения законов Ньютона.

Масса характеризует инертность тела при поступательном движении. При вращении инертность зависит не только от массы, но и от того, как распределена эта масса относительно оси вращения. Чем больше расстояние до оси вращения, тем больше вклад в инертность тела. Количественной мерой инертности тела при вращательном движении служит момент инерции:

где Rин – радиус инерции – среднее расстояние от оси вращения (например, от оси сустава) до материальных точек тела.

Сила, приложенная к твердому телу, которое может вращаться вокруг некоторой точки, создает момент силы. Момент силы M равен векторному произведению радиус-вектора r на силу F:

M = r x F = rF sin (r;F) .

Если на тело, которое может вращаться вокруг какой-либо точки, действуют одновременно несколько сил, то для сложения моментов этих сил следует воспользоваться правилом сложения моментов.

Другой физической величиной, связывающей движение тела с его инертностью, является импульс тела – произведение массы тела на его скорость p=mv. Для импульса справедлив закон сохранения, т.е. полный импульс замкнутой системы остается постоянным. Полный импульс такой системы представляет векторную сумму всех импульсов.

Для твердого тела вследствие вращения вокруг некоторой оси появляется момент количества движения (угловой момент, момент импульса) – произведение момента инерции тела на его угловую скорость: L = J w. Изменение углового момента (при неизменном моменте инерции тела) может произойти только вследствие изменения угловой скорости и всегда обусловлено действием момента силы.

Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, не вызывающих вращение тела. В поле тяготения центр масс совпадает с центром тяжести. Положение общего центра масс тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. Для человека это зависит от его позы, т.е. пространственного положения элементов тела.

В человеческом теле около 70 звеньев, но для биомеханического моделирования чаще всего достаточно 15-звенной модели человеческого тела (например, голова, бедро, стопа, кисть и т.д.). Зная, каковы массы и моменты инерции звеньев тела и где расположены их центры масс, можно решить многие задачи биомеханики, в том числе:

1) определить импульс тела;

2) определить момент количества движения, при этом надо учитывать, что величины моментов относительно разных осей неодинаковы;

3) оценить, легко или трудно управлять скоростью тела или отдельного звена;

4) определить степень устойчивости тела и т.д.

Простой пример применения этой теории. Фигурист может заставить себя вращаться быстрее, обнимая себя руками, или медленнее, расставляя руки в стороны. Во втором случае масса тела остается постоянной, но увеличивается радиус инерции и, следовательно, момент инерции и общая инертность тела.

Звенья тела как рычаги и маятники

Разбиение тела человека на звенья позволяет представить эти звенья как механические рычаги и маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).

Рычаг характеризуется расстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения. Рычаги бывают первого и второго рода.

Рычаг первого рода или рычаг равновесия состоит только из одного звена. Пример – крепление черепа к позвоночнику.

Рычаг второго рода характеризуется наличием двух звеньев. Условно можно выделить рычаг скорости и рычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычаг скорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример – локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе. Пример – стопа на пальцах.

Поскольку тело человека выполняет свои движения в трехмерном пространстве, то его звенья характеризуются степенями свободы, т.е. возможностью совершать поступательные и вращательные движения во всех измерениях. Если звено закреплено в одной точке, то оно способно совершать вращательные движения и мы можем сказать, что оно имеет три степени свободы.

Закрепление звена приводит к образованию связи, т.е. связанному движению закрепленного звена с точкой закрепления.

Поскольку руки и ноги человека могут совершать колебательные движения, то к механике их движения применимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основные вывод их них – собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но зависит от его длины (при увеличении длины частота колебаний уменьшается).

Делая частоту шагов при ходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной (т.е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенный рост работоспособности. Простой пример: при беге высокий спортсмен имеет большую длину шага и меньшую частоту шагов, чем более низкорослый спортсмен, при равной с ним скорости передвижения.

Механические свойства костей и суставов

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.

Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН.

Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.

Прочность суставов, как и прочность костей, небеспредельна. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см 2 . При более высоком давлении прекращается смазка суставного хряща и увеличивается опасность его механического стирания.

Биомеханические свойства мышц

Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий.

К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию.

Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги.

Упругость мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации. При этом мышцу можно сравнить с пружиной: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явление широко используется в спорте. Например, в хлесте предварительно растягиваются и параллельный, и последовательный упругий компонент мышц, чем накапливается энергия. Запасенная таким образом энергия в финальной части движения (толкания, метания и т.д.) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию).

Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, согласно которому удлинение пружины нелинейно зависит от величины растягивающей силы. Кривую поведения мышцы в этом случае называют “сила-длина”. Зависимость между силой и скоростью мышечного сокращения (“сила-скорость”) называют кривой Хилла.

Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: Кж=DF/Dl (Н/м).

Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости: Кп=Dl /DF (м/Н) – показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н.

Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0.1 до 0.3 Н/мм2. Предел прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм2. Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать.

Релаксация – свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во время глубокого приседа спортсмен делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.

Существует два вида группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.

Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, при сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.

Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая – уступающую. Существованием мышц-антагонистов обеспечивается:

1. высокая точность двигательных действий;

2. снижение травматизма.

вверх

Механические свойства костей и суставов

Механические свойства костей и суставов – Лекция, раздел Механика, Лекции по Биомеханике Механические Свойства Костей Определяются Их Разнообразными Функциями;.

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.

Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН.

Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.

Прочность суставов, как и прочность костей, небеспредельна. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см 2 . При более высоком давлении прекращается смазка суставного хряща и увеличивается опасность его механического стирания.

Эта тема принадлежит разделу:

Лекции по Биомеханике

На сайте allrefs.net читайте: “лекции по биомеханике”

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Механические свойства костей и суставов

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Предмет и история биомеханики
Для правильной подготовки спортсменов высокой квалификации тренер должен владеть глубокими знаниями по основным естественным дисциплинам. К их числу относятся: физика, биология и химия. Со стороны

Кинематика движений человека
Механика занимается рассмотрением простейшей формы движения материи – механической. Такое движение состоит в изменении взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени. Пр

Динамика движений человека
Как мы узнали на прошлой лекции, динамика рассматривает влияние взаимодействия между телами на их механическое движение. При этом надо различать: динамику поступательного движения, и

Звенья тела как рычаги и маятники
Разбиение тела человека на звенья позволяет представить эти звенья как механические рычаги и маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки о

Биомеханические свойства мышц
Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибри

Механическая работа и энергия при движениях человека
Если на частицу подействовать силой F и переместить ее на расстояние s, то сила совершит работу A = Fs = F s cos(F;

Движения вокруг осей
Как мы уже знаем, тело человека можно разбить на 15 звеньев, которые имеют ме­жду собой сочленения и представляются рычагами или маятниками. Поэтому одним из основных является интерес биомеханики к

Локомоторные движения
У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды. Среди передвижений относительно опоры (наземных передвижений) наибольш

Биодинамика прыжка
В прыжках расстояние преодолевается полетом. При этом достигается либо наибольшая длина прыжка (прыжок в длину с разбега, тройной прыжок), либо наибольшая высота (прыжок в высоту с разбега, прыжок

Отталкивание
Отталкивание от опоры в прыжках совершается за счет выпрямления толчковой ноги, маховых движений рук и туловища. Задача отталкивания – обеспечить максимальную величину вектора начальной скорости ОЦ

Биодинамика передвижения с механическим преобразованием энергии
Передача усилий при педалировании Велосипед как аппарат для передачи усилий на опору создает особые условия для приложения усилий велосипедиста и использования внешних сил.

Передача усилий при академической гребле
Самым характерным в академической гребле является значительное перемещение гребца относительно лодки посредством подвижного сиденья (банки), перемещающегося на роликах вдоль продольной оси лодки на

Перемещающиеся движения
Перемещающимися в биомеханике называют движения, задача которых – перемещение какого-либо тела (снаряда, мяча, соперника, партнера). Перемещающие движения разнообразны. Примерами в

Полет спортивных снарядов
Траектория (в частности, дальность) полета снаряда определяется: а) начальной скоростью вылета, б) углом вылета, в) местом (высотой) выпуска снаряда, г) вращением снаряда и

Сила действия в перемещающих движениях
Сила действия в перемещающих движениях обычно проявляется конечными звеньями многозвенной кинематической цепи. При этом отдельные звенья могут взаимодействовать двумя способами: 1. Паралле

Скорость в перемещающих движениях
необходимо определенное сочетание во времени движений отдельных звеньев тела (рис. 100). Каждое из этих звеньев участвует во вращательном движении относительно оси сустава и в поступательном движен

Точность в перемещающих движениях
Под точностью движения понимают степень его близости требованиям двигательного задания. Вообще говоря, любое движение может быть выполнено лишь в том случае, если оно достаточно точно. Если, наприм

Основы теории удара
Ударом в механике называется кратковременное взаимодействие тел, в результате которого резко изменяются их скорости. При таких взаимодействиях возникают столь большие силы, что действием всех можно

Биомеханика ударных действий
Ударными в биомеханике называются действия, результат которых достигается механическим ударом. В ударных действиях различают: 1. Замах – движение, предшествующее ударному движению и привод

Телосложение и моторика человека
Как двигательные возможности людей, так и многие индивидуальные черты спортивной техники в значительной степени зависят от особенностей телосложения. К ним в первую очередь относят: а) тот

Роль созревания и научения в онтогенезе моторики
Два основных фактора определяют развитие моторики – созревание и научение. Созреванием называются наследственно обусловленные изменения анатомического строения и физиологических функций орга

Двигательный возраст
Если измерить результаты в каких-либо двигательных заданиях большой группы детей одного возраста, то можно определить средние достижения, которые они показывают. Зная затем результаты отдельного ре

Прогноз развития моторики
При начальном выборе спортивной специализации, отборе в ДЮСШ и некоторые специальные школы (балетную, цирковую и др.) встает задача прогноза двигательной одаренности. Как порекомендовать ребенку им

В.Л. УТКИН “БИОМЕХАНИКА ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ” ГЛАВА 2 “ДВИГАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ЧЕЛОВЕКА”

Двигательный аппарат человека — это самодвижущийся механизм, состоящий из 600 мышц, 200 костей, нескольких сотен сухожилий. Эти цифры приблизительны, поскольку некоторые кости (например, кости позвоночного столба, грудной клетки) срослись друг с другом, а многие мышцы имеют несколько головок (например, двуглавая мышца плеча, четырехглавая мышца бедра) или делятся на множество пучков (дельтовидная, большая грудная, прямая мышца живота, широчайшая мышца спины и многие другие). Считается, что двигательная деятельность человека сравнима по сложности с человеческим мозгом — самым совершенным созданием природы. И подобно тому как изучение мозга начинают с исследования его элементов (нейронов), так и в биомеханике прежде всего изучают свойства элементов двигательного аппарата.

