Изучая строение и функции человеческого тела, нельзя обойтись без знания законов механики, поскольку человеческое тело и его отдельные звенья обладают определенной массой, весом и объемом. Однако при этом нужно помнить, что мышцы, которые являются активными производителями силовой тяги, представляют собой живые образования, состояние которых зависит от целого ряда моментов, как-то: степени тренированности, утомления, питания, состояния центральной нервной системы и пр.
Механика взаимодействия между мышцами и костными рычагами в значительной мере определяется способом и местом прикрепления мышц к костям. Когда речь идет о понятиях «место начала», или «место опоры» и «место прикрепления» мышцы, или же, как иногда говорят, о «неподвижной» или «подвижной» точках мышцы, то это следует понимать условно. Такая условность связана с представлением о наиболее часто наблюдаемых движениях, вызываемых сокращением данной мышцы; Например, плечевая мышца, проходящая спереди от локтевого сустава, обычно описывается как сгибатель предплечья. Местом ее начала, или неподвижной точкой, принято считать плечевую кость, а местом прикрепления, или подвижной точкой, — локтевую кость. Действительно, в огромном большинстве случаев эта мышца работает как сгибатель предплечья. Но если предплечье или кисть фиксированы, как это бывает, например, при подтягивании на перекладине, то работа плечевой мышцы вызывает сгибание плеча. Таким образом, место начала мышцы и место ее прикрепления в зависимости от того, какое звено тела в данном случае более подвижно, могут взаимно меняться своим положением. В большинстве случаев то звено, которое находится дальше от тела, т. е. дистальное звено, более подвижно, чем проксимальное, расположенное ближе к телу. Однако во всех случаях сила, с которой данная мышца притягивает проксимальное звено к дистальному и одновременно дистальное к проксимальному, само собой разумеется, всегда остается одинаковой, согласно закону Ньютона о равенстве действия и противодействия.
Равнодействующая сила мышцы. Направлением равнодействующей силы мышцы принято считать прямую, соединяющую центр места начала мышцы с центром места ее прикрепления. В этом направлении могут сближаться места прикрепления данной мышцы. В действительности лишь в редких случаях направление движения полностью совпадает с направлением тяги мышцы (это относится к таким мышцам, как прямая мышца живота, длинный и короткий лучевые разгибатели запястья и пр.). Для большинства мышц такое совпадение невозможно.
Это объясняется тем, что мышечная сила, как правило, действует на костное звено под углом и, значит, ее всегда можно разложить на составляющие силы (рис. 102), причем одна из них будет направлена по длине рычага, а другая — перпендикулярно к ней. Сила, действующая по длине рычага, вызывает сжатие рычага, а также укрепляет соединение костей по мере увеличения внешних силовых воздействий на сустав. Эта сила непосредственного участия в механике движения не принимает. Вторая сила, направленная перпендикулярно к костному рычагу, является полезной составляющей силы тяги мышцы. Она и производит движение костного звена.
Полезная составляющая тем больше, чем под более прямым углом мышца подходит к рычагу. Когда равнодействующая мышцы образует с рычагом прямой угол, то сила мышечной тяги используется для движения полностью. Если же эта сила образует с осью рычага угол меньший, чем прямой, то полезную составляющую можно рассматривать как катет прямоугольного треугольника, гипотенузой которого является равнодействующая сила. Так как катет прямоугольного треугольника может быть определен в виде произведения гипотенузы на синус противолежащего угла или косинус прилежащего угла, то связь между полезной составляющей и подъемной силой мышцы может быть легко установлена.
Необходимо принять во внимание и тот факт, что на любое костное звено действует несколько мышц, каждая из которых имеет свою равнодействующую. Значит, движение костного звена в этом случае представляет собой результат сочетанного действия мышц, равнодействующие которых либо складываются, либо вычитаются.
Рычаговый принцип работы двигательного аппарата. Рычаги в механике различают в зависимости от места приложения сил по отношению к точке опоры рычага. Если две силы приложены с двух сторон от точки опоры рычага, около которой происходит вращение, и действуют в одном направлении, то твердое тело является рычагом первого рода. Когда силы приложены только с одной стороны от точки опоры рычага и направлены в разные стороны, имеется рычаг второго рода.
Рычаг первого рода. В отношении двигательного аппарата человека рычаг первого рода называют еще «рычагом равновесия» (рис. 103). С этой точки зрения можно объяснить равновесие в положении всех вышележащих звеньев по отношению к нижележащим, как, например, головы по отношению к позвоночному столбу, таза по отношению к бедру и т. д. В первом примере основными силами, которые способствуют наклону головы кпереди, являются сила тяжести и сила мышечной тяги. При прямом держании головы вертикаль, опущенная из ее центра тяжести, располагающегося несколько сзади турецкого седла, проходит спереди от поперечной оси атланто-затылочного сочленения. Равнодействующая мышечной силы приложена к затылочной кости и проходит сзади этой оси. Условием равновесия является равенство вращающих моментов этих двух сил. Момент вращения силы равен произведению силы на длину ее плеча, т. е. расстоянию от точки опоры рычага до точки приложения силы.
В тех случаях, когда происходит сгибание или разгибание головы, равновесие нарушается и вращающий момент одной силы становится больше или меньше вращающего момента другой силы. Например, если при прямом держании головы расслабляются мышцы выйной области, голова наклоняется кпереди, ибо вращающий момент силы тяжести становится больше вращающего момента силы мышечной тяги. Наоборот, если увеличивается тяга мышц выйной области и вращающий момент силы тяги становится больше вращающего момента силы тяжести, то происходит разгибание головы.
Следует оговориться, что при таком рассуждении допускается некоторая схематизация. Дело в том, что наклон головы происходит благодаря не только силе ее тяжести, но также некоторому, хотя бы незначительному, участию мышц, расположенных спереди шейного отдела позвоночного столба. К этим мышцам принадлежат как все мышцы, прикрепляющиеся к подъязычной кости и идущие к ней снизу и сверху, так и (главным образом) мышцы, лежащие непосредственно на передней поверхности позвоночного столба (длинная мышца головы и длинная мышца шеи). Поэтому было бы, конечно, правильнее говорить не о вращающем моменте силы тяжести, а о моменте сил, способствующих наклону головы кпереди. Однако при начальном объяснении элементарных движений человеческого тела такая схематизация допустима, поскольку она способствует более легкому и быстрому пониманию действия наиболее важных сил.
Рычаг второго рода. В механике обычно не учитывается качественное различие тех сил, которые приложены к рычагу, и, как известно, не принято рычаг второго рода подразделять на разновидности. Однако в отношении живого организма необходимо рассматривать, как уже упоминалось, две силы: силу мышечной тяги и силу тяжести. Поэтому в зависимости о места приложения этих сил по отношению к точке опоры можно различать две разновидности рычага второго рода.
Одну разновидность нередко называют «рычагом силы». Она характеризуется тем, что плечо силы мышечной тяги больше плеча силы тяжести. Примером такого рычага может служить стопа во время подъема на полупальцах (рис. 104). Местом опоры в данном случае являются головки плюсневых костей, через которые проходит ось вращения всей стопы. Сила мышечной тяги, если обозначить ее в виде прямой, идущей от пяточной кости в направлении тяги трехглавой мышцы голени, как наиболее энергичный сгибатель стопы имеет большее плечо, чем сила тяжести. Последняя передается через кости голени на стопу и давит непосредственно на таранную кость, способствуя опусканию стопы. Не следует смешивать вектор силы тяжести с вертикалью, опущенной из общего центра тяжести и проходящей в данном случае в области головок плюсневых костей, т. е. внутри площади опоры, без чего невозможно сохранение равновесия тела. Движения рычага этого вида довольно ограничены. Образно можно было бы сказать, что здесь имеется выигрыш в силе за счет проигрыша в амплитуде и в скорости движения.
Другую разновидность рычага второго рода принято называть «рычагом скорое-т и» (см. рис. 100). Эту разновидность часто используют для объяснения движений человеческого тела. Она характеризуется тем, что одна сила — сила мышечной тяги — приложена вблизи оси вращения и имеет значительно меньше плечо, чем другая сила — противодействующая ей сила тяжести или сила какого-либо иного сопротивления. Например, мышцами, производящими сгибание предплечья, являются двуглавая мышца плеча, плечевая, плече-лучевая мышцы, круглый пронатор и другие мышцы, имеющие равнодействующую, проходящую спереди поперечной оси локтевого сустава. Плечо равнодействующей этих мышц равняется приблизительно 2 см. Сила же тяжести имеет значительно большее плечо. Так, если человек удерживает кистью при согнутом предплечье тяжесть в 16 кг, то плечо силы тяжести равняется приблизительно 20 см, т. е. плечо силы сопротивления примерно в десять раз больше, чем плечо мышечной силы. Условием равновесия является равенство вращающих моментов этих двух сил. Отсюда становится понятным, почему при подъемной силе мышц-сгибателей предплечья, равной приблизительно 160 кг, нетренированный человек может удержать при согнутом предплечье только 16 кг. В самом деле, 160x0,02= 16 х хО,2, т. е. каждый момент вращения равняется 3,2 кгм.
