Элементы статики и динамики тела человека
Вертикальное положение тела человека в пространстве, перемещение его по поверхности, различные виды движений (ходьба, бег, прыжки) сложились в процессе длительной эволюции вместе со становлением человека как вида. В процессе антропогенеза, в связи с переходом предков человека к наземным условиям существования, а затем и к перемещению на двух нижних конечностях (задних) весь организм, отдельные его части, органы, включая и опорно-двигательный аппарат, претерпели чрезвычайно сложные изменения.
Прямохождение — первооснова главных приспособительных изменений антропогенеза — освободило верхнюю конечность от опорно-двигательной функции. Верхняя конечность превратилась в орган труда — руку, она могла совершенствоваться в дальнейшем в ловкости движений. Рука, таким образом, является не только органом труда, она также и продукт его. Эти изменения как результат качественно новой функции отразились на строении всех составных частей пояса и свободной части верхней конечности. Плечевой пояс служит не только опорой свободной верхней конечности. Он также значительно увеличивает ее подвижность. Благодаря тому, что лопатка соединяется со скелетом туловища главным образом при помощи мышц, она приобретает большую свободу движений. Лопатка участвует во всех движениях, которые совершает ключица. Кроме того, лопатка может свободно перемещаться независимо от ключицы. В многоосном шаровидном плечевом суставе, который почти со всех сторон окружен мышцами, анатомические особенности строения позволяют производить движения по большим дугам во всех плоскостях. Особенно заметно отразилась специализация функции на строении кисти. Благодаря развитию длинных, очень подвижных пальцев, в первую очередь большого пальца, который противопоставляется остальным, кисть превратилась в сложный орган, выполняющий тонкие, дифференцированные действия.
Нижняя конечность, приняв на себя всю тяжесть тела, приспособилась исключительно к опорно-двигательной деятельности. Вертикальное положение тела в пространстве, Прямохождение отразились на строении и функциях и пояса (таза), и свободной части нижней конечности. Пояс нижней конечности (тазовый пояс) как прочная арочная конструкция, приспособился к передаче тяжести туловища, головы, верхних конечностей на головки бедренных костей. Установившийся в процессе антропогенеза наклон таза в 45-65° способствует перенесению на свободные нижние конечности тяжести тела в наиболее благоприятных для вертикального положения тела биомеханических условиях. Стопа приобрела сводчатое строение, что увеличило ее прочность противостоять тяжести тела и выполнять роль гибкого рычага в перемещении тела. Сильно развилась мускулатура нижней конечности, которая приспособилась к выполнению статических и динамических нагрузок. По сравнению с верхней конечностью мышцы нижней конечности имеют большую массу, в них значительно больше плотной соединительной ткани.
Важным механическим моментом является то, что на нижней конечности мышцы имеют обширные поверхности опоры и приложения силы, прикрепляются сравнительно далеко от точки опоры рычага, на который действуют, но ближе к точке сопротивления. Неодинаковы также отношения групп мышц друг к другу на верхней и нижней конечностях: масса разгибателей нижней конечности относится к массе сгибателей как 3:1, а на верхней конечности это отношение выражается как 1:1,042. На нижней конечности больше развиты разгибатели, чем сгибатели. Это связано с тем, что разгибатели играют большую роль в удержании тела в вертикальном положении и при передвижении в пространстве (ходьба, бег).
На руке сгибатели плеча, предплечья и кисти сосредоточены на передней стороне, поскольку работа, производимая руками, совершается впереди туловища. Хватательные движения производятся кистью также с участием сгибателей. Сравнение поворачивающих мышц (пронаторы, супинаторы) верхней и нижней конечностей, их отношение к остальным мышцам данной конечности также свидетельствуют о том, что на верхней конечности они развиты намного больше, чем на нижней. Масса пронаторов и супинаторов руки относится к остальным мышцам верхней конечности как 1:4,8. На нижней конечности отношение массы поворачивающих мышц к остальным 1:29,3.
