Верхняя конечность как орган труда в  процессе филогенеза приобрела значительную подвижность. Наличие у человека ключицы - единственной кости, соединяющей  верхнюю конечность с костями  туловища, дает возможность производить  более обширные движения. Помимо этого, кости свободной части верхней конечности подвижно сочленяются друг с другом, особенно в области предплечья и кисти, приспособленной к различным сложным видам труда.

     Нижняя  конечность как орган опоры и  перемещения тела в пространстве состоит из более толстых и массивных костей, подвижность которых друг относительно друга менее значительна, чем у верхней конечности.

     В скелете верхней и нижней конечностей  человека выделяют пояс и свободную  часть.

     Пояс  верхней конечности (грудной пояс) состоит из двух костей ключицы и лопатки.

     Свободная часть верхней конечности делится  на три отдела: 1) проксимальный-плечевая кость; средний - кости предплечья, состоит  из двух костей: лучевой и локтевой; 3) скелет дистальной части конечности - кости кисти, в свою очередь делится на кости запястья, пястные кости (I-V) и кости пальцев (фаланги). Пояс нижней конечности (тазовый пояс), образован парной тазовой костью. Тазовые кости сзади сочленяются с крестцом, спереди друг с другом и с проксимальной костью (бедренной) свободной части нижней конечности.

     Скелет  свободной части нижней конечности сходен по плану строения со скелетом верхней конечности и также состоит  из трех частей: 1) проксимальной бедренная  кость (бедро); 2) средней кости голени: большеберцовая и малоберцовая. В  области коленного сустава находится большая сесамовидная кость - надколенник; 3) дистальная часть нижней конечности - стопа - также делится на три части: кости предплюсны, плюсневые кости (I-V) и кости пальцев (фаланги).

Биомеханика движений

      Среди многочисленных физиологических функций организма двигательная функция является единственной, обеспечивающей активное воздействие человека на внешнюю среду, преодоление ее сопротивления, приспособление к условиям внешней среды.

      Движения  человека подчиняются законам механики.

      С точки зрения механики, человек представляет собой систему подвижно соединенных  звеньев, обладающих определенными  размерами, массой, моментами инерции  и снабженных мышечными двигателями.

      Анатомическими  структурами, образующими эти звенья и соединения являются кости, сухожилия, мышцы и фасции, фиброзные и синовиальные соединения костей, а также внутренние органы, кожа и т. д.

Биомеханические цепи

     Биомеханическая система тела человека состоит из биомеханических цепей. Множество частей тела, соединенных подвижно, образует биокинематические цепи. К ним приложены силы (нагрузки), которые вызывают деформации звеньев тела и изменение их движений.

     Биокинематические цепи опорно-двигательного аппарата состоят из подвижно соединенных  звеньев (твердых, упругих и гибких) и отличаются их переменным составом, своей длиной и формой (составные рычаги и маятники).

     Фиксирование  суставов (блокада) и их освобождение (снятие динамических связей — тяги мышц) изменяют число движущихся звеньев  в цепи. Она может превратиться как бы в одно звено или сохранять движение в части сочленений или во всех сочленениях.

     Соединенные два соседних звена тела образуют пару, а пары, в свою очередь, соединены  в цепи.

     Биокинематическая пара — это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц.

     В технических механизмах соединения двух звеньев — кинематические пары — устроены обычно так, что возможны лишь вполне определенные, заранее заданные движения.  Одни возможности не огра-ничены (их характеризуют степени свободы движения), другие полностью ограничены (их характеризуют степени  связи)

     Различают связи: а) геометрические (постоянные препятствия  перемещению в каком-либо направлении, например костное ограничение в суставе) и б) кинематические (ограничение скорости, например мышцей-антагонистом).

     В биокинематических парах имеются  постоянные степени связи которые  определяют собой сколько как  максимум и каких остается степеней свободы движения. Почти все биокинематические пары в основном вращательные (шарнирные); немногие допускают чисто поступательное скольжение звеньев относительно друг друга и лишь одна пара (голеностопный сустав) — винтовое движение.

