Вивчаючи будову і функції людського тіла, не можна обійтися без знання законів механіки, оскільки людське тіло і його окремі ланки мають певну масою, вагою і об'ємом. Однак при цьому потрібно пам'ятати, що м'язи, які є активними про-виробниками силової тяги, являють собою живі освіти, стан яких залежить від цілого ряду моментів, як-то: ступеня тренованості, стомлення, харчування, стану центральної нервової системи та ін.
Механіка взаємодії між м'язами і кістковими важелями в значній мірі визначається способом і місцем прикріплення м'язів до кісток. Коли мова йде про поняття «місце початку», або «місце опори» і «місце прикріплення» м'язи, або ж, як іноді кажуть, про «нерухомою» або «рухомий» точках м'язи, то це слід розуміти умовно. Така умовність пов'язана з поданням про найбільш часто спостерігаються рухах, що викликаються скороченням даної м'язи; Наприклад, плечовий м'яз, що проходить спереду від ліктьового суглоба, зазвичай описується як згинач передпліччя. Місцем її початку, або нерухомою точкою, прийнято вважати пле-чевую кістка, а місцем прикріплення, або рухомий точкою, - ліктьову кістку. Дійсно, у величезній більшості випадків ця м'яз працює як згинач передпліччя. Але якщо передпліччя або кисть фіксовані, як це буває, наприклад, при подтягі-вання на перекладині, то робота плечовий м'язи викликає згинання плеча. Таким чином, місце початку м'язи і місце її прикріплення в залежності від того, яка ланка тіла в даному випадку більш рухомий, можуть взаємно змінюватися своїм становищем. У більшості випадків ті важелі, яке знаходиться далі від тіла, т. Е. Дистальное ланка, більш рухомий, ніж проксимальное, розташоване ближче до тіла. Однак у всіх випадках сила, з якою дана м'яз притягує проксималь-ве ланка до дистальному і одночасно дистальное до проксимальному, само собою зрозуміло, завжди залишається однаковою, відповідно до закону Ньютона про рівність дії і протидії.
Рівнодіюча сила м'язи. Напрямком рівнодіюча-щей сили м'язи прийнято вважати пряму, що сполучає центр місця початку м'язи з центром місця її прикріплення. У таких справах можуть зближуватися місця прикріплення даного м'яза. У дійсними-ності лише в рідкісних випадках напрямок руху повністю Совпа-дає з напрямком тяги м'яза (це відноситься до таких м'язам, як пряма м'яз живота, довгий і короткий променеві розгиначі за-пястья та ін.). Для більшості м'язів такий збіг неможливо.
Це пояснюється тим, що м'язова сила, як правило, діє на кісткове ланка під кутом і, отже, її завжди можна розкласти на складові сили (рис. 102), причому одна з них буде направлена по довжині важеля, а інша - перпендикулярно до неї . Сила, що діє по довжині важеля, викликає стиснення важеля, а також зміцнює соеди-ня кісток у міру збільшення зовнішніх силових впливів на суглоб. Ця сила безпосередньої участі в механіці руху не приймає. Друга сила, спрямована перпендикулярно до кістковому важеля, є корисною складовою сили тяги м'яза. Вона і виробляє рух кісткового ланки.
Корисна складова тим більше, ніж під більш прямим кутом м'яз підходить до важеля. Коли рівнодіюча м'язи утворює з важелем прямий кут, то сила м'язової тяги використовується для дви-жения повністю. Якщо ж ця сила утворює з віссю важеля кут менший, ніж прямий, то корисну складову можна розглядає-вати як катет прямокутного трикутника, гіпотенузою якого є рівнодіюча сила. Так як катет прямокутного треу-гольніка може бути визначений у вигляді твору гіпотенузи на синус протилежного кута або косинус прилеглого кута, то зв'язок між корисною складовою і підйомної силою м'язи може бути легко встановлена.
Необхідно взяти до уваги і той факт, що на будь-який кост-ве ланка діє кілька м'язів, кожна з яких має свою рівнодіючу. Значить, рух кісткового ланки в цьому випадку представляє собою результат поєднаної дії м'язів, равнодей-ствующие яких або складаються, або віднімаються.
Ричаговими принцип роботи рухового апарату. Важелі в механіці розрізняють в залежності від місця докладання зусиль по відно-шенням до точки опори важеля. Якщо дві сили прикладені з двох сторін від точки опори важеля, біля якої відбувається обертання, і дей-обхідних в одному напрямку, то тверде тіло є важелем першого роду. Коли сили прикладені тільки з одного боку від точки опори важеля і спрямовані в різні боки, є важіль другого роду.
