Биомеханика мышц

                            Взаимодействие группы  мышц 
 
 

                                         План 
 
 
 

     Введение 

     1 Двигательная деятельность человека 

     2 Биомеханические особенности мышечной  системы 

     3 Взаимодействие группы мышц 

     Заключение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Движение  лежит в основе жизнедеятельности  человека. Разнообразные химические и физические процессы в клетках  тела, работа сердца и течение крови, дыхание, пищеварение и выделение; перемещение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга; сложнейшая нервная деятельность, являющаяся физиологическим механизмом психики, восприятие и анализ внешнего и внутреннего мира – все это различные формы движения материи. Закономерности механического движения изучаются механикой. Предметом механики как науки является изучение изменений пространственного расположения тел и тех причин, или сил, которые вызывают эти изменения. Биомеханика – наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Объект познания биомеханики – двигательные действия человека как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела. Область изучения биомеханики – механические и биологические причины возникновения движений, особенности их выполнения в различных условиях. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели.

     Двигательная  деятельность человека требует согласованной работы организма в целом, но главная роль при этом принадлежит двигательному аппарату. С механической точки зрения двигательный аппарат человека представляет собой механизм, состоящий из сложной системы рычагов, приводимых в действие мышцами. Однако при изучении движений человека и причин, их вызывающих, было бы неправильно ограничиваться только представлениями механики. Для того, чтобы понять устройство двигательного аппарата и принцип его действия, необходимо иметь в виду биологическую природу «механизмов» человеческого тела. Анализ деятельности двигательного аппарата с биологической точки зрения позволяет вскрыть своеобразие устройства и принципа действия «живых механизмов». Таким образом, изучая движения человека, необходимо хорошо знать, как устроен его опорно-двигательный аппарат с точки зрения биомеханики. Это означает, что следует ясно представлять себе принципы строения его пассивной (кости и их соединения) и активной (мышечная система) частей. В отличие от анатомии, которая изучает все детали строения тела, для биомеханики важно выявить именно те особенности строения, от которых зависят свойства органов опоры и движения, а также их участие в выполнении двигательной функции.

     Цель  данной работы рассмотреть взаимодействие группы мышц. 
 
 
 

     1 Двигательная деятельность человека 

     Двигательную  часть человека составляют костная  и мышечная системы.

     Основным  свойством, которым обладает костная  система, является свойство упругости. Упругость – способность противодействовать нагрузкам. Нагрузками называются силы, приложенные к телу и в совокупности вызывающие его деформацию. Различают нагрузки, вызывающие растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Нагрузки, обуславливающие растяжение, возникают, например, при висах или во время удержания груза в опущенных руках. Нагрузки, создающие сжатие костей, встречаются чаще всего при вертикальном положении тела на опоре. В этом случае на скелет действуют, с одной стороны, силы тяжести тела и вес внешних отягощений, а с другой – давление опоры. Нагрузки, вызывающие изгиб, обычно встречаются, когда кости выполняют роль рычагов. В этих случаях приложенные к ним силы мышц и силы сопротивления направлены поперек костей и вызывают изгиб. Нагрузки, обуславливающие кручение, чаще всего встречаются при вращательных движениях звена вокруг продольной оси.

     Соединения  костных звеньев обусловливают  многообразие возможностей движений. От способа соединения и участия  мышц в движениях зависит их направление  и размах (пространственная форма  движений). Суставы, связывая в единое целое части тела, сохраняют возможности для их движений. Если часть тела может двигаться только по одной траектории, причем возможности движений по всем остальным траекториям ограничиваются связями, в механике говорят об одной степени свободы, или о степени подвижности.

     Совершенно  свободное тело имеет шесть степеней свободы. Оно может врашаться  вокруг трех основных взаимно перпендикулярных осей, а также двигаться вдоль  каждой из этих осей.  Если закрепить тело в одной точке, то у него остается только три степени свободы: оно может вращаться вокруг этой точки в трех основных направлениях (плоскостях). При закреплении тела еще в одной точке оно как бы насаживается на ось, соединяющую обе данные точки. В этом случае сохраняется лишь одна степень свободы: тело может вращаться лишь вокруг оси, проходящей через обе закрепленные точки. Если же закрепить тело и в третьей точке, не лежащей на одной прямой с остальными двумя точками, то оно потеряет последнюю степень свободы: будет закреплено неподвижно.

     Возможности движений отдельных точек тела при закреплении тела несколько иные. При одной закрепленной точке любая точка этого тела имеет только две степени свободы, т.е. она может двигаться только в двух направлениях по шаровой поверхности. При двух закрепленных точках тела у любой его точки будет лишь одна степень свободы, т.е. возможна одна траектория движения. У тела, закрепленного в трех точках, нет ни одной степени свободы. У совершенно свободного тела любая точка имеет всего три степени свободы, т.е. может двигаться в любом из трех направлений трехмерного пространства.

     Понятие о степенях свободы помогает разобраться в вопросе о подвижности частей тела. Несколько подвижно соединенных звеньев составляет кинематические пары и цепи.

     Биокинематическая пара – это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются строением соединения и управляющим воздействием мышц. Кинематическая цепь – это последовательное или разветвленное соединение ряда кинематических пар. Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в которой нет свободного конечного звена – замкнутой [3, c. 78].

