В условиях действия гравитационного поля ОЦМ совпадает с общим центром тяжести (ОЦТ) и не совпадает в невесомости и водной среде. Общим центром тяжести называется воображаемая точка равнодействующей сил тяжести всех частей тела. Для тела, находящегося в космическом пространстве, где силы гравитационного притяжения отсутствуют, понятие центра тяжести бессмысленно.
В водной и воздушной среде для определения состояния равновесия тела необходимо знать положение центра объема (ЦО) и центра поверхности (ЦП) тела человека.
Центр объема тела – это точка приложения равнодействующей силы гидростатического давления, которая расположена на 2-6 см выше ОЦМ. Поскольку плотность тела неодинаковая, во время глубокого вдоха центр объема смещается вверх к поверхности головного отдела.
Центр поверхности тела – это точка приложения равнодействующей сил действия среды. Положение центра поверхности зависит от позы человека и направления потока среды, При высоких скоростях движения (например, прыжки), когда действует, достаточна большая сила сопротивления среды, от взаимного расположения общего центра масс и центра поверхности зависит сохранение положения равновесия тела человека или спортивного снаряда.
При изменении конфигурации (позы) тела человека изменяется положение центра масс звеньев тела, что обуславливает и изменение положения ОЦМ. Следовательно, положение ОЦМ тела определяется тем, где находится ЦМ отдельных звеньев тела. Для решения практических задач считают, что ЦМ звеньев тела расположены на их продольных осях, соединяющих центры соответствующих суставов (например, плечо, предплечье, бедро и т. д.). Если бы звенья тела были бы однородными по своему составу и плотности, а также имели форму правильных цилиндров, то ЦМ каждого из них находился бы на продольной оси звена и делил это звено на два равных участка. Однако звенья тела человека по своей форме похожи на усеченный конус, проксимальная часть которых тяжелее, поэтому ЦМ звеньев тела находится на продольной оси звена ближе к проксимальному концу. Вследствие этого ЦМ делит звено на две части таким образом, что проксимальная часть меньше половины длины звена, а дистальная часть больше.
Если рассматривать скелет как совокупность отдельных звеньев, соединенных в один организм, то окажется, что все эти звенья при нормальной стойке образуют систему, находящуюся в крайне неустойчивом равновесии. Так, опора туловища представлена шаровыми поверхностями тазобедренного сочленения. Центр масс туловища расположен выше опоры, что при шаровой опоре создает неустойчивое равновесие. То же самое относится и к коленному соединению и к голеностопному. Все эти звенья находятся в состоянии неустойчивого равновесия.
Центр масс тела человека расположен при нормальной стойке как раз на одной вертикали с центром тазобедренного, коленного и голеностопного сочленения ноги на 2 – 2,5 см ниже мыса крестца и на 4 – 5 см выше тазобедренной оси. У мужчин, в среднем, на 1-2 % выше, чем у женщин. В первые годы жизни у ребенка относительная высота общего центра масс значительно выше, чем у взрослых, в среднем на 10 – 15 %. Высокое расположение ОЦМ характерно для детей дошкольников (большая голова, маленькое тельце ребенка), что наряду со слабым развитием мышц туловища и конечностей обуславливает неустойчивое положение тела. К 5-6 годам высота ОЦМ достигает величин, сравниваемых с высотой положения ОЦМ у взрослых людей. В последующие годы, вплоть до старческого возраста, положение центра общего центра масс остается неизменным и, только возрастная инволюция приводит к смещению его положения. У спортсменов со значительной гипертрофией мышц нижних конечностей (штангисты, футболисты, бегуны) положение ОЦМ находится ниже, чем у людей, не занимающихся спортом. Существенное значение на положение
общего центра масс оказывают конституционные особенности. Существуют различные способы определения координат ОЦМ и ЦМ звеньев тела:
1) экспериментальный; 2) аналитический; 3) графический.
