Правильная биомеханика тела. Тренажерные системы в адаптивной физической культуре. Основы биомеханики

Предмет науки раскрывает, что именно и с какой целью изучается.

Биомеханика - наука о законах механического движения, в живых системах.

В самом широком смысле к живым системам (биосистемам) относят: а) целостные организмы (например, человек); б) их органы и ткани, а также жидкости и газы в них (внутриорганизменные системы) и даже в) объединения организмов (например, совместно действующая пара акробатов, противодействующие борцы).

Биомеханика спорта как учебная дисциплина изучает движения человека в процессе физических упражнений- Она рассматривает дви-гательные действия спортсмена как системы взаимно связанных ак-тивных движений (объект познания). При этом исследуют механические и биологические причины движений и зависящие 6т них (особенности двигательных действий в различных условиях.

Для лучшего понимания сути и роди механического движения человека рассмотрим основные понятия о движении вообще и о движениях организмов (например, человека) в частности.

Механическое движение в живых системах проявляется как а) передвижение всей биосистемы относительно ее окружения (среды, опоры, физических тел) и б) деформация самой биосистемы - пе-редвижение одних ее частей относительно других. Основные законы механики Ньютона описывают движение абс-трактных абсолютно твердых тел, которые не деформируются. Таких (тел в природе не существует. Но в так называемых твердых телах Деформации бывают столь малы, что их нередко можно и не учиты-вать. В живых же системах существенно изменяется относительное расположение их частей. Эти изменения и есть движения человека. Сами части живых систем (например, позвоночный столб, грудная клетка) также подчас существенно деформируются. Поэтому, изучая движение живой системы, имеют в виду, что работа сил тратится и на передвижение тела в целом, и на деформации. При этом всегда имеются потери энергии, ее рассеяние. Чисто механического движения вообще в природе не существует. Оно всегда сопровождается пре-вращениями механической энергии в другие виды (например, в тепловую) и ее потерями.

Механическое движение человека, изучаемое в биомеханике спорта, Происходит под воздействием внешних механических сил (тяжести, трения и многих других) и сил тяги мышц. Последние же управляются центральной нервной системой и, следовательно, обусловлены физио-логическими процессами. Поэтому для достаточно полного понимания природы живого движения необходимо не только изучение собственно механики движений, но и рассмотрение их биологической стороны. Именно она определяет причины организации механических сил.

Надо знать, что не существует особых законов механики для живого мира. Но насколько живые системы отличаются от абстра-ктных абсолютно твердых тел, настолько же механическое движение живого сложнее движения абсолютно твердого тела. Следовательно, применяя общие законы механики к живым объектам, необходимо учитывать не только их механические особенности, но и биологические (например, причины приспособления движений человека к условиям, пути совершенствования движений, влияние утомления).

Особенности механического движения человека

Двигательная деятельность человека осуществляется в виде двигательных действий, которые организованы из многих взаимо-связанных движений (системы движений).

Двигательная деятельность человека - одно из сложней-ших явлений в мире. Она сложна не только потому, что очень непросты функции органов движения, а еще и потому, что в ней участвует созна-ние как продукт наиболее высокоорганизованной материи - мозга. Поэтому двигательная деятельность человека существенно отличается от деятельности животных. В первую очередь речь идет об осознанной целенаправленной активности человека, о понимании смысла ее, о возможности контролировать и планомерно совершенствовать свои движения. Сходство между движениями животных и человека имеется только на чисто биологическом уровне. При помощи двигательной деятельности человек в процессе физического воспитания активно преобразует свою собственную природу, физически совершенствуется. Он преобразует мир, используя возможности научно-технического прогресса, в конечном счете также посредством двигательной дея-тельности (действия, речь, письмо и т. п.). Двигательная деятельность человека складывается из его действий.

Двигательные действия осуществляются при помощи произ-вольных активных движений, вызванных и управляемых работой мышц. Человек произвольно, по собственной воле, начинает движения, изменяет их и прекращает, когда цель достигнута (И. М. Сеченов). В норме человек производит не просто движения, а всегда действия - утверждал создатель отечественной школы биомеханики Н, А. Берн-штейн. Действия человека всегда имеют цель, определенный смысл. Еще Ньютон поставил вопрос «каким образом движения тел следуют воле?», т. е. достигают поставленной цели. Но только в наше время начинают разрабатывать механику целенаправленных (произвольных) движений человека, исходя из цели движений.

Движения отдельных частей тела объединены в управляемые системы движений, целостные двигательные акты (например, гимна-стические упражнения, способы передвижения на лыжах, приемы игры в баскетбол). В системы движений входит также и активное сохранение положений отдельных частей тела (в суставах), а иногда и всего тела. Каждое движение выполняет свою роль в целостном действии, так или иначе соответствует цели действия. Если спортсмен будет находить и осуществлять цель в каждом движении, то и действия будут лучше Приводить к ней.

Хотя причины движений в биомеханике и рассматриваются с точки фения механики и биологии, их закономерности надо брать во взаимосвязи, учитывая роль человеческого сознания в целенаправленном управлении движениями. Именно взаимосвязь механических и биологических закономерностей позволяет раскрыть специфику биомеханики. Сознательное управление движениями с использованием этой специфики обеспечивает их высокую эффективность в различных условиях исполнения.

Что такое биомеханика?

Название включает в себя греческие слова bios — жизнь и mexane — механизм, рычаг. В отличие от традиционной механики, в которой рассматривается движение и взаимодействие предметов, биомеханика это наука, которая изучает и анализирует многогранные и разносторонние движения живых существ. В фитнесе, да и во всех видах спорта, особенно подвижных, биомеханика рассматривается и используется, как базовая наука и имеет большое значение. Основу биомеханики составляют физиология, геометрия, математика, анатомия и физика в разделе механики. Не меньше биомеханика связана с психологией и биохимией. Все варианты взаимодействия прикладных наук полезны и приносят ощутимую пользу.

Биомеханическая мускульная работа

Работа любой мышцы человеческого опорно-двигательного аппарата основаны на умении и возможности мышцы сокращаться. В момент мышечного сокращения сама мышца укорачивается, а обе точки крепления к костям сближаются одна относительно другой. Подвижная точка Insertion начинает приближаться к начальной неподвижной точке крепления Origin, так осуществляется движение данной конечности.

Если применить это качество и свойство мышечной материи к области фитнеса, то открывается возможность выполнения определенной механической работы (подъем штанги, перемещение конечности с гантелей), прилагая разную степень мышечного усилия. Мышечная сила в данном случае будет определяться площадью сечения мышечных волокон, или говоря простым языком площадью разреза мышцы в поперечнике. Размер мышечного сокращения определен длиной мышечного волокна. Соединения костей и взаимодействие с мышечными группами устроено в форме механического рычага, позволяющего выполнять простейшую работу по поднятию и передвижению предметов.

Механика учит нас, что чем дальше от оси будет приложена сила, тем выше кпд, ибо благодаря большому плечу рычага, работу можно выполнить с меньшими усилиями. Так и в биомеханике — если мышца крепится дальше от опорной точки, тем более выгодно будет использована ее сила. П.Ф. Лесгафт в этом смысле квалифицировал мышцы на сильные, имеющие крепление дальше от опорной точки и быстрые или ловкие, имеющие точку крепления вблизи опоры.

Мышечное движение всегда производится в двух противоположных направлениях. По этой причине для выполнения двигательного процесса вокруг одной опорной точки необходимо наличие двух мышц на противоположных сторонах одна от другой. Направления движения в биомеханике тоже получили свои определения: сгибание и разгибание, приведение и отведение, горизонтальное приведение и горизонтальное отведение, ротация медиальная и ротация латеральная.

