Загальний центр мас тіла людини

Під локомоціями (руховим переміщенням) розуміють самостійне переміщення живого організму на відстань, яка суттєво перевищує розмір його власного тіла. До локомоцій людини відносять ходу, біг, стрибки, плавання, а також лазіння, повзання і т.п. Кожний тип локомоцій має багато різноманітностей. Розрізняють ходу звичайну, спортивну, пригнуту, гімнастичну, дитячу, парадні військові марші і т.п. в спорті виділяють біг на короткі, середні і довгі дистанції. Плавання ділять по стилям: кроль на грудях чи на спині, дельфін, брас...

Для виконання усіх цих рухових дій організм людини повинен зберігати стійкість і рівновагу в умовах швидкої зміни різних положень тіла. В цьому процесі бере безпосередню участь складна система кінематичних ланцюгів, які своєю дією закріпляють кожну степінь свободи в‘язями. В організмі роль цих в‘язів виконують м‘язові скорочення і зовнішні сили, з яких найбільш важливою являється загальний центр маси тіла (ЗЦМ) як рівнодіюча сила. Місцем прикладання рівнодіючої сили ЗЦМ вважають локалізацію його спереду хребта на рівні верхнього відділу крижів (2-й хребець).

Рівновага любого тіла в значній степені залежить від локалізації проекції ЗЦМ на площину опори, яка представлена при двохопорному стоянні поверхнею, що займають стопи і простором між ними. Стійкість тіла знаходиться в залежності від площі опори і характеру розташування по відношенню до неї ЗЦМ. Так, стійкість тіла знижується внаслідок зменшення площі опори, збільшення відстані від неї до ЗЦМ і приближенням проекції останньої до границі площі опори.

Площа опори залежить в свою чергу від величини опорної поверхні обох стоп, відстанню між внутрішніми контурами п‘яткових відділів і кута розвороту стоп. Усім цим даним властиві індивідуальні особливості, а індивідуальність ходи являється одним із доказів стійкого динамічного стереотипу ходи, що виробилася центральною нервовою системою (ЦНС) людини в процесі її філо- і онтогенетичного розвитку ( Сєченов І.М., і др.)

Крім ЗЦМ в організмі людини (біомеханіці) існують центри мас окремих ланок тіла (наприклад, гомілки або передпліччя. Мал.). Тому геометрія мас тіла (розподіл мас тіла) характеризується такими показниками, як вага (маса) окремих ланок тіла, положення центрів мас окремих ланок і всього тіла, моментом інерції і др..

Вага окремих ланок тіла залежить від ваги тіла в цілому.

Центр мас твердого тіла являється цілком визначеною фіксованою точкою, що не змінює свого положення відносно тіла. Центр же мас системи тіл може міняти своє положення, якщо міняється відстань між точками цієї системи.

В лежачому стані ЗЦМ зміщується в сторону голови приблизно на 1%; у жінок він розміщений в середньому на 1-2% нижче, чим у чоловіків; у дітей-дошкільнят він суттєво вище ніж у дорослих (наприклад, у однолітніх дітей в середньому на 15%) [ Мал.]. При зміні пози ЗЦМ , природно, зміщується і в деяких випадках, конкретно при нахилі вперед і назад, може знаходитись за межами тіла людини (переліт через планку).

(Для визначення положення ЗЦМ тіла розрахунковим методом частіше використовують теорему Варіньона: сума моментів сил відносно вісі рівна моменту рівнодіючої сили відносно цієї вісі).

Розташування лінії ваги тіла (перпендикуляра ЗЦМ) служить вихідним пунктом в формуванні механізму замикання суглоба. Якщо провести фронтальну площину через ЗЦМ, то при вільному стоянні вона буде знаходитись позаду поперечної вісі кульшового суглобу і спереду осей колінного і гомілково-ступневого суглобів.

Відмітимо, що в нормі (напр.., при стоянні) замикання суглобу входить в загальний процес збереження вертикальної пози і реалізується різними групами м‘язів в залежності від взаємовідношення в даний момент сили ваги (маси) з віссю обертання суглобів. Тіло людини при стоянні здійснює безперервні коливальні рухи, а відповідно проекція ЗЦМ постійно мігрує по площі опори. М‘язова активність не дозволяє проекції ЗЦМ вийти за межі площі опори, так як в цьому випадку незаперечно відбудеться падіння. Таким чином, кожне зміщення ЗЦМ викликає керуючий сигнал з ЦНС, що повертає тіло в більш стійке положення, але по інерції тіло проходить положення стійкої рівноваги і починає падати в протилежну сторону, що викликає тим самим скорочення інших м‘язів, необхідних для зміни направлення руху тіла і збереження замкнутого положення суглоба.

Не дивлячись на різницю в реалізації процесів стояння і ходи, з погляду біомеханіки вони являються процесами, в основі яких лежить тонко координована динамічна рівновага, яка забезпечує вертикальну стійкість тіла відносно п л о щ а д к и о п о р у. Г.С.Козирєв (1962) сказав, що “статика в біомеханіці – це власне обмежена динаміка”. Отже, стояння – це функція опорно-рухового апарату людини, біомеханічна суть реалізації якої зводиться до високої координації м‘язового скорочення з метою забезпечення положення проекції ЗЦМ в межах площ і опори.

Механізм ходи в цілому характеризується тим, що під впливом скорочення певних груп м‘язів ЗЦМ зміщується вперед за межі площадки опори, в результаті чого тіло (втративши рівновагу) рухається по інерції теж вперед. В цей момент завдяки виносу нижньої кінцівки створюється додаткова площа опори, і рівновага короткочасно відновлюється. Слідом за цим тіло знову виходить з рівноваги і починає по інерції “падати” в тому ж напрямку, але винос вперед протилежної нижньої кінцівки попереджає падіння і знову допомагає відновленню рівноваги.

