Механические свойства костей и суставов в биомеханике

1. Биомеханические свойства костей и суставов……………………………….3

1.1Общая характеристика ОДА……………………………………………3

1.2 Биокинематическая пара и кинематическая цепь……………………5

Литература………………………………………………………………………..10

1. Биомеханические свойства костей и суставов

1.1Общая характеристика ОДА

Двигательная деятельность человека требует согласованной работы организма в целом, но главная роль при этом принадлежит двигательному аппарату. С механической точки зрения двигательный аппарат человека представляет собой механизм, состоящий из сложной системы рычагов, приводимых в действие мышцами.

Однако при изучении движений человека и причин, их вызывающих, было бы неправильно ограничиваться только представлениями механики. Для того, чтобы понять устройство двигательного аппарата и принцип его действия, необходимо иметь в виду биологическую природу “механизмов” человеческого тела.

Анализ деятельности двигательного аппарата с биологической точки зрения позволяет вскрыть своеобразие устройства и принципа действия “живых механизмов”. Таким образом, изучая движения человека, необходимо хорошо знать, как устроен его опорно-двигательный аппарат с точки зрения биомеханики.

Это означает, что следует ясно представлять себе принципы строения его пассивной (кости и их соединения) и активной (мышечная система) частей.

В отличие от анатомии, которая изучает все детали строения тела, для биомеханики важно выявить именно те особенности строения, от которых зависят свойства органов опоры и движения, а также их участие в выполнении двигательной функции.

В биомеханическом исследовании невозможно учесть строение и функции тела во всех их особенностях. Для изучения движений строят модель тела — биомеханическую систему.

Она обладает основными свойствами, существенными для выполнения двигательной функции, и не включает в себя множество частных деталей.

Таким образом, биомеханическая система — это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.

Двигательную часть человека составляют костная и мышечная системы.

Основным свойством, которым обладает костная система, является свойство упругости.

Упругость – способность противодействовать нагрузкам.

Нагрузками называются силы, приложенные к телу и в совокупности вызывающие его деформацию. Различают нагрузки, вызывающие растяжении, сжатие, изгиб и кручение.

Нагрузки, обуславливающие растяжение, возникают, например, при висах или во время удержания груза в опущенных руках.

Нагрузки, создающие сжатие костей, встречаются чаще всего при вертикальном положении тела на опоре. В этом случае на скелет действуют, с одной стороны, силы тяжести тела и вес внешних отягощений, а с другой – давление опоры.

Нагрузки, вызывающие изгиб, обычно встречаются, когда кости выполняют роль рычагов. В этих случаях приложенные к ним силы мышц и силы сопротивления направлены поперек костей и вызывают изгиб.

Нагрузки, обуславливающие кручение, чаще всего встречаются при вращательных движениях звена вокруг продольной оси.

Соединение звеньев. Соединения костных звеньев обусловливают многообразие возможностей движений. От способа соединения и участия мышц в движениях зависит их направление и размах (пространственная форма движений) .

Степени свободы движения. Суставы, связывая в единое целое части тела, сохраняют возможности для их движений. Если часть тела может двигаться только по одной траектории, причем возможности движений по всем остальным траекториям ограничиваются связями, в механике говорят об одной степени свободы, или о степени подвижности.

Совершенно свободное тело имеет шесть степеней свободы. Оно может вращаться вокруг трех основных взаимно перпендикулярных осей, а также двигаться вдоль каждой из этих осей.

Если закрепить тело в одной точке, то у него остается только три степени свободы: оно может вращаться вокруг этой точки в трех основных направлениях (плоскостях) .

При закреплении тела еще в одной точке оно как бы насаживается на ось, соединяющую обе данные точки.

В этом случае сохраняется лишь одна степень свободы: тело может вращаться лишь вокруг оси, проходящей через обе закрепленные точки.

Если же закрепить тело и в третьей точке, не лежащей на одной прямой с остальными двумя точками, то оно потеряет последнюю степень свободы: будет закреплено неподвижно.

Возможности движений отдельных точек тела при закреплении тела несколько иные. При одной закрепленной точке любая точка этого тела имеет только две степени свободы, т.е. она может двигаться только в двух направлениях по шаровой поверхности.

При двух закрепленных точках тела у любой его точки будет лишь одна степень свободы, т.е. возможна одна траектория движения. Само собой разумеется, что у тела, закрепленного в трех точках, нет ни одной степени свободы. У совершенно свободного тела любая точка имеет всего три степени свободы, т.е.

может двигаться в любом из трех направлений трехмерного пространства.

Понятие о степенях свободы поможет разобраться в вопросе о подвижности частей тела. Несколько подвижно соединенных звеньев составляет кинематические пары и цепи.

1.2 Биокинематическая пара и кинематическая цепь

Биокинематическая пара — это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются строением соединения и управляющим воздействием мышц.

