Простейшие механизмы

На использовании законов статики основано действие простей­ших механизмов, используемых для изменения величины или на­правления силы.

Рычаг — твердое тело чаще в виде стержня, которое может вращаться (поворачиваться) вокруг неподвижной оси.

Пусть ось делит рычаг в отношении L,:L, и на него действуют две параллельные силы F, и F₂ (рис. 7.13). Будем также считать, что силой тяжести, действующей на рычаг, можно пренебречь.

Определим положение оси вращения (О), при котором рычаг будет оставаться в равновесии.

При равновесии рычага под действием двух параллельных сил ось вращения делит расстояние между точками приложения сил на отрезки обратно пропорциональные величинам сил.

Равновесие рычага наступает при условии, что отношение при­ложенных к его концам параллельных сил обратно отношению плеч

и моменты этих сил противоположны по знаку. Поэтому, прикла­дывая небольшую силу к длинному концу рычага, можно уравно­весить гораздо большую силу, приложенную к короткому концу рычага. В зависимости от взаимного расположения точек прило­жения сил и оси различают рычаги 1-го и 2-го рода (рис. 7.13):

а) Рычаг 1-го рода. Силы расположены по обе стороны от оси.
Подобными рычагами являются длинный шест, с помощью кото­
рого поднимают тяжелый камень (рис. 7.14.).

б) Рычаг 2-го рода. Силы расположены по одну сторону от
опоры. К данному виду относится, например, тачка (рис. 7.15), при
использовании которой усилие рук приложено на «максимальном»
расстоянии от оси колеса (максимальное плечо), что позволяет пе­
ревозить большие грузы.

Применение рычага в механизмах дает выигрыш в силе, при этом столько же проигрывается в перемещении. Рычаг не дает вы­игрыша в работе.

Многие суставы работают по принципу рычага второго рода. При этом мышцы, действуют на меньшее плечо рычага, рис. 7.16. Это приводит к проигрышу в силе, и к выигрышу в перемещении и скорости. В результате, при сравнительно малом по протяжен­ности движении мышцы, звено или конечность описывают значительно большую траекторию.

Эта особенность в строении костно-мышечных узлов должна вы­звать дополнительные осложнения в центральном регулировании

движений, так как увеличение траектории перемещения звеньев сочетается с большим количеством степеней свободы подвижно­сти, присущих человеческому телу как ки­нематической цепи.

Балансир (фр. balancier — коромысло) — двуплечный рычаг, совершающий качатель-ные (колебательные) движения около непод­вижной оси. Применяется в балансирующем маятнике, использующемся в механоте­рапии.

Блок, как и рычаг, относится к простей­шим механизмам, рис. 7.17. Он выполняет­ся в форме диска, свободно вращающегося на оси. По окружности диск имеет желоб для цепи (каната, нити). Используется равенст­во натяжения во всех точках цепи, которая движется без трения.

Неподвижный блок (рис. 7.17, а) не дает выигрыша в силе, но позволяет изменять ее направление. Так, можно поднимать груз вверх, действуя на веревку силой, направ­ленной вниз, что менее утомительно: F — Р.

Подвижный блок (рис. 7.17, б) дает дву-

Для удобства применения подвижный блок часто используют в ком­бинации с неподвижным (рис. 7.17, в).

Аппараты блокового типа применяются в механотерапии при тренировках по облегчению (восстановлению) движений в суста­вах и укреплению мышц.

К простейшим механизмам относится и наклонная плоскость. При описании положения тела в этом случае используют пря­моугольную систему координат, ось ОХ которой направлена параллельно плоскости, а ось ОУ — перпендикулярно ей. На те­ло, расположенное на наклонной плоскости, рис. 7.18, действуют сила тяжести mg, сила реакции опоры — N и сила трения F Про­екции сила тяжести на координатные оси равны mg-sina (скаты­вающая сила) и mgcosa.

При движении вниз по наклонной плоскости скатывающая си­ла помогает движению и способствует значительному увеличению скорости. При заданной длине наклонной плоскости скатывающая сила прямо пропорциональна высоте, рис. 7.19.

Наклонная поверхность часто используется на тренировках при выполнении различных упражнений, рис. 7.20.

При восстановлении после травм эффективны занятия на спе­циальном столе, конструкция которого позволяет изменять угол наклона его плоскости к горизонту, рис. 7.21.

Изменение угла наклона и места крепления фиксирующих рем­ней (на уровне крупных суставов ног, поясничного и грудного от­делов позвоночника) позволяет дозировать нагрузку на опорно-дви­гательную, сердечно-сосудистую и вестибулярную системы.