Двигательный аппарат человека — это самодвижущийся механизм, состоящий из 600 мышц, 200 костей, нескольких сотен сухожилий. Эти цифры приблизительны, поскольку некоторые кости (например, кости позвоночного столба, грудной клетки) срослись друг с другом, а многие мышцы имеют несколько головок (например, двуглавая мышца плеча, четырехглавая мышца бедра) или делятся на множество пучков (дельтовидная, большая грудная, прямая мышца живота, широчайшая мышца спины и многие другие). Считается, что двигательная деятельность человека сравнима по сложности с человеческим мозгом — самым совершенным созданием природы. И подобно тому как изучение мозга начинают с исследования его элементов (нейронов), так и в биомеханике прежде всего изучают свойства элементов двигательного аппарата.

Двигательный аппарат состоит из звеньев. Звеном называется часть тела, расположенная между двумя соседними суставами или между суставом и дистальным концом. Например, звеньями тела являются: кисть, предплечье, плечо, голова и т. д.

ГЕОМЕТРИЯ МАСС ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

Геометрией масс называется распределение масс между звеньями тела и внутри звеньев. Геометрия масс количественно описывается масс-инерционными характеристиками. Важнейшие из них — масса, радиус инерции, момент инерции и координаты центра масс.

Масса (т) —это количество вещества (в килограммах), содержащееся в теле или отдельном звене.

Вместе с тем масса — это количественная мера инертности тела по отношению к действующей на него силе. Чем больше масса, тем инертнее тело и тем труднее вывести его из состояния покоя или изменить его движение.

Массой определяются гравитационные свойства тела. Вес тела (в Ньютонах)

ускорение свободнопадающего тела.

Масса характеризует инертность тела при поступательном движении. При вращении инертность зависит не только от массы, но и от того, как она распределена относительно оси вращения. Чем больше расстояние от звена до оси вращения, тем больше вклад этого звена в инертность тела. Количественной мерой инертности тела при вращательном движении служит момент инерции:

где Rин — радиус инерции — среднее расстояние от оси вращения (например, от оси сустава) до материальных точек тела.

Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, приводящих тело к поступательному движению и не вызывающих вращения тела. В поле гравитации (когда действует сила тяжести) центр масс совпадает с центром тяжести. Центр тяжести — точка, к которой приложена равнодействующая сил тяжести всех частей тела. Положение общего центра масс тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. А это зависит от позы, т. е. от того, как части тела расположены друг относительно друга в пространстве.

В человеческом теле около 70 звеньев. Но столь подробного описания геометрии масс чаще всего и не требуется. Для решения большинства практических задач достаточно 15-звенной модели человеческого тела (рис. 7). Понятно, что в 15-звенной модели некоторые звенья состоят из нескольких элементарных звеньев. Поэтому такие укрупненные звенья правильнее называть сегментами.

Цифры на рис. 7 верны для “среднего человека”, они получены путем усреднения результатов исследования многих людей. Индивидуальные особенности человека, и в первую очередь масса и длина тела, влияют на геометрию масс.

Рис. 7. 15 — звенная модель человеческого тела: справа — способ деления тела на сегменты и масса каждого сегмента (в % к массе тела); слева — места расположения центров масс сегментов (в % к длине сегмента)— см. табл. 1 (по В. М. Зациорскому, А. С. Аруину, В. Н. Селуянову)

В. Н. Селуянов установил, что массы сегментов тела можно определить с помощью следующего уравнения:

где mх — масса одного из сегментов тела (кг), например стопы, голени, бедра и т. д.; m —масса всего тела (кг); H —длина тела (см); В, В1, В2 — коэффициенты регрессионного уравнения, они различны для разных сегментов (табл. 1).

Примечание. Величины коэффициентов округлены и верны для взрослого мужчины.

Для того чтобы уяснить, как пользоваться таблицей 1 и другими подобными таблицами, вычислим, например, массу кисти человека, у которого масса тела равна 60 кг, а длина тела 170 см.

Коэффициенты уравнения для вычисления массы сегментов тела по массе (т) и длине (Я) тела

Стопа
Голень
Бедро
Кисть
Предплечье
Плечо
Голова
Верхняя часть туловища
Средняя часть туловища
Нижняя часть туловища

Масса кисти = – 0,12 + 0,004х60+0,002х170 = 0,46 кг. Зная, каковы массы и моменты инерции звеньев тела и где расположены их центры масс, можно решить много важных практических задач. В том числе:

— определить количество движения, равное произведению массы тела на его линейную скорость (m·v);

определить кинетический момент, равный произведению момента инерции тела на угловую скорость (Jw); при этом нужно учитывать, что величины момента инерции относительно разных осей неодинаковы;

— оценить, легко или трудно управлять скоростью тела или отдельного звена;

— определить степень устойчивости тела и т. д.

Из этой формулы видно, что при вращательном движении относительно той же оси инертность человеческого тела зависит не только от массы, но и от позы. Приведем пример.