Одним из наиболее простых, экспериментальных методов исследования является метод взвешивания человека в избранной позе на специальной платформе, имеющей три точки опоры, одна из которых находится на неподвижном основании, а две другие находятся на весах. По показаниям весов без человека, F1 и F2 указывают величину давления на весы самой платформы. Взвесив человека, вновь определяют показания на весах F3 и F4 . Рассматривая по очереди две линии, соединяющие три точки опоры (равносторонний треугольник с вершиной на неподвижной основе) как оси вращения, можно написать уравнение моментов сил для системы, находящейся в равновесии:
F4 – F2 F3 – F1
Х = ____________ * h; У = _________ * h,
где Х и У – координаты ОЦМ, Р – вес тела, h – высота
равностороннего треугольника.
В другом случае, для определения проекции ОЦМ человека на горизонтальную плоскость, также используют платформу в виде равностороннего треугольника, укрепленной на трех динамометрах, которые установлены на вершинах платформы.
В биомеханике наряду с экспериментальными методами используются и аналитические способы определения координат ОЦМ тела человека в фиксированной позе. Аналитические методы базируются на использовании статистических данных о геометрии масс тела человека, которые могут быть представлены в таблицах. Эти таблицы характеризуют связь веса отдельных сегментов тела человека с его общим весом и связь расстояния от проксимального конца сегмента до его центра масс с общей длиной сегмента. Геометрия масс тела (распределение масс тела) характеризуется такими показателями как: вес (масса) отдельных звеньев тела, положение центров масс отдельных звеньев и всего тела, моменты инерции и т. д. Расчетные методы позволяют повысить точность определения индивидуальных биомеханических параметров тела человека.
Кроме того, данные могут быть представлены в виде регрессионных уравнений, связывающих массы отдельных звеньев тела с антропометрическими признаками (общим весом, длиной тела и т. д.), либо с координатами их ЦМ.
Аналитический способ нахождения координат ЦМ звеньев тела, в основе которого лежит теорема Вариньона, широко применяется при изучении статических положений тела, системы тел и при изучении локомоторных движений:
Сумма моментов составляющих сил относительно оси равна моменту равнодействующей силы относительно той же самой оси.
Чтобы определить ЦМ звеньев тела необходимо рассмотреть моменты сил, создаваемые силами тяжести этих звеньев относительно оси координат. Например, момент силы тяжести плеча относительно оси У будет равен его весу (Рп), умноженному на плечо силы хЦМп
Мп (у) = Рп * хЦМп (1)
Аналогично определяется момент сил, создаваемый весом плеча относительно оси Х:
Мп (х) = Рп * уЦМп (2)
Для предплечья и кисти моменты силы тяжести относительно осей абсцисс и ординат будут следующими:
Мпр(у) = Рпр * хЦМпр
Мпр(х) = Рпр * уЦМпр
Мк(у) = Рк * хЦМк
Мк(х) = Рк * уЦМк
Согласно теореме Вариньона
ХОЦМ (Рп + Рпр + Рк) = хЦМп *Рп + хЦМпр * Рпр + хЦМк * Рк,
хЦМп * Рп + хЦМпр * Рпр + хЦМк * Рк
ХОЦМ = _____________________________________________ (3)
Рп + Рпр + Рк
В данной формуле выражение ХЦМ * Р есть не что иное, как момент силы создаваемый силой тяжести соответствующих звеньев тела, относительно оси ординат (у). Следовательно, выражение (3) можно представить следующим образом:
Мп (у) + Мпр (у) + Мк (у)
Хоцм = _________________________________ (4)
Рп + Рпр + Рк
Аналогичным образом определяется УОЦМ
УОЦМ (Рп + Рпр + Рк) = уЦМп * Рп + уЦМпр * Рпр + уЦМк *Рк,
уЦМп * Рп + уЦМпр * Рпр + уЦМк * Рк
УОЦМ = ____________________________________________
Рп + Рпр + Рк
Мп (х) + Мпр (х) + Мк (х)
УОЦМ = ________________________________ (5)
Рп + Рпр + Рк
Используя формулы 4 и 5 можно определить положение общего центра масс, в нашем случае, руки при выполнении любого двигательного действия.
Уравнение множественной регрессии, с помощью которого можно наиболее точно оценить абсолютное положение ОЦМ у мужчин имеет вид:
У = 11,066 + 0,675 х1 – 0,173 х2 – 0,299 х3, где у – высота Положение ЦМ от подошвенной поверхности стопы (см), х1
– длина тела, х2 – обхват голени, х3 – длина корпуса.
Для вычисления относительного положения ОЦМ было определено уравнение множественной регрессии, в котором аргументами являются отношение массы туловища к массе тела (х1) и отношение среднегрудинного, переднезаднего диаметра к тазобедренному (х2). Уравнение регрессии имеет вид:
Для определения высоты положения общего центра масс у женщин спортсменок используют уравнение множественной регрессии вида:
У = - 4,667 + 0.289 х1 + 0,383 х2 + 0,301 х3.
Это уравнение включает следующие антропометрические показатели: х1 – длина ноги, см; х2 –длина тела в положении лежа, см; х3 – ширина таза, см.
Уравнение множественной регрессии для определения длины тела в положении лежа имеет вид:
У = - 7,445 + 1,059 х (см), где х – длина тела в положении стоя (см).
Между длиной тела в положении стоя и лежа существует разница. и др. (1973), применив методику с наклоном доски, установили, что такая разница составляет 4% от длины тела. Другие исследователи (Page,1974) считают, что изменение высоты ОЦМ при изменении позы (лежа или стоя) не превышает 1%. В положении лежа длина тела человека увеличивается, что обусловлено, как считают исследователи, снижением действия силы тяжести на позвоночный столб, перераспределением жидких сред в организме, смещением положения внутренних органов и снижением натяжения эпидермиса.
При биомеханическом анализе движений допускают, что положения центров масс звеньев конечностей являются постоянными. Такое предположение базируется на том, что перераспределение массы, вызванное перемещением крови и лимфы, а также смещением мышц вдоль продольной оси сегмента являются несущественными. При анализе движений туловища такое допущение нежелательно, так как во многих случаях может привести к значительным ошибкам.
Графический способ определения ЦМ звеньев тела и ОЦМ, при выполнении физических упражнений базируется на использовании таблицы Фишера - Бернштейна, где представлены сведения о положении ЦМ звеньев тела и их относительный вес в процентах (таб.4). Этот метод основан на сложении параллельных сил. Для определения равнодействующей двух параллельных сил соединяют прямой линией точки их приложения. На ней расположена точка приложения суммы двух сил, т. е. общий центр масс этих двух звеньев. Так, например, объединив ЦМ плеча и предплечья, получаем рычаг, на концах которого действуют параллельные силы F1 и F2 . Равнодействующая этих сил F3 , будет равняться:
Умение оставаться в равновесии не прилагая к этому усилий очень важно для эффективной медитации, занятий йогой, цигун и так же для танцев живота. Это первое требование, скоторым, сталкиваются новички в этих видах занятий и одна из причин, по которым трудно сделать первые шаги без инструктора. Вопрос подсказывающий о том что человек своего центра тяжести не знает может выглядеть несколько по разному. В цигун, например, человек спросит как быть расслабленным и при этом выполнять движения стоя, начинающая танцовщица восточных танцев не будет понимать как разделить и координировать движения нижних и верхних частей туловища, а так же в обеих случаях люди будут перенапрягаться и часто терять устойчивость. Движения их будут неуверенными, неуклюжими.
По этому, важно понять как найти свой центр тяжести самому, это требует как мыслительной работы, так и сноровки, но со временем навык переходит на инстинктивный уровень.
Что нужно сделать чтобы не напрягать мышцы и при этом не пользоваться внешними опорами. Ответ очевиден, нужно перенести опору внутрь. Точнее опереться на условную внутреннюю ось. Где эта ось проходит? Понятие центра тяжести условное, но тем не менее применяется в физике. Там ее принято определять как точку приложения равнодействующей сил тяжести. Равнодействующая сила тяжести это совокупность всех сил тяжести с учетом направления их действия.
Сложновато пока? Запаситесь терпением.
То есть, мы ведь ищем точку в своем теле которая позволит нам не падать, не борясь при этом сознательно с земным притяжением. Это значит, что сила тяжести земли должна быть направленна так, чтобы она сходилась с остальными действующими силами где-то в центре нашего тела.