Кинематическая цепь— это последовательное или разветвленное соединение ряда кинематических пар. Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в которой нет свободного конечного звена, – замкнутой.

В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изолированные движения. Они геометрически независимы от движений в других соединениях (если не учитывать взаимодействия мышц) . Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны, представляют незамкнутые цепи. Замкнутыми кинематическими цепями в теле человека являются, например, грудина, ребро, позвоночник, ребро и снова грудина.

Такие замкнутые цепи разомкнуть невозможно. Незамкнутые могут замыкаться, причем часто через опору. В сложной пирамиде, составленной несколькими акробатами, образуются даже своего рода “сети” (в плоскости) и “решетки” ( в пространстве) с очень сложной взаимной зависимостью движений звеньев.

В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно изолированное движение, т.е. движение в одиночном сочленении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движения и в других.

Таким образом, движения в незамкнутых цепях характеризуются относительной независимостью звеньев. В замкнутых же, а также замкнувшихся цепях движения одних звеньев влияют на движения даже отдаленных звеньев (помогают или мешают) .

В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

В открытой кинематической цепи подвижность каждого следующего звена равна его собственной подвижности плюс подвижность предыдущих звеньев. Так, если у бедра три степени свободы, а у голени относительно бедра еще две степени, то голень относительно таза имеет пять степеней свободы.

Наибольшие возможности движений – у конечных звеньев цепи. Но больше шести степеней свободы конечное звено цепи иметь не может.

Если же при суммировании степеней свободы получается, что конечное звено имеет их больше шести, то это только значит, что при фиксировании этого звена промежуточные звенья сохраняют степени свободы на шесть степеней меньше.

Так, кисть имеет относительно лопатки семь степеней свободы (плечевой сустав – 3, плюс локтевой – 2, плюс лучезапястный – 2) . Если положить кисть на стол, то плечо и предплечье сохраняют 7-6=1 степень свободы. Они смогут двигаться лишь по одной траектории, вокруг оси, соединяющей плечевой и лучезапястный суставы.

Кости, соединенные подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные к ним силы (мышечные тяги и др.) действуют на звенья биокинематической цепи, как на рычаги. Это позволяет передавать действие силы по цепям, а также изменять эффект приложения сил. Таким образом, рычаг как простейший механизм служит для передачи движения и силы на расстояние.

Различают рычаги первого рода (двуплечий) и второго рода (одноплечий) . Первый характеризуется тем, что две группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, а во втором случае – по одну сторону.

Вне зависимости от вида рычага в каждом из них выделяют:

1) точку опоры;

2) точку приложения сил;

3) плечи рычага (расстояние от точки опоры до места приложения сил);

4) плечи сил (длина перпендикуляра, опущенного из точки опоры на линию действия силы).

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры. Поэтому для равновесия либо равномерного вращательного движения звена как рычага необходимо, чтобы противоположно направленные моменты сил относительно оси рычага были равны.

Для ускорения (торможения) звена один момент силы должен быть больше другого. Так, момент движущих сил, преобладая над моментом тормозящих сил, придает звену положительное ускорение (в сторону движения).

Если же большим оказывается момент тормозящих сил, то он вызывает торможение звена.

С помощью рычага можно выиграть в силе. Для этого нужно действовать мышечной силой на более длинное плечо. Согласно “золотому правилу механики”, выигрывая в силе, одновременно проигрываем в пути и в скорости. Наоборот, если действовать мышечной силой на короткое плечо, то можно выиграть в пути и в скорости за счет проигрыша в силе.

В большинстве случаев мышцы прикрепляются недалеко от сустава и подходят к кости под острым углом. Поэтому плечо силы тяги мышцы, как правило, небольшое.

Обычно плечо силы тяги мышц меньше плеча силы сопротивления, и, следовательно, при работе мышцы получается проигрыш в силе и выигрыш в пути и в скорости движения.

Для некоторого увеличения плеча силы тяги мышц большое значение имеют костные выступы, бугры, сесамовидные косточки, к которым мышцы прикрепляются или через которые они переходят.

Выступы, бугры, сесамовидные косточки увеличивают угол подхода мышцы к кости как к рычагу, тем самым увеличивают плечо силы тяги мышцы и момент вращения мышечной силы. Таким образом, можно выделить две причины проигрыша в силе. Первая -прикрепление мышцы вблизи сустава, вторая – тяга мышцы вдоль кости под очень острым (или тупым) углом.

Можно указать еще и на третью причину некоторых потерь в силе мышц. При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав.

Мышцы-антагонисты, создавая моменты сил, которые направлены противоположно, полезной работы не производят, а энергию затрачивают.

Но в конечном счете в этом есть определенный смысл: хотя и возникают потери энергии, сустав во время больших нагрузок получает укрепление напряжением мышц, которые его окружают.

В связи с особенностями приложения мышечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напряжения мышц для выполнения не только силовых, но и скоростных движении.

