Для рівноваги важеля необхідно рівність моментів прило-дені сил протилежної дії щодо осі важеля;
Для прискорення важеля - нерівність цих моментів сил.
В результаті дії протилежних сил ланка як важіль мо-же: а) зберігати положення або продовжувати рух з колишньою швидкістю і б) отримати прискорення в бік тієї чи іншої сили. Ефект совмест-ного дії сил залежить від співвідношення їх моментів.
Якщо моменти обох сил рівні, то або зберігається нерухоме положення важеля, або триває рух зі швидкістю, мавши-шейся в момент зрівнювання обох моментів.
Коли момент однією з сил більше моменту іншої сили, виникає прискорення в ту сторону, куди направлена сила більшого моменту. Якщо більше момент сили м'язової тяги, м'яз скорочується (долає робіт а) і плече важеля пересувається в її сторону. Якщо більше момент сили обтяження, то м'яз растяжки-ється (поступається робіт а) і плече важеля пересувається в іншу сторону.
Слід зауважити, що в розглянутих випадках важіль для спрощена-ня розрахунку вважається невагомим і безінерційним. У дійсними-ності ж ланки тіла людини мають вагою і при прискореннях ока-викликають інертне протидію в залежності від своіхмоментов інерції.
В описаному вище прикладі (див. Рис. 6, а) важіль розташований гори-зонтальним, тому напрямок ваги обтяження перпендикулярно важеля і плече сили збігається з плечем важеля (k). У рухах чоло-століття це буває рідко; найчастіше сили прикладені під гострим або тупим кутом. Тоді плече сили менше плеча важеля і, отже, момент сили менше максимально можливого для даної величини сили.
При тупому або гострому вугіллі прикладання сили F (див. Рис. 6, д, е) плече сили (d) - катет, а плече важеля (/) - гіпотенуза в прямоу-гольную трикутнику. Отже, плече сили менше максималь-ного (див. Рис. 6, г, де / -d), і момент сили тому теж не наиболь-ший. Це ж видно при розкладанні сил: нормальна складова (Fpf), перпендикулярна напрямку руху, тільки притискає важіль до точки опори або відтягує від неї і безпосередньо не впливає на швидкість руху. Тангенціальна ж складова (Рт), ка-сательная до траєкторії кінця важеля, впливає на швидкість руху. Тому тангенціальна тяга називається обертає (або явної), а нормальна - зміцнює (або прихованої).
При рухах змінюються положення кісткових важелів і кути докладання зусиль. Отже, змінюються плечі сил. Довжина м'язів теж не залишається постійною, а тому і їх напруги стають більше або менше.
Таким чином, моменти сил, їх співвідношення, а звідси і умови збереження положення або руху частин тіла як важелів не постоїмо нни.
3.3. «3олотого правило» механікі1в рухах людини
Робота, що здійснюється силою, яка додається на одному плечі важеля, передається на друге плече.
Сила тяги м'яза, прикладена на короткому плечі важеля, викли-кість у стільки разів більший зсув іншого плеча, у що першою плече коротше другого; в наявності виграш в дорозі. У зв'язку з тим, що раз-ні шляху проходяться за один і той же час, тут є виграш в швидкості. Сила, що передається на довге плече важеля, як раз в стільки ж разів менше, ніж прикладена. Таким чином, виграш в швидкості досягається за рахунок програшу в силі. Майже всі м'язи в тілі людини прикріплюються вблі-зи суглобів (коротке плече важеля); це призводить до виграшу в дорозі (а, отже, і в швидкості) при програші в силі. При більшій частині положень кісткового важеля м'язові тяги спрямовані під гострим або тупим кутом до ланки (уздовж ланки), що тягне непоправні втрати в силі м'язів (зменшується вращающая тяга). Нормальна ж (прихована) тяга в цьому випадку сприяє зміцненню суглоба, через який м'яз переходить.
При великих навантаженнях напрягаютсявсе м'язи, що оточують суглоб, в тому числі і антагоністи. При цьому різко зростають втрати в сумарною тязі м'язів; в той же час досягається і позитивний ефект - зміцнення навантаженого суглоба.
У зв'язку з особливостями застосування ми-м'язових тяг до кісткових важелів необхідні досить значні напруження м'язів для виконання не тільки силових, але і скорост-них д в і ж е н і й.
Вхідні в біокінематичні ланцюга ланки тіла утворюють системи складових важелів, в яких «золоте правило» механіки прояв-ляется набагато складніше, ніж в простих одиночних важелях.