Мышца, которая вызывает момент движения при сокращении и принимает на себя основную нагрузку, называется агонистом — Prime mover. Каждое сокращение мышцы-агониста приводит к полному расслаблению противоположной ей мышцы-антагониста. Если мы выполняем сгибание в локте, агонистом будет являться сгибатель локтя — бицепс, а антагонистом в этот момент будет разгибатель локтя — трицепс. После окончания движения обе мышцы будут уравновешивать друг друга, находясь в немного растянутом состоянии. Это явление называется мышечным тонусом. Мышцы, помогающие выполнять движение мышце-агонисту и действующие в одном с ним направлении, но испытывающие меньшую нагрузку и меньшую степень сокращения называются синергистами. Мышцы, обеспечивающие устойчивость и равновесие определенному суставу при выполнении движения, называются фиксаторами. Помимо фиксаторов значительную роль в тренировочном процессе выполняют мышцы стабилизаторы, которые работают в качестве элементов равновесия тела при смещении центра тяжести и увеличении общей силовой нагрузки. Кроме того мышцы стабилизаторы участвуют в повседневной жизни человека в обеспечении равновесного расположения частей тела относительно друг друга вне силовой тренировки.

В любой момент движения, кости образуют механические рычаги, следуя за мышечными командами.

Биомеханика выделяет три вида биомеханических рычагов:

• рычаг 1 рода, где точки приложения силы расположены с противоположных сторон от оси;
• рычаг 2 рода, где точки приложения силы располагаются по одну сторону от оси, но на разном от нее расстоянии, поэтому здесь применимы два вида рычага, условно называемые «рычаг силы» и «рычаг скорости».

Рассмотрим виды рычагов более подробно:

Рычаг 1 рода

В биомеханике он называется «рычагом равновесия». Поскольку точка опоры расположена между двумя точками приложения силы, рычаг еще называют «двуплечим». Такой рычаг нам демонстрирует соединения позвоночника и черепной коробки. Если вращающий момент силы, действующей на затылочную часть черепа равен вращающему моменту силы тяжести, действующему на переднюю часть черепа, и они имеют одинаковое плечо рычага, достигается равновесие. Нам удобно, мы не замечаем разнонаправленного действия, и мышцы не напряжены.

Рычаг 2 рода

В биомеханике он подразделяется на два вида. Название и действие этого рычага зависят от места расположения приложения нагрузки, но у рычагов обоих видов точка приложения силы точка приложения сопротивления находятся по одну сторону от точки опоры, поэтому оба рычага являются «одноплечими». Рычаг силы образуется при условии, что длина плеча приложения силы мышц длиннее плеча приложения силы тяжести (сопротивления). В качестве наглядного примера можно продемонстрировать человеческую стопу. Осью вращения здесь являются головки плюсневых костей, пяточная кость служит точкой приложения силы, а тяжесть тела образует сопротивление в голеностопном суставе. Здесь имеет место выигрыш в силе, за счет боле длинного плеча приложения силы и проигрыш в скорости. Рычаг скорости имеет более короткое плечо приложения мышечной силы, чем плечо силы противодействия (силы тяжести). Примером может служить работа мышц сгибателей в локтевом суставе. Бицепс крепится вблизи точки вращения (локтевой сустав) и с таким коротким плечом необходима дополнительная сила мышце сгибателю. Здесь имеет место выигрыш в скорости и ходе движения, но проигрыш в силе. Можно заключить, что чем ближе от места опоры будет крепиться мышца, тем короче будет плечо рычага, и тем значительнее будет проигрыш в силе.

При соединении двух костных пар образуется биокинетическая пара, характер движения в которой определяется строением костного сочленения (сустава), работой мышц, сухожилий и связок. Подвижность в суставе может зависеть от многочисленных факторов: пола, возраста, генетического строения, состояния ЦНС.

Для того чтобы оптимально и правильно принять исходное положения для выполнения упражнений необходимо напрямую руководствоваться знанием законов рычагов первого и второго типов. Если мы изменим положение конечности или туловища, то в свою очередь определенным образом изменится длина плеча рычага конечности или туловища. В любом случае всегда исходное положение выбирается таким образом, чтобы начальный период тренировки сопровождался менее нагрузочными положениями конечностей и корпуса. В дальнейшем, в зависимости от состояния и формы тренирующегося, можно постепенно увеличивать длину плеча рычага, для усиления воздействия на определенную мышечную группу. Увеличение силы противодействия одновременно с удлинением плеча рычага в свою очередь еще больше акцентирует внимание на укрепление силы конкретной мышечной группы или одной мышцы.

Для осуществления технически грамотного движения в момент выполнения упражнения, необходимо и важно знать, в каком направлении работает сустав, соединяющий активную мышечную группу. Здесь нам необходимо опять обратиться к анатомическим плоскостям. Виды и описание осей и плоскостей даны в разделе кинезиологии. Виды и названия суставов вы можете найти в разделе анатомии. Опорно-двигательный аппарат человека представляет собой различные костные сочленения, соединенные друг с другом посредством суставов. Тело человека может свободно перемещаться в шести направлениях: вперед и назад, вправо и влево, вверх и вниз. Определенная классификация суставов позволяет движения в этих направлениях.

Суставы трехосные — это самые подвижные суставы, они свободно обеспечивают движение в трех направлениях. Примером служат: соединения черепа и позвоночника, межпозвонковых дисков, плечевые суставы, лучевой и тазобедренный. Подобные суставы имеют шарообразную форму. Движения в этих суставах происходят в сагиттальной, корональной и трансверсальной плоскостях. В этих суставах тренирующийся имеет возможность выполнять все виды движений: сгибание и разгибание, приведение и отведение, горизонтальное приведение и отведение, медиальную и латеральную ротацию.

Суставы двухосные — обеспечивают движение в двух направлениях, менее подвижны. Они имеют форму эллипса или седла. Движения в этих суставах происходят в сагиттальной и корональной плоскостях. Примером служат суставы пальцев рук, лучезапястный сустав. Здесь возможны сгибание и разгибание, приведение и отведение.

Суставы одноосные — обеспечивают однонаправленное движение. Они имеют форму цилиндров и блоков. Примером служат плече локтевой, лучевой, коленный, голеностопный суставы. Движения возможны в сагиттальной плоскости и это сгибания и разгибания. В лучевом суставе возможна ротация латеральная (супинация) и ротация медиальная (пронация).

Несмотря на то, что многие крупные мышцы рассматриваются в анатомии как единое целое, различные части и отделы больших мышц могут осуществлять неодинаковые движения. В сгибании плеча, например, принимает участие Deltoid Anterior, в отведении плеча Middle Deltoid, а в разгибании Deltoid Posterior. Данные знания являются основой для составления индивидуальной программы тренировок, которую инструктор или тренер готовит для тренирующегося. Это позволяет грамотно осуществить подбор необходимых упражнений для воздействия на конкретную мышцу или мышечную группу.

В зависимости от того, какое исходное положение принимает тренирующийся, выполнение определенного упражнения может усложняться или облегчаться. Поэтому общая эффективность тренировки также зависит от исходного положения в выполнении упражнения. В фитнесе мы применяем следующие исходные положения: положение лежа — самое простое и легкое, положение сидя — менее легкое и положение стоя — с малой площадью опоры и поэтому достаточно сложное для удержания равновесия.