     В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изолированные движения. Они  геометрически независимы от движений в других соединениях (если не учитывать взаимодействия мышц). Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны, представляют незамкнутые цепи. Замкнутыми кинематическими цепями в теле человека являются, например, грудина, ребро, позвоночник, ребро и снова грудина. Такие замкнутые цепи разомкнуть невозможно. Незамкнутые могут замыкаться, причем часто через опору. В сложной пирамиде, составленной несколькими акробатами, образуются даже своего рода «сети» (в плоскости) и «решетки» (в пространстве) с очень сложной взаимной зависимостью движений звеньев. В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно изолированное движение, т.е. движение в одиночном сочленении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движения и в других.  Таким образом, движения в незамкнутых цепях характеризуются относительной независимостью звеньев. В замкнутых же, а также замкнувшихся цепях движения одних звеньев влияют на движения даже отдаленных звеньев (помогают или мешают). В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

     В открытой кинематической цепи подвижность  каждого следующего звена равна  его собственной подвижности  плюс подвижность предыдущих звеньев. Так, если у бедра три степени свободы, а у голени относительно бедра еще две степени, то голень относительно таза имеет пять степеней свободы. Наибольшие возможности движений – у конечных звеньев цепи. Но больше шести степеней свободы конечное звено цепи иметь не может. Если же при суммировании степеней свободы получается, что конечное звено имеет их больше шести, то это только значит, что при фиксировании этого звена промежуточные звенья сохраняют степени свободы на шесть степеней меньше. Так, кисть имеет относительно лопатки семь степеней свободы (плечевой сустав – 3, плюс локтевой – 2, плюс лучезапястный – 2). Если положить кисть на стол, то плечо и предплечье сохраняют 7-6=1 степень свободы. Они смогут двигаться лишь по одной траектории, вокруг оси, соединяющей плечевой и лучезапястный суставы [3, c. 80].

     Кости, соединенные подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные  к ним силы (мышечные тяги и др.) действуют на звенья биокинематической  цепи, как на рычаги. Это позволяет  передавать действие силы по цепям, а  также изменять эффект приложения сил. Таким образом, рычаг как простейший механизм служит для передачи движения и силы на расстояние.

     Различают рычаги первого рода (двуплечий) и  второго рода (одноплечий). Первый характеризуется  тем, что две группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, а во втором случае – по одну сторону.

     Вне зависимости от вида рычага в каждом из них выделяют:

     1)   точку опоры;

     2)    точку приложения сил;

     3)    плечи рычага   (расстояние  от точки опоры до места  приложения сил);

     4)   плечи сил (длина перпендикуляра, опущенного из точки опоры  на линию действия силы) [2, c. 156].

     Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры. Поэтому  для равновесия либо равномерного вращательного  движения звена как рычага необходимо, чтобы противоположно направленные моменты сил относительно оси рычага были равны. Для ускорения   (торможения) звена один момент силы должен быть больше другого. Так, момент движущих сил, преобладая над моментом тормозящих сил, придает звену положительное ускорение (в сторону движения). Если же большим оказывается момент тормозящих сил,   то он вызывает торможение звена.

     С помощью рычага можно выиграть в  силе. Для этого нужно действовать  мышечной силой на более длинное плечо. Согласно «золотому правилу механики», выигрывая в силе, одновременно проигрываем в пути и в скорости. Наоборот, если действовать мышечной силой на короткое плечо, то можно выиграть в пути и в скорости за счет проигрыша в силе.

     В большинстве случаев мышцы прикрепляются недалеко от сустава и подходят к кости под острым углом. Поэтому плечо силы тяги мышцы, как правило, небольшое. Обычно плечо силы тяги мышц меньше плеча силы сопротивления, и, следовательно, при работе мышцы получается проигрыш в силе и выигрыш в пути и в скорости движения. Для некоторого увеличения плеча силы тяги мышц большое значение имеют костные выступы, бугры, сесамовидные косточки, к которым мышцы прикрепляются или через которые они переходят. Выступы, бугры, сесамовидные косточки увеличивают угол подхода мышцы к кости как к рычагу, тем самым увеличивают плечо силы тяги мышцы и момент вращения мышечной силы.

     Таким образом, можно выделить две причины  проигрыша в силе. Первая – прикрепление мышцы вблизи сустава, вторая – тяга мышцы вдоль кости под очень острым (или тупым) углом.

     Можно указать еще и на третью причину  некоторых потерь в силе мышц. При  больших нагрузках напрягаются  все мышцы, окружающие сустав. Мышцы-антагонисты, создавая моменты сил, которые направлены противоположно, полезной работы не производят, а энергию затрачивают. Но в конечном счете в этом есть определенный смысл: хотя и возникают потери энергии, сустав во время больших нагрузок получает укрепление напряжением мышц,   которые его окружают.

     В связи с особенностями приложения мышечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напряжения мышц для выполнения не только силовых, но и скоростных движении. При этом следует помнить, что входящие в биокинематические цепи звенья тела образуют системы составных рычагов, в которых «золотое правило» механики проявляется намного сложнее, чем в простых одиночных рычагах. 

     2 Биомеханические особенности мышечной системы 

     Основная  функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Мышца как физическое тело обладает рядом механических свойств (упругость, вязкость, ползучесть, релаксация), а как живой орган также и биологическими свойствами (возбудимость, сократимость), играющими важную роль при выполнении движений. Упругость мышцы проявляется в напряжении, когда мышца растягивается под действием нагрузки. По мере увеличения нагрузки мышца удлиняется и при этом растет ее напряжение. Отсюда следует:

     1) нагрузка растягивает мышцу, удлиняя  ее, т.е. для растягивания мышцы  необходимо приложить силу;

     2) по мере удлинения мышцы ее напряжение увеличивается; следовательно, чтобы вызвать напряжение мышцы (без дополнительного возбуждения), необходимо ее растянуть;

     3) приложенная нагрузка определяет  величину напряжения мышцы, таким  образом, чтобы получить большое  напряжение, надо приложить большую нагрузку (сопротивление тяге мышцы) – действие равно противодействию;

     4) упругость мышцы не линейна; следовательно, по мере значительного растягивания одинаковые приращения длины мышцы дают все большие приращения напряжения;