Основы биомеханики
Введение Основные принципы биомеханики Рычажный принцип работы ОДА От чего зависит реальный эффект действия мышц Мышечная координация движений Виды работы мышц Кинематические цепи Центр тяжести человека Понятие о стойке Понятие об осанке
“...Пусть книга о началах механики предшествует твоим исследованиям тела, дабы ты мог каждое положение анатомии объяснить с геометрической ясностью” Леонардо да Винчи
Разрабатывал вопросы анатомии и физиологии человека и животных с позиций математики и механики. Свои взгляды Д. Борелли изложил в книге « О движении животных » (1679) ( De motu animalium ). Джованни Альфонсо Борелли (Во relli Giovanni Alfonso, 1608—1679) итальянский анатом, физиолог, физик и математик, ученик Галилея.
Движение в суставах определены их формой Усилие мышечного сокращения направлено: а) вдоль мышцы б) перпендикулярно к оси сустава в) к неподвижной точке на кости ( punctum fixum ) 3. Кости, суставы и мышцы образуют рычаги двигательного аппарата. Весь суставной аппарат рассматривается как система рычагов.
То – точка опоры или точка вращения Fd - точка приложения действующей (движущей) силы или сила мышечного сокращения Ft - точка приложения противодействующей силы или силы тяжести Fd То Ft
Плечо силы – это кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы: LFd – плечо действующей силы LFt – плечо противо-действующей силы
– величина, характеризующая вращательный эффект силы при действии ее на рычаг. M = F×L где F – сила, L – плечо силы МОМЕНТ СИЛЫ
У словие равновесия рычага: Σ М = О или MFt = MFd При движении: это равенство нарушается и рычаг вращается в направлении той силы, момент которой больше чем больше момент силы, тем больше эффект действия мышцы
10 10 Виды рычагов 10 РЫЧАГ 1 РОДА = РАВНОВЕСИЯ Двуплечий (точки приложения сил располагаются по разные стороны от точки опоры)
РЫЧАГ СИЛЫ РЫЧАГИ 2 РОДА Одноплечие (точки приложения сил располагаются по одну сторону от точки опоры) РЫЧАГ СКОРОСТИ = ЛОВКОСТИ Виды рычагов
РЫЧАГ РАВНОВЕСИЯ (1 РОДА ) То – вертикаль из ЦТ проходит спереди от фронтальной оси сустава Ft – направление силы тяжести Fd – направление равнодействующей мышечной c илы LFt – плечо силы тяжести LFd – плечо мышечной силы
РЫЧАГ РАВНОВЕСИЯ (1 РОДА ) Равновесие - MFt = MFd силы направлены в одну сторону Сгибание - MFt > MFd если мышцы выйной области расслабляются Разгибание – MFt < MFd если увеличивается тяга мышц выйной области
То – головки плюсневых костей Fd – направление действующей силы Ft – направление силы тяжести LFt, LFd – п лечи сил LFd >LFt, следовательно, MFd > MFt выигрыш - в силе минус - в малой амплитуде и в скорости движения. РЫЧАГ СИЛЫ (2 РОДА)
выигрыш - в амплитуде движения, в скорости, ловкости минус - малая действующая сила. РЫЧАГ СКОРОСТИ (2РОДА) То – локтевой сустав Ft – направление силы тяжести Fd – направление равнодействующей мышечной силы LFt, LFd – плечи сил LFd <LFt, следовательно, MFd < MFt
РЫЧАГ СКОРОСТИ (2РОДА)
1. Физиологический поперечник – сумма площадей поперечных сечений всех мышечных волокон, входящих в состав мышцы. Анатомический поперечник – площадь поперечного сечения мышцы перпендикулярно ее длине в наиболее широкой части. Веретенообразные мышцы – динамическая нагрузка Перистые мышцы – статическая нагрузка
Сила мышцы, имеющей площадь поперечного сечения 1 см 2 примерно равна 10 кг Для сгибателей предплечья – около 160 кг Для сгибателей бедра – около 540 кг
Для жевательных мышц, поднимающих нижнюю челюсть – 390-400 кг. Площадь поперечного сечения трех пар мышц составляет в сумме 39 см 2. Жевательная мышца – 7,5 см 2 Височная мышца – 8 см 2 Медиальная крыловидная мышца – 4 см 2
2. Количество моторных единиц, участвующих в сокращении. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РЕАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ МЫШЦ Для включения большого количества моторных единиц необходимы следующие условия: замах при этом мышца растягивается, следовательно, раздражается больше нервных волокон и больше моторных единиц «включается» в сокращение
2. Количество моторных единиц, участвующих в сокращении. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РЕАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ МЫШЦ Для включения большого количества моторных единиц необходимы следующие условия: состояние нервной системы настрой
2. Количество моторных единиц, участвующих в сокращении. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РЕАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ МЫШЦ Для включения большого количества моторных единиц необходимы следующие условия: состояние нервной системы чрезмерное возбуждение
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РЕАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ МЫШЦ 3. Состав мышечных волокон В одной моторной единице содержится один вид мышечных волокон. Стайер – преобладают красные мышечные волокна – статическая работа Спринтер - преобладают белые мышечные волокна – динамическая работа
У девятикратного олимпийского чемпиона Карла Льюиса в мышцах ног белых волокон было более 70%. Поэтому в беге на короткие дистанции он развивал скорость – 45 км/ч.