Для сглаживания разбалансировки в положениях тела с неустойчивым равновесием используются упоры. Очень распространенным является упор лежа. Это закрытая кинематическая цепь, поскольку все части тела замкнуты. Устойчивость и равновесие имеют достаточно высокую степень, центр тяжести расположен низко, площадь опоры большая.

Для примера верхней опоры могут послужить висы. Висы тоже считаются достаточно устойчивыми. Тело человека испытывает силу растяжения под тяжестью собственного веса. Руки прямые и соприкасаются с опорой в фиксировано положении. Вис является силовым упражнением уже сам по себе. Подтягивания на перекладине являются сложным силовым упражнением, которое может выполнить только подготовленный спортсмен с сильно развитыми мышцами верхнего пояса и верхних конечностей. В таком положении любая двигательная активность является сложно выполнимой, поэтому можно использовать опору для ног.

Ходьба — повседневная двигательная активность человека. Это попеременное движение ног. Одна нога служит опорой в тот момент, когда другая находится в воздухе и движется вперед. Ноги поочередно сменяют друг друга, меняя последовательно опорную фазу на двигательную.

Бег — быстрые циклические шаги, требующие от опорно-двигательного аппарата достаточно больших энергозатрат, напряжения центральной нервной системы, хорошей физической формы. Измеряется длиной шага, скоростью бега и длительностью временного промежутка.

Приседания — выполняются мышцами нижних конечностей. Площадь опоры достаточно мала, равновесие не обладает достаточной устойчивостью. При опоре руками выполнение приседаний значительно облегчается. Чем приседания глубже, тем они тяжелее. Усложнение упражнений осуществляется за счет темпа и числа приседаний, возможно дополнительное отягощение на плечи.

Прыжки — это поочередные отталкивания тела от площади опоры. Главную работу выполняют мышцы нижних конечностей, мышцы туловища и рук участвуют в движении, обеспечивая вспомогательную функцию.

Опорно-двигательный аппарат (ОДА) человека состоит из двух частей: пассивной и активной .

Пассивная часть ОДА содержит следующие элементы:

• кости скелета — 206 костей (85 парных и 36 непарных).
• соединения костей (непрерывные, полупрерывные и прерывные) - анатомические образования, позволяющие объединять кости скелета в единое целое, удерживая их друг возле друга и обеспечивая им определенную степень подвижности. Биомеханика ОДА рассматривает в основном прерывные соединения костей - суставы.
• связки - упругие образования, служащие для укрепления соединения костей и ограничения подвижности между ними.

Активная часть ОДА содержит следующие элементы:

• скелетные мышцы (более 600).
• Двигательные нервные клетки (мотонейроны). Двигательные нейроны расположены в сером веществе спинного и продолговатого мозга. По длинным отросткам (аксонам) этих клеток к мышцам поступают сигналы из центральной нервной системы (ЦНС).
• Рецепторы ОДА. Различные рецепторы, расположенные в мышцах, сухожилиях и суставах информируют ЦНС о текущем состоянии элементов ОДА.
• Чувствительные нейроны (афферентные нейроны). По чувствительным нервным клеткам информация от рецепторов мышц, сухожилий и суставов поступает в ЦНС. Тела чувствительных нейронов вынесены за пределы ЦНС и лежат в чувствительных узлах спинномозговых и черепных нервов (ганглиях).

Биомеханическими функциями ОДА являются:

• опорная - обеспечивает опору для мягких тканей и органов, а также удержание вышележащих сегментов тела;
• локомоторная (двигательная) - обеспечивает перемещение тела человека в пространстве;
• защитная - защищает внутренние органы от повреждений.

С точки зрения биомеханики, опорно-двигательный аппарат человека представляет собой управляемую систему подвижно соединенных тел, обладающих определенными размерами, массами, моментами инерции и снабженных мышечными двигателями.

5.2. Строение, функции и механические свойства элементов ОДА человека

5.2.1. Кости

Кость - элемент ОДА человека, представляющий собой жесткую конструкцию из нескольких материалов, различных по механическим свойствам. В основном кость состоит из костной ткани, которую сверху покрывает соединительнотканная оболочка - надкостница. Костная ткань образована плотным компактным и рыхлым губчатым веществом. Суставные поверхности кости покрыты суставным хрящом.

Различают механические функции костей скелета (опорную, локомоторную и защитную) и биологические (участие в минеральном обмене, кроветворную и иммунную). В биомеханике ОДА рассматриваются механические функции костей и связанные с ними механические свойства .

Опорная функция костей связана с их центральным положением внутри каждого сегмента тела человека, которое обеспечивает механическую опору другим элементам ОДА: мышцам и связкам. Кроме того, кости нижних конечностей и позвоночника обеспечивают опору для вышележащих сегментов тела. Скелетные мышцы приводят в движение костные рычаги или обеспечивают сохранение равновесия. Благодаря этому возможно выполнение двигательных действий и статических положений. В этом проявляется локомоторная функция костей . Кости черепа, грудной клетки и таза защищают внутренние органы от повреждений. В этом проявляется защитная функция костей.

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями. Кости ног и рук состоят из плотной костной ткани. Они продолговатые и трубчатые по строению, что позволяет, с одной стороны, противодействовать значительным внешним нагрузкам, а с другой - более чем в два раза уменьшить их массу и моменты инерции.

Основным механическим свойством костной ткани является прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Прочность материала характеризуется пределом прочности - отношением нагрузки, необходимой для полного разрыва (разрушения испытуемого образца) к площади его поперечного сечения в месте разрыва.

Различают четыре вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Прочность костной ткани при растяжении составляет от 125 до 150 МПа . Она выше, чем у дуба и почти такая же, как у чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Ее значения равны 170 МПа. Несущая способность костей при изгибе значительно меньше. Например, бедренная кость выдерживает нагрузку на изгиб до 2500 Н. Подобный вид деформации широко распространен, как в обычной жизни, так и в спорте. Например, при удержании спортсменом положения «крест» на кольцах происходит деформация костей верхней конечности на изгиб.

При движениях кости не только растягиваются, сжимаются и изгибаются, но и скручиваются. Прочность кости при кручении составляет 105,4 МПа. Она наиболее высока в 25-35 лет. С возрастом этот показатель снижается до 90 МПа.

Механические нагрузки, действующие на человека при занятиях спортом, превышают повседневные. Чтобы им противостоять, в костях происходит ряд изменений: меняются их форма и размеры а также повышается плотность костной ткани. Так, например, у тяжелоатлетов сильно меняется форма лопатки и ключицы. У теннисистов увеличиваются размеры костей предплечья, у штангистов и метателей диска утолщаются кости бедра, у бегунов и хоккеистов - кости голени, у футболистов - кости стопы (В.И. Козлов, А.А. Гладышева, 1977).

5.2.2. Суставы

Сустав - элемент ОДА, обеспечивающий соединение костных звеньев и создающий подвижность костей друг относительно друга. Суставы являются наиболее совершенными видами соединения костей. У человека их около 200.

Сустав образуют суставные поверхности сочлененных костных звеньев. Между суставными поверхностями имеется суставная полость, в которую поступает синовиальная жидкость. Окружает сустав суставная капсула, состоящая из плотной соединительной ткани.

Основной функцией суставов является обеспечение подвижности костных звеньев друг относительно друга. С этой целью поверхность суставов смачивается синовиальной жидкостью (смазкой), которая выделяется суставным хрящом при увеличении нагрузки на сустав. При уменьшении нагрузки синовиальная жидкость поглощается суставным хрящом. Чтобы компенсировать разрушение суставного хряща при трении в нем постоянно происходят процессы регенерации.

Присутствие синовиальной жидкости обеспечивает низкий коэффициент трения в суставе (от 0,005 до 0,02). Напомним, что коэффициент трения при ходьбе (резина по бетону) составляет 0,75.

Прочность суставного хряща составляет 25,5 МПа. Если давление на суставной хрящ превышает эти показатели, смачивание суставного хряща синовиальной жидкостью прекращается и увеличивается опасность его механического стирания. В среднем и пожилом возрасте выделение синовиальной жидкости в суставную полость уменьшается.

Опорно-двигательный аппарат человека с позиции теории машин и механизмов, можно рассматривать как сложный биомеханизм, состоящий из жестких звеньев (костей) и кинематических пар определенных классов (суставов). С этой точки зрения различают:

Одноосные суставы. Движения в них происходят только вокруг одной оси. Эти суставы обладают одной степенью свободы. В организме человека таких суставов насчитывается 85.

Двуосные суставы. Движения в них происходят вокруг двух осей. Эти суставы обладают двумя степенями свободы. В организме человека 33 двуосных сустава.

Многоосные суставы . Движения в них происходят вокруг трех осей. Эти суставы обладают тремя степенями свободы. В организме человека таких суставов 29.

Для определения числа степеней свободы ОДА человека применяют формулу Сомова-Малышева.

Число степеней свободы для модели тела человека с 148 подвижными звеньями составляет: n = 6 × 148 — 5 × 85 — 4 × 33 — 3 × 29 = 244. Это означает, что для описания положения модели тела человека в каждый момент времени необходимо иметь 244 уравнения.

Для количественных оценок параметров движения важно знать положение мгновенных осей вращения в суставе, так как это влияет на значение плеч сил отдельных мышц. Мгновенные оси вращения в суставах могут смещаться. Это происходит из-за того, что в суставах могут осуществляться три типа движения сочленяющихся поверхностей: скольжение, сдвиг и качение. Возможность таких движений обусловлена тем, что соприкасающиеся суставные поверхности не тождественны по форме.

Под влиянием занятий спортом адаптация суставов ОДА происходит разнонаправленно: в одних суставах подвижность увеличивается, в других - уменьшается. Так, у велосипедистов наибольшая подвижность отмечается в голеностопном суставе и наименьшая - в тазобедренном и плечевом (М.Г.Ткачук, И.А.Степаник, 2010).

5.2.3. Сухожилия и связки

Сухожилие - компонент мышцы, обеспечивающий ее соединение с костью. Основной функцией сухожилия является передача усилия мышц кости. Связки - компонент сустава, обеспечивающий его стабилизацию, посредством удержания костных звеньев в непосредственной близости друг относительно друга.

Сухожилия и связки характеризуются следующими механическими свойствами: прочностью, значением относительной деформации (ε), а также упругостью, которую численно характеризует модуль продольной упругости (модуль Юнга).

Сухожилия состоят из толстых, плотно уложенных в пучки структурных единиц - фибрилл, в состав которых входят коллагеновые волокна. Основное свойство коллагена - высокая прочность на разрыв и небольшая относительная деформация (ε ≈ 10%).

Связки, как и сухожилия, состоят главным образом из пучков коллагеновых волокон, расположенных параллельно друг другу. Однако в отличие от сухожилий в состав связок входит достаточное большое количество волокон эластина. Эластин - упругий белок, который может очень сильно растягиваться (относительная деформация составляет 200-300%).

Механические свойства сухожилий и связок зависят от их размеров и состава. Чем больше поперечное сечение и больший процент коллагеновых волокон - тем выше прочность. Чем связка длиннее, и чем больше в ней волокон эластина - тем большей значение относительной деформации.

Прочность сухожилий составляет 40-60 МПа, а связок - 25МПа. Следует заметить, что предел прочности каната из хлопка на растяжение составляет 30-60 МПа.

На прочность связок и сухожилий влияет уровень гормонов. Доказано, что систематическое введение гормонов может привести к значительному уменьшению их прочности. Значительно снижает прочность связок и сухожилий иммобилизация. И, наоборот, при исследовании животных была найдена связь между уровнем физической активности и прочностью сухожилий и связок. Доказано, что в подавляющем большинстве случаев прочность сухожилий более высока, чем прочность их прикрепления к костям. Поэтому при травмах сухожилий они не разрываются, а отрываются от места прикрепления. Следует учитывать также, что в процессе тренировок прочность сухожилий и связок увеличивается сравнительно медленно. При форсированном развитии скоростно-силовых качеств мышц может возникнуть несоответствие между возросшими скоростно-силовыми возможностями мышечного аппарата и недостаточной прочностью сухожилий и связок. Это грозит потенциальными травмами (А.С. Аруин, В.М. Зациорский, В.Н. Селуянов, 1981).

Модуль Юнга (Е ) численно равен напряжению, увеличивающему длину образца в два раза. Модуль Юнга для костной ткани составляет 2000МПа, а сухожилия - 160МПа. Материал коллаген характеризуется значением модуля Юнга равным 10-100 МПа, а эластин - 0,5 МПа. Следует отметить, что значение модулем Юнга для резины составляет 5МПа, а для древесины - 1200 МПа (В.И. Дубровский, В.Н. Федорова, 2003).

Связки и сухожилия характеризуются нелинейными свойствами - модуль упругости изменяется по мере изменения их длины.

5.3. Биомеханические свойства и особенности строения ОДА человека

На биомеханические свойства ОДА человека оказывают влияние особенности его строения.

Во-первых , костные звенья и соединяющие их суставы представляют собой рычаги. Это означает, что результирующее действие мышцы при вращательных движениях, каковыми являются движения звеньев тела в организме человека, определяется не силой, а моментом силы (произведением силы тяги мышцы на ее плечо). Момент силы мышцы будет максимальным, если в фазы движения, соответствующие максимальным значениям силы мышц, будут достигаться максимальные значения плеч сил мышц. Однако изучение изменения длины и плеча силы тяги при выполнении двигательных действий показало (И.М. Козлов, 1984), что опорно-двигательный аппарат человека и животных устроен так, что у большинства односуставных мышц (мышц, обслуживающих движения в одном суставе) уменьшение длины мышцы (падение силы тяги) компенсируется увеличением плеча силы. Это позволяет сохранить значение суставного момента постоянным на протяжении значительного диапазона изменения длины мышцы. Для двусуставных мышц (мышц, обслуживающих движения в двух суставах) уменьшение плеча силы тяги в одном сочленении сопровождается увеличением этого параметра относительно другого сустава.

Во-вторых, ОДА человека и животных устроен таким образом, что сила мышцы , как правило, приложена на более коротком плече рычага . Поэтому мышцы, действующие на костные рычаги, почти всегда имеют проигрыш в силе, однако выигрывают в перемещении и скорости (Н.Б. Кичайкина с соавт., 2008).

Третья особенность функционирования ОДА человека и животных проявляется в том, что мышцы, обеспечивающие движения в суставах могут только тянуть, но не толкать. Поэтому для того, чтобы осуществлять движения в противоположных направлениях, необходимо, чтобы движение звеньев тела осуществлялось мышцами-антагонистами . Следует отметить, что мышцы-антагонисты обеспечивают не только движения звеньев тела в различных направлениях, но также и высокую точность двигательных действий. Это связано с тем, что звено необходимо не только привести в движение, но и затормозить в нужный момент времени.

Четвертой особенностью строения ОДА человека и животных является наличие мышц-синергистов . Наш опорно-двигательный аппарат устроен таким образом, что перемещение костных звеньев в одном направлении может осуществляться под действием различных мышц. Мышцы-синергисты перемещают звенья в одном направлении и могут функционировать как вместе, так и по отдельности. В результате синергетического действия мышц увеличивается их результирующая сила. Если же мышца травмирована или утомлена ее синергисты обеспечат выполнение двигательного действия.

Пятой особенностью строения ОДА человека и животных является наличие мышц, обладающих различной структурой: с параллельным и перистым ходом мышечных волокон. Установлено, что мышцы, имеющие параллельный ход мышечных волокон выигрывают в скорости сокращения, по сравнению с перистыми мышцами. Однако мышцы, обладающие перистым строением, дают выигрыш в силе. Поэтому антигравитационные мышцы - то есть мышцы, противодействующие силе тяжести, расположенные на нижней конечности имеют перистую структуру.

5.4. Биомеханика мышц

5.4.1. Виды работы мышц и режимы мышечного сокращения

Различают два вида работы мышц:

• статическая (звенья ОДА фиксированы, движение отсутствует);
• динамическая (звенья ОДА перемещаются относительно друг друга).

Различают три режима мышечного сокращения:

• изометрический - режим мышечного сокращения, при котором момент силы мышцы равен моменту внешней силы (длина мышцы не изменяется). Изометрический режим соответствует статической работе.
• преодолевающий (концентрический) - режим мышечного сокращения, при котором момент силы мышцы больше момента внешней силы (длина мышцы уменьшается).
• уступающий (эксцентрический) - режим мышечного сокращения, при котором момент силы мышцы меньше момента внешней силы (длина мышцы увеличивается).

Преодолевающий и уступающий режимы соответствуют динамической работе. Тренировка с использованием различных режимов мышечного сокращения может привести к различным тренировочным эффектам. Так, использование уступающего режима мышечного сокращения по сравнению с преодолевающим, приводит к бо льшей гипертрофии скелетных мышц.

5.4.2. Биомеханические свойства мышц

Биомеханические свойства скелетных мышц - это характеристики, которые регистрируют при механическом воздействии на мышцу.

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

Сократимость

Сократимость - способность мышцы укорачиваться при возбуждении, в результате чего возникает сила тяги.

Установлено, что во время сокращения (укорочения) мышцы длина толстого и тонкого филаментов не изменяется. При этом неизменной особенностью сокращения является центральное положение толстого филамента в саркомере, посередине между Z-линиями, рис.5.1.

Исходя из этих наблюдений, была выдвинута «теория скользящих нитей». В соответствии с этой теорией изменение длины саркомера обусловлено скольжением толстого и тонкого филаментов относительно друг друга (H.E. Huxley, J. Hanson., 1954; A.F. Huxley R. Niedergerke, 1954). Процесс сокращения происходит следующим образом. При активации мышцы, прикрепленные к противоположным Z-мембранам тонкие филаменты скользят вдоль толстых. Скольжение происходит благодаря наличию выступов (головок) на нитях миозина, получивших название поперечных мостиков. Так как при сокращении мышцы расстояние между Z-мембранами уменьшается, происходит уменьшение длины мышцы. В виду того, что саркомер представляет собой не плоскую, а объемную структуру, при сокращении мышцы происходит не только уменьшение ее длины, но и увеличение ее поперечного сечения (когда тонкие нити втягиваются в толстые).

Установлено, что зависимость сила, развиваемая саркомером, зависит от его длины. Выявлено, что существуют критические значения длины саркомера, при которых развиваемая им сила падает до нуля. Первое критическое значение длины саркомера равно 1,27 мкм. Оно соответствует максимальному укорочению мышцы. В этом состоянии мышцы регулярность расположения нитей нарушается, они искривляются. Второе критическое значение длины равно 3,65 мкм. Оно соответствует максимальному удлинению мышцы (перекрытия толстых и тонких филаментов нет). Если длина саркомера больше 1,27 мкм и меньше чем 3,65 мкм, значение силы отличается от нуля. При длине саркомера от 1,67 до 2,25 мкм, он развивает максимальную силу.

Существует предельное значение длины саркомера, при котором происходит его разрыв. Это значение равно 3,60 мкм. Чтобы не произошел разрыв, при растягивании мышечных волокон защитную функцию берет на себя соединительный филамент - титин. Благодаря своим упругим свойствам, он предотвращает чрезмерное растяжение саркомера (М.Дж.Алтер, 2001).

Жесткость

Жесткость - характеристика тела, отражающая его сопротивление изменению формы при деформирующих воздействиях (В.Б. Коренберг, 2004). Чем больше жесткость тела, тем меньше оно деформируется под воздействием силы. Жесткость тела характеризуется коэффициентом жесткости (k ). Жесткость линейной упругой системы, например пружины, есть величина постоянная на всем участке деформации.

В отличие от пружины мышца представляет собой систему с нелинейными свойствами. Это связано с тем, что структура мышцы очень сложна. Возникающая в мышце сила упругости не пропорциональна удлинению. Вначале мышца растягивается легко, а затем даже для небольшого ее растяжения необходимо прикладывать все большую силу. Поэтому часто мышцу сравнивают с трикотажным шарфом, который вначале легко растягивается, а затем становится практически нерастяжимым. Иными словами, жесткость мышцы с ее удлинением возрастает. Из этого следует, что мышца представляет собой систему, обладающую переменной жесткостью. Установлено, что жесткость мышцы в активном состоянии в 4-5 раз больше жесткости в пассивном состоянии. Коэффициент жесткости мышц варьирует от 2000 до 3000 Н/м.

Вязкость

Помимо жесткости мышца обладает еще одним важным свойством - вязкостью. Вязкость - свойство жидкостей, газов и «пластических» тел оказывать неинерционное сопротивление перемещению одной их части относительно другой (смещение смежных слоев). При этом часть механической энергии переходит в другие виды, главным образом в тепло. Это свойство сократительного аппарата мышцы вызывает потери энергии при мышечном сокращении, идущие на преодоление вязкого трения. Предполагается, что трение возникает между нитями актина и миозина при сокращении мышцы. Кроме того, трение возникает между возбужденными и невозбужденными волокнами мышцы (мышечные волокна различных типов расположены в мышце в виде мозаики) из-за наличия соединения мышечных волокон коллагеновыми фибриллами. Поэтому, если возбуждены все мышечные волокна, трение должно уменьшаться. Показано, что при сильном возбуждении мышцы, ее вязкость резко снижается (Г.В. Васюков,1967).

Мышца, обладающая бо льшей вязкостью, будет характеризоваться бо льшей площадью «петли гистерезиса». Вы знаете, что при выполнении физических упражнений температура мышц повышается. Повышение температуры мышц связано с упруговязкими свойствами мышцы и с потерями энергии мышечного сокращения на трение. Разогрев мышц (разминка) приводит к тому, что вязкость мышц уменьшается.

Прочность

Предел прочности мышцы оценивается значением растягивающей силы, при которой происходит ее разрыв. Установлено, что предел прочности для миофибрилл равен 16-25 КПа, мышц - 0,2-0,4 МПа, фасций - 14 МПа. Долгое время считалось (Е.К. Жуков, 1969; В.М. Зациорский, 1979), что неизменность длины мышцы при ее работе в изометрическом режиме связана с растяжением сухожилий, однако А.А. Вайном (1990) было указано на то, что прочность сухожилий (предел прочности сухожилий равен 40-60 МПа) значительно превосходит прочность мышечных волокон. Поэтому в латентный период возбуждения мышцы сухожилия практически не изменяют своей длины, и, следовательно, неизменной остается длина мышечных волокон и жестко связанных с ними миофибрилл. Это возможно в том случае, если одни, более слабые элементы миофибрилл (саркомеры) будут растягиваться, а другие, более сильные - укорачиваться.