Важіль першого роду. Що стосується рухового апара-рата людини важіль першого роду називають ще «важелем рівноваги» (рис. 103). З цієї точки зору можна пояснити рівновагу в положе-нии всіх вище ланок по відношенню до нижчого, як, наприклад, голови по відношенню до хребетного стовпа, таза по відношенню до стегна і т. Д. У першому прикладі основними силами, які сприяють нахилу голови вперед, є сила тяжіння і сила м'язової тяги. При прямому триманні голови вертикаль, опущена з її центру ваги, розташованого трохи позаду турецького сідла, проходить спереду від поперечної осі атланто-потиличного визнали-вати. Рівнодіюча м'язової сили прикладена до потиличної кістки і проходить ззаду цієї осі. Умовою рівноваги є рівність обертаючих моментів цих двох сил. Момент обертання сили дорівнює добутку сили на довжину її плеча, т. Е. Віддалі від точки опори важеля до точки прикладання сили.
У тих випадках, коли відбувається згинання або розгинання голови, рівновага порушується і крутний момент однієї сили стає більше або менше крутного моменту іншої сили. Наприклад, якщо при прямому триманні голови розслабляються м'язи потиличної області, голова нахиляється вперед, бо крутний момент сили тяжіння стає більше крутного моменту сили м'язової тяги. Нао-борот, якщо збільшується тяга м'язів потиличної області і крутний момент сили тяги стає більше крутного моменту сили тя-жерсті, то відбувається розгинання голови.
Слід зазначити, що при такому міркуванні допускається не-яка схематизація. Справа в тому, що нахил голови відбувається бла-цію не тільки силі її тяжкості, але також деякого, хоча б незначного, участі м'язів, розташованих спереду шийного відділу хребетного стовпа. До цих м'язів належать як всі м'язи, що прикріплюються до під'язикової кістки і йдуть до неї знизу і зверху, так і (головним чином) м'язи, що лежать безпосередньо на передній поверхні хребетного стовпа (довга м'яз голови і довгий м'яз шиї). Тому було б, звичайно, правильніше говорити не про обертального моменту сили тяжіння, а про момент сил, спосіб-ціалу нахилу голови вперед. Однак при початковому поясненні елементарних рухів людського тіла така схематизація допу-стім, оскільки вона сприяє більш легкому та швидкому розумі-ня дії найбільш важливих сил.
Важіль другого роду. У механіці зазвичай не враховуючи-ється якісна відмінність тих сил, які прикладені до важеля, і, як відомо, не прийнято важіль другого роду поділяти на різно-видности. Однак щодо живого організму необхідно рас-сматривать, як уже згадувалося, дві сили: силу м'язової тяги і силу тяжіння. Тому в залежності про місця докладання цих сил по відношенню до точки опори можна розрізняти два різновиди важеля другого роду.
Одну різновид нерідко називають «важелем сили». Вона характеризується тим, що плече сили м'язової тяги більше плеча сили тяжіння. Прикладом такого важеля може служити стопа під час підйому на полупальцах (рис. 104). Місцем опори в даному випадку є головки плеснових кісток, через які проходить вісь вра-щення всієї стопи. Сила м'язової тяги, якщо позначити її у вигляді пря-мій, що йде від п'яткової кістки в напрямку тяги триголовий м'язи гомілки, як найбільш енергійний згинач стопи має більшу плече, ніж сила тяжіння. Остання передається через кістки гомілки на стопу і тисне безпосередньо на таранную кістка, сприяючи опускання стопи. Не слід змішувати вектор сили тяжіння з вертикаллю, опу-щенной із загального центру ваги і проходить в даному випадку в області головок плеснових кісток, т. Е. Усередині площі опори, без чого неможливе збереження рівноваги тіла. Рухи важеля цього виду досить обмежені. Образно можна було б сказати, що тут є виграш в силі за рахунок програшу в амплітуді і в ско-рости руху.
Іншу різновид ри-чага другого роду прийнято називаються вать «важелем швидке-т і» (див. Рис. 100). Цю різновид-ність часто використовують для об'єк-яснень рухів людського тіла. Вона характеризується тим, що одна сила - сила м'язової тяги - прикладена поблизу осі обертання і має значно менше плече, ніж інша сила - протидіюча їй сила тяжіння або сила како-го-небудь іншого опору. Наприклад, м'язами, вироб-дящими згинання передпліччя, є двоголовий м'яз пле-ча, плечова, плече-променева м'язи, круглий пронатор і інші м'язи, мають равнодейст-ють, що проходить спереду поперечної осі ліктьового су-става. Плече рівнодіюча цих м'язів дорівнює приблизи-кові 2 см. Сила ж тяжкості має значно більшу пле-чо. Так, якщо людина утримує пензлем при зігнутому передпліччі тяжкість в 16 кг, то плече сили тяжіння дорівнює приблизи-кові 20 см, т. Е. Плече сили опору приблизно в де-сять разів більше, ніж плече ми-м'язової сили. Умовою одно-весия є рівність вра-щающую моментів цих двох сил. Звідси стає зрозумілим, чому при підйомній силі м'язів-згиначів передпліччя, рівній приблизно 160 кг, нетренована людина може утримати при зігнутому передпліччі тільки 16 кг. Справді, 160x0,02 = 16 х хо, 2, т. Е. Кожен момент обертання дорівнює 3,2 кгм.