Такое направление сил создает условную ось в самом центре нашего тела, вертикальную поверхности это и есть вертикаль центра тяжести. Та часть тела которой мы упираемся в землю является нашей площадью опоры (мы упираемся в землю ступнями) В месте где эта вертикаль упирается в поверхность на которой мы стоим, то есть упираемся в землю, это точка центра тяжести внутри площади опоры. Если вертикаль сместиться из этого места, мы равновесие потеряем и упадем. Чем больше сама площадь опоры, тем нам легче оставаться близко к ее центру, и потому мы все инстинктивно будем делать широкий шаг стоя на не устойчивой поверхности. То есть площадь опоры это не только сами ступни, но еще и пространство между ними.
Еще важно знать что ширина площади опоры влияет сильнее чем длина. В случае человека, это значит что у нас больше шансов упасть на бок чем назад и уж тем более вперед. По этому при беге нам тяжелее удерживать равновесие, то же самое можно сказать о каблуках. А вот в широкой устойчивой обуви, устоять наоборот легче, даже легче чем совсем уж босяком. Однако упомянутые в начале виды активности предполагают очень мягкую, легкую обувь или ее полное отсутствие. По этому, помогать себе обувью мы не сможем.
Значит, очень важно найти центральную точку вертикальной линии на своей ступне. Обычно она располагается не в центре ступни, как некоторые автоматически предполагают, а ближе к пятке, где то на пол пути от центра ступни, к пятке.
Но это еще не все.
Кроме вертикальной линии центра тяжести есть еще горизонтальная, а так же отдельная для конечностей.
Горизонтальная линия у женщин и мужчин проходит немного по разному.
Впереди у женщин она проходит ниже, а у мужчин выше. У мужчин она проходит где-то на 4-5 пальцев ниже пупка, а у женщин на 10, примерно. Сзади женская линия проходит почти укопчика, а мужская выше него примерно на пять пальцев. Кроме того, для устойчивости в момент медитации важно обратить внимание на отвесную линию центра тяжести колена. Онарасположена немного выше кости (голени), но на два или три пальца ниже хряща.
Во время медитаций, как и во время танца живота, расставлять широко ступни не очень хорошо, максимальная ширина, обычно соответствует ширине плеч.
По этому, нужно немного помочь себе коленями попытавшись выстроить вертикальную ось как можно прямее. Станьте перед зеркалом, найдите на себе все описанные точки. Ногипоставьте на ширине плеч. Расслабьте мышцы ног и тела. Затем, выпрямите спину, не напрягая тело, расслабьте ноги немного согнув колени. Представьте себе три вертикальных линии, каждая из которых проходит в соответствующей точке в задней части туловища, в передней его части и в районе колен. Попытайтесь расположить точки так, чтобы передняя ось туловища была примерно на полпути меж задней и коленной осью. При этом колени не следует загибать так, чтобы они заходили за носок, они должны быть лишь немного согнуты и хорошо расслаблены. Желательно над центром тяжести внутри площади опоры, который мы нашли на ступне. Руки при этом можно свободно расположить по богам либо положить ладони на бедра.
Как вы будете знать, что нашли свой центр тяжести?
Вы будете ощущать легкое покачивание, но при этом точно будете знать, что не упадете.
Поза и движения человека определяется особым построением кинематической цепи, состоящей из отдельных сегментов тела (осевой сегмент – позвоночник, сегменты: голова, шея, пояс верхних конечностей, грудной сегмент, торс, сегменты нижних и верхних конечностей). Такое построение называется выравниванием. Сегменты тела (рис. 44) - это структурно-функциональные единицы тела, которые объединены общими принципами выравнивания. Сегменты тела выстраиваются относительно жесткой конструкции тела – скелета, и такое выравнивание называется скелетным балансом.
Рис. 44. Сегменты тела
Каждый сегмент тела характеризуется формой, массой и объемом движений, по отношению к другим сегментам. Возможные движения сегмента определены характеристикой суставов сегмента. В биомеханике существуют понятия «геометрия формы», «геометрия массы», «геометрия суставов».
Геометрией масс называется распределение масс между звеньями тела и внутри звеньев. Геометрия масс количественно описывается масс-инерционными характеристиками. Важнейшие из них - масса, радиус инерции, момент инерции и координаты центра масс.