Литература

1. Алябьев С.В. Здоровье – сила.- [электронный ресурс]. – режим доступа: http://sportrus.ru

2. Беленов Д.Л. Индивидуальный подход к формированию здорового стиля жизни. – [электронный ресурс]. – режим доступа: http://lib.sportedu.ru

3. Белинович В.В. Обучение в физическом воспитании. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 105с.

4. Вайчеховский С.М. Книга тренера //Физкультура и спорт. – 2003.- №3. – С.42 – 44.

5. Васильев И.Г. Некоторые закономерности развития и направления мышечной силы в различных условиях. – М.: «Школьная пресса», 2003. – 52с.

6. Дубровский В.И., В.Н. Федорова биомеханика. – М.: Издательский центр «Владос», 2003. – 12с.

7. Тенно Г.П. Система тренировок по пауэрлифтингу//Спортивная жизнь России. – 2009.-№8. – С.8 – 16.

Источник: https://infourok.ru/biomehanicheskie-svoystva-kostey-i-sustavov-3409138.html

Лекция № 2

Механические свойства костей и суставов в биомеханике

ДВИГАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ЧЕЛОВЕКА

1. Геометрия масс тела.

2. Составные движения в биокинематических цепях.

3. Силы в движениях человека.

4. Механические свойства костей и суставов.

5. Биомеханика мышц.

6. Биоэнергетика двигательных действий.

Двигательный аппарат человека – это самодвижущийся механизм, состоящий из 600 мышц, 200 костей и нескольких сотен сухожилий. Он состоит из звеньев, их около 70.

Для удобства исследования двигательного аппарата человека соз­даются всевозможные модели (биомеханические системы) – упрощенные копии тела человека, на которых можно изучать закономерности движе­ний.

Например:

Результат тяги мышц (М): а — при верхней опоре; б — при ниж­ней опоре; в — без опоры, г — при фиксации антагонистами (А) (по В. Э. На­горному)

Звеном называется часть тела, расположенная между двумя сосед­ними суставами или между суставом и дистальным концом.

Биокинематическая пара – это подвижное (кинематическое) соеди­нение двух костных звеньев.

Биокинематическая цепь – это последовательное (или разветвлен­ное) соединение ряда биокинематических пар. В незамкнутых цепях име­ется последнее (“свободное”) звено, входящее лишь в одну пару; в замк­нутых цепях свободного конечного звена нет, каждое звено входит в две пары.

В незамкнутой цепи возможны изолированные движения в каждом отдельно взятом суставе.

В замкнутой цепи изолированные движения в одном суставе невоз­можны.

Биокинематические цепи тела человека: а — вилы цепей; ват— незамкнутые; ABCDЕ—замкнутая на себя; dff1d1 — замкнутая через опо­ру; б —взаимосвязь движений в замкнутой цепи

Если на физическое тело не наложено никаких ограничений (свя­зей), оно может двигаться во всех трех измерениях, т.е. относительно грех взаимно перпендикулярных осей (поступательно), а также вокруг них (вращательно). Следовательно, у него шесть степеней свободы движений.

Каждая наложенная связь уменьшает количество степеней свободы. Зафиксировав одну точку свободного тела, сразу лишают его грех степе­ней свободы – свободных линейных перемещений относительно трех ос­новных осей координат.

К числу суставов с тремя степенями свободы относятся шаровид­ные суставы, где возможны движения в следующих трех направлениях:

– поворот;

– приведение и отведение во фронтальной плоскости;

–  сгибание и разгибание в сагитальной плоскости (плечевой, тазо­бедренный).

С двумя степенями свободы – коленный (сгибание и разгибание), а также некоторый поворот голени относительно бедра;

– запястно-пястный сустав большого пальца кисти. С одной степенью свободы:

– плечелоктевой;

– межфаланговые суставы пальцев;

– сочленение стопы с большеберцовой костью. Закрепление двух точек тела оставляет одну степень свободы. Закрепление третьей точки, не лежащей на этой оси, полностью лишает тело свободы движения. (Такое соединение к суставам не отно­сится).

Шесть  степеней  свободы  неза­крепленного   тела: три поступательных движения    вдоль    основных осей  и три вращательных   движения   вокруг   основ­ных осей

Степени свободы движений тела при закреплении его точек: а – закрепленных точек нет (шесть степеней); б – закреплена одна точка (три степени); в – закреплены две точки (одна степень); г — закреплены три точки (тело неподвижно)

Пять степеней свободы те­ла,   соприкасающегося   одной   точкой с другим телом

Неконгруэнтность – несхожесть соприкасаемых поверхностей, что дает определенные возможности степеней свободы.

7 степеней свободы имеет кисть по отношению к плечу (пример подвижности конечного или дальнего звена от исходного, т.е. сумма всех степеней свободы, которые лежат на пути к искомому).

