Условия сохранения положения звеньев и их движения как рычагов

Для равновесия рычага необходимо равенство моментов прило­женных сил противоположного действия относительно оси рычага;

Для ускорения рычага — неравенство этих моментов сил.

В результате действия противоположных сил звено как рычаг мо­жет: а) сохранять положение или продолжать движение с прежней скоростью и б) получить ускорение в сторону той или иной силы. Эффект совмест­ного действия сил зависит от соотношения их моментов.

Если моменты обеих сил равны, то либо сохраняется неподвижное положение рычага, либо продолжается движение со скоростью, имев­шейся в момент уравнивания обоих моментов.

Когда момент одной из сил больше момента другой силы, возникает ускорение в ту сторону, куда направлена сила большего момента. Если больше момент силы мышечной тяги, мышца сокращается (преодолевающая работ а) и плечо рычага передвигается в ее сторону. Если больше момент силы отягощения, то мышца растяги­вается (уступающая работ а) и плечо рычага передвигается в другую сторону.

Следует заметить, что в рассмотренных случаях рычаг для упроще­ния расчета считается невесомым и безынерционным. В действитель­ности же звенья тела человека обладают весом и при ускорениях ока­зывают инертное противодействие в зависимости от своих моментов инерции.

В описанном выше примере (см. рис. 6, а) рычаг расположен гори­зонтально, поэтому направление веса отягощения перпендикулярно рычагу и плечо силы совпадает с плечом рычага (k). В движениях чело­века это бывает редко; чаще всего силы приложены под острым или тупым углом. Тогда плечо силы меньше плеча рычага и, следовательно, момент силы меньше максимально возможного для данной величины силы.

При тупом или остром угле приложения силы F (см. рис. 6, д, е) плечо силы (d) — катет, а плечо рычага (/) — гипотенуза в прямоу­гольном треугольнике. Следовательно, плечо силы меньше максималь­ного (см. рис. 6, г, где /—d), и момент силы поэтому тоже не наиболь­ший. Это же видно при разложении сил: нормальная составляющая (Fpf), перпендикулярная направлению движения, только прижимает рычаг к точке опоры или оттягивает от нее и непосредственно не влияет на скорость движения. Тангенциальная же составляющая (Рт), ка­сательная к траектории конца рычага, влияет на скорость движения. Поэтому тангенциальная тяга называется вращающей (или явной), а нормальная — укрепляющей (или скрытой).

При движениях изменяются положения костных рычагов и углы приложения сил. Следовательно, изменяются плечи сил. Длина мышц тоже не остается постоянной, а поэтому и их напряжения становятся больше или меньше.

Таким образом, моменты сил, их соотношение, а отсюда и условия сохранения положения или движения частей тела как рычагов не посто я нны.

3 .3. «3олотое правило» механики 1 в движениях человека

Работа, совершаемая силою, приложенной на одном плече рычага, передается на другое плечо.

Сила тяги мышцы, приложенная на коротком плече рычага, вызы­вает во столько раз большее смещение другого плеча, во сколько первое плечо короче второго; налицо выигрыш в пути. В связи с тем, что раз­ные пути проходятся за одно и то же время, здесь имеется выигрыш в скорости. Сила, передаваемая на длинное плечо рычага, как раз во столько же раз меньше, чем приложенная. Таким образом, выигрыш в скорости достигается за счёт проигрыша в силе. Почти все мышцы в теле человека прикрепляются вбли­зи суставов (короткое плечо рычага); это приводит к выигрышу в пути (а, следовательно, и в скорости) при проигрыше в силе. При большей части положений костного рычага мышечные тяги направлены под острым или тупым углом к звену (вдоль звена), что влечет невосполнимые потери в силе мышц (уменьшается вращающая тяга). Нормальная же (скрытая) тяга в этом случае способствует укреплению сустава, через который мышца переходит.

При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав, в том числе и антагонисты. При этом резко возрастают потери в суммарной тяге мышц; в то же время достигается и положительный эффект — укрепление нагруженного сустава.

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

Входящие в биокинематические цепи звенья тела образуют системы составных рычагов, в которых «золотое правило» механики прояв­ляется намного сложнее, чем в простых одиночных рычагах.