Рухи нижніх кінцівок синхронні рухам тулуба і верхніх кінцівок.

В умовах багатоланкової рухомості тіла відносно високого розташування ЗЦМ и малої площадки опори забезпечення активних рухів і стійкої рівноваги тіла обумовлюється координованою взаємодією внутрішніх і зовнішніх сил. Вважаючи процес ходи високоавтоматизованим видом руху, Н.А.Бернштейн (1935) образно указував, що “хода є дуже складна координаційна структура, яка охоплює всю мускулатуру тіла і втягує її в один цілісний процес руху” і “... як в оркестрі кожний інструмент виконує свою індивідуальну партію, так і в акті ходи кожне сполучення описує свою криву переміщення, кожний центр маси виконує свою послідовність прискорень. І як там, так і тут, весь цей ансамбль працює злагоджено, в єдиному і цілісному ритмі, об‘єднуючи всю величезну складність в блискучу і гармонійну простоту”.

Згідно концепції Н.А.Бернштейна, управління рухами тіла людини, що представляє собою складний кінематичний ланцюг, в основному зводиться до переборювання надлишкової степені свободи окремих його ланок. Отже, при збільшені кількості степенів свободи сполучень і випадінні функцій відповідних груп м‘язів нижніх кінцівок (як це спостерігається у хворих з паралічем м‘язів і розхитаністю суглобів після поліомієліту) управління найбільш активними і пасивними в‘язями може біти відновленим лише за рахунок обмеження степенів свободи функціонально неповноцінних сегментів кінематичного ланцюга. З біомеханічної точки зору до цього в основному і зводиться механогенез компенсаторних пристосувань, які виробляють у себе хворі в процесі оволодіння навиками стояння і ходи після поліомієліту.

Л.Н.Ніколаєвим (1940) сформульовано і введено в ортопедію поняття про біомеханічну конкордантність і дискордантність пошкоджень м‘язів і деформацій. Виходячи із біомеханічного аналізу характеру статодинамічних порушень і компенсаторних процесів, які виникають у хворих, було установлено, що функціональні можливості їх далеко не завжди відповідають степені розвитку і розповсюдженості паралічів м‘язів і деформацій нижніх кінцівок. Деякі хворі при значних пошкодженнях м‘язів і виражених деформаціях кінцівок могли хорошо компенсувати набуті порушення. Це дало можливість достатньо міцно стояти і рухатися. Поряд з цим зустрічались такі хворі, у яких і не різко виражені деформації нижніх кінцівок викликали значні розлади статики і кінематики, майже до повної неможливості опиратися на одну чи дві кінцівки без застосування зовнішніх дій.

Відмічена невідповідність між типом пошкодження нижніх кінцівок і функціональними можливостями хворих Л.П.Ніколаєв пояснив характером поєднання паралічів м‘язів і деформацій і виражає це поняттям біомеханічної конкордантності або дискордантності пошкодження.

Біомеханічно к о р к о н д а н т н и м и , або сумісними поєднаннями деформацій і пошкоджень м‘язів названі такі функціонально вигідні сполучення, котрі для своєї компенсації вимагають одного і того ж компенсаторного пристосування.

Під біомеханічно д и с к о р д а н т н и м, або несумісним пошкодженням, варто розуміти таке поєднання паралічів і деформацій, що виникли при цьому, які вимагають для своєї компенсації протилежні неузгоджені компенсаторні пристосування. Це обумовлює неопорність кінцівки або викликає необхідність використання зовнішніх дій для забезпечення замикання суглобів.

Опора на кінцівку, що представляє собою кінематичний ланцюг, можлива при умові замикання (фіксації) в тому чи іншому стані окремих кінематичних пар. Замикання суглобів здійснюється з допомогою напруження м‘язів. Пошкодження м‘язів при поліомієліті приводить до того, що механізм активного замикання не може бути реалізованим. Суглоб стає некерованим.

В цій ситуації організм використовує можливість пасивного замикання, під яким розуміють антигравітаційну роботу не м‘язів, а пасивний механізм управління, тобто анатомічних структур, які обмежують рухомість в суглобах.

На порушення в м‘язовому управлінні відповідає весь опорно-руховий апарат (ОРА) компенсаторно-пристосувальним процесом. Вироблення цих процесів пов‘язане з необхідністю основних завдань системи – стояння і ходи.

Адаптивний характер ОРА дозволяє організму найти найбільш доцільний варіант компенсації утрачених функцій. В результаті адаптивно-компенсаторної перебудови формується новий спосіб реалізації функції стояння і ходи, що являється основою для обґрунтування методів і етапності лікування та реабілітації. Причому основне питання – це правильне визначення цілі лікування і реабілітації. Якщо остання визначена неправильно і оперативне втручання привело до порушення наявного конкордантного комплексу, то це не тільки не дає позитивний ефект, але і наносить шкоду хворому.

Отже, усі лікувальні і реабілітаційні заходи у хворих з порушенням функції ходи і стояння повинні бути направлені на збереження активних і пасивних факторів, які забезпечують стабільне замикання пошкоджених суглобів при необхідній рухомості суміжних сегментів (ланок). Ортопед може рішитися на порушення сформованого у хворого комплексу пристосувань тільки в тому випадку, коли має впевненість, що в результаті здійсненого ним лікування виникне новий, більш вигідний для хворого біомеханічний комплекс. Аналогічні вимоги повинен ставити перед собою реабілітолог, приступаючи до фізичних методів реабілітації хворих.