1. ГЕОМЕТРИЯ МАСС ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

Биомеханические звенья представляют собой своеобразные рычаги и маятники.

Костные рычаги. Они служат для передачи движения и работы на расстояние.

Каждый рычаг имеет следующие элементы:

а) точку опоры (о);

б) точки приложения силы (Р);

в) плечи рычага (1) – расстояние от точки опоры до точек приложе­ния силы.

Для равновесия, либо для равномерного вращательного движения звена, как рычага, необходимо, чтобы противоположно направленные моменты сил относительно оси рычага были равны.

Замечено, что при наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенно повышен­ную физическую работоспособность.

В биомеханике различают центры масс отдельных звеньев тела (на­пример, голени или предплечья) и центр масс всего тела.

Например: момент инерции тела зависит от позы тела и оси враще­ния. Изменением позы можно сильно изменить инерции (группировка при выполнении сальто уменьшает момент инерции по сравнению с пря­мым положением тела примерно в три раза).

2. СОСТАВНЫЕ ДВИЖЕНИЯ В БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

Составные движения образуются из нескольких составляющих движений звеньев в сочленениях биокинематической цепи. Например, движение кисти при броске мяча может быть результатом движений ног и туловища, а также движений в суставах руки.

В биокинематических цепях обычно движется много звеньев; одни “несут” на себе движение других (несущие и несомые). Несущее движе­ние (например, мах бедром при выносе ноги в беге) изменяет несомое (сгибание голени).

Строение сочленений не позволяет совершать движения в суставах по “принципу колеса”, поэтому почти все движения имеют возвратно-вращательный характер, т.е. движения напоминает маятник вокруг оси, расположенной поперек биокинематической цепи (сгибание – разгибание) или продольно (супинация – пронация).

Силы, приложенные к звеньям тела человека, действуя динамиче­ски, приводят к различному результату. В зависимости от того, как на­правлены силы относительно скорости движущегося тела, различают: движущие, тормозящие, отклоняющие силы и возвращающие силы.

3. СИЛЫ В ДВИЖЕНИЯХ ЧЕЛОВЕКА

Все силы, которые приложены к телу человека, нужно разделить на две группы: внешние и внутренние (относительно его).

Внешние силы, силы полученные извне. Без них его движение из­меняться не может.

Внутренние силы сами по себе не могут изменить его движения. Ими человек управляет движениями звеньев в суставах.

4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОСТЕЙ И СУСТАВОВ

В механические свойства костей, кроме двигательных функций. входят функции защитные и опорные.

При растягивающей продольной силе кость выдерживает напряже­ние в 30 раз больше, чем давление, разрушающее кирпич. Установлено, что прочность кости на растяжение выше, чем у дуба, и почти равна прочности чугуна.

При сжатии прочность костей еще выше. Так, самая массивная кость, большеберцовая, выдерживает вес 27 человек.

При изгибе кости человека также выдерживают значительные на­грузки. Например, 1,2 т. недостаточно, чтобы сломать бедренную кость.

При увеличении допустимых механических нагрузок у спортсменов происходит гипертрофия костей:

– у штангистов – утолщаются кости ног и позвоночника;

– у футболистов – внешняя часть кости плюсни;

– у теннисистов – кости предплечья и т.д.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую, как в кап­суле,  хранит  суставная сумка.  Синовиальная   жидкость  обеспечивает уменьшение коэффициента трения в суставе примерно в 20 раз.

5. БИОМЕХАНИКА МЫШЦ

мышца:- мышечное волокно;- миофибрил (способствующийсокращению мышц);саркомер:а) активные нити;б) миозиновые нити.

Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются:

а) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы);

б) скорость изменения длины. Механические свойства мышц слож­ны и зависят от механических свойств элементов, образующих мышцу (мышечные волокна, соединительные образования и т.п.), и состояния мышцы (возбуждения, утомления и пр.).

Длину мышцы без нагрузки называют длиной покоя.

Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуж­дении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы, и воз­никает сила тяги.

Упругие свойства мышцы, т.е. ее способность восстанавливать пер­воначальную длину после устранения деформирующей силы.

Если мышцу растягивать повторно, через небольшие интервалы времени, то ее длина увеличится больше, чем при однократном воздейст­вии. Это свойство мышц широко используется в практике при выполне­нии упражнений на гибкость (пружинистые движения, повторные махи и т.п.).

Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам,

Податливость – величина обратная жесткости.

Прочность – оценивается величиной силы ее растягивания, при ко­торой происходит разрыв мышцы.

Прочность сухожилия в 150 раз больше прочности мышцы. Возни­кает вопрос: почему иногда рвется сухожилие, а мышца остается целой. По-видимому, это может происходить при очень быстрых движениях: мышца успевает самортизировать, а сухожилие – нет.

Релаксация – свойство мышцы, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине. Релаксация проявляется, например, при спрыгивании и последующем прыжке вверх, когда человек,  глубоко подседая, делает паузу (чем пауза длительнее, тем сила от­талкивания и высота выпрыгивания меньше).