БІОМЕХАНІЧНІ властивості м'язів
М'язи як фізичні тіла мають ряд механічних властивостей - пружністю, в'язкістю, ползучестью, релаксаціей.Как біологічні об'єкти м'язи проявляють властивості збудливості і скоротливості. Всі названі властивості тісно пов'язані між собою, що важливо враховувати при біомеханічному дослідженні рухів.
Механічні властивості м'язів
Упругостьпроявляется у виникненні напруги в м'язі при її деформації під дією навантаження. В'язкість - в замед-лення деформації внутрішніми силами (рідким тертям, молі-кулярной силами).
На графіку «довжина - напруга», отриманому на ізольованій м'язі експериментально (рис. 7, а), зручно рассмотретьупругость м'язи. Тут видно, як у міру збільшення навантаження м'яз удли-вується і як при цьому зростає її напруга. Звідси випливає:
1) навантаження (Р) розтягує м'яз. подовжуючи її (на Dl), т. е. для розтягування м'яза необхідно прикласти силу;
2) у міру подовження м'яза (на Dl) її напруга збільшується (на DF); отже, щоб викликати напругу м'язи (без додаткового збудження), необхідно її розтягнути;
3) прикладена навантаження (Р) визначає величину напруги м'язи (F); таким чином, щоб отримати велику напругу, треба докласти велику нагий-рузке (опір тязі м'язи) - дія дорівнює про-тіводействію;
Рис.7. Графіки «довжина-напруга» м'язи:
а - прояв пружності (залежність дефор-мації і напруги від навантаження); б - прояв-ня в'язкості ( «петлі гистерезиса») (ориг.)
4) пружність м'язи нелі-лінійного (Dl2 більше Dl3 при рав-них DF2 і DF3); отже, у міру значно-го розтягування оди-кові збільшення довжини м'язи дають всі великі збільшення напруги;
5) при відсутності навантаження довжина м'яза (l) є най-меншою ( «вільна довжина» м'язи) - нерозтягнутому м'яз не напружена;
6) в умовах організму довжина м'яза (/ о) більше «сво-Бодня довжини» і м'яз не-скільки напружена, т. Е. Завжди має «тонусом» спокою (F0).
Такі особливості пружних властивостей збудженому м'язи.
В'язкість м'язи як причину запізнення деформації можна спостерігати по відхиленню графіка дійсної деформації від лінії залежності «довжина - напруга» в сталому перебуваючи-ванні (див. Рис. 7, б-лінія A). При меншій в'язкості (лінії Б) изме-ня довжини відстає від зміни напруги як при розтягуванні м'язи (£ i), так і при її скороченні (Бz). В цьому випадку м'яз, хоча і не відразу, але все ж повернулася до вихідного стану (точка l3). При більшої в'язкості (лінії В) уповільнення ще більше і м'яз не повернулася до колишнього стану (точка l3) - виявилася залишкова деформація (відстань l3 - l1).
Отримані криві (Б, В) утворюють так звані «петлі ГИСТ-резіс», що характеризують запізнювання процесу деформації через гальмуючого дії в'язкості. При цьому неминуча втрата енергії. Вона пропорційна площі, обмеженою петлею гистерезиса (коса штрихування для Б1 -Бz і вертикальна-для B1 -Вz) - Дійсно, площа, яка визначається твором сі-ли (напруга) і шляхи (зміна довжини), дорівнює роботі, витраченої на подолання в'язкості.
Повзучість-це властивість м'язи змінювати з часом співвідношення «довжина - напруга»: навантажена (напружена) м'яз має відповідну довжину; через деякий час при тих же навантаженнях і напрузі ця довжина збіль-личивается.
Релаксаціязаключается в тому, що бійся-тая м'яз, зберігаючи довжину. поступово з те-ням часу зменшує свою напругу, рас-слабляется.
Совокупностьетіх ме-ханических властивостей (упруговязких, повзучості і релаксації) у всевозмож-них поєднаннях в различ-них умовах, по суті, і є те, що називається еластічностью1мишци.
Високоеластічноймишце властиві зна-ве розтяжність, велика жорсткість при великому розтягуванні (нелінійна уп-ругость) і малі втрати енергії (невелика в'язкість) при деформаціях. І хоча механізм, що забезпечує названі властивості, ще не повністю пояснений, їх прояв-лення дуже важливо враховувати при вивченні способів підвищення ефективності дії м'язів в рухах.