Таким образом, у этой разновидности рычага имеется проигрыш в подъемной силе за счет значительного увеличения амплитуды и скорости движения. Действительно, при сгибании в локтевом суставе кистью, а тем более концами пальцев можно выполнять движения со значительно большей амплитудой и скоростью, чем движения пяткой стопы при подъеме на носки. Поднимаясь на носки, человек приподнимает тяжесть всего тела, которая к тому же может быть увеличена каким-либо другим дополнительным грузом, кистью же можно поднять тяжесть значительно меньшую.
При самых различных движениях и позах человек стремится поставить свое тело в такое положение, чтобы вращающий момент силы работающих мышц был возможно больше при минимальном мышечном усилии, а вращающий момент сил сопротивления — возможно меньше. Так как вращающий момент силы мышц для того или иного положения организма является величиной постоянной, поскольку он определяется анатомическими особенностями строения двигательного аппарата, то основное внимание направляется на уменьшение момента сил сопротивления.
Сложение сил. Для определения величины и места приложения равнодействующей силы группы синергистов, векторы которых параллельны, следует сложить силы всех мышц данной группы. Если эта группа состоит из двух мышц, то равнодействующая будет равна сумме их подъемных сил, а точка ее приложения будет находиться на прямой, перпендикулярной к направлению равнодействующих этих двух мышц, на расстоянии, обратно пропорциональном силе каждой мышцы. Если группа мышц-синергистов состоит из большего числа мышц, то равнодействующая всей группы также равна сумме сил всех мышц. Местом ее приложения является точка, расположенная между местами прикрепления всех данных мышц. Если предварительно определить точку приложения равнодействующей каждой из двух мышц, то нетрудно найти точку приложения равнодействующей всей данной группы мышц. В качестве примера можно привести мышцы, сгибающие кисть, правую и левую прямые мышцы живота и др. В первом случае группа синергистов состоит из нескольких мышц, во втором — только из двух.
Сравнительно немногие мышцы располагаются параллельно между собой. В большинстве случаев их равнодействующие находятся по отношению друг к другу под некоторым углом. Однако, разлагая силы по правилу параллелограмма, всегда можно определить те их составляющие, которые идут параллельно и способствуют движению вокруг данной оси (рис. 105).
При сложении сил, оказывающих влияние на движение определенного звена тела, в качестве слагаемого может быть не только сила мышц, но также и сила тяжести данного звена.
Вычитание сил. Если к кости прикрепляются мышцы, тянущие ее в противоположные стороны, то движение в этом случае происходит в результате сложения сил с различным знаком, т. е. имеет место вычитание сил. Равнодействующая при этом направлена в сторону большей силы и равняется разности между большей и меньшей силами. Например, к лопатке, в частности к ее позвоночному краю, прикрепляются мышцы, которые тянут ее в разные стороны. Так, нижний отдел большой ромбовидной мышцы и нижние зубцы передней зубчатой мышцы, работая одновременно, тянут нижний угол лопатки в противоположные стороны. В том случае, когда силы мышц, двигающих данную кость в разных направлениях, оказываются равными, они уравновешиваются друг другом и кость остается неподвижной, фиксированной на своем месте. При суммарном сокращении мышц всей данной области обычно наблюдается как раз такое закрепление на своем месте данного костного звена. Лишь немногие мышцы тянут кости, к которым они прикрепляются, в диаметрально противоположных направлениях. Большинство мышц, прикрепляющихся к одной кости, например, к лопатке, с разных ее сторон, образуют тяги, направленные под некоторым углом одна к другой. Однако эти тяги могут быть разложены таким образом, что их составляющие могут оказаться идущими в противоположных направлениях и участвовать в противоположных движениях.
Силы, действующие под углом. В тех случаях, когда мышцы тянут кость в двух различных, но не прямо противоположных направлениях, равнодействующая мышечных сил выражается диагональю параллелограмма, построенного на этих силах. Например, направление тяги каждой из мышц, приводящих плечо — большой грудной мышцы и широчайшей мышцы спины, не совпадает с направлением движения при приведении плеча. Мало того, даже не существует такой мышцы, направление силы тяги которой вполне совпадало бы с направлением движения при приведении плеча, когда это движение происходит во фронтальной плоскости. Такими образом, две мышцы, образуя между собой параллелограмм сил, заменяют отсутствующую мышцу, необходимую для выполнения данного движения (см. рис. 105). Правило параллелограмма сил относится не только к двум, но также и к нескольким мышцам, тянущим данную кость в различных направлениях. В таких случаях для определения общей равнодействующей, т. е. общей диагонали, необходимо составить параллелограмм между каждыми двумя мышцами, а затем параллелограммы между диагоналями первых параллелограммов, пока, наконец, не будет найдена таким путем общая равнодействующая всей данной группы мышц.