Проявление активности мышцы определяется изменением ее дли­ны, либо ее напряжения, либо того и другого одновременное.

Исходя из этого, мышцы, прикрепленные сухожилиями к костям, функционируют в двух режимах: изометрическом и анизометрическом.

При изометрическом (удерживающем) режиме длина возбужденной мышцы не изменяется (изо – равный, метр – длина /греческий/). Напри­мер, в режиме изометрического сокращения работают мышцы человека, который подтянулся и удерживает свое тело в этом положении.

При анизометрическом режиме длина мышцы укорачивается или удлиняется. В анизометрическом режиме функционируют мышцы бегуна, пловца, велосипедиста и т.д.

У анизометрического режима две разновидности. В преодолеваю­щем режиме мышца укорачивается в результате сокращения. А в усту­пающем режиме мышца растягивается внешней силой. Например, икро­ножная мышца спринтера функционирует в уступающем режиме при взаимодействии ноги с опорой в фазе амортизации, а в преодолевающем режиме – в фазе отталкивания.

Преодолевающая работа, при которой возрастание скорости сокра­щения мышцы вызывает уменьшение силы тяги. А в уступающем режиме наблюдается обратная картина: увеличение скорости растяжение мышцы сопровождается увеличением силы тяги. Это является причиной много­численных травм у спортсменов (например, разрыва ахиллова сухожилия у спринтеров и прыгунов в длину).

Существуют два случая группового взаимодействия мышц: синер­гизм и антагонизм.

Мышцы – синергисты перемещают звенья тела в одном направле­нии. Например, в сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плечелучевая мышцы и т.д.в) групповое взаимодействие мышц.

Взаимодействие   мышц   в   неодноосном   суставе:   а — направления тяги мышц; 6 — их составляющие: в — суммарные тяги

Мышцы – антагонисты (в противоположность мышцам – синергистам) имеют разнонаправленное действие. Так, если одна из них выпол­няет преодолевающую работу, то другая – уступающую. Существованием мышц – антагонистов обеспечивается:

1) высокая точность двигательных действий;

2) снижение травматизма.

Рабочие тяги мышц (динамическая работа) обуславливают выпол­нение движений, а опорные тяги мышц (статическая работа) создают не­обходимые условия для этого.

6. БИОЭНЕРГЕТИКА ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ

Подвод энергии в биомеханическую систему совершается в резуль­тате:

1)  превращения химической энергии в механическую работу мыш­цы;

2) перехода работы внешних сил в энергию мышц.

Источники энергии – химическая (возникает химическая реакция в мышцах, что влечет к напряжению в сократительных элементах – потен­циальная (наличие внутренней энергии, способной сделать работу) и энергия внешних тел – кинематическая (сила, полученная из вне, способ­ная сделать работу).

Механическая энергия биомеханической системы расходуется, с одной стороны, эффективно (на выполнение заданных движений), а с другой – непроизводительно (антагонисты, деформация и т.д.).

Мышца имеет много функций:

1)  генератор (превращает механическую энергию в химическую и обратно);

2)  трансформатор (увеличивает или уменьшает полученную или имеющуюся энергию);

3) аккумулятор упругой энергии в мышце;

4) двигатель, передающий механические усилия звеньям тела;

5) фиксатор звеньев в суставах;

6) регулятор величины и направления скорости;

7) демпфер, поглощающий и рассеивающий энергию;

8) упругий амортизатор (создающий обратное движение в возврат­ном и колебательном режимах).

Мышцы – рецептор о положениях и движениях.

Мышца – терморегулятор тела.

Источник: http://www.bsu.ru/content/page/1415/hecadem/strelnikov_av/biomehanika/files/mzip_394_18865/index.htm

Рычаги в биокинематических цепях. Механические свойства костей и суставов

Механические свойства костей и суставов в биомеханике

Биомеха́ника — раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления.

Биомеханические исследования охватывают различные уровни организации живой материи: биологические макромолекулы, клетки, ткани, органы, системы органов, а также целые организмы и их сообщества. Чаще всего объектом исследования этой науки, является движение животных и человека, а также механические явления в тканях, органах и системах.

Под механическим движением понимается движение всей биосистемы в целом, а также движение отдельных частей системы относительно друг друга — деформация системы. Все деформации в биосистемах, связаны с биологическими процессами, которые играют решающую роль в движениях животных и человека.

Это сокращение мышцы, деформация сухожилия, кости, связок, фасций, движения в суставах.

