Страница 11 из 12
Этот механизм, как известно, включает вполне определенное количество подвижных костей, соединенных различного рода суставами (шарнирами), обеспечивающими соответствующим частям тела от одной до трех степеней свободы.
Структурная схема костно-суставной системы, как многозвенного пространственного механизма представлена на рис. 19.
Подвижность такого пространственного механизма в «Теории механизмов и машин» определяется по формуле следующего вида:
где n — число подвижных костей;
ki — число суставов определенных классов (i = 3,4,5).
Скелет человека имеет подвижных костей n = 148; суставов, обеспечивающих три степени свободы k3 = 29, две степени свободы k4 = 33, одну степень свободы k5 = 85.
Подставив числовые значения в формулу, получим громадное число степеней подвижности костно-суставной конструкции человека: П=244!
Преодоление непомерного избытка степеней подвижности костно-суставной системы обеспечивается мышечно — сухожильной системой.
Мышцы облегают скелет со всех сторон, где они по условиям подвижности могут понадобиться. Если у суставов имеются стороны, в которые они не должны двигаться (например, локтевой сустав — сгибаться в стороны, а не вперед-назад), то с этих сторон вместо нежной мышечной ткани размещается более грубая связочно-сухожильная.
Так или иначе, но каждый сустав закреплен со всех сторон гибкими растяжками — мышцами или связками, так сказать расчален ими.
Это очень похоже на то, как раскачиваются высокие мачты судов или радиопередающих станций. При этом мышцы кроме их прямых функций движителя загружаются еще добавочной — опорной. Зато получается явный выигрыш по части гибкости опорной конструкции.
Движения человека в значительной мере зависят от того, каково строение его тела и каковы его свойства. Чрезвычайная сложность строения и многообразие свойств тела человека, с одной стороны, делают очень сложными и сами движения и управление ими. Но, с другой стороны, они обусловливают необычайное богатство, разнообразие движений, до сих пор недоступное в полном объеме ни одной, самой совершенной, машине.
Биомеханика — наука, изучающая механические движения самих биологических тел и в этих биологических телах. Однако тело человека и сверхсложный управляющий орган — нервная система — делают анализ всей системы движений чрезвычайно сложным и трудоемким. Кроме того, при изучении движений человека и причин, их вызывающих, было бы неправильно ограничиваться только представлениями механики. Необходимо иметь в виду биологическую природу «механизмов» человеческого тела. Анализ деятельности двигательного аппарата с биологической точки зрения позволяет вскрыть своеобразие устройства и принципа действий «живых механизмов». Главнейшие биологические особенности, отличающие двигательный аппарат животных и человека от неживых технических механизмов, состоят в следующем:
1. Аппарат движения животных существ построен из живых тканей и органов, в которых постоянно, в том числе и в покое, происходит обмен веществ. Химические превращения молекул, вступающих в разнообразные реакции с другими органическими и неорганическими веществами, являются сутью внутриклеточного обмена веществ и специфической рабочей деятельности клеток (например, сократительной). В связи с этим становится понятной чрезвычайная зависимость строения и функции клеток и органов от их рабочего использования, от интенсивности протекающего в них обмена веществ. Для поддержания тканей и органов двигательного аппарата в состоянии высокой работоспособности необходимо их постоянное и должное использование.
Морфологическое и функциональное совершенствование под влиянием работы и деградация, при бездеятельности, являются важной особенностью двигательного аппарата животных и человека.
2. В технической машине производимые ею движения предопределены раз и навсегда самой формой сочленений между движущимися частями. Напротив, двигательный аппарат человека построен так, что из одних и тех же структурных единиц (костей, суставов, связок, мышц) может быть образовано множество различных механизмов с различными рабочими заданиями, разными скоростями и траекториями движения.
3. Двигательная деятельность животных и человека, в том числе произвольная, представляет собой систему безусловных и условных рефлексов на раздражения из внешнего и внутреннего мира, действующих в данное время или действовавших ранее и сохранившихся в нервных центрах в виде следов.
Таким образом, двигательная деятельность обеспечивается не только работой собственно двигательного аппарата, но и работой органов чувств и центральной нервной системы. Многообразное использование одних и тех же структур двигательного аппарата обеспечивается способностью рефлекторного механизма к образованию временных связей. Происходит непрерывное приспособление движений к текущим условиям среды, т. е. «уравновешивание» организма со средой.
Все двигательные действия человека и животных выполняются в результате напряжений и расслаблений мышц, которые вызваны нервными импульсами, поступающими к мышцам по двигательным нервам.
Но для многих исследовательских целей и не нужен такой всеобъемлющий анализ. Отвлекаясь от деталей анатомического строения и физиологических механизмов управления двигательным актом, рассматривается упрощённая модель тела человека — биомеханическая система.
Она обладает всеми основными свойствами, существенными для выполнения двигательной функции.
Таким образом, биомеханическая система — это копия, упрощённая модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.
С точки зрения механики, двигательный аппарат человека представляет собой механизм, состоящий из сложной системы рычагов, приводимых в действие мышцами.
Первым шагом от понятий анатомических к механическим является представление о биокинематической паре.
Биокинематическая пара — это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц.
В технических механизмах соединение двух звеньев — кинематические пары — устроены обычно так, что возможны лишь определенные, заранее заданные движения. Одни возможности не ограничены (их характеризуют степени свободы тела), другие полностью ограничены (их характеризуют степени связи).
Под степенями свободы понимают независимые перемещения тела или его частей в пространстве.
Эти независимые перемещения могут носить либо поступательный характер, либо вращательный (простые формы механического движения). В случае сложного (составного) движения его всегда раскладывают на составляющие простые формы. При этом под поступающим понимают движение, при котором линия, мысленно проведенная в теле, перемещается параллельно самой себе. А при вращательном движении все точки тела описывают окружности, центры которых находятся на одной прямой, называемой осью вращения.
Например, если у физического тела нет никаких ограничений (связей), оно может двигаться в пространстве относительно трёх взаимно перпендикулярных осей (поступательно), а также вокруг них (вращательно). Следовательно, у такого тела шесть (3+3) степеней свободы.
Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Зафиксировав одну точку свободного тела, сделав его звеном биокинематической пары, можно сразу лишить его 3-х степеней свободы — возможных линейных перемещений вдоль трёх основных осей координат.