Степени свободы и связи движений

Лекция 4

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Движения человека в значительной мере зависят от того, каково строение его тела, и каковы его свойства. Чрезвычайная сложность строения и многообразие свойств тела человека, с одной стороны, делают очень сложными сами движения и управление ими. Но, с другой стороны, они обусловливают необычайное богатство, разно­образие движений, до сих пор недоступное в целом ни одной самой совершенной машине.

Биомеханика изучает в теле человека, в его опорно-двигательном аппарате, преимущественно те особенности строения и функций, которые имеют значение для совершенства движений. Отвлекаясь от деталей анатомического строения и физиологических механизмов дви­гательного аппарата, рассматривают упрощенную модель тела чело­века — биомеханическую систему. Она обладает основными свойст­вами, существенными для выполнения двигательной функции, но не включает в себя множество частных деталей.

Таким образом, биомеханическая система — это упрощенная ко­пия, модель тела человека, на которой можно изучать закономер­ности движений.

Биомеханическая система тела человека состоит из биомехани­ческих цепей. Множество частей тела, соединенных подвижно, образует биокинематические цепи¹ . К ним приложены силы (нагрузки), ко­торые вызывают деформации звеньев тела и изменение их движений.

БИОКИНЕМАТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

В технических механизмах и построенных из них машинах² воз­можности движений их деталей обычно полностью зависят от способов их соединений. В живых механизмах способы соединения частей тела в биокинематические цепи не полностью определяют возможности движений, например направление и размах. Участие мышц в управ­лении движениями делает соединения звеньев способными на множес­тво вариантов движений. Мышцы определяют движения костных рычагов, передающих движение и усилия, и маятников, сохраняющих начавшееся движение.

Соединения звеньев тела

Соединенные два соседних звена тела образуют пару, а пары, в свою очередь, соединены в цепи.

Биокинематические пары и цепи

Биокинематическая пара — это подвижное (кинематическое) соеди­нение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц.

В технических механизмах соединения двух звеньев — кинематиче­ские пары — устроены обычно так, что возможны лишь вполне опре­деленные, заранее заданные движения. Одни возможности не огра-

1. Кинематические пары и цепи — понятия, заимствованные из теории механизмов
и машин. В живых организмах их правильно называть биокинематическими.

2. Механизм — соединение тел, преобразующих и передающих одно другому опреде-­
ленные движения. Машина — комплекс механизмов для заданного преобразования энер­-
гии в работу или наоборот.

ничены (их характеризуют степени свободы движения), другие полностью ограничены (их характеризуют степени связи).

Различают связи: а) геометрические (постоянные препятствия пере­мещению в каком-либо направлении, например костное ограничение в суставе) и б) кинематические (ограничение скорости, например мыш­цей-антагонистом).

В биокинематических парах имеются постоянные степени связи, которые определяют собой сколько как максимум и каких остается степеней свободы движения. Почти все биокинематические пары в основном вращательные (шарнирные); немногие допускают чисто поступательное скольжение звеньев относительно друг друга и лишь одна пара (голеностопный сустав) — винтовое движение.

Биокинематическая цепь — это последовательное либо незамкну­тое (разветвленное), либо замкнутое соединение ряда биокинемати­ческих пар (рис. 10, а).

¹ Связью называют ограничение движений тела, не зависящее от положений и ско­ростей.

В незамкнутых цепях имеется свободное (конечное) звено, входящее лишь в одну пару. В замкнутых цепях нет свободного конечного звена, каждое звено входит в две пары.

В незамкнутой цепи, следовательно, возможны изоли­рованные движения в каждом отдельно взятом суставе. В двигатель­ных действиях движения в незамкнутых цепях происходят обычно одновременно во многих суставах, но возможность изолированного движения не исключена.

Взамкнутой цепи изолированные движения в одном су­ставе невозможны: в движение неизбежно одновременно вовлекаются и другие соединения (рис. 10, б).

Значительная часть незамкнутых биокинематических цепей осна­щена многосуставцыми мышцами. Поэтому движения в одних су­ставах через такие мышцы бывают связаны с движениями в соседних суставах. Однако при точном управлении движениями во многих случаях эту взаимную связь можно преодолеть, «выключить». В замкнутых же цепях связь непреодолима и действия мышц обяза­тельно передаются на отдаленные суставы.

Незамкнутая цепь может стать замкнутой, если конечное свободное звено получит связь (опора, захват) с другим звеном цепи (непосред­ственно или через какое-либо тело).

Степени свободы и связи движений

Если у физического тела нет никаких ограничений (связей), оно может двигаться в пространстве во всех трех измерениях, т. е. относительно трех взаимно перпендикулярных осей (поступательно), а также вокруг них (вращательно). Следовательно, у такого тела шесть степеней свободы движения (рис. 10, в).

Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Зафиксировав одну точку свободного тела, сделав его звеном пары, сразу лишают его трех степеней свободы — возможных линейных перемеще­ний вдоль трех основных осей координат. Примером может служить шаровидный сустав — тазобедренный, в котором три степени свободы из "шести (возможно вращение относительно трех осей) (рис. 10, г). Закрепление двух точек звена говорит о наличии оси, проходящей через эти точки. В таком случае остается одна степень свободы. Пример подобного ограничения — одноосный сустав, например межфаланговый (рис. 10, д). Закрепление третьей точки, не лежащей на этой оси, полностью лишает звено свободы движений (рис. 10, е). Такое соеди­нение к суставам не относится. В анатомии выделяют также двуосные суставы; они имеют вторую степень свободы вследствие неконгру­энтности (неполного соответствия по форме) суставных поверхностей (суставы лучезапястный и пястнофаланговый 1-го пальца).

Почти во всех суставах (кроме межфаланговых, лучелоктевых и атлантоосевого) степеней свободы больше, чем одна. Поэтому ус­тройство пассивного аппарата в них обусловливает неопределенность движений, множество возможностей движений («неполносвяз­ный механизм»). Управляющие воздействия мышц вызывают дополнительные связи и оставляют для движения только одну степень свободы («полносвязный механизм»). Так обеспечивается одна-единственная возможность движений — именно та, которая требуется.

Каждая биомеханическая пара многоосного сустава заключает в себе возможности многих механизмов (А. А. Ухтомский). Из множес­тва возможностей при помощи управляющих воздействий мышц выделяют заданное управляемое движение. Биокинематические соеди­нения богаче возможностями, чем кинематические соединения в тех­нических механизмах, но управление ими сложнее.

Следовательно, множество степеней свободы кинематической пары в многоосных суставах требует для выполнения каждого определенного движения: а) выбора необходимой траектории, б) управления движе­нием по траектории (направлением и величиной скорости) и в) регу­ляции движения, понимаемой как борьба с помехами, сбивающими с траектории.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: