Взаємовідношення м'язи і кісткових важелів

Роботу рухового апарату людини зазвичай викладають з позицій загальних законів механіки, цілком застосувати для оцінки системи опорно-рухового апарату як системи важелів. Важелем називається всяке тверде тіло, здатне здійснювати обертальні рухи близько осі, на плечі якого діють дві протилежні сили: рушійна сила (м'язові скорочення) і сила опору. В залежності від величини рушійної сили і сили опору можливо рівновагу або рух важеля. Для розуміння рівноваги або руху важеля необхідно мати певне уявлення про плечі важеля і про момент обертання сили.
Плечем важеля називають відстань осі обертання (О) до точки прикладання сили (OA і ПРО). Плечем сили називають найкоротша відстань - перпендикуляр від осі обертання до вектора сили або його продовження (OAI і ПРОI (рис. 158).

схема важеля
158. Схема важеля. Плечі важеля (OA і ПРО), плечі сил (OAI і ПРОI).

Участь кожної м'язи у виконанні рухів залежить не тільки від величини підйомної сили, але також і від величини плеча важеля, що визначається моментом сили. Моментом сили називається добуток сили на її плече. Моментом сили FI буде твір FI·OAI, або FI·Sin OA; моментом сили FII буде FII·ПРОI або FII·SinОБ. Таким чином, умову рівноваги важеля досягається тоді, коли сума моментів сил, діючих на нього, відносно осі обертання дорівнює нулю. Якщо рівняння моментів сил порушується, то важіль починає обертатися в напрямку тієї сили, момент якої більше. Момент сили є непостійною величиною, обумовленої положенням одних кісток по відношенню до інших, що утворюють дане зчленування. Тому при згинанні в суглобі буде наростати плече важеля згиначів і, відповідно, момент сили, тобто збільшується кут підходу сухожилля до м'яза, що сприяє підвищенню підйомної сили м'язи. У більшій частині випадків м'язи прикріплюються поблизу суглобів і підходять до кісток під гострим кутом. При цьому плече сили менше плеча опору; при подібному прикріплення м'яза програють в силі.
В опорно-руховій системі є утворення, які сприяють збільшення плеча сили м'язів, завдяки чому значно підвищується момент сили. До цих утворень відносяться сесамоподібні кістки, блоки, кісткові відростки і горби, різноманітні виступи і шорсткості. За рахунок цих утворень значно зростає момент сили м'язів. Отже, сила м'яза залежить не тільки від кількості м'язових волокон, але і від плеча важеля.
Види важелів. В залежності від розташування рушійної сили (м'язове скорочення) і сили опору відносно осі обертання розрізняють важелі першого, другого та третього роду.
Важіль першого роду є двуплечим. Обидві сили мають однаковий напрям, а між ними знаходиться вісь обертання цього важеля (рис. 159). Важіль першого роду називають також важелем рівноваги. Наприклад, атлантозатылочное зчленування і тазостегновий суглоб представляють осі обертання важелів першого роду, по боках від яких розташовуються плечі важелів.

двуплечий важіль першого роду 159. Двуплечий важіль першого роду, наприклад положення голови.

а - поперечна вісь атлантозатылочного зчленування;
бг - напрям сили тяжіння;
од - напрям м'язової тяга;
ав - плече важеля сили тяжіння;
аж - плече сили м'язової тяги.
стопа як важіль другого роду
160. Стопа як важіль другого роду. а - точка опори; бе - напрям сили тяжіння; дг - напрям рівнодійної сили м'язової тяги; ае - плече важеля сили м'язової тяги; аж - плече важеля сили тяжіння.

передпліччя як важіль третього роду
161. Передпліччя як важіль третього роду. аб - напрям рівнодійної м'язів-згиначів передпліччя; вг - напрям сили тяжіння або опору, - плече важеля сили тяжіння; де - плече важеля сили м'язової тяги; ж - плече важеля сили тяжіння; аз - «корисна» складова сили м'язової тяги; ак - інша складова цієї сили; е - поперечна вісь обертання ліктьового суглоба.

