Настольная книга остеопата. Основы биомеханики движения тела - [29]

В рычагах второго рода в человеческом организме усилие обычно (хоть и не всегда) является внешней силой. Хотя усилие в рычаге второго рода может быть меньше, чем сопротивление, угловое смещение и скорость на дистальном конце сегмента тоже будут меньшими. Малая дуга точки приложения силы действия (СТ) выражается только лишь в небольшом приросте углового смещения дистального сегмента (см. рис. 2.40,b). В любом рычаге второго рода (и в рычаге первого рода, если ПУ больше ПС) рычаг оказывается эффективным в плане силового выхода для создания момента, однако выигрыш в плане углового смещения дистального конца сегмента в пространстве весьма невелик. По сути, большее ПУ (явное механическое преимущество) приводит к меньшему угловому смещению дистального конца для данного усилия:

• когда мышца является источником силы действия, а ПУ меньше ПС, то усилие должно быть довольно значительным, однако, необходимые затраты мышечной силы нивелируются значительным угловым смещением и большой угловой скоростью дистальной части сегмента. Это справедливо (в различной степени) для всех рычагов третьего рода и рычагов первого рода, в которых ПУ больше ПС;

• когда силой действия является внешняя сила, и ПУ больше ПС, то усилие может быть много меньше сопротивления, однако меньшим будет и выигрыш в угловом смещении и скорости. Это справедливо (в различной степени) для всех рычагов второго рода и рычагов первого рода с ПУ большим, чем ПС.

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: