МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ О. О. БОГОМОЛЬЦЯ
Реферат
з дисципліни «Біомеханіка та клінічна кінезіологія»
Тема: «Біомеханіка рухового апарату людини»
Виконала: Черній В. С.
студентка групи 10909ФР
медико-психологічного факультету
спеціальності «Фізична терапія, ерготерапія»
Перевірила: Яримбаш Ксенія Сергіївна,
кандидат педагогічних наук, доцент
КИЇВ – 2022
ЗМІСТ
ВСТУП……………………………………………………………………………..3
1. Механічні властивості кісткової тканини …………………………………….4
2. Механічні властивості суглобів ……………………………………….………5
3. Біомеханічні властивості м’язів ………………………………………………7
4. Класифікація біокінематичних пар і ланцюгів ………………………….…..10
ВИСНОВКИ……………………………………………………………………...13
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………….…….14
ВСТУП
Рухова діяльність людини потребує узгодженої роботи організму в цілому, але головна роль при цьому належить опорно-руховому апарату.
З механічної точки зору руховий апарат людини являє собою механізм, який складається з системи важелів, що приводяться у дію м’язами. Тобто людина – це система рухомо з’єднаних ланок, які мають деякі розміри, масу, моменти інерції і м’язові двигуни. Анатомічними структурами, які створюють ці ланки і з’єднання, є кістки, сухожилля, м’язи і фасції, фіброзні та синовіальні з’єднання кісток, а також внутрішні органи, шкіра та інше [2].
Руховий апарат людини, з точки зору біомеханіки, являє собою систему біокінематичних ланцюгів, усі ланки котрого об'єднані у біокінематичні пари і мають між собою зв'язки, що визначають їх зовнішню свободу рухів. Для того, щоб зрозуміти устрій рухового апарату і принцип його дії, об'єктивного аналізу рухів та рухових дій людини необхідно використовувати відомі біомеханічні дані про її руховий апарат як про матеріальну систему процесу рухів її тіла [2; 4].
1. Механічні властивості кісткової тканини
Кістки виконують рухову, захисну і опорну функцію.
При виконанні фізичних вправ виникають чотири види впливів на кістку: розтягнення, стискання, вигини і скручування [4].
При розтягненні (виси на перекладині) трубчаста кістка витримує 150 Н/мм2. Це в 30 разів більше, ніж тиск, що руйнує цеглину. Міцність кісток більша ніж міцність дуба, майже дорівнює міцності чавуна.
При стисканні міцність кісток ще більша. Найсильнішою є великогомілкова кістка, вона витримує вагу в 16000 – 18000 Н (1,6–1,8 тон), або вагу 27 людей. Стегнова кістка – витримує 1,2 тони.
При вигинанні кістки також витримують значні навантаження. Стегнова кістка не ламається при навантаженні в 1200 кг. Але з віком зменшується вміст органічних речовин (осеїну) і кістки стають ламкими.
При скручуванні (в обертальних рухах) кістки витримують від 30 – до 140 Н/м. Так, при ходьбі момент сил скручування досягає 15 Н/м.
Постійне навантаження на кістку значно впливає на її будову – збільшується число остеонів, збільшується вапнування кістки, змінюється розташування кісткових перекладин в кістках. Наприклад, у штангістів стовщуються кістки ніг, хребта, у футболістів – зовнішня частина плесна, у тенісистів – кістки передпліччя.
Кістки, як тверда основа тіла, виконують функцію важелів і маятників.
Кістки як важелі першого і другого роду. Приводячи в рух скелет, м’яз діє на нього як на важіль. У механіці важелем називають тверде тіло, що має точку опори, відносно якого воно може рухатися (обертатися) під впливом протидіючих сил.
Важелі поділяють на одноплечі і двоплечі. Двоплечим є важіль рівноваги – коли дві сили прикладені з протилежних боків від точки опори важеля, і діють в одному напрямку. Тому цей важіль називають важелем рівноваги.
Важіль другого роду – є одноплечим. В ньому сила ваги і сила тяги м’язів розташовані по одну сторону від точки опори, і спрямовані в різні сторони.
