Опорно двигательный аппарат человека

Элементы механики опорно двигательного аппарата человека

Опорно двигательный аппарат человека состоит из сочлененных между собой костей скелета, к которым в определенных точках прикрепляются мышцы. Кости скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях, и приводятся в движение силой тяги мышц, возникающей при их сокращении.

Рычагом называется твердое тело (обычно прямой стержень), имеющее неподвижную ось вращения, к которому приложены силы, создающие моменты относительно этой оси. Различают три вида рычага в зависимости от взаимного расположения действующей силы F, силы R (преодолеваемое сопротивление) и точки опоры О.

Силы действующие на аппарат

1. Силы приложены по обе стороны от точки опоры (рис., б). Условие равновесия рычага: Fa=Rb. Например, череп, рассматриваемый в сагиттальной плоскости (рис. , а). Ось О вращения рычага проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы R, приложенная в центре масс черепа — несколько позади турецкого седла, позади — сила F тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.
2. Силы приложены по одну сторону от точки опоры; рычаг имеет две разновидности:

1. Сила F приложена на конце рычага, сила R ближе к точке опоры (рис. 2, а).Условие равновесия: Fa=Rb, но а >b, следовательно, F<R, т. е. рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в перемещении и называется рычагом силы. Пример — действие свода стопы при подъеме на полупальцы (рис. 22, б). Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила — вес всего тела — приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила F, осуществляющая подъем тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости;
2. Сила F приложена ближе к точке опоры, чем сила R (рис. 3, а). Условие равновесия Fa=Rb, но а < b, следовательно, F>R_t т. е. рычаг дает проигрыш в силе за счет выигрыша в перемещении и называется рычагом скорости. Пример — кости предплечья (рис. 3, б). Точка опоры находится в локтевом суставе. Действующая сила F — сила мышц, сгибающих предплечье, сила сопротивления R — сила тяжести поддерживаемого груза, приложенная обычно к кисти, а также собственный вес предплечья (приложен в его центре масс).

В опорно-двигательном аппарате мышечная сила F часто деист под углом а к оси рычага, отличным от прямого (рис. 24, а), причем этот угол изменяется по мере вращения рычага в точке опоры. Условие равновесия рычага в этом случае

F sin α • а = R • b, откуда F = R (b/a sin α)

т. е. мышечная сила F, необходимая для преодоления данной силы R сопротивления, должна быть тем больше, чем под меньшим углом к оси рычага она направлена. Поэтому, например, человек, удерживая относительно большой груз при согнутом предплечье (рис. 3, б),может удержать только значительно меньший — при разогнутом.

Кости опорно-двигательного аппарата соединяются между собой в сочленениях или суставах. Концы костей, образующих сустав, удерживаются вместе с помощью плотно охватывающей их суставной сумки, а также прикрепленных к костям связок. Для  уменьшения трения соприкасающиеся поверхности костей покрыты гладким хрящом и между ними имеется тонкий слой клейкой жидкости.

Число степеней свободы перемещения

Основной механической характеристикой сустава является число степеней свободы перемещения. Это число показывает количество независимых направлений, в которых могут взаимно перемещаться кости, образующие сочленение. Обусловлено оно главным образом геометрической формой поверхности костей, соприкасающихся в суставе.

Свободное твердое тело имеет шесть степеней свободы, так как может перемещаться поступательно по трем взаимно перпендикулярным направлениям в пространстве, а также вращаться вокруг трех неподвижных осей, параллельных этим направлениям. Твердое тело, закрепленное в одной точке, имеет только три степени свободы (вращение в трех взаимно перпендикулярных направлениях), а тело, закрепленное на неподвижной оси, — только одну степень свободы (вращение вокруг этой оси).

Максимальное число степеней свободы в суставах — три, поэтому различают суставы с одной, двумя и тремя степенями свободы.

Примером сустава с одной степенью свободы (плоское сочленение) является плече-локтевой сустав (см. рис. 3).Локтевая кость с помощью полукруглой выемки охватывает выступ на плечевой кости, который и служит осью сустава. Движения в суставе — сгибание и разгибание в плоскости, перпендикулярной оси сустава.

Суставом, имеющим две степени свободы, является, например, лучеза-пястный сустав, в котором осуществляется сгибание и разгибание, а также, хотя и в меньшем объеме движения, приведение и отведение кисти.

К суставам с тремя степенями свободы (пространственное сочленение) относятся тазобедренное и лопаточно-плечевое сочленения. В последнем шаровидная головка плечевой кости входит в сферическую впадину выступа лопатки. Движения в суставе — сгибание и разгибание (в сагиттальной плоскости), приведение и отведение (во фронтальной плоскости) и вращение руки вокруг продольной оси.

Мышцы составляют активную часть опорно-двигательного аппарата. Под действием импульсов, идущих из центральной нервной системы, они сокращаются, т. е. уменьшают свою длину и при этом развивают определенную силу тяги, которая в точках прикрепления мышцы передается костям скелета (мышца может развивать усилие и без изменения длины, такое сокращение мышцы называется изометрическим).

Максимальная сила

Максимальная сила, развиваемая мышцей, прямо пропорциональна количеству мышечных волокон, входящих в состав данной мышцы. Кроме того, она зависит от ряда физиологических условий (возраст, тренировка, степень утомления и т. п.). Абсолютной мышечной силой называют силу в ньютонах, приходящуюся на 1 см² общего поперечного сечения мышечных волокон, образующих данную мышцу, например для икроножной мышцы человека это в среднем 60 н/см², для двуглавой мышцы плеча — 110 н/см², для трехглавой — 170 н/см² и т. д.

Большинство костей скелета находится под действием нескольких мышц, действующих по различным направлениям. Если требуется найти равнодействующую, то применяется известное из элементарного курса сложение и разложение сил по правилу параллелограмма.