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЫШЦ

Мышцы как физические тела обладают рядом механических свойств — упругостью, вязкостью, ползучестью, релаксацией. Как биологические объекты мышцы проявляют свойства возбудимости и сократимости. Все названные свойства тесно взаимосвязаны, что важно учитывать при биомеханическом исследовании движений.

Механические свойства мышц

Упругость проявляется в возникновении напряжения в мышце при ее деформации под действием нагрузки. Вязкость — в замед­лении деформации внутренними силами (жидким трением, моле­кулярными силами).

На графике «длина — напряжение», полученном на изолированной мышце экспериментально (рис. 7, а), удобно рассмотреть упругость мышцы. Здесь видно, как по мере увеличения нагрузки мышца удли­няется и как при этом растет ее напряжение. Отсюда следует:

1 ) нагрузка (Р) растягивает мышцу, удлиняя ее (на Dl), т. е. для растягивания мышцы необходимо приложить силу;

2) по мере удлинения мышцы (на Dl) ее напряжение увеличивается (на DF); следовательно, чтобы вызвать напряжение мышцы (без дополнительного возбуждения), необходимо ее растянуть;

3) приложенная нагрузка (Р) определяет величину напряжения мышцы (F); таким образом, чтобы получить большое напряжение, надо приложить большую наг­рузку (сопротивление тяге мышцы) — действие равно про­тиводействию;

Рис.7. Графики «длина—напряжение» мышцы:

а — проявление упругости (зависимость дефор­мации и напряжения от нагрузки); б — прояв­ление вязкости («петли гистерезиса») (ориг.)

4) упругость мышцы нели­нейна (Dl₂ больше Dl₃ при рав­ных DF₂ и DF ₃); следовательно, по мере значительно­го растягивания оди­наковые приращения длины мышцы дают все большие прира­щения напряжения;

5) при отсутствии нагрузки длина мышцы (l) является наи­меньшей («свободная длина» мышцы) — нерастянутая мышца не напряжена;

6) в условиях организма длина мышцы (/о) больше «сво­бодной длины» и мышца не­сколько напряжена, т. е. всегда обладает «тонусом» покоя (F₀).

Таковы особенности упругих свойств невозбужденной мышцы.

Вязкость мышцы как причину запаздывания деформации можно наблюдать по отклонению графика действительной деформации от линии зависимости «длина — напряжение» в установившемся состоя­нии (см. рис. 7, б— линия A). При меньшей вязкости (линии Б) изме­нение длины отстает от изменения напряжения как при растягивании мышцы (£i), так и при ее сокращении (Б_z). В этом случае мышца, хотя и не сразу, но все же возвратилась к исходному состоянию (точка l₃). При большей вязкости (линии В) замедление еще больше и мышца не возвратилась к прежнему состоянию (точка l₃) — обнаружилась остаточная деформация (расстояние l₃ — l₁).

Полученные кривые (Б, В) образуют так называемые «петли гисте­резиса», характеризующие запаздывание процесса деформации из-за тормозящего действия вязкости. При этом неизбежна потеря энергии. Она пропорциональна площади, ограниченной петлей гистерезиса (косая штриховка для Б₁—Б _z и вертикальная—для B₁—В_z)- Действительно, площадь, определяемая произведением си­лы (напряжение) и пути (изменение длины), равна работе, затраченной на преодоление вязкости.

Ползучесть — это свойство мышцы изменять с течением времени соотношение «длина — напряжение»: нагруженная (напряженная) мышца имеет соответствующую длину; через некоторое время при тех же нагрузках и напряжении эта длина уве­личивается.

Релаксация заключается в том, что растяну­тая мышца, сохраняя длину, постепенно с те­чением времени уменьшает свое напряжение, рас­слабляется.

Совокупность этих ме­ханических свойств (упруговязких, ползучести и релаксации) во всевозмож­ных сочетаниях в различ­ных условиях, в сущности, и есть то, что называется эластичностью 1 мышцы.

Высокоэластичной мышце свойственны зна­чительная растяжимость, большая жесткость при большом растягивании (нелинейная уп­ругость) и малые потери энергии (небольшая вязкость) при деформациях. И хотя механизм, обеспечивающий названные свойства, еще неполностью объяснен, их прояв­ления очень важно учитывать при изучении способов повышения эффективности действия мышц в движениях.

Режимы работы мышц

Режим работы мышцы определяется изменением либо ее длины, либо ее напряжения, либо того и другого одновременно.