Фасции, апоневрозы на нижней конечности в связи с большим проявлением силы при статических и динамических нагрузках развиты значительно больше, чем на верхней конечности. На нижней конечности имеются дополнительные механизмы, которые способствуют удержанию тела в вертикальном положении и обеспечивают передвижение его в пространстве. Наряду с тем что пояс нижней конечности почти неподвижно соединен с крестцом и представляет естественную опору туловища, тенденции таза опрокинуться кзади на головках бедренных костей препятствует сильно развитая подвздошно-бедренная связка тазобедренного сустава. В разогнутом коленном суставе в поперечном направлении образуется ломаная линия вследствие изменения формы латерального и медиального менисков.
На уровне голеностопного сустава при стоянии увеличивается площадь соприкосновения между суставными поверхностями костей голени и таранной кости, так как медиальная и латеральная лодыжки охватывают передний, более широкий отдел блока таранной кости. Фронтальные оси голеностопных суставов устанавливаются друг к другу под углом, открытым кзади. Вместе с тем вертикаль тяжести тела обходит голеностопный сустав спереди, приводя как бы к ущемлению переднего, более широкого отрезка блока таранной кости между медиальной и латеральной лодыжками. Суставы верхней конечности (плечевой, локтевой, лучезапястный) таких тормозных механизмов не имеют. Глубоким изменениям в процессе антропогенеза подверглись кости, мышцы туловища, особенно осевого скелета позвоночного столба, который является опорой для головы, верхних конечностей, органов грудной и брюшной полостей. В связи с прямохождением образовались изгибы позвоночника, развилась мощная дорсальная мускулатура. Кроме того, позвоночник практически неподвижно соединен в парном прочном крестцово-подвздошном сочленении с поясом нижних конечностей (с тазовым поясом), который в биомеханическом отношении служит распределителем тяжести туловища на головки бедренных костей. Наряду с изложенными анатомическими факторами — особенностями строения нижней конечности, туловища, выработанными в процессе антропогенеза для поддержания тела в вертикальном положении, обеспечения устойчивого равновесия и динамики, особое внимание должно быть уделено положению центра тяжести тела.
В живом организме положение центра тяжести изменяется в зависимости от перемещения подвижных его частей (движения конечностей, изменение положения головы, наклоны туловища, перемещение внутренних органов и др.).
Центр тяжести тела человека находится на уровне II крестцового позвонка; отвесная линия центра тяжести проходит на 5 см позади поперечной оси тазобедренных суставов (приблизительно на 2,6 см кзади от большого вертела) и на 3 см впереди от поперечной оси голеностопного сустава. Центр тяжести головы располагается немного кпереди от поперечной оси атлантозатылочного сустава. Общий центр тяжести головы и туловища находится на уровне середины переднего края Х грудного позвонка.
С целью сохранения устойчивого равновесия тела человека на плоскости необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из центра тяжести, падал на площадь, занимаемую обеими ступнями. Тело стоит тем прочнее, чем шире площадь опоры и чем ниже расположен центр тяжести. Поэтому для всех случаев вертикального положения тела человека сохранение равновесия является главной задачей, так как в противном случае должно последовать падение. Однако, напрягая соответствующие мыщцы, мы можем удержать тело в различных положениях (в известных пределах) даже тогда, когда проекция центра тяжести выведена за пределы площади опоры (сильный наклон туловища вперед, в стороны и т.д.). Вместе с тем стояние и передвижение человеческого тела нельзя считать устойчивым, при относительно длинных ногах человек имеет сравнительно небольшую площадь опоры. Поскольку центр тяжести тела человека расположен относительно высоко (на уровне II крестцового позвонка), а опорная площадь (площадь двух подошв и пространства между ними) незначительна, устойчивость тела очень невелика. Поэтому удержание тела в состоянии равновесия силой мышечных сокращений предотвращает его падение, и части тела (голова, туловище, конечности) удерживаются в надлежащем соотношении для каждого положения тела. Например, если при стоянии будет нарушено соотношение частей тела (вытягивание вперед рук, сгибание позвоночника и т.д.), то соответственно изменяются положение и равновесие других частей тела. Статистические и динамические моменты действия мускулатуры находятся в прямой связи с состоянием положения центра тяжести тела. Поскольку центр тяжести всего тела располагается на уровне II крестцового позвонка позади поперечной линии, соединяющей центры тазобедренных суставов, тенденции туловища (вместе с тазом.) опрокинуться назад противостоят сильно развитые мышцы и связки, укрепляющие тазобедренные суставы. Так обеспечивается равновесие всей верхней части тела, покоящейся на ногах в вертикальном положении.