Коли плече сили ваги довше, ніж плече сили м’язової тяги, утворюється важіль швидкості. Прикладом такого важеля може служити передпліччя.Напругою двоголового м’яза, що прикріплюється поблизу точки опори, досягається подолання сили ваги, і робота відбувається з великою швидкістю, тому важіль другого роду називають важелем швидкості [1].
Інший вид важеля другого роду – це важіль сили. Він утворюється, коли плече сили ваги менше плеча сили м’язової тяги. Прикладом може бути рух стопи в гомілковостопному суглобі. За принципом важеля другого роду в тілі працює більшість м’язів (рис. 1).
Рис. 1. Важелі в організмі.
2. Механічні властивості суглобів
Механічні властивості суглобів залежать від будови суглобів. На суглоби впливають значні сили. Синовіальна рідина зменшує тертя в суглобах в приблизно в двадцять разів. Міцність суглобових хрящів не безмежна. Тиск не повинен перевищувати 350 Н/см2. При більшому тиску виділення синовіальної рідини припиняється. При надмірному навантаженні відбувається стирання суглобових хрящів.
Рухливість в суглобах залежить від співпадання суглобових поверхонь (при повному співпаданні рухи неможливі); форми внутрішньо- і навколо суглобових хрящів, розташування і довжини зв’язок (вільні зв’язки, або сухожилки м’язів, що натягують суглобову сумку), і , особливо, від опору тяги м’язів (це надає рухам плавність).
Рухливість в суглобах буває скелетна, активна і пасивна. Скелетна рухливість визначається різницею суглобових поверхонь кісток. В практиці деяких видів спорту досягають рухливості, максимально наближеної до скелетної (наприклад, в гімнастиці). Активна рухливість здійснюється за рахунок скорочення м’язів. Пасивна рухливість здійснюється за рахунок використання зовнішніх сил.
Рухи тіла розглядаються відносно трьох взаємно перпендикулярних площин (рис. 2), або осей, які умовно проходять крізь тіло людини [5]:
Фронтальна площина – поділяє тіло на передню і задню частину, а вісь, перпендикулярна цій площині – сагітальна вісь, проходить спереду назад.
Сагітальна площина проходить спереду назад, поділяє тіло на ліву і праву частину, а вісь, перпендикулярна цій площині – поперечна вісь (проходить зліва направо).
Горизонтальна площина – поділяє тіло на верхню і нижню частину, а вісь, перпендикулярна цій площині має назву вертикальна, або поздовжня вісь.
Рис. 2. Площини тіла людини.
Напрямок рухів в суглобах залежать від їх форми.
3. Біомеханічні властивості м’язів
До них відносять скоротливість, пружність, твердість, міцність і релаксація. Скоротливість – це здатність м’яза скорочуватися при збудженні. У результаті скорочення відбувається рух м’яза й виникає сила тяги.
Для пояснення механічних властивостей м’яза скористаємося моделлю, в якій м’яз складається з трьох компонентів [2]:
паралельний пружний компонент (сполучнотканинні утворення), має механічний аналог у вигляді пружини. До сполучнотканинних утворень відносять оболонку м’язових волокон і їхніх пучків, сарколему й фасції м’язів;
скоротливий компонент. При скороченні м’яза утворюються поперечні актино-міозинові містки, від числа яких залежить сила скорочення м’яза; на моделі має вигляд циліндра, у якому рухається поршень;
послідовний пружний компонент, аналогом якого є пружина, послідовно з’єднана із циліндром. Вона моделює сухожилля й ті міофібрили, які в цей момент не беруть участь у скороченні м’яза.
Модель відображає пружні властивості м’яза, тобто здатність відновлювати початкову довжину після усунення деформуючої сили. Існування пружних властивостей пояснюється тим, що при розтягуванні в м’язі виникає енергія пружної деформації. Тоді м’яз можна порівняти із пружиною або з гумовим джгутом: чим сильніше розтягнута пружина, тим більша енергія в ній запасається [5].
Твердість і міцність м’яза – це здатність протидіяти прикладеним силам, що впливають на м’яз. Величина, зворотна твердості, називається піддатливістю м’яза [5].
