Звенья и части тела как рычаги

В процессе двигательных действий мышцы производят тягу, а кости при этом несут функцию рычагов. Представления об элементарных закономерностях мышечных движений дают принципы рычагов. Напомним, что под рычагом понимается стержень, который может вращаться вокруг точки опоры и служит для уравновешивания большей силы при помощи меньшей. Классическим примером применения принципов рычагов является перемещение огромных тяжестей в процессе возведения монументальных строений древности. В механике различают три типа рычагов.

Рычаг первого рода (рис. 7, А) отражает тот случай, когда точка опоры находится посередине между точкой приложения силы и точкой сопротивления.

Такой тип рычага называют рычагом равновесия, так как он встречается и действует в теле там, где важно сохранить равновесие. Например, рычагом первого рода является соединение черепа с атлантом (атланто-затылочное сочленение).

Рычаг второго рода (рис. 7, Б) характеризуется ситуацией, когда точка опоры находится на одном конце, точка приложения силы мышц - на другом, а точка сопротивления располагается между ними. Этот тип называется рычагом силы. Он позволяет развивать большие усилия, поднимать и перемещать большие тяжести при относительно небольшой трате мышечной силы. Стопа во время подъема на пальцы является примером рычага второго рода.

Рычаг третьего рода (рис. 7, В) - это тот случай, когда точка опоры располагается па одном из концов рычага, точка приложения внешней силы - на другом, а точка приложения силы мышц - между ними. Такие рычаги называются рычагами скорости, так как позволяют осуществлять быстрое перемещение. К примеру, в локтевом сочленении костей плеча и предплечья, где точка опоры располагается в самом суставе, в месте прикрепления двуглавой мышцы плеча

Рис. 7. Функциональная характеристика костных рычагов.

А - голова как рычаг первого рода: а - атланто-затылочное сочленение, совпадающее с точкой опоры; б - г - направление силы тяжести головы; е - д - направление силы мышечной тяги; а - в - плечо рычага силы тяжести; а - ж - плечо рычага силы мышечной тяги.

Б - стопа как рычаг второго рода: а - точка опоры; б - в - направление силы тяжести; д - г - направление силы мышечной тяги; а - е - плечо рычага силы мышечной тяги; ж - е - плечо рычага силы тяжести.

В - предплечье как рычаг третьего рода: а - б - направление силы мышц, сгибающих предплечье; в - г - направление силы тяжести; д - е - плечо рычага силы мышечной тяги; ж - е - плечо рычага силы тяжести

Рис. 8. Определение положения О ЦТ тела по принципу рычагов первого и второго рода.

А - по правилу рычага первого рода. Прерывистая линия показывает плоскость ОЦТ тела; нижняя горизонтальная линия - длина тела человека в положении лежа; две выше расположенные линии - расстояние от подошвенной поверхности стопы и от верхней точки до ОЦТ тела.

Б - по правилу рычага второго рода. © - положение ОЦТ тела; X - расстояние от подошвенной поверхности стопы до ОЦТ тела; L - длина тела испытуемого; в - показатель веса тела на десятичных весах находится точка приложения силы, а точка сопротивления может находиться на кисти. В рычаге третьего рода плечо сопротивления длиннее плеча приложения силы мышц. Поэтому в практической двигательной деятельности приходится прикладывать большую силу для преодоления сравнительно небольшого сопротивления. Это случай явного проигрыша в силе, но выигрыша в скорости и размахе двигательных действий. Принципы рычагов первого и второго рода позволяют определять расположение О ЦТ тела (рис. 8).

Сущность рычажного устройства применительно к двигательному аппарату человека дает возможность выполнять сильные удары, дальние метания, толкания, эффективные гребковые движения. При этом мы выигрываем в скорости и мощности движений за счет увеличения мышечного сокращения. Своеобразный обмен силы на скорость по принципу рычага тем более заметен, чем больше по значению соотношение плеч рычага. Классическим спортивным примером этого является механизм гребли. При гребковом движении все точки весла как единого целого движутся посредством рук гребца вокруг оси с одинаковой угловой скоростью. 11о при этом линейные скорости разных точек весла разные и зависят от положения каждой из них относительно оси вращения, то есть от величины радиуса вращения определенной точки весла. Понятно, что скорость точки повышается в том случае, если больше радиус ее вращения. Таким образом, цель увеличения скорости достигается увеличением радиуса вращения. 11о вспомним особенности ощущений гребковых движений веслом - насколько мы увеличиваем радиус вращения точек весла, его центра масс, настолько приходится увеличивать силу для достижения цели двигательного действия. По этой причине длинным веслом труднее грести, чем коротким. Этот же рычажный принцип применялся в древности в военном деле при метании камней в противника.