Біомеханіка верхньої кінцівки, фізіологія робочих рухів

Якщо спробувати уявити собі різноманітні трудові процеси, в яких бере участь рука людини, то можна переконатися, що це розмаїття функцій руки досягається шляхом, відмінним від того, який зазвичай використовується в технічній механіці. Остання розробляє для кожної функції свій спеціальний механізм. Рука ж людини пристосовується до нової функції, використовуючи одні й ті ж ланки і зчленування.
Якщо розглядати верхню кінцівку людини як систему зчленувань твердих тіл, то ця система не є який-небудь один однозначний механізм; вона має стільки подвижностей в різних суглобах, що якби їх все використовувати одночасно, то ніякого певного робочого дії не могло б вийти. Верхня кінцівка людини з механічної точки зору являє собою кінематичну ланцюг послідовно з'єднаних між собою кінематичних пар (пар, з'єднаних між собою в суглобах ланок, взаємно обмежують руху, наприклад плечо- передпліччя, передпліччя - кисть і т. Д.). У відкритій кінематичного ланцюга (з незакріпленим останньою ланкою), до якої відноситься кінематична ланцюг верхньої кінцівки, число подвижностей (ступенів свободи *) кінцевого ланки дорівнює сумі подвижностей всіх проміжних ланок.
Скільки ж подвижностей, або ступенів свободи, має кисть руки по відношенню до лопатки? Плечова кістка щодо лопатки має три ступені свободи, ліктьова щодо плечовий - одну, кисть разом з променевою кісткою щодо передпліччя - три ступені свободи. Всього кисть має сім ступенів свободи. Але оскільки вже шість ступенів свободи дають безмежну можливість переміщень, то в межах довжини руки пензель може рухатися по відношенню до тулуба так, як ніби вона зовсім не має з ним зв'язку.
При такому великому числі ступенів свободи рух верхньої кінцівки отримує визначеність і доцільність завдяки тому, що в кожну мить в кожному зчленуванні в результаті скорочення м'язів виключаються всі можливі руху, все ступеня свободи, крім однієї, яка відповідає виконуваного доцільному рухові. Так виходять різні типові робочі руху.
На рис. 11 у вигляді графіків послідовних положень руки через кожну 1/10 з представлені деякі найбільш поширені робочі руху. На графіках рука зображена у вигляді лінійної схеми, що складається з трьох ланок: плече, передпліччя і кисть. Кожна з ланок позначено прямою лінією, довжина якої пропорційна довжині осі даного ланки. Найпростіше рух підняття вантажу на витягнутих руках відбувається так, що внаслідок одночасного напруження м'язів-антагоністів, що виконують протилежні руху в ліктьовому (згиначів-розгиначів) і в променезап'ястковому (згиначів-розгиначів і призводять-відвідних) зчленуваннях, вся рука фіксована у вигляді жорсткого важеля, всі ступені свободи в лучезапястном і ліктьовому суглобах погашені. Погашено також напруга м'язів, що здійснюють приведення плеча (наближення плеча до тулуба), рух відведення плеча. Частина, що залишилася можливість руху верхньої кінцівки - згинання (винос плеча вперед) і розгинання (повернення плеча до тулуба) - в плечовому суглобі використовується для виконання певного руху - підняття і опускання вантажу на витягнутих руках. На малюнку представлено більш складний рух - вільне підняття вантажу, при якому виробляються почергові згинання та розгинання в двох зчленуваннях: одночасне згинання в плечовому і ліктьовому зчленуваннях при піднятті і одночасне розгинання в тих же зчленуваннях при опусканні вантажу. При рубці зубилом, забиття цвяхів робоче застосування одержує не згинання, як в попередніх прикладах, а розгинання, причому під час удару відбувається одночасне розгинання в плечовому і ліктьовому зчленуваннях. При пиляльних рухах, що застосовуються при сопілці дров, обпилюванню металу, пранні, відбуваються одночасне згинання в плечовому зчленуванні і розгинання в ліктьовому зчленуванні.

Мал. 11. Типи робочих рухів:
а - підняття вантажу на витягнутих руках, б - вільний підняття вантажу, в - підняття вантажу з укладанням на підставку, г - рубка зубилом (пунктир - вісь молотка) і т. п. д - обпилювання, пилка дров і т. п.

Чим визначається сувора послідовність, в часі і відповідність швидкостей і зусиль при виконанні робочих рухів? Закономірний розвиток в часі м'язового напруги навколо кожного зчленування руки забезпечується нервовими імпульсами, які надходять до м'язів по нервах у вигляді серій (пачок) слабких електричних розрядів (біострумів), які прямують з різною частотою (від 30 до 150 розрядів в секунду). Ці потоки нервових імпульсів підсилюють або послаблюють порушені м'язи відповідно силі і частоті біострумів.
Таким чином, кожний рух надається визначеність рухомим, змінним розподілом м'язових зусиль, в свою чергу обумовленим різними поєднаннями станів збудження клітин в нервовій системі. Послідовність, з якою чергуються стану збудження різних м'язів при виконанні конкретного руху, закріплюється в порядку формування системи умовних рефлексів - рухового динамічного стереотипу. Елементами цього стереотипу є окремі м'язові скорочення, в цілому викликають складні рухи частин тіла. Кожна серія нервових імпульсів при виконанні конкретного руху отримує условнорефлекторное підкріплення в результаті різноманітних подразнень (зорових, слухових, дотикових і ін.), Що сигналізують правильне (т. Е. Що досягає поставлених цілей) виконання заданого руху.

* Ступінь свободи - напрямки, в яких може здійснювати рух дане тіло.