     Биокинематическая цепь — это последовательное либо незамкнутое (разветвленное), либо замкнутое соединение ряда биокинематических пар (рис.5).

       

     Рис.5.Биокинематические цепи тела человека: а - виды цепей, bат - незамкнутая, ABCDEA -замкнутая на себя,  dff₁d₁d - замкнутая через опору; б - взаимосвязь движений в замкнутой цени; в, г, д, е - степени свободы движений тела. 

     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) .

      Опорно-двигательный аппарат человека состоит из сочлененных  между собой костей скелета. Кости  скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях или во внешней среде и приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц, прикрепленных к костям.

      Рычаг первого рода, обеспечивающий перемещение или равновесие головы в сагиттальной плоскости.

      На  рис. 6 изображен череп и действующие на него силы.

      Ось вращения (О) проходит через сочленение черепа с первым позвонком. На череп  действуют две силы, приложенные  по разные стороны от оси.

      • Сила тяжести (R), приложенная к центру тяжести черепа. Плечо этой силы обозначено буквой Ь.

      • Сила тяги мышц и связок (F), приложенная к затылочной кости. Плечо этой силы обозначено буквой а.

      

      Рис. 6. Рычаг в сагиттальной плоскости черепа

      Условие равновесия рычага F·а = R·b.

      Рычаг второго рода, дающий человеку возможность вставать на цыпочки.

      На  рис. 7 изображена стопа и действующие на нее силы.

      

      Рис. 7. Стопа в положении на цыпочках 

      Ось вращения (О) проходит через головку  плюсневых костей. На стопу действуют  две силы, приложенные по одну сторону от оси.

      • Сила тяжести (R), равная половине силы тяжести, действующей на все тело. Плечо этой силы обозначено буквой b — расстояние от соединения стопы до точки контакта плюсны и пола (обычно 12см);

      • Сила тяги мышц (F), передаваемая с помощью ахилловых сухожилий и приложенная к выступу пяточной кости. Плечо этой силы обозначено буквой а — расстояние от точки опоры до точки действия ахилловых сухожилий (обычно 18 см).

      Условие равновесия рычага: F·a = R·b. В данном случае а > b, следовательно, F < R. Поэтому рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в перемещении.

      По  принципу рычага второго рода работает предплечье человека.

      На  рис. 8 изображены предплечье и кисть с грузом, а также действующие на них силы.

      

      Рис.8. Кости предплечья, участвующие в удержании предмета кистью 

      Ось вращения (О) находится в локтевом суставе. На рычаг действуют две  силы, приложенные по одну сторону  от оси.

      • Сила тяжести (R), равная весу груза. Плечо этой силы обозначено буквой b.

      • Сила тяги мышц (F), передаваемая с помощью бицепса. Плечо этой силы обозначено буквой а.

      Условие равновесия рычага: р·а = R·b. В данном случае а < b, следовательно, F > R. Поэтому рычаг дает проигрыш в силе (примерно в 8 раз). Целесообразно ли такое устройство? На первый взгляд, как будто нет, поскольку имеется потеря в силе. Однако согласно «золотому правилу» механики потеря в силе вознаграждается выигрышем в перемещении: перемещение кисти в 8 раз больше величины сокращения мышцы. Одновременно происходит и выигрыш в скорости движения: кисть движется в 8 раз быстрее, чем сокращается мышца.

      Таким образом, способ прикрепления мускулов, который имеется в теле человека (животных), обеспечивает конечностям  быстроту движений, более важную в  борьбе за существование, нежели сила. Человек был бы крайне медлительным существом, если бы руки у него не были устроены по этому принципу.

Степени свободы движений и связей

      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. Само собой разумеется, что 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.

     

     Вопрос  о степенях свободы подробно изучался польскими исследователями (Morecki, Ekiel, Fidelus) , которые, рассматривая тело как сложный биомеханизм, кости – как жесткие звенья, а суставы – как кинематические пары определенных классов. Структурная схема опорно-двигательного аппарата представлена на рис.9.