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РЕАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ МЫШЦ 4. Величина плеча действующей силы Чем меньше LFd, тем большую силу нужно приложить для оптимального момента вращения ( M = FxL )
а) слагаемая вращения (F v ) или динамическая составляющая б) осевая слагаемая (F o ) или тангенсеальная сила направлена вдоль рычага в) равнодействующая сила (F r ) или сила мышечной тяги 5. Угол прикрепления мышцы По правилу параллелограмма мышечная сила, действующая под углом к рычагу, может быть разложена на составляющие: ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РЕАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ МЫШЦ
если угол прямой, то сила мышечной тяги используется для движения полностью если угол острый, то Fv=Fr × sin α, тогда M=Fd × sin α × LFd, Чем меньше угол, тем большую силу надо приложить мышце, создавая силу и момент вращения Силы F r, Fv, Fo имеют переменный характер, т.к. во время движения все время меняется угол и меняется соотношение этих сил. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РЕАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ МЫШЦ
АГОНИСТЫ – одна или несколько мышц в каждой функциональной мышечной группе выполняют основную функцию
СИНЕPГИСТЫ - мышцы одного сустава, которые осуществляют функцию в одном направлении Функциональные группы мышц
АНТАГОНИСТЫ - мышцы одного сустава, которые осуществляют работу в противоположных направлениях. Функциональные группы мышц
Деление на группы не постоянно и мышцы могут быть при одном движении синергистами, а при другом – антагонистами. Функциональные группы мышц m. flexor carpi ulnaris m. flexor carpi radialis Синергизм: сгибание запястья Антагонизм: приведение и отведение кисти
1. Односуставные мышцы По отношению к суставам: m. deltoideus m. brachialis
2. Многосуставные мышцы По отношению к суставам: m. biceps brachii m. quadriceps femoris
Пассивная мышечная недостаточность неспособность мышц выполнять движения по причине предельно растянувшихся мышц антагонистов
Активная мышечная недостаточность многосуставная мышца не может произвести движение в полном объеме во всех суставах (т.к. длина мышцы недостаточна для удержания или выполнения движения).
В каждом движении участвуют несколько мышц, являющихся синергистами и антагонистами. Во время сокращений синергистов наступает рефлекторное торможение антагонистов. Слабое противодействие мышц антагонистов позволяет совершать плавные движения. Работа многосуставных мышц обеспечивает координацию движений с экономией мышечной энергии.
Синергисты: Fr определяется сложением сил Антагонисты: Fr определяется вычитанием сил (направлена в сторону большей силы) Мышцы, расположенные под углом друг у другу: Fr является диагональю параллелограмма, построенного на силах определенных мышц
Уступающая (динамическая с отрицательным эффектом) мышца, оставаясь напряженной, постепенно расслабляется, уступая действию силы тяжести либо действию того или иного сопротивления.
Виды работы мышц при которой мышца преодолевает тяжесть данного звена тела либо то или иное сопротивление и производит работу Преодолевающая (динамическая с положительным эффектом)
Виды работы мышц Удерживающая (статическая) происходит уравновешивание действия сопротивления, в результате чего движение отсутствует
Односуставные мышцы вызывают движения только в одном суставе, однако косвенным путем они вызывают движения в суставах, расположенных дистально и/или проксимально по отношению к данному суставу. Например, при сгибании в локтевом суставе одновременно происходит небольшое разгибание в плечевом.
Любое тело свободно перемещается в пространстве, обладает шестью степенями свободы : 1. вверх и вниз 2. вперед и назад 3. вправо и влево Кинематические цепи Если тело закреплено в одной точке, то оно не может совершать поступательного движения, но может вращаться относительно 3-х осей, т.е. имеет три степени свободы. Если тело закреплено в двух точках, то оно имеет одну степень свободы и может вращаться вокруг одной оси.
Кинематические цепи 3 степени свободы – шаровидные и плоские суставы; 2 степени свободы – элипсовидные и седловидные суставы; 1 степень свободы – цилиндрические и блоковидные суставы.
Все звенья опорно-двигательного аппарата сгруппированы в систему кинематических цепей Звенья в этих цепях – это элементарные рычаги (равновесия, силы, скорости) Выделяют два вида кинематических цепей: ОТКPЫТЫЕ (ОКЦ) и ЗАКPЫТЫЕ (ЗКЦ).