Релаксация

Релаксация мышц - свойство, проявляющееся в уменьшении с течением времени силы мышцы при ее постоянной длине.

Для оценки релаксации используют показатель - длительность релаксации (τ), то есть промежуток времени, в течение которого сила мышцы уменьшается в е раз от первоначального значения. Многочисленными исследованиями установлено, что высота выпрыгивания вверх с места зависит от длительности паузы между приседанием и отталкиванием. Чем больше эта пауза, то есть чем больше длительность работы мышцы в изометрическом режиме, тем меньше ее сила и как следствие - высота выпрыгивания.

Литература

1. Алтер М. Дж. Наука о гибкости / М. Дж. Алтер. - Киев: Олимпийская литература. - 2001. - 421 с.
2. Васюков Г.В. Исследование механических свойств скелетных мышц человека / Г.В. Васюков: Автореф. дис…канд. биол. наук. - М.,1967. - 28 с.
3. Вайн А.А. Явление передачи механического напряжения в скелетной мышце / А.А. Вайн. - Тарту: Изд. Тартуского университета, 1990. - 34 с.
4. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика. Учебник для высших и средних заведений.- М.: ВЛАДОС_ПРЕСС, 2003.&? 672 с.
5. Жуков Е.К. Очерки по нервно-мышечной физиологии / Е.К. Жуков.- Л.: Наука, 1969. - 288 с
6. Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, А.С. Аруин, В.Н. Селуянов. - М.: Физкультура и спорт, 1981. - 143 с.
7. Зациорский, В.М. Биодинамика мышц / В.М. Зациорский // В кн.: Д.Д. Донской, В.М. Зациорский Биомеханика. Учебник для ин-тов физ. культуры. - М.: Физкультура и спорт, 1979б. - С. 45-51.
8. Кичайкина Н.Б., Степанов В.ВЛебедева., Е.В., Н.Б. Кичайкина, В.В. Степанов, Е.В. Лебедева, 1987
9. Кичайкина, Н.Б. Биомеханика физических упражнений / Н.Б. Кичайкина, И.М. Козлов, А.В. Самсонова: учебно-методическое пособие. - СПб, 2008.- 164 с.
10. Козлов, В.И. Основы спортивной морфологии: учебное пособие для ин-тов физической культуры / В.И. Козлов, А.А. Гладышева. - М.: Физкультура и спорт, 1977. - 103 с.
11. Козлов И.М. Биомеханические факторы организации движений человека: Дис… докт. биол. наук.- Л., 1984.- 307 с.
12. Ткачук М.Г., Степаник И.А. Анатомия: учебник для студентов высших учеб. заведений / М.Г. Ткачук, И.А. Степаник. - М.: Советский спорт, 2010. - 392 с.
13. Huxley A.F., Nidergerke R. Structural changes in muscle during contraction; Interference microscopy of living muscle fibres / A.F. Huxley, // Nature,1954. - V.1973. - №. 4412. - P. 971-973.
14. Huxley H.E., Hanson J. Changes in the cross-striations of muscle during contractions and stretch and their structural interpretation / H.E. Huxley, J. Hanson // Nature, 1954. - V. 173. - N. 4412. - P. 973-976.
15. Pollack G.H. Muscles &? molecules: Uncovering the principles of biological motion / G.H. Pollack.- Seattle: Ebner&Sons, 1990.

Науку о законах механического движения в живых системах (телах) называют биомеханикой. Для правильного и обоснованного применения лечебной физкультуры и лечении больных необходимо представление о некоторых закономерностях движений человека.

Центр тяжести тела

Когда тело покоится на опоре (или подвешено к ней), сила тяжести прижимает его к опоре (или отрывает от подвеса). Воздействие тела на опору в покое вызывает противодействие последней, направленное на противоположную сторону. По величине противодействия (реакции) опоры судят о величине действия тела на опору. Эта величина является массой тела или силой его тяжести.

В отношении тела человека различают общий центр тяжести (центр массы) для всего тела и центры тяжести для его отдельных звеньев (частей). Общий центр тяжести нормально физически развитого человека находится в области таза приблизительно на уровне второго крестцового позвонка и не является строго фиксированной точкой. Даже при спокойном положении тела перемещение общего центра тяжести происходит постоянно в пределах 5-10 мм. При изменении позы, движениях звеньев тела колебания его могут быть более значительными.

Учет расположения и перемещения общего центра тяжести имеет значение для оценки состояния равновесия тела. Тело находится в равновесии, когда все действующие на него силы уравновешены. Для выяснения равновесия важно определить проекцию общего центра тяжести на площадь опоры. Для этого находят линию гравитации — воображаемую вертикальную линию, проходящую через центр тяжести тела до площади опоры.

Стабильность (устойчивость) равновесия тела на опоре определяется тремя факторами: величиной площади опоры, высотой центра тяжести от опорной поверхности и расположением проекции общего центра тяжести на площадь опоры. Чем ниже расположен центр тяжести и чем ближе к центру площади опоры проходит линия гравитации, тем устойчивее равновесие. Под площадью опоры подразумевается площадь, заключенная между крайними точками опорных поверхностей тела, т. е. площади самих опорных поверхностей и площади пространства между ними.

Следовательно, площадь опоры поддается изменению по величине и форме, в том числе при использовании вспомогательных средств опоры. При обычном вертикальном положении тела линия гравитации проходит в непосредственной близости к центру площади опоры (между стопами в 30 — 50 мм кпереди от оси голеностопных суставов). Тело сохраняет равновесие, если его линия гравитации проходит через площадь опоры. Если линия гравитации выйдет за ее пределы, то равновесие нарушается и тело падает (опрокидывается, перемещается).

Различают два вида раниовесия человека: устойчивое и неустойчивое. Устойчивым равновесием называется такое, при котором общий центр тяжести расположен ниже площади опоры (например, вис на выпрямленных руках). Неустойчивым равновесием называют такое, при котором общий центр тяжести тела расположен выше площади опоры (например, положение стоя на одной ноге). В практике чаще встречается ограниченно устойчивое равновесие, при котором устойчивость сохраняется только в определенных границах отклонений тела, пока линия гравитации проходит в площади опоры.

Человек способен сохранять равновесие и восстанавливать его в случаях нарушения какими — либо возмущающими равновесие силами. Это достигается целенаправленным использованием мышечных движений. Сохраняя положение равновесия, человек управляет своими движениями, активно борется с действием сил, нарушающих его, что принципиально отличается от пассивного уравновешивания неживых тел.

Плоскости и оси движения

Для изучения и регистрации состояния тела человека и его частей принято различать плоскости тела и оси движения. Различают три основные плоскости. Сагиттальная, или переднезадняя (воображаемая), плоскость разделяет тело человека или любую его часть на левую и правую половины (отделы), причем сагиттальную плоскость, проходящую через середину тела, называют срединной плоскостью. Горизонтальная плоскость пересекает тело поперечно, разделяя его на головной (краниальный) и хвостовой (каудальный) отделы.

Горизонтальная плоскость, проведенная на любой конечности, делит ее на проксимальный (ближе к туловищу) и дистальный (далее от туловища) отделы. Фронтальная (параллельная поверхности лба) плоскость делит тело или его части на передний (вентральный) и задний (дорзальный) отделы. Все три плоскости располагаются перпендикулярно друг другу. Всякая другая плоскость может быть только промежуточной по отношению к упомянутым плоскостям.

