БІОМЕХАНІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ БУДОВИ І ФУНКЦІЇ РУХОВОГО АПАРАТУ ЛЮДИНИ

Рухи людини в значній мірі залежать від того, яка будова його тіла і які його властивості. Надзвичайна складність будови і різноманітність властивостей тіла людини, з одної сторони, роблять дуже складними рухи і управління ними. Але, з другої сторони, вони обумовлюють надзвичайне багатство, різноманітність рухів, які до цих пір недоступні в цілому ні одній самій досконалій машині.

Біомеханіка вивчає в тілі людини, у його опорно-руховому апараті (ОРА), переважно ті особливості будови і функції, які мають значення для удосконалення рухів. Тому, не вникаючи в деталі анатомічної будови і фізіологічних механізмів ОРА, розглянемо спрощену модель тіла людини – біомеханічну систему. Вона володіє основними властивостями, суттєвими для виконання рухової функції, але не включає в себе багатьох конкретних деталей.

1. З‘єднання ланок тіла

1.1 Біомеханічні пари і ланцюги

Б і о м е х а н і ч н а с и с т е м а - це спрощена копія, модель тіла людини. на якій можна вивчати закономірності руху. Вона складається з біомеханічних ланцюгів.

Кістки скелета, наприклад, нижньої кінцівки з‘єднані між собою в єдину систему (кістки, суглобові хрящі і сумки, зв‘язки, м‘язи, судини і нерви) , яка з точки зору теорії механізмів і машин* являється б і о к і н е м а т и ч н и м л а н -ц ю г о м, тобто сукупністю зв‘язаних між собою т в е р д и х т і л. Кожне із цих твердих тіл представляє собою л а н к у кінематичного ланцюга.

Д в і з в ‘я з а н і між собою л а н к и кінематичного ланцюга створюють б і о к і н е м а т и ч н у п а р у. Зв‘язок ланок здійснюється з допомогою спеціальних утворень - с у г л о б і в. Наприклад, колінний суглоб зв‘язує в кінематичну пару стегно і гомілку. Отже, б і о к і н е м а т и ч н а п а р а – це рухоме (кінематичне) з‘єднання двох кісткових ланок, в якому можливості рухів визначаються його будовою і управляючою дією м‘язів.

Б і о к і н е м а т и ч н и й л а н ц ю г - це послідовне сполучення ряду кінематичних пар. З‘єднання в кінематичному ланцюзі бувають або незамкнутими, або замкнутими. В незамкнутих ланцюгах є вільна кінцева ланка, що входить лиш в одну пару. Прикладом незамкнутого ланцюга є вільно висяча верхня кінцівка, в якій можливі ізольовані рухи у всіх суглобах руки (променево-зап‘ястковому, ліктьовому, плечовому).

В замкнутих ланцюгах немає вільних кінцевих ланок, кожна ланка входить у дві пари. Прикладом замкнутого ланцюга може служити та ж верхня кінцівка, але

* Механізм – сполучення тіл, що перетворюють і передають одне другому певні рухи. Машина – комплекс механізмів для заданого перетворення енергії в роботу чи навпаки

фіксована кистю на області кульшового суглобу. Отже в замкнутому ланцюгу

ізольовані рухи в одному суглобі не можливі: в рухи неминуче залучаються і другі суглоби.

Чи має поняття про незамкнуті та замкнуті ланцюги практичне значення? Так, має і велике при проведені реабілітаційних заходів захворювань кінцівок і взагалі тіла людини. Це пов‘язано саме з тим, що відновлення або покращення рухів при кінцівках вільних від з‘єднання з іншими частинами людського тіла і з‘єднаними мають цілий ряд своїх особливостей.(Показати).

1.2. Ступені свободи і в‘язі (пов‘язі) рухів.

В‘яззю називається обмеження рухів тіла людини, які не залежать від положення і швидкості.

До біомеханічних ланцюгів прикладені сили (навантаження), які призводять до деформації ланок тіла і зміни їх рухів (в біомеханіці зміни конфігурації системи (тіла людини) умовно розглядують як деформацію).

