Пояснения:
Предплечье. На рисунке локтевая кость. Окружность в локтевом суставе показывает, что этот сустав блоковидный и нём возможно вращение относительно оси 00. Точки Пр1, Пр2 и Д обозначают места прикрепления мышц на проксимальном и дистальном конце рычага. В вариантах 1) и 2) предплечье рычаг между точками Пр1 и Д, который может вращаться относительно оси 00. Ось вращения для него создаёт рычаг плеча.
Вариант 1). Рычажная конструкция 1-го рода. Внешняя нагрузка (Pm), приложена к точке Д и создаёт момент силы (Pm · Lm), который направлен на сгибание предплечья в локтевом суставе. Этот момент силы уравновешивается моментом силы мышц, так как рычажная конструкции трансформирует силу нагрузки и перемещает её на линию действия силы мышц. Условия равновесия рычажной конструкции момент силы на одном конце рычага равен моменту силы на другом конце рычага (Р1 · L1 = Pm · Lm).
Варианта 2). Рычажная конструкция 2-го рода. Момент силы внешней нагрузки, которая приложена к точке Д, направлен на разгибание предплечья в локтевом суставе. Условия равновесия рычажной конструкции следуют из равенства моментов сил нагрузки и мышц (Pm · Lm = Р2 · L2).
Линии действия сил в обоих рычажных конструкциях параллельны, но в зависимости от рода рычажной конструкции направления силы мышц различны так как положение оси вращения относительно них различное. В рычажной конструкции 1-го рода ось вращения расположена между силами, а в рычажной конструкции 2-го рода сбоку от обеих сил.
Какое-то представление о силах и моментах сил получили. Кроме того установили, что рычажные конструкции бывают первого или второго рода. Этого достаточно чтобы рассмотреть очень важный вопрос об организации движений собственных рычагов. В рис. 8 на предплечье точками показаны места прикрепления мышц. Эти точки определяют начала действия векторов сил, которые создают мышцы. Мышцы могут прикрепляться к ближнему или дальнему концам рычага.
В анатомии принято считать ближний к суставу конец рычага как проксимальный, а дальний как дистальный. По смыслу эти названия характеризуют линейные размеры рычага. Поскольку отсчёт линейных размеров идёт от туловища, то для любого рычага проксимальный конец тот, который ближе к туловищу, а дистальный более дальний. Например, для рычага всей ноги проксимальный конец это суставная головка тазобедренного сустава, а дистальный стопа. Для голени, проксимальный конец суставная впадина большеберцовой кости, дистальный суставная впадина для соединения со стопой. Аналогично для всех остальных рычагов.
Однако, для грамотной организации движений, кроме линейных понятий о проксимальном и дистальном концах рычага, нужны кое-какие смысловые понятия. Это понятия о проксимальном, медиальном и дистальном рычагах действия одного и того же рычага ССЧ. Вид рычага действия определяется по дальности прикрепления мышц к рычагу ССЧ от оси их вращения в суставе. Дистальный рычаг действия будет для мышц, которые имеют самые дальние от сустава точки прикрепления. У них будет самое протяжённое плечо действия. Проксимальный рычаг действия будет для мышц с самыми ближними точками прикрепления к оси вращения, у них самое короткое плечо действия. Для всех остальных мышц, которые действуют между этими точками прикрепления рычаги действия называются средними или медиальными рычагами действия.
Рассмотрим область применения этой информации на примере рычага бедра. Форма бедренной кости отличается от прямолинейной, поэтому некоторые рычажные конструкции с её участием тоже не будут выглядеть прямолинейными.
Приступим, для примера выберем фронтальную плоскость для двух рычажных конструкций и рассмотрим их действия в этой плоскости (рис. 9).