Масса характеризует инертность тела при поступательном движении. При вращении инертность зависит не только от массы, но и от того, как она распределена относительно оси вращения. Чем больше расстояние от звена до оси вращения, тем больше вклад этого звена в инертность тела. Количественной мерой инертности тела при вращательном движении служит момент инерции: J = mR 2, где R - радиус инерции - среднее расстояние от оси вращения (например, от оси сустава) до материальных точек тела, m – масса тела.
Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, приводящих тело к поступательному движению и не вызывающих вращения тела. В поле гравитации (когда действует сила тяжести) центр масс совпадает с центром тяжести. Центр тяжести - точка, к которой приложена равнодействующая сила тяжести всех частей тела. Положение общего центра массы тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. А это зависит от позы, т.е. от того, как части тела расположены друг относительно друга в пространстве.
На рис. 45 изображена модель человеческого тела.
Цифры, приведенные на рис. 46 верны для “среднего человека”, они получены путем усреднения результатов исследования многих людей. Индивидуальные особенности человека, и, в первую очередь, масса, и длина тела, влияют на геометрию масс.
Рис. 45. Модель человеческого тела: справа - способ деления тела на сегменты и масса каждого сегмента (в % к массе тела); слева - места расположения центров масс сегментов (в % к длине сегмента)
Вертикальное положение тела человека, перемещение его в пространстве, 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 существенно изменилась анатомия всего организма, отдельных его частей, органов, включая и опорно-двигательный аппарат. Прямохождение освободило верхнюю конечность от опорно-двигательной функции. Верхняя конечность превратилась в орган труда - руку и в дальнейшем могла совершенствоваться в ловкости движений. Эти изменения как результат качественно новой функции отразились на строении всех составных частей пояса и свободного отдела верхней конечности. Плечевой пояс служит не только опорой свободной верхней конечности, он 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 специализация функций отразилась на строении кисти. Благодаря развитию длинных, очень подвижных пальцев (в первую очередь большого пальца) кисть превратилась в сложный орган, выполняющий тонкие, дифференцированные действия.
Нижняя конечность, приняв на себя всю тяжесть тела, приспособилась исключительно к опорно-двигательной функции. Вертикальное положение тела, прямохождение отразились на строении и функциях пояса (таза) и свободного отдела нижней конечности. Пояс нижних конечностей (тазовый пояс) как прочная арочная конструкция приспособился к передаче тяжести туловища, головы, верхних конечностей на головки бедренных костей. Установившийся в процессе антропогенеза наклон таза на 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 способность противостоять тяжести тела и выполнять роль гибкого рычага при его перемещении. Сильно развилась мускулатура нижней конечности, которая приспособилась к выполнению статических и динамических нагрузок. По сравнению с мышцами верхней конечности мышцы нижней конечности имеют большую массу.
На нижней конечности мышцы имеют обширные поверхности опоры и приложения мышечной силы. Мышцы нижней конечности крупнее и сильнее, чем верхней конечности. На нижней конечности разгибатели развиты больше, чем сгибатели. Это связано с тем, что разгибатели играют большую роль в удержании тела в вертикальном положении и при передвижении (ходьба, бег).
На руке сгибатели плеча, предплечья и кисти сосредоточены на передней стороне, поскольку работа, производимая руками, совершается впереди туловища. Хватательные движения производятся кистью, на которую действует большее число сгибателей, чем разгибателей. Поворачивающих мышц (пронаторы, супинаторы) у верхней конечности также больше, чем у нижней. У верхней конечности они развиты намного лучше, чем у нижней. Масса пронаторов и супинаторов руки относится к остальным мышцам верхней конечности как 1:4,8. У нижней конечности отношение массы поворачивающих мышц к остальным равно 1:29,3.
Фасции, апоневрозы у нижней конечности в связи с большим проявлением силы при статических и динамических нагрузках развиты значительно лучше, чем у верхней конечности. У нижней конечности имеются дополнительные механизмы, которые способствуют удержанию тела в вертикальном положении и обеспечивают передвижение его в пространстве. Пояс нижней конечности почти неподвижно соединен с крестцом и представляет собой естественную опору туловища. Стремлению таза опрокинуться кзади на головках бедренных костей препятствуют сильно развитая подвздошно-бедренная связка тазобедренного сустава и сильные мышцы. Кроме того, вертикаль тяжести тела, проходящая впереди поперечной оси коленного сустава, механически способствует удержанию коленного сустава в разогнутом положении.
