Ланки тіла як важелі і маятники - питання до екзмену
Кістки як тверді (негнучкі) ланки, з'єднуючись рухомо, утворюють основу біокінематичні ланцюгів. Прикладені сили діють на ланки як на важелі або маятники. У багатьох випадках ланки зберігають рух під дією прикладених сил як маятники.
Кісткові важелі - ланки тіла, рухливо з'єднані в суглобах під дією прикладених сил, - можуть або зберігати своє становище, або змінювати його. Вони служать для передачі руху і роботи на відстань.
Всі сили, прикладені до ланки як важеля, можна об'єднати в дві групи: а) сили або їх складові, що лежать в площині осі важеля (вони не можуть вплинути на рух навколо цієї осі) і б) сили або їх складові, що лежать в площині, перпендикулярній до осі важеля (вони можуть впливати на рух навколо осі в двох протилежних напрямках). Розглядаючи дію сил на важіль, враховують тільки сили, спрямовані по ходу руху (рушійні) і проти нього (гальмують).
Коли групи сил докладено по обидва боки від осі (точки опори) важеля, його називають двуплечим або важелем першого роду (рис. 11, а), а коли по одну сторону - одноплечі, або важелем другого роду (рис. 11,6). Для різних м'язів, прикріплених в різних місцях кісткового ланки, важіль може бути різного роду. Так, щодо своїх згиначів передпліччя (при роботі проти ваги вантажу) являє собою одноплечий важіль; що ж до м'язів-розгиначів (при утриманні вантажу над головою) - двуплечий важіль.
При долають рухах сила м'язів, що скорочуються (їх рівнодіюча тяга) - рушійна сила, при поступаються рухах сила розтягуваних м'язів (їх рівнодіюча тяга) - гальмує. Сили опору спрямовані протилежно дії м'язів.
Кожен важіль має наступні елементи (рис. 11, в): а) точку опори (0), б) точки докладання зусиль, в) плечі важеля (відстані від точки опори до точок прикладання сил - /) і г) плечі сил (відстані від точки опори до ліній дії сил - опущені на них перпендікуляри- d). Мірою дії сили на важіль служить її момент відносно точки опори (твір сили на її плече).
Збереження положення і руху ланки як важеля залежить від співвідношення протилежно діючих моментів сил.
Коли протилежні щодо осі суглоба моменти сил рівні, ланка або зберігає своє становище, або продовжує рух з колишньою швидкістю '(моменти сил врівноважені). Якщо ж один з моментів сил більше іншого, ланка отримує прискорення в напрямку його дії.
Момент рушійних сил, переважаючи над моментом гальмують сил, надає ланці позитивне прискорення (в сторону руху). Момент гальмують сил, якщо він переважає, додає ланці негативне прискорення, викликає гальмування ланки. У реальних рухах моменти цих двох груп сил рідко бувають рівні, і тому руху зазвичай або прискорені (позитивне прискорення, розгін ланки), або уповільнені (негативне прискорення, гальмування ланки).
Для збереження положення ланки в суглобі, природно, необхідно рівність моментів сил.
При всіх рухах кут а між напрямком рівнодіюча групи сил і ланкою змінюється (див. Рис. 11, г, д). Плече важеля (/) - відстань від точки опори важеля до місця прикладання сили - залишається незмінним. Але плече сили (d) змінюється. Змінюється зазвичай і сама сила м'язової тяги. Отже, момент сили тяги м'язів не залишається постійним. Все це створює великі труднощі для керування рухами, але разом з тим обумовлює і широкі можливості зміни руху.
Коли сила прикладена до важеля під кутом, відмінним від прямого, її можна розкласти на тангенціальну складову (дотичну до траєкторії точок важеля - F T) (див. Рис. 11, г, д) і нормальну (перпендикулярну до напрямку руху - F H). Тангенціальна складова впливає на швидкість руху важеля, тому її називають обертає (або явної). Нормальна складова (спрямована уздовж важеля) з точки зору механіки ніякого ефекту на ланка прямо не виробляє. Однак вона притискає суглобові поверхні кісток один до одного і цим зміцнює суглоб; звідси її назва - зміцнює (або прихована).
По суті справи, ланки тіла діють в біокінематичні ланцюга найчастіше як складові важелі, в яких дуже складні умови передачі руху і роботи. У простому важелі робота сили, яка додається в одній його точці, передається на інші точки повністю. Якщо плечі сил нерівні, то прикладена сила передається або з втратою в силі (але з виграшем в дорозі, а отже і в швидкості), або, навпаки, з виграшем в силі, але з втратою в швидкості. У одноплічних важелях напрямок переданої сили змінюється, а в двоплечих - не змінюється. Сила тяги м'язів зазвичай прикладена на більш короткому плечі важеля, і тому плече її сили відносно невелике. Це пов'язано з тим, що в переважній більшості випадків м'язи прикріплюються поблизу суглобів. Коли м'яз розташована уздовж ланки і прикріплюється далеко від суглоба, кут тяги її дуже малий і тому плече сили також дуже мало. У зв'язку з цим сили тяги м'язів, що діють на кісткові важелі, майже завжди дають виграш в швидкості (природно, з програшем в силі).
Розрізняють дві основні причини програшу в силі: прикріплення м'яза поблизу суглоба і тяга м'язи вздовж кістки під гострим або тупим кутом. Можна вказати ще й на третю причину деяких втрат в силі м'язів. При великих навантаженнях напружуються всі м'язи, що оточують суглоб. М'язи-антагоністи, створюючи моменти сил, які спрямовані протилежно один одному, корисної роботи не виробляють, а енергію на напругу витрачають. Але в кінцевому рахунку в цьому є певний сенс, хоча і відбуваються втрати енергії: суглоб під час великих навантажень зміцнюється завдяки напрузі м'язів, які його оточують.
Ланка тіла, продовжує після розгону рух за інерцією, має схожість з фізичним маятником. Маятник в полі сили тяжіння, виведений з рівноваги, спочатку під дією моменту сили тяжіння гойдається вниз, а далі, витрачаючи придбану кінетичну енергію, піднімається по інерції вгору. Період хитань маятника:
де T - момент інерції маятника щодо осі, що проходить через точку підвісу, т - його маса, g - прискорення вільно падаючого тіла, г - радіус ЦМ, т. е. відстань між точкою підвісу і ЦМ. Період хитань визначає власну частоту коливань маятника, і, як видно з формули, як ніби незалежно від їх амплітуди. Однак це не зовсім так; дана формула дійсна тільки для малих коливань (не більше 5-7 °, коли sina приблизно дорівнює куту відхилення а). При більш значних відхиленнях (наприклад, коливаннях ніг в ходьбі, бігу) частота хитань залежимо від їх амплітуди. Більш того, довжина «маятника» при згинанні і розгинанні ноги змінюється, тому нога як маятник постійної власної частоти не має.
Щоб збільшити прискорення, треба збільшити або силу, або плече, або і те й інше або ж зменшити радіус інерції.
Складові маятники (кілька підвішених один до одного маятників) поводяться набагато складніше. Саме тому в кожному кроці моменти м'язових сил потрібно пристосовувати до змінних механічним умовам, щоб забезпечувати відносну сталість кроків.