На рис. 8 изображена фигуристка, выполняющая вращение. На рис. 8, А спортсменка вращается быстро и делает около 10 оборотов в секунду. В позе, изображенной на рис. 8, Б, вращение резко замедляется и затем прекращается. Это происходит потому, что, отводя руки в стороны, фигуристка делает свое тело инертнее: хотя масса (m) остается той же, увеличивается радиус инерции (Rин) и, следовательно, момент инерции.

Рис. 8. Замедление вращения при изменении позы: А — меньшая; Б — большая величина радиуса инерции и момента инерции, который пропорционален квадрату радиуса инерции ( I=m · R ин )

Еще одной иллюстрацией сказанному может быть шуточная задача: что тяжелее (точнее, инертнее)—килограмм железа или килограмм ваты? При поступательном движении их инертность одинакова. При круговом движении труднее перемещать вату. Ее материальные точки дальше отстоят от оси вращения, и поэтому момент инерции значительно больше.

ЗВЕНЬЯ ТЕЛА КАК РЫЧАГИ И МАЯТНИКИ

Биомеханические звенья представляют собой своеобразные рычаги и маятники.

Как известно, рычаги бывают первого рода (когда силы приложены по разные стороны от точки опоры) и второго рода. Пример рычага второго рода представлен на рис. 9, А: гравитационная сила (F1) и противодействующая ей сила мышечной тяги (F2) приложены по одну сторону от точки опоры, находящейся в данном случае в локтевом суставе. Подобных рычагов в теле человека большинство. Но есть и рычаги первого рода, например голова (рис. 9, Б) и таз в основной стойке.

Задание: найдите рычаг первого рода на рис. 9, А.

Рычаг находится в равновесии, если равны моменты противодействующих сил (см. рис. 9,А):

F2 —сила тяги двуглавой мышцы плеча; l2 короткое плечо рычага, равное расстоянию от места прикрепления сухожилия до оси вращения; α — угол между направлением действия силы и перпендикуляром к продольной оси предплечья.

Рычажное устройство двигательного аппарата дает человеку возможность выполнять дальние броски, сильные удары и т. п. Но ничто на свете даром не дается. Мы выигрываем в скорости и мощности движения ценой увеличения силы мышечного сокращения. Например, для того чтобы, сгибая руку в локтевом суставе, перемещать груз массой 1 кг (т. е. с силой тяжести 10 Н) так, как показано на рис. 9, Л, двуглавая мышца плеча должна развить силу 100—200 Н.

“Обмен” силы на скорость тем более выражен, чем больше соотношение плеч рычага. Проиллюстрируем это важное положение примером из гребли (рис. 10). Все точки весла-тела, движущегося вокруг оси, имеют одну и ту же угловую скорость

Но их линейные скорости неодинаковы. Линейная скорость (v) тем выше, чем больше радиус вращения (г):

Следовательно, для увеличения скорости нужно увеличивать радиус вращения. Но тогда придется во столько же раз увеличить и силу, прикладываемую к веслу. Именно поэтому длинным веслом труднее грести, чем коротким, бросить тяжелый предмет на дальнюю дистанцию труднее, чем на близкую, и т. д. Об этом знал еще Архимед, руководивший обороной Сиракуз от римлян и изобретавший рычажные приспособления для метания камней.

Руки и ноги человека могут совершать колебательные движения. Это делает наши конечности похожими на маятники. Наименьшие затраты энергии на перемещение конечностей имеют место, когда частота движений на 20— 30% больше частоты собственных колебаний руки или ноги:

где (g=9,8 м/с 2 ; l — длина маятника, равная расстоянию от точки подвеса до центра масс руки или ноги.

Эти 20—30% объясняются тем, что нога не является однозвенным цилиндром, а состоит из трех сегментов (бедра, голени и стопы). Обратите внимание: собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но уменьшается при увеличении длины маятника.

Делая частоту шагов или гребков при ходьбе, беге, плавании и т. п. резонансной (т. е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии.

Замечено, что при наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенно повышенную физическую работоспособность. Это полезно учитывать не только при тренировке спортсменов, но и при проведении физкультурных занятий в школах и группах здоровья.

Любознательный читатель может спросить: чем объясняется высокая экономичность движений, выполняемых с резонансной частотой? Это происходит потому, что колебательные движения верхних и нижних конечностей сопровождаются рекуперацией механической энергии (от лат. recuperatio — получение вновь или повторное использование). Простейшая форма рекуперации — переход потенциальной энергии в кинетическую, затем снова в потенциальную и т. д. (рис. 11). При резонансной частоте движений такие преобразования осуществляются с минимальными потерями энергии. Это означает, что метаболическая энергия, однажды созданная в мышечных клетках и перешедшая в форму механической энергии, используется многократно — и в этом цикле движений, и в последующих. А если так, то потребность в притоке метаболической энергии уменьшается.

Рис. 11. Один из вариантов рекуперации энергии при циклических движениях: потенциальная энергия тела (сплошная линия) переходит в кинетическую (пунктир), которая вновь преобразуется в потенциальную и способствует переходу тела гимнаста в верхнее положение; цифры на графике соответствуют пронумерованным позам спортсмена

Благодаря рекуперации энергии выполнение циклических движений с темпом, близким к резонансной частоте колебаний конечностей,— эффективный способ сохранения и накопления энергии. Резонансные колебания способствуют концентрации энергии, и в мире неживой природы они иногда небезопасны. Например, известны случаи разрушения моста, когда по нему шло воинское подразделение, четко отбивая шаг. Поэтому по мосту положено идти не в ногу.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТЕЙ И СУСТАВОВ

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции.

Кости черепа, грудной клетки и таза защищают внутренние органы. Опорную функцию костей выполняют кости конечностей и позвоночника.

Кости ног и рук продолговатые и трубчатые. Трубчатое строение костей обеспечивает противодействие значительным нагрузкам и вместе с тем в 2—2,5 раза снижает их массу и значительно уменьшает моменты инерции.

Различают четыре вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

При растягивающей продольной силе кость выдерживает напряжение 150 Н/мм 2 . Это в 30 раз больше, чем давление, разрушающее кирпич. Установлено, что прочность кости на растяжение выше, чем у дуба, и почти равна прочности чугуна.

При сжатии прочность костей еще выше. Так, самая массивная кость— большеберцовая выдерживает вес 27 человек. Предельная сила сжатия составляет 16000— 18000 Н.

При изгибе кости человека также выдерживают значительные нагрузки. Например, силы 12000 Н (1,2 т) недостаточно, чтобы сломать бедренную кость. Подобный вид деформации широко встречается и в повседневной жизни, и в спортивной практике. Например, сегменты верхней конечности деформируются на изгиб при удержании положения “крест” в висе на кольцах.

При движениях кости не только растягиваются, сжимаются и изгибаются, но также и скручиваются. Например, при ходьбе человека моменты скручивающих сил могут достичь 15 Нм. Эта величина в несколько раз меньше предела прочности костей. Действительно, для разрушения, например, большеберцовой кости момент скручивающей силы должен достичь 30—140 Нм (Сведения о величинах сил и моментов сил, приводящих к деформации костей, приблизительны, а цифры, по-видимому, занижены, поскольку получены преимущественно на трупном материале. Но и они свидетельствуют о многократном запасе прочности человеческого скелета. В некоторых странах практикуется прижизненное определение прочности костей. Такие исследования хорошо оплачиваются, но приводят к увечьям или гибели испытателей и потому антигуманны).

Величины силы, действующей на головку бедренной кости

(по X. А. Янсону, 1975 г., переработано)

Вид двигательной деятельности

Величина силы (по Вид двигательной деятельности отношению к силе тяжести тела)

Биомеханика костей

Кость – материал, который отличает позвоночных от других животных, совершенствовался на протяжении нескольких сотен миллионов лет эволюции животного мира, включая человека. Кость сочетает в себе прочность железного бруска и легкость древесины. Кость является совершенным биоматериалом, который способен приспосабливаться к нагрузкам и самостоятельно восстанавливать свою структуру при повреждении или перегрузке.

– структурная поддержка для сердца, легких и внутренностей;

– защита мозга, органов малого таза и других внутренних органов;

– место прикрепления мышц, позволяющих движение сегментов тела;

– минеральное депо для кальция и фосфора;

– защита против закисления организма (источник щелочных буферных систем).

Детоксикация организма за счет депонирования некоторых опасных элементов, таких как свинец, радиоактивный стронций.

Существует два вида костной структуры: трабекулярная (губчатая) и кортикальная (трубчатая). Губчатая кость наиболее устойчива к деформациям и образует суставный отдел кости, там, где кость испытывает нагрузку самого разного направления. Архитектоника губчатого вещества, расположение, направление и толщина отдельных балок и пластинок подчиняются законам механики. Главное направление более толстых балок совпадает с силовыми линиями или траекториями. Поэтому лучше всего видны на снимке те пластинки, которые лежат в направлении, где костная ткань выдерживает максимальную статическую или динамическую нагрузку и испытывает наибольшее мышечное действие, сдавление и растяжение (рис. 21,Б).

Рис. 21. Трабекулярная и кортикальная структуры кости. А – фронтальный срез верхней части бедренной кости. Б – рентгеновский снимок верхней трети бедренной кости (видны силовые линии). В – скиаграмма бедренной кости. Распределение силовых линий

Микроструктура кости представляет собой так называемую систему гаверсовых каналов, которые включает в себя каналы для снабжения кости кровью и концентрические слои кости вокруг центрального канала. Пространство между гаверсовыми системами образуют костные балки, между которыми расположены костные клетки – остеоциты (рис. 22).

Рис. 22. Микрофото кортикального слоя кости. Гаверсовы системы кости. Центральные каналы (обозначено стрелкой). Маленькие черные точки между гаверсовыми системами – остеоциты

Известно, что полые (пустотелые) цилиндрические или профильные конструкции, при относительно небольшой массе обладают наибольшим моментом сопротивления изгибу и скручиванию.

Трубчатая кость имеет форму цилиндра, при этом прочность кости определяется диаметром цилиндра и площадью сечения. На рисунке 23 изображены 3 упругих модуля с одинаковой площадью сечения и с различным диаметром, модули B и C – пустотелые.

Рис. 23. Способность противостоять изгибу различных упругих модулей с равной площадью сечения

На кость действуют два вида сил: направленные вдоль механической оси прочности (сжатие и растяжение) и направленные поперечно продольной оси – срезывающие силы (сдвиг, изгиб, скручивание или торсия). Силовые воздействия, вызывающие напряжение и деформацию кости называются нагрузкой или механическим напряжением – это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием внешних воздействий.

Механическое напряжение в точке тела измеряется отношением: упругой силы, возникающей в теле при деформации; к площади малого элемента сечения, перпендикулярного к этой силе.

Математически нагрузка выражается силой приложенной к площади нагружаемого объекта и измеряется в Н/м2 или в Паскалях. 10 н/м2=1 миллиону Паскалей (1МПa). Прочность – свойство твердых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок (рис. 24, 25).

Рис. 24. Виды нагрузки: компрессия, растяжение, скручивание (срезывающая нагрузка)

Рис. 25. Кривая нагрузки – деформация кости

Различают эластическую деформацию (обратимую деформацию кости) и пластическую (деформация, которая не исчезает после прекращения воздействия), которая развивается в результате механического напряжения. Упругость (эластическая деформация) – свойство тел восстанавливать свои размеры, форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел.

При возрастании нагрузки на кость в кости возникает механическое напряжение, которое приводит вначале к эластической деформации, а затем к пластической. В случае предельной нагрузки кость разрушается – происходит перелом кости (рис. 26).

Рис. 26. Риск перелома кости в зависимости от величины и повторяемости нагрузки

Нарушение структуры кости могут возникать и при небольших нагрузках, в том случае если эти нагрузки многократно повторяются длительное время. Такой нагрузкой может быть, например, продолжительная ходьба. Переломы костей, возникающие при продолжительной периодической нагрузке, называют стрессовыми переломами. Хорошо известны так называемые «маршевые переломы», – переломы костей стопы, возникающие при длительной ходьбе в неприспособленной обуви. Стрессовые переломы чаще всего возникают в костях нижних конечностей, переломы чаще всего возникают в зонах максимального напряжения кости (рис. 27).

Рис. 27. Наиболее частые зоны стрессовых переломов

Факторы, способствующие стрессовым переломам: снижение прочности кости, биомехани-ческие нарушения скелета, несоответствие структуры кости возникающим при нагрузке напряжениям, нарушение техники безопасности тренировки.

Прочность костной ткани (устойчивость к пластической деформации и переломам) зависит от уровня физической нагрузки (она выше у лиц, регулярно занимающихся физкультурой и спортом и существенно снижается при гиподинамии или иммобилизации конечности), возраста (наибольшая прочность кости – в средней возрастной группе, наблюдается у лиц среднего возраста, прочность кости ниже в подростковом возрасте за счет физиологического остеопороза растущего организма, в пожилом и старческом возрастах за счет иволютивного остеопороза). Структура кости способна к самосовершенствованию, ее структуру определяют привычные механические напряжения, кость разрастается преимущественно по направлению тяги и перпендикулярно плоскости давления.

Литература . 1 Донской Д.Д., Зациорский В.М., Биомеханика: Учеб. для ин-тов физ. культ.- М.: ФиС, 1979. – С. 38-61. 2. Назаров В.Т. Движения спортсмена Мн.: Полымя, 1984. – С. 15-29. 3. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Уч. пос. для ф-тов физвоспит. –М.: Просвещение, 1989. С. 21-32.

Движения человека в значительной мере зависят от строения тела и свойств его тела. Чрезвычайная сложность строения (206 костей – 17- парных, 36 непарных, 639 скелетных мышц, около 230 суставов) и многообразие свойств тела делают движения человека и управление ими весьма сложными, но и удивительно разнообразными. Биомеханика изучает в теле человека те особенности строения, которые существенны для совершенствования движений. При этом рассматривается упрощенная модель тела человека – биомеханическая система. Современное представление об анализе движений (техники) связано с понятием «биомеханизм» (В.Н. Селуянов с соавт., 1995). «Биомеханизм – модель части или всего опорно-двигательного аппарата, обеспечивающая достижение цели двигательного действия за счет преобразования одного вида энергии в другой». Его элементы – мышцы, суставы, кости.

Биомеханические пары и цепи (незамкнутые, замкнутые, разветвленные). Биомеханическая система состоит из биомеханических пар и цепей – подвижно соединенных частей (сегментов) тела. Биокинематическая пара – это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются строением этого соединения и управляющим воздействием мышц. Биокинематическая цепь – это последовательное (разветвленное) незамкнутое, либо замкнутое соединение ряда кинематических пар.

В незамкнутых цепях есть конечное свободное звено, входящее в одну пару. В замкнутой цепи каждое звено входит в две пары. Поэтому в незамкнутой цепи возможны изолированные движения в каждом суставе. В замкнутой цепи в движение одновременно вовлекаются все соединения.

Незамкнутая цепь может стать замкнутой, если свободное конечное звено получит связь – замкнется «на себя» или «на опору».

Степени свободы и связи в биокинематических цепях. Степень свободы – возможность выполнить движение в каком-либо направлении. Степень связи – невозможность выполнить движение в каком-либо направлении. Различают связи геометрические (постоянные препятствия, например, костные ограничения) и кинематические (ограничение скорости, например, мышцей-антагонистом).

Если у физического тела нет никаких ограничений, оно может двигаться в пространстве в трех измерениях и вращаться вокруг трех осей. Такое тело имеет 6 степеней свободы. Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Фиксация одной точки свободного тела лишает его трех степеней свободы (линейных перемещений вдоль осей координат). Закрепление двух точек оставляет одну степень свободы – вращение вокруг продольной оси тела.

Почти во всех суставах тела человека (кроме межфаланговых, лучелоктевых и атлантоосевого), степеней свободы больше, чем одна. Это обусловливает неопределенность движений, множество возможностей движений («неполносвязный механизм»).