Режими роботи м'язів
Режим роботи м'язи визначається зміною або еедліни, або її напруги. або того й іншого одночасно.
Возбудімостьмишци проявляється в зміні як її напруги, так і механічних властивостей - пружності, в'язкості та ін. В результаті порушення хімічна енергія в м'язі перетворюється в механічним. Збуджена м'яз при тому ж навантаженні і напрузі має мень-шую довжину - не змінюючи свого напря-вання, вона скорочується.
М'яз не збуджена м'яз не збуджена
Мал. 9. Робота м'язи:
а - прояв порушення: режи-ми - ізотонічний (1-2), Ізомет-річескій (1-3), ауксотоніческій (1-4); б - прояв в'язкості м'язи (орг.)
Властивість скоротливості зручно разо-брати на графіках «довжина - напруги-ня» збудженому і максимально збудженої м'язів (рис. 9, а). Вся крива, що відноситься до максимально збудженої м'язі, розташована ви-ше, ніж крива покоющейся.
Отже, при рівній ве-личині напруги довжина збудженої м'язи менше.
Криві, отримані при різних ступенях порушення м'язів, займають проміжне положення між упо-мянутимі крайніми випадками. Можна цей же графік розібрати інакше: точки кривої максимально збудженої м'язи розташовані правіше (наприклад, точ-кі1і 3) точок графіка покоющейся м'язи, що має ту ж довжину.
Значить, при одній і тій же довжині м'яз, будучи воз-буждение, напружена біль-ше, ніж в стані спокою.
Якщо в підготовчому русі (наприклад, замах, подседание) м'яз перед скороченням розтягується, то вона гальмує рух; кінетична енергія тормозимого ланки переходить в потенційну енергію пружної деформації м'язи. Тепер розтягнута м'яз напря-дружина; в ній накопичена потенційна енергія пружної деформації. З початком активного руху при порушенні м'язи в ній обра-зуется механічна енергія напруги, що звільняється при БіоХім-мической реакції.
Вся біопотенціальная енергія м'язи складається з перетворюється-щенной біохімічної і пружною механічного-ської.
Перетворення всієї біопотенціальной енергії м'язи в механічним (кінетичну) по-різному проявляється в різних умовах роботи м'язи. Лінія переходу па графіку від точки 1 до точки 2 изоб-ражает скорочення м'язи в ізотонічному режимі (без зміни напруги - див. Рис. 9, а). У реальних рухах в живому орга-низме такий режим навряд чи може зустрітися. При рухах змінюються моменти сил м'язової тяги, а також інших сил, оскільки змінюються кути їх застосування, а у м'язів - і їх довжина. Збереженні-нять величину напруги м'язи в цих умовах практично не-можливо, та це й не потрібно.
Лінія переходу на графіку від точки 1 до точки 3 зображує увели-чення напруги м'язи при її роботі в ізометричному режимі. Наприклад, при непереборних перешкоди довжина м'язи не изме-вується, однак напруга її внаслідок порушення збільшується. Це випадок «статичної роботи» м'язів при збереженні положення тіла (див. Гл. VI).
Для роботи м'язів людини при рухах звичайний так званий ауксотоніческій режім1 (наприклад, лінія переходу на графіках від точки 1 до точки 4), пов'язаний зі зміною і довжини, і напруги м'язи. Цей режим правильніше було б називати «ауксоніческім», враховуючи, що змінюється не тільки напругу, але і довжина м'яза.
На графіках реальних рухів все розглянуті переходи про-виходять не за прямими лініями, так як в'язкість уповільнює деформує-цію. На рис. 9, б представлені петлі гистерезиса при порушенні раніше навантаженої м'язи (/ -2), при додатковому навантаженні воз-буждение м'язи і після зняття збудження при її розвантаження. Заштриховані ділянки відповідають втратам енергії на подолання в'язкості. Вважають, що в'язкість м'язів увели-чивается при швидких рухах і при зна-ве порушення, т. Е. Як раз в умовах сорев-новательной боротьби спортсмена. Однак розігрівання м'язів при розминці знижує в'язкість, зменшує гальмування при скороченні і розтягуванні м'язів. Отже, на змаганнях і тренуваннях важливо для зниження в'язкості зберігати в розігрітих м'язах тепло.
МЕХАНІЧНА ДІЮ м'язів
Механічна дія м'язів проявляється в основному як тяга. М'язова тяга характеризує величину прикладеної сили м'язів і її напрямок - вона утворюється при підсумовуванні сил тяги всіх її волокон.