Биомеханика опорно-двигательной системы человека. Биомеханические аспекты остеогенеза.

Остео - (греч. osteou) - кость.

Генез - (греч. genesis) - часть сложного слова, означающая: связанный с процессом образования, возникновения.

Изучение динамики опорно-двигательной системы человека имеет целью изучить закономерности движения организма в пространстве и во времени и определить эффективность этих движений.

Опорно-двигательная система человека состоит из костей, суставов, связок и мышц. Это основная система, которая оформляет структуру человека и дает ему возможность выполнять основное свойство - двигаться, что играет основную роль в жизни. Движение совершается в местах соединений костей - в суставах. Мышцы обладают основным свойством - сокращаться и приводить таким образом в движение рычаги костей. Поэтому кости и их соединения являются пассивной частью двигательного аппарата, а мышцы - активной.

Кости позвоночного столба и нижних конечностей выполняют, в основном, опорную функцию. Кости черепа, позвоночного столба и грудной клетки выполняют защитные функции соответственно по отношению к мозгу, спинному мозгу, лёгким и сердцу. Двигательная функция осуществляется главным образом конечностями.

Вес скелета составляет для мужчин 18%, а для женщин 16% общего веса. Он является местом накопления минеральных солей организма - фосфора, кальция, железа и др. Скелет взрослого человека имеет 206 костей. Любая кость скелета занимает определенное место и положение в человеческом теле, имеет свою форму и строение и выполняет определённые функции.

Соединений в скелете приблизительно 150. Почти половина из них - суставы, самые подвижные соединения скелета. Многочисленные связки скрепляют суставы, обеспечивающие определенную кинематику движения и очень часто ограничивают их диапазон. Существует множество суставов со сложной кинематикой взаимного движения соединяемых костей скелета.

Силы, которые появляются в человеческом теле при движении и в процессе труда, имеют динамический характер. И здесь наблюдается влияние принципа целесообразности в структуре опорно-двигательной системы, где развиты образования, имеющие целью ослабить удары.

Движение твердого тела описывается в прямоугольной системе координат. Произвольное перемещение и поворот тела вокруг произвольной оси можно разложить соответственно на три перемещения по координатным осям и на три поворота вокруг них. Поэтому для полного описания движения жесткого тела нужно 6 величин (то есть 3 поступательных и 3 вращательных).

Независимые друг от друга величины, определяющие состояние данной физической системы, называются степенями свободы этой системы.

Жесткое тело, которое соединяется шарниром с другим телом, называется звеном. Звено имеет ограниченную свободу движения и меньше степеней свободы. Когда звено прикреплено к другому телу, принимаемому за неподвижное, степени свободы определяются возможностями перемещений и поворотов.

Опорно-двигательный механизм человека представляет собой исключительно сложную систему со многими степенями свободы. Когда две кости соединяются между собой суставом, они образуют кинематическую пару, а когда несколько костей соединяются последовательно суставами, они образуют кинематическую цепь.

Общее число степеней свободы равно разности между степенями свободы звеньев, когда они свободны, и числом ограничений (связей) в соединениях. Число степеней свободы определяется по формуле:

n = 6N -  i P(i), i = 5,4,3,

где n - число степеней свободы, N - число подвижных звеньев, i - число ограничений степеней свободы в соединениях, P(i) - число соединений, имеющих “i” ограничений;  P(i) = N - 1.

Общее число степеней свободы человеческого тела равно около:

6  144 - 5  81 - 4  33 - 3  29 = 240.

В процессе движения тела степени свободы находятся под контролем нервно-мышечного аппарата. Основная задача координации движений состоит в подчинении лишних степеней свободы, одной единой управляющей системе. Трудность этой задачи видна из того, что число степеней свободы больше двухсот.

Динамические модели опорно-двигательного аппарата принадлежат к классу склерономных голономных механических систем, к которым можно применить результаты классической механики. Живые организмы тоже подчиняются принципу сохранения механической энергии.

где Е - механическая энергия, Е_к - кинетическая энергия, Е_п - потенциальная энергия, F_l - внешние силы, V_l – скорости точек приложения внешних сил, М_k - моменты сил в суставах, _k - угловые скорости, соответствующие моментам.