Міцність м’яза оцінюється величиною сили, що розтягує, при якій відбувається розрив м’яза. Сила, при якій відбувається розрив м’яза (у перерахуванні на 1 мм2 її поперечного перерізу), становить від 0,1 до 0,3 Н/мм2. Для порівняння: межа міцності сухожилля близько 50 Н/мм2, а фасцій близько 14 Н/мм2. Виникає питання: чому іноді рветься сухожилля, а м’яз залишається цілим? Очевидно, це може відбуватися при дуже швидких рухах: м’яз встигає амортизувати, а сухожилля – ні [2].
Релаксація – властивість м’яза, що проявляється в поступовому зменшенні сили тяги при постійній довжині м’яза. Релаксація проявляється, наприклад, в фазі відштовхування в стрибках в довжину з місця, якщо під час глибокого підсідання спортсмен робить паузу. Чим довша пауза, тим сила відштовхування й довжина стрибка менші.
Режими скорочення й різновиди роботи м’язів. М’язи, прикріплені сухожиллями до кісток, функціонують в ізометричному та анізометричному режимах .
При ізометричному (утримуючому) режимі довжина м’яза не змінюється (статичні положення). Наприклад, у режимі ізометричного скорочення працюють м’язи людини, що утримують тіло в певному положенні.
При анізометричному скороченні м’яз стає коротшим або довшим (динамічний режим). В такому режимі функціонують м’язи бігуна, плавця, велосипедиста, тощо. В анізометричному режимі є два різновиди – переборююча робота (м’яз переборює зовнішні сили) і уступаюча (м’яз уступає зовнішнім силам). Наприклад, литковий м’яз спринтера при взаємодії ноги з опорою у фазі амортизації функціонує в уступаючому режимі, а у фазі відштовхування – в переборюючому режимі [5].
Розрізняють також балістичну роботу м’язів – різке, швидке, переборююче скорочення після попереднього розтягування м’язів. При цьому м’яз дає поштовх ланці й розслаблюється, наступний рух даної ланки триває по інерції.
Групова взаємодія м’язів. Існують два випадки групової взаємодії м’язів: синергізм і антагонізм. М’язи-синергісти переміщують ланки тіла в одному напрямку. Наприклад, у згинанні руки в ліктьовому суглобі беруть участь двоголовий м’яз плеча, плечовий й плечопроменевий м’язи (рис. 3).
Рис. 3. Робота м’язів-синергістів.
Результатом синергічної взаємодії м’язів є збільшення результуючої сили дії. При наявності травми, а також при локальному стомленні одного м’яза його синергісти забезпечують виконання рухової дії. Окремий різновид синергізму – агонізм, коли сили скорочення м’язів паралельні (прямий м’яз живота).
М’язи-антагоністи (на противагу синергістам) мають різноспрямовану дію (рис. 4). Так, наприклад, якщо одна група м’язів виконує роботу, що переборює, то інша – що уступає. Існуванням м’язів-антагоністів забезпечується: 1) висока точність і плавність рухових дій; 2) зниження травматизму [5].
Рис. 4. Робота м’язів-антагоністів.
Сила м’язів залежить від [2]:
а) фізіологічного поперечника м’яза (форми м’яза, розташування волокон). В кожному м’язі сили тяги всіх м’язовихволокон підсумовуються і утворюють рівнодіючу силу тяги м’яза. Ця рівнодіюча сила має певний напрямок, величину сили і точку її прикладання;
б) кута прикладання к важелю (найбільшу силу має м’яз, якщо між ним і кісткою утворюється кут в 90 градусів);
в) довжини м’яза (момент сили тим більший, чим довший м’яз, наприклад - м’язи передпліччя);
г) стану м’язів (втомлений або відпочивший м’яз. Після легкої зарядки, масажу сила м’язів збільшується;
д) стану нервової системи (сила нервових імпульсів, що поступають до м’язів).
4. Класифікація біокінематичних пар і ланцюгів
Руховий апарат людини складається з окремих ланок. Ланка – це частина тіла, розташована між сусідніми суглобами або між суглобом і дистальним кінцем ланки. (ланками є кисть, голова, плече, передпліччя, тощо).
В практиці біомеханіки часто користуються 14 або 15-ти ланковою системою. Якщо вагу тіла прийняти за 100%, то по відношенню до ваги тіла голова буде важити близько 7 %, тулуб - 42 – 43 % та ін. (ці дані були одержані на анатомічному матеріалі). Центри ваги ланок тіла визначають за допомогою важеля першого роду (рівноваги) або за допомогою розрахунків [5].