Обозначения на рис. 9:
0-Д рычаг бедра; 0 ось вращения; Пр, Д проксимальные и дистальные концы рычага; линия Пр-Д приведенная длина рычага; точки 1.1, 1.2, 2, 3, 4, 5 места прикрепления мышц; Fн, Fдрд, Fпрд силы нагрузки, дистального рычага действия и проксимального рычага действия; Lн, Lдрд, Lт, Lпрд плечи соответствующих сил.
Пояснения:
Вариант 1). Показан рычаг бедра и точки возможного прикрепления мышц. Точка 5 обозначает место прикрепления мышц дистального рычага действия, точки 1.1 и 1.2 проксимального рычага действия. Линия Пр-Д это фактическая длина бедра, которая определяется расстоянием между точками проксимального и дистального концов рычага и имеет название «приведенная длина рычага бедра».
Вариант 2). Рычажная конструкция создана рычагами таза и бедра. Рычаг таза создаёт ось вращения и обеспечивает её поддержание. Бедро работает как рычаг 2-го рода. К дистальному концу рычага (точка Д) приложена нагрузка Fн, которая стремится к отведению бедра. Для сохранения положения равновесия рычага бедра применяется дистальный рычаг действия. Сила мышц Fдрд приложена в точке 5.
Вариант 3). Сила нагрузки та же, но для её уравновешивания используется проксимальный рычага действия. В этой рычажной конструкции форма рычага угловая. В точке 1.2 прикладывается сила к проксимальному рычагу действия Fпрд. Плечо этой силы равно расстоянию между точками 01.2. Создаётся момент силы Fпрд для уравновешивания момента силы нагрузки Fн.
Сделаем кое-какие выводы:
1. По роду действия рычажные конструкции классифицируются как на 1-го и 2-го рода.
2. По форме они могут быть прямолинейными и угловыми.
3. Рычаги ССЧ могут быть проксимального и дистального действия.
4. При нарушении условий равновесия рычажной конструкции движение рычага пойдёт в направлении большего по величине момента силы.
Если начинается движение рычага, то для описания его перемещения уже нужны кинематические характеристики Вспоминаем, если какой-то предмет вращается, то чем дальше точка расположена от центра вращения, тем её скорость выше. Пока нас не очень интересует, какая это скорость и как она вычисляется, важен принцип действия рычажной конструкции, которая может трансформировать величину перемещения и скорости также, как преобразует (трансформирует) силу.
Переход от условий равновесия рычага к его кинематическим характеристикам описывает Золотое правило механики. Оно гласит, что если при использовании рычага получаем выигрыш в силе, то проигрываем в перемещении, если проигрываем в силе, то выигрываем в перемещении. Можно так, на коротком плече сила больше, на длинном больше пройденное расстояние, на длинном плече сила меньше, на коротком меньше пройденное расстояние.
Немножко перефразируем это правило применительно к скоростям движения. Поскольку разные точки рычага за одно и то же время проходят разные расстояния, то и скорости их различные. И для скорости «Золотое правило механики» будет звучать так, что если при использовании рычага получаем выигрыш в силе, то проигрываем в скорости перемещения, если проигрываем в силе, то выигрываем в скорости перемещении.
Рассмотрим рисунок 9 вариант 2) и сравним величины сил и скоростей в точках 5 и 1.2. Если прикладываем силу к дистальному рычагу действия (точка 5), то эта сила будет меньше, а скорость выше чем у точки 1.2.
Теперь вариант 3) если прикладываем силу к проксимальному рычагу действия (точка 1.2), то эта сила будет больше, а скорость ниже чем у точки 5.
Очевидно, что к меньшему плечу рычага действия вынуждены прикладывать большую силу, а на другом плече рычага получаем большую скорость. В биомеханике такой рычаг называется скоростным. Если приложим силу к большему плечу рычага действия, то получится всё наоборот, и рычаг будет силовым, выигрыш в силе проигрыш в скорости на другом конце рычага. Для проксимального рычага действия эта особенность рычажной конструкции звучит так: «проигрываем в силе выигрываем в скорости». Для дистального рычага действия всё наоборот: «выигрываем в силе проигрываем в скорости».