На уровне голеностопного сустава при стоянии увеличивается площадь соприкосновения между суставными поверхностями костей голени и таранной кости. Этому способствует тот факт, что медиальная и латеральная лодыжки охватывают передний, более широкий отдел блока таранной кости. Кроме того, фронтальные оси правого и левого голеностопных суставов устанавливаются друг к другу под углом, открытым кзади. Вертикаль тяжести тела проходит кпереди по отношению к голеностопным суставам. Это приводит 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 (на нижние конечности).
Наряду с 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.
Общим центром тяжести (ОЦТ) человека называют точку приложения равнодействующих всех сил тяжести частей его тела. Согласно данным М.Ф.Иваницкого, ОЦТ располагается на уровне I-V крестцовых позвонков и проецируется на переднюю поверхность тела выше лобкового симфиза. Положение ОЦТ по отношению к продольной оси тела и позвоночного столба зависит от возраста, пола, костей скелета, мышц и отложений жира. Кроме того, наблюдаются суточные колебания положения ОЦТ в связи с укорочением или удлинением позвоночного столба, которые возникают из-за неравномерных физических нагрузок днем и ночью. У пожилых и старых людей положение ОЦТ зависит также от осанки. У мужчин ОЦТ располагается на уровне III поясничного - V крестцового позвонков, у женщин - на 4-5 см ниже, чем у мужчин, и соответствует уровню от V поясничного до I копчикового позвонка. Это зависит, в частности, от большего, чем у мужчин, отложения подкожного жира в области таза и бедер. У новорожденных ОЦТ находится на уровне V-VI грудных позвонков, а затем постепенно (до 16-18 лет) опускается вниз и перемещается несколько кзади.
Положение ОЦТ тела человека зависит также от типа телосложения. У лиц долихоморфного типа телосложения (у астеников) ОЦТ располагается относительно ниже, чем у лиц брахиморфного типа телосложения (у гиперстеников).
В результате исследований было установлено, что ОЦТ тела человека находится обычно на уровне II крестцового позвонка. Отвесная линия центра тяжести проходит на 5 см позади поперечной оси тазобедренных суставов, примерно на 2,6 см кзади от линии, соединяющей большие вертелы, и на 3 см кпереди от поперечной оси голеностопных суставов. Центр тяжести головы располагается немного кпереди от поперечной оси ат-лантозатылочных суставов. Общий центр тяжести головы и туловища находится на уровне середины переднего края X грудного позвонка.
Для сохранения устойчивого равновесия тела человека на плоскости необходимо, чтобы перпендикуляр, опущенный из его центра тяжести, падал на площадь, занимаемую обеими ступнями. Тело стоит тем прочнее, чем шире площадь опоры и чем ниже расположен центр тяжести. Для вертикального положения тела человека сохранение равновесия является главной задачей. Однако, напрягая соответствующие мышцы, человек может 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 тела человека нельзя считать устойчивыми. При относительно длинных ногах человек имеет сравнительно небольшую площадь опоры. Поскольку общий центр тяжести тела у человека расположен сравнительно высоко (на уровне II крестцового позвонка), а опорная площадь (площадь двух подошв и пространства между ними) незначительна, устойчивость тела очень невелика. В состоянии равновесия тело удерживается силой мышечных сокращений, что предотвращает его от падения. Части тела (голова, туловище, конечности) при этом занимают соответствующее каждой из них положение. Однако если будет нарушено соотношение частей тела (например, вытягивание рук вперед, сгибание позвоночника при стоянии и т.д.), то соответственно изменяются положение и равновесие других частей тела. Статические и динамические моменты действия мускулатуры находятся в прямой связи с положением центра тяжести тела. Поскольку центр тяжести всего тела располагается на уровне II крестцового позвонка позади поперечной линии, соединяющей центры тазобедренных суставов, стремлению туловища (вместе с тазом) опрокинуться назад противостоят сильно развитые мышцы и связки, укрепляющие тазобедренные суставы. Так обеспечивается равновесие всей верхней части тела, удерживающейся на ногах в вертикальном положении.