Однією із найважливіших характеристик кінематичної пари являється ч и с л о с т у п е н е й с в о б о д и, під яким розуміють кількість геометричних параметрів [параметр – величина, що характеризує яку-небудь основну властивість приладу, машини, системи і др.] з допомогою чого можна визначити відносне положення зв‘язаних ланок.

Якщо у вільного фізичного тіла не має обмежень (в‘язів), то воно може рухатися в просторі у всіх трьох вимірах, тобто відносно трьох взаємно перпендикулярних осей (в сагітальній, фронтальній і горизонтальній площинах) поступально, а також обертально навкруги них. (мал.). Кожний же зв‘язок зменшує число ступіней свободи, тобто стають неможливими лінійні переміщення вподовж трьох основних осей координат. Так, кульшовий суглоб, що представляє собою кулясте сполучення і фіксований в одній точці, володіє т р ь о м а ступенями свободи із шести (можливе обертання відносно трьох осей). Закріплення двох точок ланки говорить про наявність вісі, що проходить через ці точки і лише однієї степені свободи навколо вісі (міжфаланговий суглоб).

В анатомії виділяють також двохосьові суглоби. Вони мають другу степінь свободи як наслідок не конгруентності суглобових поверхонь (променево-зап‘ястний і п‘ясно-фаланговий 1-го пальця).

Рухи тіла людини і її частин реалізуються (здійснюються) з допомогою зміни відносного положення ланок всього ОРА, який представляє собою складний біокінематичний ланцюг.

Вихідна ланка одного ланцюга служить вхідною ланкою другого. Всього в ОРА людини нараховується більше 200 кінематичних ланцюгів.

Участь м‘язів в управлінні робить сполучення ланок здатними на численні варіанти рухів, тобто виконувати механічну роботу. Це пов‘зано з тим, що скелетні (кісткові) м‘язи можуть проходити над одним або декількома суглобами і при скороченні втягують м‘язи в руховий акт. В залежності від кількості суглобів, що проводяться в рух тим чи іншим м‘язом, розрізняють одно-, двох- і багато суглобові м‘язи. При виконанні рухів одні м‘язи діють узгоджено (м‘язи-сингергісти) в одному напрямку, а другі – в протилежному (м‘язи-антагоністи), являючись кінематичними в‘язями, що обмежують швидкість рухів в суглобах). По характеру рухових дій м‘язи ділять на групи: згиначі, розгиначі, привідні, відвідні, пронатори, супінатори, ротатори і др. Включаючи ту чи іншу групу м‘язів людина, із багатьох можливостей, здійснює заданий керований рух, тобто залишає для руху тільки одну ступінь свободи

Так забезпечується одна-єдина можливість рухів – саме та, яка потрібна (“п о в- н о з в‘я з н и й м е х а н і з м “). Але кожний суглоб сам по собі являється пасивним утворенням, конструкція якого визначена його функцією, а направлення можливих рухів в зчленуванні регламентовано формою поверхонь ланок кінематичного ланцюга. Більшість суглобів є двох- або трьохвісними утвореннями (за виключенням міжфалангових, променево-ліктьових і атлантовісьового) і тому обумовлює невизначеність рухів, а точніше, численну можливість рухів (“н е -п о в н о з в‘я з н и й м е х а н і з м”). І тільки під впливом керуючих дій м‘язів, які включають додаткові в‘язі, залишають для руху в суглобі тільки одну ступінь свободи. В межах активних рухів роль гальма виконують скелетні м‘язи, які фіксують ланки кінематичного ланцюга в тому чи іншому відносному положенні.

Таким чином, поперечносмугасті м‘язи являються, з однієї сторони, рушіями, а з другої – гальмівними приладами суглобів. Слід пам‘ятати, що в нормі м‘язи не бувають повністю розслабленими. Для кожного суглоба існує положення, при якому м‘язи знаходяться у стані найменшого напруження, але і тоді вони володіють певним тонусом. Дія внутрішньо суглобового тиску, м‘язового тонусу і активних м‘язових скорочень забезпечують утримання суглобових поверхонь в контакті однієї з другою, що має велике значення для оптимальної роботи суглоба.

Як бачимо, біокінематичні з‘єднання багатші можливостями, ніж кінематичні з‘єднання в технічних механізмах, але управління ними складніше.