Отдельным направлением биомеханики является – биомеханика дыхательного аппарата, его эластичное и неэластичное сопротивление, кинематика (то есть геометрическая характеристика движения) и динамика дыхательных движений, а также другие стороны деятельности дыхательного аппарата в целом и его частей (лёгких, грудной клетки); биомеханика кровообращения изучает упругие свойства сосудов и сердца, гидравлическое сопротивление сосудов току крови, распространение упругих колебаний по сосудистой стенке, движение крови, работу сердца и др. Биомеханика человека — наука комплексная, она включает в себя самые разнообразные знания других наук, таких как: механика и математика, функциональная анатомия и физиология, возрастная анатомия и физиология, педагогика и теория физической культуры.

Рычаги в биокинематических цепях

Костные рычаги звенья тела, подвижно соединенные в суставах под действием приложенных сил, могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние.

Все силы, приложенные к звену как рычагу, можно объединить в две группы: а) силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычага (они не могут повлиять на движение вокруг этой оси) и б) силы или их составляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси рычага (они могут влиять на движение вокруг оси в двух противоположных направлениях). Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходу движения (движущие) и против него (тормозящие).

Когда группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода, а когда по одну сторону — одноплечим, или рычагом второго рода.

Для разных мышц, прикрепленных в разных местах костного звена, рычаг может быть разного рода.

Так, относительно своих сгибателей предплечье (при работе против веса груза) представляет собой одноплечий рычаг; относительно же мышц-разгибателей (при удержании груза над головой) — двуплечий рычаг.

При преодолевающих движениях сила сокращающихся мышц (их равнодействующая тяга) — движущая сила, при уступающих движениях сила растягиваемых мышц (их равнодействующая тяга) — тормозящая. Силы сопротивления направлены противоположно действию мышц.

Каждый рычаг имеет следующие элементы:

а) точку опоры (0),

б) точки приложения сил,

в) плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил — l ),

г) плечи сил (расстояния от точки опоры до линий действия сил — опущенные на них перпендикуляры— d ).

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры (произведение силы на ее плечо).

Костные рычаги: а — двуплечий, 6 — одноплечий; вращающая составляющая (Ft) и укрепляющая (FH) силы при углах ее приложения:  в — в  прямом,  г — тупом, д — остром

Механические свойства костей и суставов

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.

Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН.

Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка.

Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз.

При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.

Прочность суставов, как и прочность костей, небеспредельна. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см2. При более высоком давлении прекращается смазка суставного хряща и увеличивается опасность его механического стирания.



Источник: http://biofile.ru/bio/21748.html

Биомеханика-Динамика движений человека

Механические свойства костей и суставов в биомеханике

Как мы узнали на прошлой лекции, динамика рассматривает влияние взаимодействия между телами на их механическое движение. При этом надо различать:

динамику поступательного движения, или динамику материальной точки, и
динамику вращательного движения, или динамику твердого тела.

Силой называется некоторая физическая величина, выражающая взаимодействие между рассматриваемым телом и другими телами или полями.

Поэтому все силы можно разделить на две основных категории: силы, проявляющиеся при непосредственном взаимодействии тел, и силы, которые действуют без непосредственного контакта.

Ко второй категории относятся силы от полей: гравитационного, электромагнитного и других.

Ускорение тела пропорционально силе, действующей на тело: F ~ a. Тогда отношение величины силы, действующей на тело, к приобретенному телом ускорению, постоянно для данного тела и называется массой тела: масса = сила/ускорение.

Масса тела является неизменной характеристикой данного тела, не зависящей от его местоположения. Масса характеризует два свойства тела:

1) Инерцию: тело изменяет состояние своего движения только под воздействием внешней силы.

2) Тяготение: между телами действуют силы гравитационного притяжения.

Не путать массу тела (мера инертности) с весом тела (силой с которой оно давит на опору). Простой пример – поведение тел в невесомости. Тогда тела не имеют веса (невесомость), но наличие массы не отменяет выполнения законов Ньютона.

Масса характеризует инертность тела при поступательном движении. При вращении инертность зависит не только от массы, но и от того, как распределена эта масса относительно оси вращения. Чем больше расстояние до оси вращения, тем больше вклад в инертность тела. Количественной мерой инертности тела при вращательном движении служит момент инерции:

где Rин – радиус инерции – среднее расстояние от оси вращения (например, от оси сустава) до материальных точек тела.

Сила, приложенная к твердому телу, которое может вращаться вокруг некоторой точки, создает момент силы. Момент силы M равен векторному произведению радиус-вектора r на силу F:

M = r x F = rF sin (r;F) .

Если на тело, которое может вращаться вокруг какой-либо точки, действуют одновременно несколько сил, то для сложения моментов этих сил следует воспользоваться правилом сложения моментов.

Другой физической величиной, связывающей движение тела с его инертностью, является импульс тела – произведение массы тела на его скорость p=mv. Для импульса справедлив закон сохранения, т.е. полный импульс замкнутой системы остается постоянным. Полный импульс такой системы представляет векторную сумму всех импульсов.