Кинетическая энергия определяется только скоростью движения материальных частиц организма, а потенциальная - положением этих частиц в гравитационном поле. Компоненты механической энергии определяются при помощи циклограммы или другими способами. Ими определяются положения и скорости центра тяжести отдельных звеньев. Выражая механическую энергию через измеренные таким образом величины, получаем:

где  обозначает суммирование по всем звеньям тела;  - масса звена; V - скорость центра тяжести звена; I_ik - компоненты тензора моментов инерции относительно осей i, k локальной системы координат с началом в центре тяжести звена; _i, _k - проекции угловых скоростей звена по тем же осям, g - гравитационное ускорение, Н - высота центра тяжести звена над некоторым гравитационным уровнем.

Первые два члена определяют компоненты кинетической энергии в зависимости от перемещений и поворотов, а третий член - потенциальную энергию.

В уравнении (1) фигурируют движения, которые совершаются при помощи сил мышц в связи с трудовыми процессами: при перемещении предметов в пространстве или при некоторых ручных операциях и т.д. Положение тела можно определить при помощи уравнений Лагранжа второго рода, имеющих вид:

где “n”, как и прежде, число степеней свободы. Первые три уравнения содержат в правой части проекции активных и реактивных сил. Следующие (n - 3) уравнений содержат моменты реактивных сил и сил в суставах относительно осей при поворотах на угол _i . В левых частях уравнения (2) представлены кинематические характеристики, динамические константы (размеры тела), массы звеньев и инерционным моменты.

При помощи системы уравнений (2) устанавливается связь между кинематическими и силовыми характеристиками движения живого организма. Эта связь очень сложна, поскольку не всегда нервное возбуждение мышцы, которое увеличивает его тягу, приводит к повороту сустава в направлении действия этой силы.

Примеры: 1) кисть имеет две степени свободы;

2) локтевом суставе - 1 степень свободы;

3) сочленение между плечевой и локтевой и между локтевой и лучевой костями относятся к типу суставов, допускающих только одну степень свободы. Таким образом, предплечье обладает двумя степенями свободы движения относительно плеча;

4) тазобедренный сустав относится к типу шаровидных суставов, допускающих три степени свободы.

Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате 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, возникающей при сокращении мышц.

Рычагом называется твердое тело, которое может вращаться около неподвижной оси. Различают три вида рычагов:

1. Когда точка опоры лежит между точками приложения действующей силы F и силы сопротивления R.

Условие равновесия рычага

Fа = Rb.

Пример: череп, рассматриваемый в сагиттальной плоскости. (Сагиттальный - расположенный в переднезаднем направлении. Сагиттальные плоскости (мнимые) проходят вертикально спереди назад вдоль тела; только срединная сагиттальная плоскость делит его на две симметричные половины). Ось вращения О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. R - сила тяжести головы, приложенная в центре тяжести. F - сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости.

2. Когда точка опоры лежит за точкой приложения силы сопротивления R, а сила F приложена на конце рычага.

Условие равновесия рычага Fa = Rb, но а > b, следовательно, F > R, то есть рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в перемеще-

нии и называется рычагом силы.

Пример: действие свода стопы при подъёме на полупальцы. Опорой О служат головки плюсневых костей. R - сила тяжести всего тела, приложена к торанной кости. F - мышечная сила, осуществляющая подъём тела, передается через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости.

3. Когда сила F приложена ближе к точке опоры, чем сила R.

Условие равновесия рычага .F_a=Rb,но а < b, следовательно, F > R, то есть рычаг дает проигрыш в силе, но выигрыш в перемещении и называется рычагом скорости.

Пример: кости предплечья. Точка опоры О находится в локтевом суставе. F - сила мышц, сгибающих предплечье, R - сила тяжести поддерживаемого груза, приложенная обычно к кисти, а также сила тяжести самого предплечья.

то есть мышечная сила F, необходимая для преодоления данной силы R сопротивления, должна быть тем больше, чем под мышечным углом к оси рычага она направлена. Поэтому, например, человек удерживает относительно большой груз при согнутом предплечье и значительно меньший - при разогнутом.

Кости опорно-двигательного аппарата соединяются между собой в сочленениях или суставах.

Основной механической характеристикой сустава является число степеней свободы. Различают суставы с 1, 2 и 3 степенями свободы.

Примеры: плечево-локтевой сустав - одна степень свободы;

лучезапястный сустав - две степени свободы;

тазобедренный сустав, лопаточно-плечевое сочленение - три степени свободы (сгибание и разгибание, приведение и отведение, вращение).