Настольная книга остеопата. Основы биомеханики движения тела - [28]
2.8.3. Механическое преимущество и его компромиссы
Механическое преимущество. Механическое преимущество (МПР) есть мера эффективности рычага (относительная эффективность силы действия (усилия) по сравнению с силой противодействия (сопротивления)). МПР связано с классификацией рычага и может использоваться для развития союзами релевантности концепции родов рычага. МПР — это отношение плеча усилия к плечу сопротивления, или:
МПР = ПУ и ПС.
Когда плечо усилия (ПУ) больше, чем плечо сопротивления (ПС), МПР > 1, то величина силы действия может быть даже меньше, чем силы противодействия, тем не менее она «победит» (вызовет движение в направлении тяги). Вспомним, что вращающий момент силы действия всегда по определению больше, чем вращающий момент силы противодействия, или:
(УП)(ПУ) > (R)(ПС)
Когда ПУ больше, чем ПС (как в случае, если МПР > 1), то УП может быть меньше, чем R и все же создаст больший момент. Чем больше отношение ПУ/ПУ, тем меньшей может быть УП по сравнению с R, и все же она будет «выигрывать». Преимущество рычага с МПР большим, чем 1, попросту говорит о том, что сила действия может преодолеть сопротивление, расходуя на это гораздо меньше усилий, чем тратится на сопротивление.
В примере, показанном на рис. 2.39, УПУ была представлена вектором СТСШ, действующим на расстоянии 11,7 см от оси. R представляла собой силу бицепса, действующую на расстоянии 2,5 см от оси. Таким образом:
МПР = 29,6 см ÷ 2,5 см ~= 12 см.
Сегмент «предплечье/кисть», рычаг второго рода, был эффективен, потому что ему требовалось только 6,8 кг силы СТСШ для преодоления 54 кг силы, развиваемой двуглавой мышцей плеча. Рычаг второго рода (ПУ и ПС) эффективен всегда, иначе говоря, его МПР всегда больше 1, хотя величина МПР может изменяться в зависимости от рычага и сил, на него действующих. Здесь следует отметить, что МПР определяется длинами плеч рычага, но не величиной усилия и сопротивления. Хотя в рычаге второго рода сила действия может быть меньше силы противодействия, она не обязательно должна быть таковой. Так, если бы СТСШ на рис. 2.39 имела бы величину в 68 кг, а ОСм оставалась бы равной 54 кг, СТСШ все равно создавала бы больший момент (еще как больший!) и по-прежнему оставалась бы силой действия. Механическое же преимущество рычага было бы по-прежнему равно 11,7.
В рычагах третьего рода ПУ всегда меньше, чем ПС, поскольку сила действия работает ближе к оси, чем сила противодействия. МПР рычага третьего рода, таким образом, всегда будет меньше 1. Рычаг третьего рода неэффективен в том плане, что усилие, требуемое для придания ему движения, должно быть больше, чем сопротивление. Для того чтобы создать момент больший, чем сила противодействия, сила действия должна быть большей, потому что она работает через меньшее плечо:
• во всех рычагах второго рода МПР рычага всегда больше 1. Величина силы действия может быть (хоть это и не обязательно) меньше, чем сопротивление;
• во всех рычагах третьего рода МПР рычага всегда меньше 1. Величина усилия должна быть больше сопротивления, чтобы сила действия создавала больший момент;
• для рычагов первого рода правил в отношении МПР нет. ПУ может быть больше, меньше, или равно ПС. Это зависит от уровня.
Компромиссы механического преимущества. Уже говорилось, что большинство мышц человеческого тела действует как части рычагов третьего рода, сокращаясь концентрически, при свободном дистальном рычаге. Иными словами, может показаться, что структура человеческого тела неэффективна. Фактически мышцы тела построены так, чтобы брать на себя груз «механического неудобства» и решать задачу движения рычага в пространстве.
На рис. 2.40,а показано сгибание сегмента «предплечье/кисть» (ротация против часовой стрелки) за счет концентрически сокращающейся мышцы (ОСм), преодолевающей сопротивление силы тяжести (СТ).
Рис. 2.40.В механически неэффективном рычаге третьего рода движение точки приложения УП (ОСм) по малой дуге создает большую дугу движения рычага на дистальном конце (а). В механически эффективном рычаге второго рода движение точки приложения УП (СТ) по малой дуге вызывает небольшое увеличение дуги на дистальном конце (b)
Это рычаг третьего рода, поскольку усилие прилагается ближе к оси, чем сопротивление. Уже демонстрировалось, что для того чтобы произвести сгибание сегмента «предплечье/кисть», величина ОСм должна быть существенно большей, чем СТ. Система и в самом деле неэффективна. Однако когда ОСм тянет за место прикрепления (на проксимальной части рычага «предплечье/кисть») по очень маленькой дуге, дистальная часть рычага перемещается по гораздо большей дуге. Хотя сила мышцы, необходимая для движения, была большой, по сравнению с сопротивлением, она вызвала значительное угловое смещение и большую угловую скорость дистальной части сегмента. Там, где задачей человеческой функции является максимальное угловое смещение дистального сегмента в пространстве (за счет расхода энергии), использование рычага третьего рода эту задачу успешно решает. Фактически чем короче плечо рычага усилия (чем меньше механическое преимущество), тем больше угловое смещение и угловая скорость дистального конца рычага для данной дуги смещения за счет силы действия.