Все три плоскости при пересечении друг с другом образуют линии, называемые осями вращения. При пересечении сагиттальной и горизонтальной плоскостей образуется сагиттальная ось, и движение вокруг этой оси происходит во фронтальной плоскости. При пересечении фронтальной и горизонтальной плоскостей образуется поперечная ось. Движение воскруг этой оси осуществляется в сагиттальной плоскости. При пересечении сагиттальной и фронтальной плоскостей образуется вертикальная ось. Движение вокруг вертикальной оси происходит в горизонтальной плоскости.

Биомеханика рассматривает аппарат движения человека как управляемые биокинетические цепи, состоящие из звеньев, соединенных между собой суставами, и прикрепляющихся к ним мышц. Вместе они составляют биомеханизм, способный выполнять задаваемые движения. В биокинетической цепи могут сохраняться движения во всех сочленениях, только в части их или это могут быть движения всех звеньев как единого целого. Биокинетические цепи бывают открытые или закрытые (со связанными концевыми звеньями) и в связи с этим имеют различные свойства.

Так, замкнутая биокинетическая цепь не имеет свободного конечного звена, в ней невозможны изолированные движения только в одном суставе. Основная форма движений в суставах — вращение (угловое движение). Максимальное число возможных осей движений в одном суставе — три, и им соответствуют три степени свободы движений.

Различают суставы с одной, двумя и тремя степенями свободы движений. Например, одноосными суставами являются коленный, межфаланговые суставы пальцев, двухосными — лучезапястные суставы, трехосными — плечевой и тазобедренный суставы: Движение в суставе вокруг поперечной оси принято называть сгибанием и разгибанием, вокруг сагиттальной — отведением (кнаружи) и приведением (к срединной плоскости), вокруг вертикальной — вращением, или ротацией (поворот внутрь и кнаружи). Движение вокруг продольной оси конечности или сегмента называют еще пронацией (поворот кнутри) и супинацией (поворот кнаружи). В некоторых суставах возможны еще круговые движения — поочередное пересечение всех осей вращения, при котором свободный конец звена описывает круг (например, плечевой, тазобедренный, лучезапястный суставы).

В соединении двух костных звеньев посредством сустава (биокинетическая пара) возможности движения определяются строением сустава, воздействиями мышц, ограничивающим действием капсулы и связок сустава. Величина подвижности в сочленениях неодинакова у людей разного возраста, пола, связана с индивидуальными особенностями, функциональным состоянием нервной системы. Во всех соединениях костей у женщин подвижность в среднем больше, чем у мужчин; у лиц молодого возраста больше, чем у лиц старшего возраста. При заболеваниях и повреждениях подвижность в суставах может резко уменьшиться.

Измерение движений в суставах

Измерение углов вращения производится с помощью измерительных инструментов. Простейший из них называется угломером, или гониометром, он состоит из транспортира со шкалой 180°, соединенного с двумя браншами. Одна из бранш подвижна. При измерении ось угломера совмещается с осью сустава, а бранши размещаются по оси сочленяющихся проксимального и дистального сегментов. Для преемственности и сравнимости результатов измерений, исключения ошибок необходимы одинаковые методики измерения. Угол максимального разгибания — сгибания сустава в одной плоскости называется амплитудой движения.

При измерении движений в плечевом суставе за исходную величину принимают 0° при опущенной руке и сомкнутых браншах угломера. При измерении движений в локтевом, лучезапястном, тазобедренном и коленном суставах за исходную величину берется 180°. Измерения в голеностопном суставе принято проводить от исходной величины 90°.

Движения туловища в сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскостях — наклоны, повороты, вращения — осуществляются благодаря подвижным соединениям между позвонками. Подвижность между ними невелика, но в сумме оказывается значительной. Наиболее подвижны шейный и поясничный отделы позвоночника, менее — грудной. Возможны следующие движения туловища: сгибание и разгибание (наклон вперед и разгибание кзади), наклоны в стороны (вправо и влево), ротация вокруг вертикальной оси (поворот вправо и влево) и круговые движения.

Исходное положение (ИП) для измерения движений в суставах шейного отдела позвоночника — сидя на стуле с выпрямленным туловищем и головой, измерение проводят по положению головы. Движения в грудном и поясничном отделах измеряют в положении стоя прямо со слегка расставленными ногами и свободно свисающими руками по линии остистых отростков.

При измерении ротации в поясничном отделе необходимо фиксировать таз, предварительно усадив больного «верхом» на сиденье стула. Движения позвоночника определяют и в градусах (что более сложно), и визуально по максимальным движениям различных отделов.

В шейном отделе позвоночника сгибание в норме совершается до соприкосновения подбородка с грудиной, разгибание — до горизонтального положения затылка, наклоны в стороны — до соприкосновения ушной раковины с надплечьем, при максимальной ротации подбородок касается акромиона. Тренированный взрослый человек при наклоне кпереди может коснуться кончиками пальцев рук пола, не сгибая коленных суставов, при наклоне в сторону кончики пальцев могут коснуться, скользя по наружной поверхности бедра, соответствующего коленного сустава.

Нормальными объемами движений в шейном отделе позвоночника принято считать: разгибание 70°, сгибание 60°, повороты в стороны по 75°, наклоны в стороны по 45°. Наклоны в стороны в грудном и поясничном отделах вместе составляют по 50°. Общая амплитуда сгибания иразгибания в поясничном отделе позвоночника достигает 80°. Суммарные движения всего позвоночного столба возможны в пределах: до 160° — сгибание, до 145° — разгибание, общая амплитуда движения во фронтальной плоскости — до 165° и поворотов в каждую сторону — до 120°.

Рычаги движения

В механике рычагом называется всякая несгибаемая палка, вращающаяся вокруг одной точки (называемой опорной), когда к ней приложена сила и при этом преодолевается какое-то сопротивление или тяжесть. С точки зрения механики каждый сегмент (звено) аппарата движения рассматривают как рычаг, опорной точкой которого является сочленяющийся отдел звена.

Различные свойства рычагов определяются взаимным расположением точки опоры, точек приложения силы и сопротивления рычага. Рычаги бывают 1-го и 2-го рода. Рычаг 1-го рода характеризуется тем, что обе силы направлены в одну сторону, а точка опоры (ось вращения) расположена между точками приложения сил. В рычаге 2-го рода сила и сопротивление имеют различные направления, а точки их приложения расположены по одну сторону от оси вращения. Примером рычага 2-го может быть приподнимание на носок.

Равновесие рычага зависит от длины плеч (расстояний между точками приложения силы и опоры), силы и сопротивления и их величин. Чем длиннее плечо рычага, тем меньшая сила нужна для сохранения его равновесия. Чем короче плечо, тем больше должна быть величина силы.

Следовательно, рычаги с большим плечом силы, чем сопротивления, являются приспособлениями для выигрыша в силе, а с меньшим плечом силы — для выигрыша в расстоянии (в скорости и амплитуде движения) за счет увеличения силы. Например, точка приложения силы (тяги двуглавой мышцы плеча) находится на расстоянии 2 см от оси вращения, а удерживаемый в кисти груз — 25 см. Для поднятия такого груза необходимо усилие двуглавой мышцы, более чем в 10 раз превышающее массу груза.