3 1 1 2 3 1 1 3+1+1+2= 7 – степеней свободы у кисти 3+1+1+2+3+1+1= 12 - степеней свободы у пальцев кисть плечо Это цепь из рычагов, дистальное звено которой свободное (верхняя конечность) Открытая кинематическая цепь Большая степень свободы Возможность изолированных движений в отдельных звеньях (суставах) ОКЦ ОКЦ может стать ЗКЦ если конечное звено цепи получит связь с опорой (или захват)
Невозможны изолированные движения в одном суставе Изменение положения в одном суставе приводит к изменению положения в трех суставах При сокращении хотя бы одной мышцы ЗКЦ, происходит движение всех звеньев кинематической цепи ЗКЦ может разомкнуться
Постоянно закрытая кинематическая цепь Грудная клетка человека состоит из 72 костных и хрящевых элементов, связанных подвижно в 104 точках ЗКЦ не может разомкнуться
ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ геометрическая точка тела, через которую проходит равнодействующая всех сил тяжести, действующих на тело при любом его положении в пространстве.
ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ ОЦТ находится в полости таза на 2,5 см ниже мыса крестца и на 4-5 см выше фронтальной оси тазобедренных суставов, на середине расстояния между крестцом и лобковым симфизом. ЦТ туловища – кпереди от верхнего края L 1, ЦТ головы – 7 мм кзади от турецкого седла, ЦТ кисти – 1 см проксимальнее головки 3 пястной кости.
1. Возраст : новорожденные – Th 5-6 2 года – L 1 5 лет - L 3
Расположение ОЦТ определяют: 2. Пол мужчины – L 5 ( L 3- S 5) ; женщины – S1 (L5 – Co1).
Расположение ОЦТ определяют: 3. Конституция, физическое развитие.
Расположение ОЦТ определяют: 4. Положение тела
5. Фазы дыхания, перистальтика кишечника Расположение ОЦТ определяют:
1. Устойчивое ОЦТ ниже площади опоры Если тело вывести из равновесия, оно под действием силы тяжести вернется в исходное положение ПЛОЩАДЬ ОПОРЫ – площадь опорных поверхностей и пространства между ними
2. Неустойчивое ОЦТ выше площади опоры. Если тело вывести из равновесия, оно падает под действием силы тяжести. Виды равновесия тела
1. Достаточная площадь опоры
Условия устойчивости тела 2. Высота расположения ОЦТ чем ниже, тем больше устойчивость
3. Вертикаль из ОЦТ должна падать на площадь опоры чем ближе к центру, тем больше устойчивость Условия устойчивости тела
УГОЛ УСТОЙЧИВОСТИ – это угол между вертикалью из ОЦТ и прямой, проведенной из ОЦТ к краю площади опоры. Чем больше угол устойчивости, тем больше степень устойчивости. Условия устойчивости тела
АНТРОПОМЕТРИЧЕСКАЯ 1) Все оси крупных суставов и ОЦТ расположены в одной фронтальной плоскости, позвоночник максимально выпрямлен. 2) Вертикаль из ЦТ приходится ближе к заднему краю площади опоры. 3) Стойка неудобная, равновесие удержать сложно. Предельно напряжены и разгибатели и сгибатели. Большой расход мышечной энергии. Используется при антропометрических исследованиях.
СПОКОЙНАЯ, УДОБНАЯ 1) Вертикаль из ЦТ проходит позади от оси тазобедренного сустава и кпереди от оси коленного и голеностопного суставов. 2) Вертикаль из ЦТ приходится на середину площади опоры. 3) Напряжение мышц минимально. На бедре работают передние группы, а задние отдыхают. На голени - задние работают, а передние отдыхают. Энергия расходуется экономно. Виды стоек
НАПРЯЖЕННАЯ («ВОЕННАЯ») 1) Предельный наклон тела вперед, вертикаль от ЦТ проходит впереди осей тазобедренного, коленного и голеностопного суставов. 2) Вертикаль из ОЦТ падает близко от переднего края площади опоры. 3) Работают все разгибатели (задние мышцы туловища, ягодичные мышцы, нижней конечности) Наблюдается при готовности начать ходьбу и команде «смирно»
Осанка – привычная поза непринужденно, стоящего человека. Держит прямо голову и туловище без активного напряжения мышц. ОСАНКА
Виды осанки (по Аксенову) 1. Нормальная. Степень выраженности лордозов и кифозов равномерное.
Виды осанки (по Аксенову) 2. Выпрямленная. Слабо выражены изгибы.
Виды осанки (по Аксенову) 3. Сутуловатая. Большой шейный лордоз, маленький грудной кифоз
Виды осанки (по Аксенову) 4. Лордотическая. Чрезвычайно развит поясничный лордоз.
Виды осанки (по Аксенову) 5. Кифотическая. Особенно сильно развит грудной кифоз.