Важіль другого роду - одноплечий важіль, так як додатка сил мають протилежні напрямки. Рушійна сила надає дію на довге плече ричачи га, а сила опору - на коротке плече (рис. 160). Наприклад, в гомілковостопному суглобі одна сила діє вгору, друга - вниз. Тиск, який виникає в осі обертання важеля, відповідає різниці діючих сил. Дія м'язи в конструктивній особливості важеля другого роду направлено на виконання рухів, що вимагають великої м'язової сили, тому важіль другого роду називають також важелем сили.
Важіль третього роду хоча і є одноплечим важелем, але його відмінність від важеля другого роду полягає в тому, що сила діє на коротке плече, а плече опору - на довге (рис. 161). Важіль третього роду можна назвати важелем швидкості. Наприклад, при виконанні згинання в ліктьовому суглобі довге плече сили - передпліччя - здійснює більший розмах рухів, ніж коротке плече сили, що йде від горбистості променевої до ліктьового суглоба. Таким чином, при дії на коротке плече м'яз виграє у швидкості та відстані і програє в силі.
У процесі побудови рухів у людини постійно спостерігаються різні біомеханічні особливості в зміні, розділення та об'єднання різних важелів, що необхідно для виконання рухів з найбільшою економією енергії.
Кінематичні ланцюги та ступеня свободи. Розглянута вище система кісткових важелів першого, другого і третього роду представляє робочу систему в механічному значення тільки при певних умовах. Однією з цих умов є відкриті і закриті кінематичні ланцюги та ступеня свободи. У замкнутій системі кінематичного ланцюга обидва кінці якої-небудь частини тіла закріплені (ребра, закріплені передніми і задніми кінцями, або нижні кінцівки при стоянні).
При виконанні рухів завжди втягуються ланцюга ланок рухового апарату, які закріплені на одному кінці (рука, прикріплена одним кінцем до лопатки) і являють відкриту кінематичний ланцюг.

п'ять ступенів свободи тіла
162. П'ять ступенів свободи тіла, стикається з однією точкою з іншим тілом.

У відкритій системі кінематичного ланцюга обсяг рухів кінцевого відділу частини тіла визначається шляхом додавання суми ступенів свободи всіх проміжних ланок, складових цю частину тіла. Не обмежений у свободі переміщається тіло володіє шістьма ступенями свободи у вигляді поступального руху в трьох вимірах (вгору-вниз, вперед-назад, вправо-вліво) і обертальних рухів у тих же вимірах. При скріпленні однієї ланки тіла відносно іншого обмежуються ступеня свободи. При аналізі можливих рухів двох твердих тіл (наприклад, в кулястої суглобі), дотичних в одній точці, видно, що тіла здатні переміститися взаємно в п'яти напрямках і зберегти п'ять ступенів свободи (рис. 162). Ці п'ять ступенів свободи в суглобі можливі тільки теоретично, а фактично рухливість в суглобах має тільки три ступені свободи. Це обмеження створюють капсули, зв'язки і м'язи, що оточують суглоб. Трьома ступенями свободи володіють кулясті суглоби, двома - еліпсоїдні, сідлоподібні і мыщелковидные (колінний суглоб), однієї - циліндричні та блоковідні. Вільна верхня кінцівка представляє відкриту кінематичний ланцюг. Плечовий суглоб має три ступені свободи, ліктьовий суглоб - однією, суглоби між кістками передпліччя - однією, променевозап'ястний суглоб - двома ступенями свободи. Таким чином, кисть здатна щодо тулуба здійснювати переміщення по 7 ступенях свободи в межах радіусу всієї верхньої кінцівки, маючи повну свободу рухів.
Якщо зіставити з'єднання в суглобах з сполуками частин технічної машини, то виявляються істотні відмінності. У машини руху единообразны і володіють тільки одним ступенем свободи.
Як зазначалося вище, рухи у людини складаються в кінематичні ланцюги і практично не здійснюються суглобом з одним ступенем свободи, тому руховий апарат людини не є робочою машиною. Він стає нею тільки тоді, коли завдяки напрузі м'язів виключаються і гальмуються руху, при яких як би додатково виникають «замикаючі» суглоб механізми. Тонус м'язів і його чергування направляють руху в суглобах, тим самим «... усуваються всі свободи переміщення, за винятком одного». Отже, за рахунок перерозподілу роботи м'язів і їх тонусу можливо побудова багатьох механізмів з різним числом ступенів свободи.
Пара сил. Вище говорилося, що для здійснення обертального руху необхідна пара сил, яка складається із сил скорочення м'язи і сили тиску чи опору, що виникає від тертя однієї кістки про суглобову поверхню іншого. На прикладі згинання в ліктьовому суглобі видно (рис. 163), що сила тяги двоголового м'яза може бути розкладена на складові: АБ - момент сили і АГ - силу тиску кісток передпліччя на плечову кістку. Сила, яка поширюється по діагоналі АВ, є тиск, вироблене вздовж плечової кістки, якому протидіє сила тиску ДЖ, розкладена на ДЕ і ДЗ. Момент сили АБ разом з силою ДЖ представляє пару сил, що виконують згинання в ліктьовому суглобі. Якби сила тиску була відсутня, а це можливо при відсутності осі обертання, то замість згинання в ліктьовому суглобі сталося б підтягування передпліччя. Знаючи умови, при яких змінюється плече сили тяги м'язів, і механічні умови прояву м'язової сили, легко зрозуміти, яким чином у процесі побудови рухів відбувається втрата або збільшення м'язової сили.