Для твердого тела вследствие вращения вокруг некоторой оси появляется момент количества движения (угловой момент, момент импульса) – произведение момента инерции тела на его угловую скорость: L = J w. Изменение углового момента (при неизменном моменте инерции тела) может произойти только вследствие изменения угловой скорости и всегда обусловлено действием момента силы.

Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, не вызывающих вращение тела. В поле тяготения центр масс совпадает с центром тяжести. Положение общего центра масс тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. Для человека это зависит от его позы, т.е. пространственного положения элементов тела.

В человеческом теле около 70 звеньев, но для биомеханического моделирования чаще всего достаточно 15-звенной модели человеческого тела (например, голова, бедро, стопа, кисть и т.д.). Зная, каковы массы и моменты инерции звеньев тела и где расположены их центры масс, можно решить многие задачи биомеханики, в том числе:

1) определить импульс тела;

2) определить момент количества движения, при этом надо учитывать, что величины моментов относительно разных осей неодинаковы;

3) оценить, легко или трудно управлять скоростью тела или отдельного звена;

4) определить степень устойчивости тела и т.д.

Простой пример применения этой теории. Фигурист может заставить себя вращаться быстрее, обнимая себя руками, или медленнее, расставляя руки в стороны. Во втором случае масса тела остается постоянной, но увеличивается радиус инерции и, следовательно, момент инерции и общая инертность тела.

Разбиение тела человека на звенья позволяет представить эти звенья как механические рычаги и маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).

Рычаг характеризуется расстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения. Рычаги бывают первого и второго рода.

Рычаг первого рода или рычаг равновесия состоит только из одного звена. Пример – крепление черепа к позвоночнику.

Рычаг второго рода характеризуется наличием двух звеньев. Условно можно выделить рычаг скорости и рычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычаг скорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример – локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе. Пример – стопа на пальцах.

Поскольку тело человека выполняет свои движения в трехмерном пространстве, то его звенья характеризуются степенями свободы, т.е. возможностью совершать поступательные и вращательные движения во всех измерениях. Если звено закреплено в одной точке, то оно способно совершать вращательные движения и мы можем сказать, что оно имеет три степени свободы.

Закрепление звена приводит к образованию связи, т.е. связанному движению закрепленного звена с точкой закрепления.

Поскольку руки и ноги человека могут совершать колебательные движения, то к механике их движения применимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основные вывод их них – собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но зависит от его длины (при увеличении длины частота колебаний уменьшается).

Делая частоту шагов при ходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной (т.е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии.

При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенный рост работоспособности.

Простой пример: при беге высокий спортсмен имеет большую длину шага и меньшую частоту шагов, чем более низкорослый спортсмен, при равной с ним скорости передвижения.

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.

Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН.

Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка.

Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз.

При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.

Прочность суставов, как и прочность костей, небеспредельна. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см2. При более высоком давлении прекращается смазка суставного хряща и увеличивается опасность его механического стирания.

Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий.

К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию.

Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги.

Упругость мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации.

При этом мышцу можно сравнить с пружиной: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явление широко используется в спорте. Например, в хлесте предварительно растягиваются и параллельный, и последовательный упругий компонент мышц, чем накапливается энергия.

Запасенная таким образом энергия в финальной части движения (толкания, метания и т.д.) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию).

Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, согласно которому удлинение пружины нелинейно зависит от величины растягивающей силы. Кривую поведения мышцы в этом случае называют “сила-длина”. Зависимость между силой и скоростью мышечного сокращения (“сила-скорость”) называют кривой Хилла.

Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: Кж=DF/Dl (Н/м).

Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости: Кп=Dl /DF (м/Н) – показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н.

Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0.1 до 0.3 Н/мм2. Предел прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм2. Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать.

Релаксация – свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во время глубокого приседа спортсмен делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.

Существует два вида группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.

Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, при сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и т.д.

Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия.

При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.

Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая – уступающую. Существованием мышц-антагонистов обеспечивается:

1. высокая точность двигательных действий;

2. снижение травматизма.

вверх

на главную

Источник: http://www.gm4.ru/pril/shig/biomexanika2.html

Биомеханика. Лекция №1

Механические свойства костей и суставов в биомеханике

Биомеханикаэтораздел науки изучающий двигательныевозможности и деятельность живыхсуществ.

Первыетруды по биомеханике описаны «Аристотелем».Настановление биомеханики оказали влияниевыдающиеся мыслители прошлого: Римскийврач Гален (131 — 201 гг.), Леонардо да Винчи(1452—1519 гг.), Микеланд-жело (1475—1564 гг.

),Галилео Галилей (1564—1642 гг.), Исаак Ньютон(1642—1727 гг.), ученик Галилея Джован-ниАльфонсо Борелли(1608—1679 гг.)—автор первой книги побиомеханике“Одвижениях животных”,вышедшейв свет в 1679 г.

Крометого, в последние десятилетия возниклии развиваются:

— инженернаябиомеханика, основные достижения которойсвязаны с роботостроением;

— медицинскаябиомеханика, исследующая причины,последствия и способы профилактикитравматизма, прочность опорно-двигательногоаппарата, вопросы протезостроения;

— эргономическаябиомеханика, изучающая взаимодействиечеловека с окружающими предметами сцелью их оптимизации.

Ноцентральным разделом биомеханикиостается биомеханика физическихупражнений.

Она изучает двигательнуюдеятельность человека во время спортивныхтренировок и соревнований и в процессезанятий массовыми и оздоровительнымиформами физической культуры, в том числена уроках физкультуры в школе.

Непрерывносовершенствуясь, биомеханика физическихупражнений постепенно преобразуетсяв биомеханику двигательной активности,охватывающую все стороны двигательнойдеятельности человека'.

Центральныйраздел Биомеханики физической культуры

  1. Общая

  2. Дифференциальная

  3. Частная

  1. (Общая)- Решает теоретические проблемы и помогает узнать как и почему человек движется.

  2. (Дифференциальная)- Изучает индивидуальные и групповые особенности двигательных возможностей и деятельности. Также зависит от возраста и пола.

  3. (Частная)- Рассматривает конкретные вопросы технической и тактической подготовки в видах спорта.

Биомеханикабазируется на знаниях: анатомии, физиологии и фундаментальныхнаучных дисциплинах— физике (механике),математике и теории управления.

Механическиесвойства костей и суставов

Механическиесвойства костей определяются ихразнообразными функциями: кромедвигательной, они выполняют защитнуюи опорную функции. Кости черепа, груднойклетки и таза защищают внутренниеорганы. Опорную функцию выполняют костиконечностей и позвоночника.

Трубчатоестроение костей, обеспечиваетпротиводействие значительным нагрузками в два с половиной раза уменьшает моментинерции. Существует 4-видамеханического воздействия на кость:1.Растяжение2. Сжатие3. Изгиб4.Кручение

  1. При растягивающей продольной силе кость выдерживает напряжение 150 Н/мм ².  Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна.

  2. При сжатии прочность костей ещё выше: так, самая массивная кость – большеберцовая – выдерживает вес 27 человек. Предельная сила сжатия составляет 16 000 – 18 000 Н.

  3. При изгибе кости человека также выдерживают значительные нагрузки. Например, силы 12 000 Н (1,2 т) недостаточно, чтобы сломать бедренную кость.

  4. При движениях кости не только растягиваются, сжимаются и изгибаются, но также и скручиваются. Например, при ходьбе моменты скручивающих сил могут достичь 15 Н • м.

Особенновелики допустимые механические нагрузкиу спортсменов. Регулярные тренировкиприводят к гипертрофии костей.

Суставы. Втеле человека почти 200 суставов. Длявыполнения двигательных действийнаибольшее значение имеют синовиальные,которые обладают наибольшей подвижностью(плечевой, локтевой, тазобедренный,коленный и голеностопный), и хрящевые,слабо подвижные (грудино-рёберные,межпозвонковые диски).

Механическиесвойства суставов зависят от их строения.Поверхность суставов смачиваетсясиновиальной жидкостью (смазкой),которая, как в капсуле, хранится всуставной сумке.

Эта жидкость уменьшаеткоэффициент трения в суставе примернов 20 раз. Величина сил действующая насуставные поверхности огромна и зависитот её вида деятельности и интенсивности.

Например: Коленный сустав при ходьбеиспытывает нагрузки приблизительно7-тыс Ньютон.

Связкии сухожилия. Сухожилиясоединяют мышцы и кости, связкиобеспечивают соединения между костями.Функции сухожилия заключаются в сообщенииусилия мышц кости или хрящу, а связок –в стабилизации сустава. Основой сухожилияи связки является фибрилла.

Биомеханическиесвойства мышц

  1. Сократимость

  2. Упругость

  3. Прочность

  4. Релаксация

Сократимость— этоспособность мышцы сокращаться привозбуждении. В результате сокращенияпроисходит укорочение мышцы и возникаетсила тяги.

Упругостьсвойствамышцы, т. е. ее способность восстанавливатьпервоначальную длину после устранениядеформирующей силы. Существованиеупругих свойств объясняется тем, чтопри растягивании в мышце возникаетэнергия упругой деформации.

Здесь мышцуможно сравнить с пружиной или с резиновымжгутом: чем сильнее растянута пружина,тем большая энергия в ней запасена. Этоявление широко используется в спортивнойпрактике. Например, в хлесте предварительноёрастягивание мышц приводит к растягиваниюи параллельного, и последовательногоупругого компонента.

; В них запасаетсяэнергия упругой деформации, которая в: финальной части движения (метания,толкания и т. д.) преобразуется в энергиюдвижения (кинетическую энергию).

Источник: https://studfile.net/preview/2359158/

WikiRevmatolog.Ru
Добавить комментарий