Скелет человека и законы механики
Движение играет огромную роль в жизни всех живых существ, В том числе
и человека. Активные перемещения в пространство является основным отличием
животных от растений. Движение служит одной из главных приспособительных
реакций животного к окружающей среде, оно осуществляется двигательным
аппаратом.
Двигательный аппарат человека состоит из костей, соединений между
ними и мышц. Движения происходят в местах соединения костей. Мышечная
ткань, основным свойством которой является способность сокращатся,
приводит в движение костные рычаги. Кости и их соединения относятся к
пассивной части двигательного аппарата, а мышцы – к его активной части.
Опорные системы, как правило, обеспечивают характерню форму тела, а она в
свою очередь обусловлена определенными потребностями организма.
Основные функции скелета человека.
ОПОРА. Скелет служит жестким устойчивым к сжатию каркасом тела. Он
помогает телу сохранять определенную форму. У людей скелет обеспечивает
опору для всей массы тела, противодействуя силе тяжести и приподнимает тело
над землей. Это облегчает человеку передвижение по суше. Внутренние органы
оказываются прикрепленными к скелету.
ЗАЩИТА. У человека, например, черепная коробка обеспечивает защиту
головного мозга и органов чувств (зрения, обоняния равновесия и слуха),
позвоночник – защиту спинного мозга, а ребра и грудина – защиту сердца,
легких и крупных кровеносных сосудов.
ДВИЖЕНИЕ. Скелет, построенный из жесткого материала, служит местом
прикрепления мышц. При сокращении мышц части скелета работают как рычаги, и
это приводит к различным движениям.
Основные виды соединения костей.
НЕПРЕРЫВНЫЕ – фиброзные соединения, когда кости связаны одна с другой
с помощью прокладки между ними из оформленной плотной соединительной ткани,
хряща или кости.
ПРЕРЫВНЫЕ – синовиальные соединения – суставы, когда между
сочленяющимися костями находятся суставная полость, а кости удерживаютя
одна около другой с помощью замкнутой суставной капсулы и подкрепляющих ее
связок и мышц.
Если в образовании сустава участвуют две кости – это простой сустав.
Сустав, образованный тремя или несколькими костями, называют сложным.
Суставные поверхности костей по форме можно сравнить с отрезками
различных геометрических тел вращения. В соответствии с этим суставы
подразделяются на: шаровидные, эллипсовидные, циллиндрические, блоковидные,
седловидные и плоские. Форма суставной поверхностей определяет объем и
направление движений, которые совершаютя вокруг трех взаимоперпендикулярных
осей.
Суставы, соединяя части тела человека в одно целое, в то же время
позволяют осуществлять движения этих частей в значительном объеме. Для
характеристики движений частей тела и их перемещения в пространстве
применяется понятие степеней свободы тела. Свободно перемещаюшееся в
пространстве тело имеет шесть степеней свободы, а у закрепленного в одной
точке тела остаются три степени. Тело, закрепленное в трех точках, не
подвижно.
Кости скелета, соединенные суставами, образуют кинематические цепи.
Если кинематические цепи заканчиваются свободно, они называются открытыми.
Примером открытой кинематической цепи может служить любая конечность. Если
же кинематическая цепь замыкается, т.е. последний ее элемент замыкается с
первым, она превращается в замкнутую. Замкнутая кинематическая цепь
представлена в соединении ребер с позвоночником и грудиной.
Подвижность кинематических цепей обеспечивается работой мышц. Мышцы,
действуя на кости, вращают их вокруг осей суставов. Такая система
представляет собой особый рычаг. Примером рычага может служить работа мышц
при удержании головы или тела в тазобедренном суставе. Другим примером
рычага является удержание груза в руке, согнутой в локтевом суставе. Для
равновесия рычага необходимо, чтобы действующие на него моменты сил были
раны по величине и противоположны по знаку. Моментом силы называется
произведение силы на его плечо. Чем длиннее одно плечо рычага, тем меньшую
силу надо приложить для сохранения равновесия в этом рычаге. Иначе говоря,
по “золотому правилу” механики, если на одном плече рычага есть выигрыш в
силе, то на другом – проигрыш в расстоянии. В двигательном аппарате
человека мышцы проигрывают в силе, но выигрывают в расстоянии. Это создает
значительные нагрузки на костно-мышечный аппарат, которые могут в несколько
раз превышать перемещаемый или поднимаемый груз. При различных движениях и
положениях туловища возникают нагрузки на растяжение и кручение.
Возможность обеспечения нормальной работы опорно-двигательного аппарата
обеспечивается механическими свойствами тканей. При испытании костной ткани
на сжатие и растяжение установлено, что компактное вещество кости в пять
раз прочнее железобетона и при растяжении выдерживает такое же придельное
напряжение, как латунь.
Создаваемая работой мышц силы передаются на кости по средством
сухожилий, которые облаладают значительной прочностью главным образом на
разрыв. Так ахиллова сухожилие взрослого человека выдерживает нагрузку от
270 – 500 кг.
Большое значение имеют биомеханические исследования для
профилактики деформаций опорно-двигательного аппарата. Изучение
распределения нагрузок по стопе позволяет создать рациональную норму.
Биомеханические обоснования конструкции мебели формирует правильную осанку.
Специальные стулья, предназначенные для работников сидячих профессий,
позволяют уменьшить нагрузку на межпозвоночные диски почти в 2 раза.
Существует раздел биологии, рассматривающий биологический объекты в
свете законов механики – биомеханика.