схема дії пари сил
163. Схема дії пари сил» (за М.Ф. Іваницькому). ав - рівнодійна двоголового м'яза плеча; дж - протидія з боку плечової кістки; аб - «корисна» складова двоголового м'яза плеча; аг - інша складова тієї ж м'язи, що сприяє тиску передпліччя на плече у ліктьовому суглобі; де - складові сили тиску плечової кістки на передпліччі; ад - плече пари сил, з яких одна сила аб, а інша - де. Завдяки роботі пари сил скорочення двоголового м'яза плеча сприяє згинання в ліктьовому суглобі.

Види м'язової роботи. З позицій біомеханіки робота м'яза визначається в тому випадку, коли вона виробляє переміщення частини тіла або тяжкості на будь-яку відстань. Насправді м'яз виконує роботу, починаючи з найменшого її напруги.
М'язова робота поділяється на статичну і динамічну.
При статичній роботі частина м'язів, напружуючись, прагне врівноважити момент сили тяжіння або силу опору, що спостерігається при вирівнюванні або збереження положення тіла або його частин. При цьому м'яз не коротшає, не подовжується, а тільки напружується. Статична робота м'язів необхідна для збереження вертикального положення тіла або певної пози. Виділяють три види статичної роботи м'язів: утримуючу, зміцнюючу і фіксуючу. При утримує роботі м'язи діють своїм моментом тяги, що виникає при скороченні, проти моменту сили тяжіння. При зміцнює роботі напруга м'язів чинить опір розриву. При фіксує роботі скорочення м'язів-антагоністів надає фіксує вплив на суглоби.
При динамічній роботі рух в суглобах відбувається в результаті невідповідності м'язових і механічних сил. Динамічна робота м'язів підрозділяється на преодолевающую і поступається. При долає роботі м'язова сила більше протидіє сили в результаті скорочення м'язів долається опір, тобто здійснюється переміщення частини тіла або вантажу. Поступлива робота м'язів виникає в тому випадку, якщо м'язові сили менше моменту протидіючих сил і настає розтягування скороченою м'язи. Цей вид роботи м'язів є важливим і необхідним для забезпечення плавності і еластичності рухів. Якби не було такого регулятора, руху були б толчкообразными і малокоординированными.
Види м'язової роботи в процесі побудови рухів часто чергуються. Наприклад, при відведенні руки дельтовидні м'яз виконує преодолевающую роботу. При утриманні руки в горизонтальному положенні здійснюється статична (утримує) робота м'яза, а при приведенні цієї руки - поступлива робота. Таким чином, у кожному виді рухів на перший план виступає той чи інший вид м'язової роботи.
Антагоністи й синергісти. До антагоністів належать усі м'язи, які по своїй функції діють у бік, протилежний іншій групі м'язів. Наприклад, м'язи-згиначі плеча є антагоністами розгиначів плеча. До синергистам належать усі м'язи, які, скорочуючись, одночасно діють на суглоб, перебуваючи по одну сторону його осі. Прикладом можуть служити згиначі передпліччя і плеча, що викликають згинання в ліктьовому суглобі. Функції антагоністів і синергістів можуть чергуватися. При виконанні згинання і розгинання в променево-зап'ястковому суглобі, з одного боку, променевої та ліктьової згиначі, а з іншого - розгиначі кисті є антагоністами. І, навпаки, якщо виконувати приведення і відведення кисті, вони стають синергістами.