Таким чином, у цьому різновиді важеля є програш в підйомній силі за рахунок значного збільшення амплітуди і ско-рости руху. Дійсно, при згинанні в ліктьовому суглобі пензлем, а тим більше кінцями пальців можна виконувати руху зі значно більшою амплітудою і швидкістю, ніж руху п'ятою стопи при підйомі на шкарпетки. Піднімаючись на носки, людина припод-нимает тяжкість всього тіла, яка до того ж може бути збільшена будь-яким іншим додатковим вантажем, пензлем же можна підняти тяжкість значно меншу.
При самих різних рухах і позах людина прагне поставити своє тіло в таке становище, щоб крутний момент сили працюючих м'язів був щонайбільше при мінімальному м'язовому зусиллі, а крутний момент сил опору - можливо менше. Так як крутний момент сили м'язів для того чи іншого положення організму є величиною постійною, оскільки він визначається анатомічними особливостями будови рухово-го апарату, то основна увага спрямовується на зменшення моменту сил опору.
Додавання сил. Для визначення величини і місця докладання рівнодіюча сили групи синергистов, вектори яких парал-лельно, слід скласти сили всіх м'язів даної групи. Якщо ця група складається з двох м'язів, то рівнодіюча буде дорівнює сумі їх підйомних сил, а точка її застосування буде перебувати на прямій, перпендикулярній до напрямку равнодействующих цих двох м'язів, на відстані, назад пропорційному силі кожного м'яза. Якщо група м'язів-синергистов складається з більшого числа м'язів, то рівнодіюча всієї групи також дорівнює сумі сил всіх м'язів. Місцем її застосування є точка, розташована між місцями прикріплення всіх даних м'язів. Якщо попередньо визна-ділити точку прикладання рівнодіючої кожної з двох м'язів, то неважко знайти точку прикладання рівнодіючої всієї даної групи м'язів. Як приклад можна привести м'язи, що згинають кисть, праву і ліву прямі м'язи живота та ін. В першому випадку група синергіст складається з декількох м'язів, у другому - тільки з двох.
Порівняно небагато м'язи розташовуються паралельно між-ду собою. У більшості випадків їх рівнодіюча знаходяться по відношенню один до одного під деяким кутом. Однак, розкладаючи сили за правилом паралелограма, завжди можна визначити ті їх склад-рами, які йдуть паралельно і сприяють руху навколо даної осі (рис. 105).
При додаванні сил, що впливають на рух визначений-ного ланки тіла, як доданка може бути не тільки сила м'язів, але також і сила тяжіння даного ланки.
Віднімання сил. Якщо до кістки прикріплюються м'язи, тягнуть її в протилежні сторони, то рух в цьому випадку відбувається в результаті додавання сил з різним знаком, т. Е. Має місце вичі-тание сил. Рівнодіюча при цьому спрямована в бік більшої сили і дорівнює різниці між більшою і меншою силами. Напри-заходів, до лопатки, зокрема до її хребетного краю, прикріплюються м'язи, які тягнуть її в різні боки. Так, нижній відділ біль-шою ромбовидної м'язи і нижні зубці передньої зубчастої м'язи, працюючи одночасно, тягнуть нижній кут лопатки в протилежний-ні сторони. У тому випадку, коли сили м'язів, що рухають цю кістку в різних напрямках, виявляються рівними, вони врівноважені-ються один одним і кістка залишається нерухомою, фіксованою на своєму місці. При сумарному скорочення м'язів всієї даної області зазвичай спостерігається якраз таке закріплення на своєму місці даного кісткового ланки. Лише деякі м'язи тягнуть кістки, до яких вони прикріплюються, в діаметрально протилежних напрямках. Більшість м'язів, що прикріплюються до однієї кістки, наприклад, до ло-патку, з різних її сторін, утворюють тяги, спрямовані під Незнач-рим кутом одна до одної. Однак ці тяги можуть бути розкладені та-ким чином, що їх складові можуть виявитися йдуть в протилежних напрямках і брати участь в протилежних дві-женіях.
Сили, що діють під кутом. У тих випадках, коли м'язи тягнуть кістка в двох різних, але не прямо протилежних напрямках, рівнодіюча м'язових сил виражається діагоналлю параллело-грама, побудованого на цих силах. Наприклад, напрямок тяги кожної з м'язів, що приводять плече - великого грудного м'яза і ши-рочайшей м'язи спини, не збігається з напрямком руху при приведенні плеча. Мало того, навіть не існує такої м'язи, на-правління сили тяги якої цілком збігалося б з напрямком дви-жения при приведенні плеча, коли цей рух відбувається у фрон-ментальною площині. Такими чином, дві м'язи, утворюючи між собою паралелограм сил, замінюють відсутню м'яз, необхідну для виконання даного руху (див. Рис. 105). Правило параллело-грама сил відноситься не тільки до двох, але також і до кількох м'язам, тягне цю кістку в різних напрямках. У та-ких випадках для визначення загальної рівнодіючої, т. Е. Загальної діагоналі, необхідно скласти паралелограм між кожними двома м'язами, а потім паралелограми між діагоналями пер-вих паралелограмів, поки, нарешті, не буде знайдена таким шляхом загальна рівнодіюча всієї даної групи м'язів .