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:
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.
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.
Когда сила F приложена ближе к точке опоры, чем сила R.
Условие
равновесия рычага
.
Fa=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).
Эргометрия. Механические свойства тканей организма.
Человек с помощью мышц совершает механическую работу, которая обусловлена силой мышц и развиваемой ими мощностью. Средняя мощность, развиваемая человеком, не занятым специально физическим трудом, весьма невелика и ,например, при ходьбе по ровной местности составляет 100-200 вт в зависимости от скорости.
Усталость свидетельствует о том, что мышцы совершают работу, хотя перемещения нет и работа равна нулю. Такую работу называют статической работой мышц.
Исследование работоспособности мышц называется эргометрией, а соответствующие приборы - эргомерами.
Пример: тормозной велосипед (велоэргометр). F - сила трения между лентой и ободом колеса, измеряемая динамометром. Вся работа испытуемого затрачивается на преодоление силы трения.
Тогда A = Fтр l = Fтр 2 r - за один оборот,
A = n Fтр 2 r - за n оборотов,
-
средняя мощность.
Когда мышцы совершают работу, в них освобождается химическая энергия, накопленная в процессе метаболизма; она частично превращается в механическую работу, а частично теряется в виде тепла.
Во время работы используемых на велоэргометре можно рассчитать к.п.д. превращения химической энергии в механическую. КПД варьирует в зависимости от скорости вращения педалей и достигает максимальной величины - 22% - при нажимании ногой на педаль через каждые 0,9 (то есть при одном обороте педалей за 1,8 с). С помощью велоэргометра можно измерить не только к.п.д. мускулатуры ног, но и максимальную мощность, которую она способна развить - эта мощность достигает 40 Вт на 1 кг мышечной ткани. На таком уровне она может оставаться лишь короткое время, так как мышцы не могут получать кислород с необходимой для этого скоростью.