Управляющие воздействия мышц создают дополнительные связи и оставляют для движения только одну степень свободы. Это превращает тело в «полносвязный механизм».

Звенья тела как рычаги и маятники. Основу биокинематической цепи составляют кости – твердые негибкие звенья. Костные рычаги ( звенья тела подвижно соединенные в суставах) под действием приложенных сил могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Костные рычаги служат для передачи работы и движения на расстояние. Силы, действующие на рычаг можно объединить в две группы. 1. Силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычаг, не влияют на вращение вокруг этой оси. 2. Силы или их составляющие, лежащие в плоскости перпендикулярной оси рычага, могут рассматриваться как силы движущие и как силы сопротивления (тормозящие).

Каждый рычаг имеет следующие элементы: точку опоры «О», точки приложения сил, плечи рычага ( L ) – расстояния от точки опоры до точек приложения сил, плечи сил ( d ) – расстояния от точки опоры до линии действия сил (перпендикуляры, опущенные из точки опоры на линии действия сил). F н – нормальная (перпендикулярная к направлению движения рычага в данной точке) составляющая силы F . F т – тангенциальная (касательная к направлению движения рычага в данной точке) составляющая силы F .

Рычаги в биокинематических цепях. Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры: M = Fd .

По характеру расположения оси вращения, точек приложения равнодействующей сил сопротивления ( P ), и движущих сил ( F ) различают костные рычаги трех видов:

А – рычаг первого рода (двуплечий). Б – рычаг второго рода (одноплечий), рычаг силы. В – рычаг третьего рода (одноплечий), рычаг скорости.

В теле человека практически все рычаги – это рычаги третьего рада. Исключение составляют голова, таз в положении основной стойки и стопа – рычаги первого рода.

Условия равновесия и ускорения костных рычагов. Если противоположные относительно оси сустава моменты сил равны, звено сохраняет свое положение, либо продолжает свое движение с прежней скоростью. Но если один из моментов сил больше другого, звено получает ускорение в направлении его действия. В реальных условиях равновесие встречается редко, поэтому движения выполняются с ускорением (замедлением).

Во всех движениях угол между направлением равнодействующей силы и осью звена (рычага) меняется. Плечо рычага при этом постоянно, а плечо силы меняется, меняется и сама сила. Большинство рычагов в теле человека – это рычаги скорости, работающие с проигрышем в силе. Этот проигрыш возникает по трем основным причинам: прикрепление мышцы вблизи сустава; тяга мышцы не под прямым, а под острым или тупым углом к оси рычага; напряжение мышц-антагонистов.

Биокинематические маятники. Звено, движущееся по инерции, имеет сходство с маятником. Угловое ускорение звена как маятника:

ε = M/J = Fd/mR 2 инерции .

Составные маятники ведут себя гораздо сложнее.

Биодинамика мышц. Механические свойства мышц. Биомеханические свойства мышц это их: сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксация. Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главные биомеханические показатели, характеризующие деятельность мышцы это – сила, регистрируемая на ее концах (сила тяги) и скорость изменения длины. Механические свойства мышцы обусловлены свойствами ее элементов и их расположении в мышце.

Современная модель мышцы представляет ее как комбинацию упругих и сократительных компонентов. Упругие компоненты аналогичны пружинам. Энергия упругой деформации такой пружины Пд = С( D l ) 2 /2 равна механической работе, которая была затрачена на ее растягивание.

Различают параллельные упругие компоненты – соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышцы и ее пучков. И последовательные упругие компоненты – сухожилия, места перехода миофибрилл в соединительную ткань.

Сократительные компоненты соответствуют тем участкам мышечного волокна (саркомера), где актиновые и миозиновые нити (миофиламенты) перекрывают друг друга. Именно эти участки обеспечивают изменение длины и натяжение мышцы при ее возбуждении.

Покоящаяся мышцы обладает упругими свойствами – стремится восстановить свою длину после прекращения растягивания (то есть принимает равновесную длину). При этом ее упругие силы равны нулю. В живом организме этого не наблюдается – длина мышцы всегда больше равновесной, мышцы находятся в тонусе.

При принудительном растягивании мышцы сила ее тяги изменяется неравномерно, достигая максимума при некоторой длине (длине покоя) и затем уменьшается, так как при чрезмерном удлинении уменьшается количество актин-миозиновых мостиков. Сила тяги мышцы падает не только при при значительном увеличении ее длины, но и при уменьшении (сокращении) – механизм тот же.

Упругие силы, то есть энергия упругой деформации параллельных и последовательных упругих компонентов вносит весьма значительный вклад в осуществление преодолевающего движения, так как существенно увеличивают силу сокращения мышцы.

Для мышц характерно и такое свойство как релаксация – снижение силы упругой деформации с течением времени. Если преодолевающее движение по каким-либо причинам не выполняется, то примерно через 0,12 с упругие силы превращаются в тепло и рассеиваются. Так выполнение прыжка с места (отталкивания, броска) сразу после подседа (амортизации, замаха) повышает мощность преодолевающей работы мышц. Но задержка в подседе, амортизации, замахе снижает результат в упражнении. Также известно, что повторное частое растягивание мышцы позволяет удлинить ее больше, чем одноразовое за счет рассеивания упругих сил.

Механика мышечного сокращения. По признаку «сила тяги – длина мышцы выделяют следующие режимы мышечного сокращения. Изометрический – сила тяги равна внешнему сопротивлению и длина мышцы не изменяется. Концентрический (миометрический, преодолевающий) – сила тяги больше внешнего сопротивления, мышцы укорачивается. Эксцентрический (плиометрический, уступающий) – сила тяги меньше внешних сил, мышца удлиняется.

В лабораторных условиях (при использовании специальных устройств) можно создать режим, когда мышца сокращается при неизменной силе тяги – изотонический режим.

Изолированные режимы сокращения мышц встречаются очень редко. Как правило, при выполнении бытовых и спортивных движений мышцы сокращаются в комбинированных режимах. То есть имеет место анизотонический режим, при котором мышца сначала принудительно удлиняется, затем укорачивается.

Если принять за основу модель мышцы, то следует считать, что тяга на концах мышцы возникает тогда, когда параллельные и последовательные упругие компоненты уже не в состоянии растягиваться. В пользу этого предположения говорит тот факт, что в спринтерском беге удлинение и укорочение трехглавой мышцы голени осуществляется за счет сухожилий, так как брюшко мышцы работает в изометрическом режиме (И.М. Козлов, 1983; В.С. Топчиян, 1980).

Влияние внешнего сопротивления на механические показатели мышечного сокращения. Механические характеристики мышечного сокращения зависят от величины внешнего сопротивления. При его увеличении (стимуляции) отмечается следующее. 1. Латентный период возбуждения мышцы увеличивается. Это связано с увеличением времени, необходимого для достаточного растяжения последовательно упругих компонентов, чтобы сила тяги мышцы превысила внешнее сопротивление. 2. Величина укорочения мышцы уменьшается. 3. Скорость укорочения мышцы падает.

При одной и той же степени стимуляции мышцы ее сила тяги зависит от длины мышцы в данный момент; скорости изменения длины; времени от начала стимуляции.

Зависимость энергопродукции мышечного сокращения от биомеханических показателей, преодолеваемого сопротивления и скорости. При сокращении мышцы в динамическом режиме (преодолевающем или уступающем) мышца выполняет работу явно. При сокращении в статическом режиме работы (перемещения) в физическом смысле нет, значит, нет и мощности. Поэтому предлагается рассчитывать величину мощности работы мышц по кривой «сила-скорость». Для каждого значения этой кривой мощность равна площади прямоугольника одна из вершин которого находится на кривой, а вторая – в начале координат. При этом максимальное значение мощности отмечается при значениях силы и скорости сокращения мышцы, примерно равной 1/3 от максимума.

При сокращении мышца расходует энергию, которая превращается в работу и тепло. В изометрическом режиме, когда механическая работа равна нулю, вся энергия превращается в тепло. Отношение выполненной работы ко всем затратам энергии (к.п.д.) максимально при скорости сокращения мышцы примерно равной 20% от максимума. КПД пропорционален скорости сокращения мышцы. Кроме того, возвращаясь к изометрическому сокращению мышцы следует отметить, что в чистом виде оно не существует. Несмотря на неизменную общую длину мышцы, брюшко ее укорачивается при удлинении последовательных упругих компонент.

Механические, анатомические и физиологические условия тяги мышц. Основным механическим условием, определяющим тягу мышц, является нагрузка. Она растягивает мышцу при уступающей работе, против нее мышца выполняет работу преодолевающую. С ростом нагрузки сила тяги мышцы растет, но не беспредельно. Нагрузка может быть представлена весом отягощения, силой инерции, упругости, трения. Поэтому более корректно говорить о внешнем сопротивлении.

Движение звеньев в кинематической цепи как результат тяги мышц зависит также от закрепления звеньев; соотношения движущих сил и сил сопротивления; начальных условий движения.

Из анатомических условий проявления силы тяги мышц наиболее важными являются: строение мышцы и ее расположение в данный момент времени. Физиологический поперечник (площадь сечения через все волокна) определяет суммарную тягу и величину упругой деформации волокон. расположение мышцы в каждый момент движения определяет угол ее тяги относительно костного рычага и величину растягивания, что влияет на величину момента силы тяги мышцы. При углах, отличающихся от прямого, кроме вращающей, есть и укрепляющая составляющая силы тяги. Величины вращающей и укрепляющей составляющих находятся в обратной зависимости.

Физиологические условия можно свести к возбуждению и утомлению мышцы. Кроме того, величина тяги мышцы существенно зависит от быстроты ее продольной деформации. При преодолевающей работе с ростом скорости укорочения мышцы ее сила тяги падает. При уступающей работе – наоборот. Кроме того, известно, что на ударное ускорение продолжительностью от 0,001 до 0,008 с тело человека реагирует как жесткое тело; на ускорения длительностью от 0,06 до 0,10 с – как эластическое. Это связано с длительностью латентного периода самых быстрых рефлексов, связанных с ориентацией тела человека в пространстве.

Разновидности работы мышц определяются сочетанием их силы тяги и длины. Виды работы мышц (преодолевающая, уступающая, статическая) определяются только характером изменения длины всей мышцы: укорочением, удлинением, сохранением. Для каждого из этих трех случаев существует возможность как минимум трех вариантов изменения силы тяги: увеличение, уменьшение, сохранение. Отсюда выделяют 9 типичных разновидностей работы мышц.

Читайте также:  Плечевой сустав тип сустава
Ссылка на основную публикацию