Тенденция тела упасть вперед при стоянии связана также с прохождением вертикали центра тяжести впереди (на 3-4 см) от поперечной оси голеностопных суставов. Падению противостоят действия мышц задней поверхности голени. Если отвесная линия центра тяжести переместится еще дальше кпереди к пальцам, то сокращением задних мышц голени пятка приподнимается, отрывается от плоскости опоры и тогда отвесная линия центра тяжести перемещается вперед и опорой служат пальцы стопы:
Кроме опорной, нижние конечности выполняют локомоторную функцию, перемещая тело в пространстве. Например, при ходьбе тело человека совершает поступательное движение, попеременно опираясь то на одну, то на другую ногу; последние поочередно совершают маятникообразные движения. При ходьбе одна из нижних конечностей в определенный момент является опорной (задняя), другая-свободной (передняя). При каждом новом шаге свободная нога становится опорной, а опорная выносится вперед и делается свободной.
Сокращения мышц нижней конечности при ходьбе заметно усиливают изогнутость подошвы стопы, увеличивают кривизну ее поперечного и продольного сводов. В этот же момент туловище несколько наклоняется вперед вместе с тазом на головках бедренных костей. Если первый шаг начат правой ногой, то правая пятка, затем середина подошвы и пальцы поднимаются над плоскостью опоры, правая нога сгибается в тазобедренном и коленном суставах и выносится вперед. Одновременно тазобедренный сустав этой стороны и туловище следуют вперед за свободной ногой. Эта (правая) нога энергичным сокращением четырехглавой мышцы бедра выпрямляется в коленном суставе, касается поверхности опоры и становится опорной. В этот момент другая (левая) нога (до начала момента задняя, или опорная) отрывается от плоскости опоры, выносится вперед, становясь передней, свободной ногой. Правая нога в это время остается позади в качестве опорной. Вместе с нижней конечностью передвигается и тело вперед и несколько вверх. Так обе конечности поочередно проделывают одни и те же движения в строго определенной последовательности, подпирая тело то с одной стороны, то с другой и толкая его вперед. Однако во время ходьбы не бывает момента, чтобы обе ноги были одновременно оторваны от поверхности земли (плоскости опоры). Передняя (свободная) конечность успевает всегда коснуться плоскости опоры пяткой раньше, чем задняя (опорная) нога полностью отделится от нее. Этим ходьба отличается от бега и прыжков. Вместе с тем при ходьбе существует момент, когда обе ноги одновременно касаются земли, причем опорная всей подошвой, а свободная пальцами, перед тем как последние отделятся от земли. Чем быстрее ходьба, тем короче момент одновременного прикосновения обеих ног к плоскости опоры.
Прослеживая при ходьбе изменения положения центра тяжести, можно отметить движение всего тела вперед, вверх и в стороны в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскостях. Наибольшее смещение вперед происходит в горизонтальной плоскости. Смещение вверх и вниз составляет 3-4 см, а в стороны (боковые качания) — на 1-2 см. Характер и степень этих смещений подвержены значительным колебаниям и зависят от возраста, пола и индивидуальных особенностей. Совокупность этих факторов определяет индивидуальность походки, хотя последняя не есть нечто постоянное, так как может изменяться под влиянием тренировки. В среднем длина обычного спокойного шага 66 см и по времени занимает 0,6 с.
При ускорении ходьбы момент одновременного касания почвы обеими ногами выпадает, шаг переходит в бег. Поэтому бег отличается от ходьбы тем, что при нем имеют место только попеременная опора и касание площади опоры то одной, то другой ногой.