Одне - і многосуставние м'язи. Односуставные м'язи впливають на один суглоб, многосуставние втягують в рух два суглоба і більше. Відносна довжина одне - і многосуставных м'язів різна. Односуставные м'язи мають достатню довжину, щоб забезпечити розмах рухів по повній дузі, можливої у даному суглобі. Многосуставние м'язи щодо коротше і не можуть забезпечити такий розмах у всіх суглобах при одночасному русі. В цьому легко переконатися на прикладі роботи м'язів, що знаходяться близько кульшового суглоба. При розігнутому колінному суглобі амплітуда згинання в тазостегновому суглобі буде менше, ніж при зігнутому колінному суглобі. При розігнутому колінному суглобі м'язи задньої поверхні стегна (а вони многосуставние) натягаються, так як їх відносна довжина буде менше, і це гальмує згинання в тазостегновому суглобі. Отже, ступінь рухливості в суглобах не тільки визначається формою суглоба і його зв'язковим апаратом, але і залежить від довжини м'язів, які не завжди можуть використовувати всю резервну можливість для скорочення і повністю виконати рух. Особливістю функції многосуставных м'язів є їх участь в м'язової координації, тобто пристосувальною особливості організму. При м'язової координації значно економляться витрати м'язової енергії. При багатьох рухах необхідно активне скорочення тільки односуставных м'язів, а в інших суглобах відбувається рух за рахунок тонусу, еластичності многосуставных м'язів і сили тяжіння. Ця координуюча робота многосуставных м'язів добре виражена на нижньої кінцівки. При скороченні м'язів, що лежать попереду кульшового суглоба, відбувається згинання не тільки стегна, але і в колінному суглобі. Згинання в колінному суглобі настає внаслідок відносної недостатності довжини многосуставных задніх м'язів стегна. Розгинання в гомілковостопному суглобі відбувається завдяки розслабленню литкового м'яза. Отже, тільки скорочення однієї передньої групи м'язів близько кульшового суглоба призводить без витрати енергії за принципом координації до виконання рухів у колінному і гомілковостопному суглобах. При виконанні протилежної руху (розгинання в кульшовому суглобі) відбудеться пасивне розгинання в колінному суглобі за рахунок відносної недостатності передніх м'язів стегна, а в гомілковостопному суглобі настане згинання внаслідок підвищення тонусу литкового м'яза.
Додавання сил скорочувальних м'язів. При скороченні м'яза виникає активна рухова сила, яка прагне зблизити punctum mobile і punctum fixum. М'язова сила характеризується ступенем скорочення м'язи, здатної за порушення утримати в цьому стані вантаж до 4-6 кг на 1 см2 поперечника м'яза. Величина сили залежить від вихідної довжини м'язових волокон. Попередньо, але не надмірно розтягнута м'яз розвиває більш високу напругу. Активна м'язова сила найбільше розвивається в м'язах, побудованих з довгих волокон (широкі і веретеноподібні м'язи). М'яз може скоротитися на 50-57% первісної її довжини, але, зважаючи на обмеження ступенів свободи суглобів вона скорочується, як правило, на 35%.
Активна м'язова сила групи м'язів (синергістів або антагоністів) складається із суми підйомної сили кожної м'язи, а точка прикладання цієї сили розташовується між місцями прикріплення всіх довгих м'язів. Проте у людини лише поодинокі м'язи займають паралельні один одному положення. Здебільшого їх равнодействующие знаходяться під певним кутом, утворюючи паралелограми сил.
Паралелограми сил. Розташовуючись під кутом один до одного, м'язи тягнуть кістку в різних напрямках. У цьому випадку рух кістки відбувається не по рівнодіючої однієї або другої м'язи, а по діагоналі паралелограма, побудованого скорочуються м'язами (рис. 164). Паралелограми сил можуть формуватися і цілими м'язовими групами.

паралелограм сил 164. Паралелограм сил (за М. Ф. Іваницькому).

аб - напрям тяги великий грудної м'язи;
аг - напрям тяги найширшого м'яза спини. При спільній роботі ці м'язи тягнуть плечову кістку у напрямку ав, тобто по діагоналі паралелограма сил.