Возбудимость мышцы проявляется в изменении как ее напряжения, так и механических свойств — упругости, вязкости и др. В результате возбуждения химическая энергия в мышце превращается в механи­ческую. Возбужденная мышца при той же нагрузке и напряжении имеет мень­шую длину — не меняя своего напря­жения, она сокращается.

Мышца не возбуждена Мышца не возбуждена

Рис. 9. Работа мышцы:

а — проявление возбуждения: режи­мы — изотонический (1—2), изомет­рический (1—3), ауксотонический (1—4); б — проявление вязкости мышцы (орг.)

Свойство сократимости удобно разо­брать на графиках «длина — напряже­ние» невозбужденной и максимально возбужденной мышц (рис. 9, а). Вся кривая, относящаяся к максимально возбужденной мышце, расположена вы­ше, чем кривая покоющейся.

Следовательно, при равной ве­личине напряжения длина возбужденной мышцы меньше.

Кривые, полученные при разных степенях возбуждения мышц, занимают промежуточное положение между упо­мянутыми крайними случаями. Можно этот же график разобрать иначе: точки кривой максимально возбужденной мыш­цы расположены правее (например, точ­ки1и 3) точек графика покоющейся мышцы, имеющей ту же длину.

Значит, при одной и той же длине мышца, будучи воз­бужденной, напряжена боль­ше, чем в состоянии покоя.

Если в подготовительном движении (например, замах, подседание) мышца перед сокращением растягивается, то она тормозит движение; кинетическая энергия тормозимого звена переходит в потенциальную энергию упругой деформации мышцы. Теперь растянутая мышца напря­жена; в ней накоплена потенциальная энергия упругой деформации. С началом активного движения при возбуждении мышцы в ней обра­зуется механическая энергия напряжения, освобождаемая при биохи­мической реакции.

Вся биопотенциальная энергия мышцы состоит из превра­щенной биохимической и упругой механиче­ской.

Преобразование всей биопотенциальной энергии мышцы в механи­ческую (кинетическую) по-разному проявляется в различных условиях работы мышцы. Линия перехода па графике от точки 1 к точке 2 изоб­ражает сокращение мышцы в изотоническом режиме (без изменения напряжения — см. рис. 9, а). В реальных движениях в живом орга­низме такой режим вряд ли может встретиться. При движениях изме­няются моменты сил мышечной тяги, а также других сил, поскольку изменяются углы их приложения, а у мышц — и их длина. Сохра­нять величину напряжения мышцы в этих условиях практически не­возможно, да это и не нужно.

Линия перехода на графике от точки 1 к точке 3 изображает увели­чение напряжения мышцы при ее работе в изометрическом режиме. Например, при непреодолимых препятствиях длина мышцы не изме­няется, однако напряжение ее вследствие возбуждения увеличивается. Это случай «статической работы» мышц при сохранении положения тела (см. гл. VI).

Для работы мышц человека при движениях обычен так называемый ауксотонический режим 1 (например, линия перехода на графиках от точки 1 к точке 4), связанный с изменением и длины, и напряжения мышцы. Этот режим правильнее было бы называть «ауксоническим», учитывая, что изменяется не только напряжение, но и длина мышцы.

На графиках реальных движений все рассмотренные переходы про­исходят не по прямым линиям, так как вязкость замедляет деформа­цию. На рис. 9, б представлены петли гистерезиса при возбуждении ранее нагруженной мышцы (/— 2), при дополнительной нагрузке воз­бужденной мышцы {2—3) и после снятия возбуждения при ее разгрузке {4—I}. Заштрихованные участки соответствуют потерям энергии на преодоление вязкости. Считают, что вязкость мышц увели­чивается при быстрых движениях и при зна­чительном возбуждении, т. е. как раз в условиях сорев­новательной борьбы спортсмена. Однако разогревание мышц при разминке снижает вязкость, уменьшает торможение при сокращении и растягивании мышц. Следовательно, на соревнованиях и тренировках важно для снижения вязкости сохранять в разогретых мышцах тепло.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ МЫШЦ

Механическое действие мышц проявляется в основном как тяга. Мышечная тяга характеризует величину приложенной силы мышц и ее направление — она образуется при суммировании сил тяги всех ее волокон.

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: