Настольная книга остеопата. Основы биомеханики движения тела

Когда рассматриваются преимущества и недостатки рычагов каждого рода, важно помнить о роли мышц. В типичных рычагах второго рода в организме (дистальный конец свободен), эффективной силой, действующей на рычаг, является внешнее усилие. Мышца затрачивает значительное количество эксцентрического сопротивления для контролирования движения рычага. В рычагах третьего рода мышечное усилие преодолевает сопротивление, но за счет значительных запросов к этому усилию. Соответственно, мышца способна развивать значительную силу независимо от рода рычага. Как будет показано в части IV, мышца построена так, чтобы оптимизировать создание больших усилий, требуемых как для значительных угловых перемещений дистальных сегментов тела при механически неэффективных системах рычагов, так и для сопротивления внешним усилиям в механически эффективных рычажных системах.

2.9. Механическое понятие «работа»

Более полное понимание функциональной значимости классификации рычагов и роли мышц в системах человеческих рычагов может быть достигнуто через рассмотрение механического понятия работы и связанного с ней понятия энергии. В терминах механики работа проделывается силой, действующей на предмет, когда сила приложена параллельно движению предмета. Величина работы (W) прямо пропорциональна действующей силе (F) и расстоянию, пройденному предметом (d), на который эта сила действует. Проще эта взаимосвязь выражается как

W = |F||d|,

где направление действия силы параллельно движению, ей вызванному. Если на тело действуют несколько разнонаправленных сил, то в работе участвует только та часть силы, которая параллельна направлению движения (f_||), т. е.:

W = |F₁₁||d|, или

W = F∙d∙cos Q

где Q — угол между F и d.

Знак работы может быть положительным, если сила действует в направлении движения и отрицательным, если сила действует в направлении, противоположном движению. Если совершается вращательное движение, как при движении рычага вокруг оси сустава, то:

W = |T|Q

где T — вращательный момент действующей силы (УПУ х ПУ), а Q — угловое смещение точки приложения силы.

Результирующая работы по перемещению предмета — всегда сумма всех работ, произведенных каждой из сил, действующих на данный предмет.

На рис. 2.40,а и b мышца (ОСм) смещает точку приложения на меньшее расстояние, чем это делает сила тяжести, поскольку ОСм расположена ближе к оси, чем СТ. На рис. 2.40, b мышца выполняет отрицательную работу, поскольку прилагает свою силу в направлении, противоположном движению (она выполняет эксцентрическое сокращение). Факт, что мышцы могут совершать отрицательную работу, показывает, что сам термин «работа» является скорее механическим, чем биомеханическим понятием. Мышца, выполняющая эксцентрическое сокращение, все равно тратит энергию. Мы, люди, считаем, что любая затрата энергии является частью работы, но с точки зрения механики во время эксцентрического сокращения это не совсем верно. Если бы сопротивление в рычаге второго рода осуществлялось не мышцей, а пружиной, то эта пружина фактически никакой энергии бы не расходовала, она бы ее запасала (потенциальная энергия), поскольку сама по себе работы по перемещению не производила. Как мы увидим в части IV, активные сократительные элементы мышцы не аналогичны механической пружине. Однако некоторые части мышцы (пассивные параллельные и последовательные компоненты соединительной ткани) ведут себя практически так же, как пружина: при вытягивании эти части мышцы запасают энергию. Эффект отрицательной работы, совершаемой мышцей, состоит в том, что при эксцентрическом сокращении в 54 кг она тратит меньше энергии, чем потребовалось бы для концентрического сокращения с такой же силой и при таком же перемещении. Итак, суммируем:

• когда мышца совершает усилие в рычаге третьего рода, она производит концентрическое сокращение и выполняет положительную работу. От нее требуется дополнительная сила и энергия для увеличения углового смещения и угловой скорости;

• когда мышца оказывает сопротивление в рычаге второго рода, она выполняет эксцентрическое сокращение и отрицательную работу, затрачивая при этом меньше энергии, чем мышца, сокращающаяся с такой же силой, но концентрически.

2.10. Момент силы плеча рычага