Эффект работы мышцы в значительной мере зависит от угла, под которым производится ее действие на костный рычаг. Только тяга под углом 90° к рычагу обеспечивает превращение всего усилия мышцы во вращательную силу. Но у человека большинство мышц конечностей располагается вдоль костных сегментов под острым углом и сила сокращающейся мышцы делится на две силы — одна из них направлена параллельно продольной оси сегмента и вызывает его прижатие к смежному сегменту (иногда оттягивание), другая производит полезную работу — вращение сегмента вокруг оси (ротирующая часть силы).

Упоры, висы, ходьба, бег, приседания, прыжки, подскоки с точки зрения биомеханики

Упоры относятся к положениям тела с неустойчивым равновесием. Наиболее типичным является упор лежа. Тело выпрямлено и занимает наклонное положение, голова держится прямо, шейный отдел позвоночника в состоянии небольшого разгибания. Верхние конечности выпрямлены, расположены почти под прямым углом к туловищу и соприкасаются с опорной поверхностью. Нижние конечности также выпрямлены, но находятся под острым углом к опорной поверхности. Все части тела образуют замкнутую кинематическую цепь. Степень устойчивости равновесия сравнительно большая, так как площадь опоры значительных размеров, а высота общего центра тяжести небольшая (30-35 см).

Поэтому в таком положении можно производить различные движения с перемещением частей тела без нарушения равновесия.

К положениям тела при верхней опоре относятся различные висы. Эти положения являются устойчивыми. Наиболее просты из них — «чистый» вис на выпрямленных руках. Тело человека занимает выпрямленное вертикальное положение. Руки подняты вверх, выпрямлены и фиксированы к снаряду. Сила тяжести как бы стремится растянуть тело. Ей противодействует сила мышечной тяги. Работа аппарата движения в этом положении сложна, так как совершается в необычных для организма условиях. Висы относятся к силовым упражнениям. Если в положении виса используется опора ног (смешанный вис), масса тела более равномерно распределяется на мышечные группы, не нарушается функция дыхания. Смешанные висы широко применяют в лечебной физкультуре.

Ходьба — обычная двигательная деятельность человека, это постоянная попеременная активность ног. Когда одна нога, опираясь о землю, служит для поддержки и последующего отталкивания тела (опорная фаза одной ноги), другая, поднятая и висящая в воздухе, перемещается вперед (переносная или маховая фаза другой ноги). Каждая нога последовательно проходит обе фазы — опорную и переносную. Два шага составляют цикл.

Бег — циклические движения шагом, сложный рефлекторный двигательный акт, требующий участия всей скелетной мускулатуры тела, значительного напряжения нервной системы и достаточной физической подготовки человека. Он может дозироваться по скорости, длительности, ширине шага и др.

Приседания — упражнения, выполняемые преимущественно за счет работы мышц нижних конечностей. Стопы могут опираться на площадь опоры всей подошвенной поверхностью или только на головки плюсневых костей и пальцы. Упражнения могут быть облегчены опорой руками в передние поверхности бедер, поддержкой за какой-нибудь предмет. Величина нагрузки дозируется глубиной приседаний, темпом и числом повторений. Упражнения могут быть усложнены и отягощены нагрузкой на свободные руки.

Прыжки характеризуются свободным полетом тела в воздухе в результате отталкивания от опорной поверхности. Основная работа выполняется мышцами нижних конечностей, вспомогательная — мускулатурой туловища и верхних конечностей. Выполнение упражнения обеспечивается одновременным сокращением крупных мышечных групп нижних конечностей, большой амплитудой движений в крупных суставах ног и в плечевых суставах.

Подскоки — это простые прыжки на месте. Основная нагрузка при подскоках падает на сгибатели стопы, В голеностопном суставе при подскоках используется максимальная амплитуда движений. Мышцы тазобедренного и коленного суставов выполняют вспомогательную роль. Движения в этих суставах совершаются с небольшой амплитудой.

Сестринский персонал, оказывая помощь тяжелобольным, подвергается значительным физическим нагрузкам. Перемещение пациента в постели, подкладывание судна, передвижение носилок, каталок, а иногда и тяжелой аппаратуры может приве­сти в конечном итоге к повреждению позвоночника. Любое быст­рое движение, связанное с перемещением пациента или тяжелого предмета, любое движение, не являющееся физиологическим для позвоночника, увеличивает вероятность его повреждения. Кроме того, постоянные, пусть даже нерезкие «неправильные», нефизиологические движения позвоночника приводят к его травме, которая даст о себе знать со временем.

Мы приводим определение некоторых терминов, которые упоминаются в главе.

Термин	Определение
Механика тела	Способ, которым тело человека при­спосабливается, чтобы не потерять равновесие во время движения
Эффект Вальсальвы (прием, тест, проба)	Натуживание на высоте вдоха внеко­торых случаях может способствовать возникновению тяжелых нарушений ритма сердца и ухудшению коронарно­го кровотока
Постуральный рефлекс	Головокружение, обморок, сердцебие­ние, появляющиеся при изменении по­ложения тела
Правильное положение тела	Положение, при котором спина вы­прямлена и исключены любые искрив­ления, напряжения, давление или чув­ство дискомфорта

Знание биомеханики тела позволит предотвратить травму.

Сидеть, стоять и поднимать тяжести можно с соблюдением определенных правил.

Итак, правильная биомеханика в положении сидя заключает­ся в следующем:

1) колени должны быть чуть выше бедер (это позволит пере­распределить массу тела и уменьшить нагрузку на поясничный отдел позвоночника);

2) спина должна быть прямой, а мышцы живота - напря­женными;

3) плечи должны быть расправлены и расположены симмет­рично бедрам.

Если по роду деятельности сестры ей приходится часто пово­рачиваться в стороны, сидя на стуле, лучше, чтобы этот стул был вертящимся и на колесах. Кроме того, следует правильно подо­брать стул. Для этого сядьте на стул и обопритесь на его спинку. Высота стула и его глубина подобраны правильно, если:

2/3 длины ваших бедер находятся на сиденье;

Стопы без напряжения касаются пола.

Если размер стула не подходит, следует использовать различ­ные приспособления (подушки, подставки для ног), для того чтобы биомеханика тела была правильной.

Правильная биомеханика тела в положении стоя заключается » следующем:

колени должны быть расслаблены так, чтобы коленные суставы двигались свободно;

масса тела должна быть распределена равномерно на обе ноги;

ступни должны быть расставлены на ширину плеч;

для того чтобы снизить нагрузку на поясничный отдел позвоночника, встаньте прямо и напрягите мышцы живота и яго­диц; голову при этом следует держать прямо, чтобы подбородок находился в горизонтальной плоскости;

расположите плечи в одной плоскости с бедрами.

Правильная биомеханика при поднятии тяжестей заключается в следующем:

перед поднятием тяжестей расположите стопы на расстоя­нии 30 см друг от друга, выдвинув одну стопу слегка вперед (этим достигается хорошая опора и уменьшается опасность потеря равновесия и падения);

встаньте рядом с человеком, которого вам нужно будм. поднимать, так, чтобы вам не нужно было наклоняться вперед*

прижимайте поднимаемого человека к себе в процессе подъема;

сгибайте только колени, поднимая человека, сохраняя ту­ловище в вертикальном положении;

не делайте резких движений.

Используя правильную биомеханику тела, сестра обеспечива­ет себе безопасность, а стало быть, сохраняет свое здоровье.

Сестра, как и весь персонал лечебного учреждения, несет ответственность за безопасность пациента. В процессе ухо­да сестра должна помочь соблюдать и сохранять правильную биомеханику тела, оказывая помощь пациенту, неправильно сидящему в кресле, неудобно лежащему в постели, а также когда он, находясь в положении стоя, подвергается опасности падения.