Дві ланки, що рухливо з’єднані між собою, утворюють біокінематичну пару. Три і більше ланок – утворюють біокінематичний ланцюг. Розрізняють ланцюги відкриті і закриті. У відкритому біокінематичному ланцюгу кінцева ланка є вільною. В замкненому ланцюгу – кінцева ланка замкнена на опору або на себе.
Також розрізняють поняття ступені свободи руху. Є 3 вісі і 3 площини, відносно яких може здійснюватися рух. 6 ступенів свободи має вільно падаюче тіло, яке може виконувати будь які обертання і переміщення (абсолютно вільне тіло). Якщо одна частина ланцюга закріплена – залишаються лише 3 ступеня свободи. Так, в плечовому суглобі рука здійснює рух відносно 3-х осей. Якщо ланка закріплена в 2-х точках – вона має лише 1 ступінь свободи. Так, променева кістка може рухатися лише відносно ліктьової кістки.
При рухах в кінематичних ланцюгах велике значення має форма суглобових поверхонь. У відкритих біокінематичних ланцюгах ступені свободи підсумовуються. Наприклад, кисть має 2 ступені свободи – згинання розгинання, приведення, відведення; 2 ступені свободи має передпліччя, 3 ступені свободи має плечова кістка. Таким чином, 2+2+3=7, кисть має 7 ступенів свободи. (Але це означає лише те, що при закріпленні кисті залишається лише 1 ступінь свободи 7 – 6 = 1) (рис. 5) [5].
Рис. 5 Біокінематичний ланцюг верхньої кінцівки.
У відкритих біокінематичних ланцюгах рухи в одній парі ланок не викликають рухи в інших ланках цього ланцюга.
В замкнених біокінематичних ланцюгах рух в одній парі ланок викликає рух в інших ланках цього ланцюга. Наприклад, якщо рукою опертися об стіл і згинати руку в ліктьовому суглобі, це буде викликати рух в усіх інших суглобах всього ланцюга. Ця особливість наших рухів широко використовується в лікувальній фізкультурі [2].
В умовах відкритого ланцюга скорочення односуглобових і багатосуглобових м’язів будуть викликати рух лише в одній парі ланок. В умовах замкненого ланцюга скорочення одно- і багатосуглобових м’язів викликають рух в усіх ланках ланцюга (навіть, якщо вони не мають відношення до цих ланок) [1].
ВИСНОВКИ
Будова та функції органів опори та руху відзначаються великою складністю. Це зумовлено надзвичайною різноманітністю можливих станів та рухів тіла. Особливості тіла людини, зокрема рухового апарату, дають підґрунтя розглядати тіло в цілому та його частин як особливі біомеханічні системи. Опорно-руховий апарат розуміється як система кісткових важелів, що приводяться в рух м’язами. Отже, тіло людини – складна динамічна система.
Знання з біомеханіки опорно-рухового апарату людини особливо важливі у фізичній терапії та реабілітації для проведення біомеханічного моніторингу; при діагностиці та відновленні порушень просторової організації тіла людини; для діагностики біомеханіки природних локомоцій в нормі та при різних нозологіях; інформативності та оперативності отримання інформації щодо перебігу етапів фізичної реабілітації; при проведенні оцінки ергономічності робочих поз та положень.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
Архипов О. А. Біомеханічний аналіз : навч. посіб. Київ : Видавництво НПУ імені М. П. Драгоманова, 2010. 224 с.
Біомеханічні аспекти руховий якостей : вибрані лекції з кінезіології : метод. посіб. для студ. ЛДУФК / О. Ю. Рибак, та ін. Львів : ЛДУФК, 2012. Ч. 1. 72 с.
Драчук С. П., Богуславська В. Ю, Сокольвак О. Г. Біомеханіка людини. Тлумачний словник-довідник. Вінниця : ТОВ «Твори», 2019. 400 с.
Носко М. О., Архипов О. А. Біометрія рухових дій людини : монографія. Київ : Слово, 2011. 215 с.
Язловецький В. С. Біомеханіка фізичних вправ : навч. посіб. Вид. 3-е, допов., переробл. Кіровоград, 2003. 138 с.