Стремление тела упасть вперед при стоянии обусловлено 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, 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. При этом ноги поочередно совершают маятникообразные движения. При ходьбе одна из нижних конечностей в определенный момент является опорой (задней), другая - свободной (передней). При каждом новом шаге свободная нога становится опорной, а опорная выносится вперед и делается свободной.
Сокращение мышц нижней конечности при ходьбе заметно усиливают изогнутость подошвы стопы, увеличивают кривизну ее поперечного и продольных сводов. Одновременно в этот 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 этого момента задняя, 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 и тело передвигается вперед и несколько вверх. Так обе конечности поочередно проделывают одни и те же движения в строго определенной последовательности, подпирая тело то с одной, то с другой стороны и толкая его вперед. Однако во время ходьбы не бывает момента, чтобы обе ноги были одновременно оторваны от поверхности земли (плоскость опоры). Передняя (свободная) конечность всегда успевает 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 присутствует момент, когда обе ноги одновременно касаются земли, причем опорная - всей подошвы, а свободная - пальцами. 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 стороны в горизонтальной, фронтальной и сагиттальной плоскостях. Наибольшее смещение происходит вперед в горизонтальной плоскости. Смещение вверх и вниз составляет 3-4 см, а в стороны (боковые качания) - 1-2 см. Характер и степень этих смещений подвержены значительным колебаниям и зависят от возраста, пола и индивидуальных особенностей. Совокупность этих факторов обусловливает индивидуальность походки, которая может изменяться под влиянием тренировки. В среднем длина обычного спокойного шага составляет 66 см и занимает время 0,6 с.
Геометрия масс тела
БИОМЕХАНИКА ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ
Лекция 5
Тема 1.4. Биодинамика движений человека. Геометрия масс тела человека: массы и моменты инерции звеньев тела человека, общий и частный центр масс тела и его звеньев, центр объема и центр поверхности тела.
Силы в движениях человека. Силы внешние как меры действия внешних тел, среды и опоры на тело человека. Силы инерции внешних тел, силы упругой деформации, силы тяжести и веса, силы реакции опоры. Роль сил в движениях человека. Силы внутренние как мера взаимодействия частей тела и тканей тела человека.
Силы в пассивных элементах двигательного аппарата человека. Силы внутрибрюшного давления. Экспериментальные и аналитические способы определения внутренних сил.
Фракции полной механической энергии. Теорема Кенига. Работа перемещения: внутренняя и внешняя работа, вертикальная и продольная работа. Экономия механической энергии: обмен энергии, переход энергии от звена к звену, использование потенциальной энергии упругой деформации мышц и сухожилий.
Методы измерения работы и энергии при движениях человека.
Геометрия масс тела (распределение масс тела) характеризуется такими показателями, как вес (масса) отдельных звеньев тела, положение центров масс отдельных звеньев и всего тела, моменты инерции и др.
Вес отдельных звеньев тела зависит от веса тела в целом. Приближенные величины относительного веса звеньев тела (в процентах к весу всего тела) приведены на рис. 23 (числа справа от фигуры человека)". Эти данные пригодны лишь в качестве грубого первоначального ориентира:
относительный вес отдельных звеньев тела непостоянен. Например, если человек, весивший(60 кг, затем, поправившись, стал весить 90)кг, то это не означает, что все звенья его тела, в частности стопы, кисти, голова, стали тоже в 1,5 раза тяжелее. Более точно можно определить вес отдельных звеньев тела, использовав уравнения регрессии, приведенные в табл. 2
Центр масс твердого тела является вполне определенной фиксированной точкой, не изменяющей своего положения относительно тела. Центр масс системы тел может менять свое положение, если изменяются расстояния между точками этой системы.
В биомеханике различают центры масс отдельных звеньев тела (например, голени или предплечья) и центр масс всего тела.
У человека, стоящего в основной стойке, горизонтальная плоскость, проходящая через ОЦМ, находится примерно на уровне второго крестцового позвонка. В положении лежа ОЦМ смещается в сторону головы примерно на 1%; у женщин он расположен в среднем на 1-2% ниже, чем у мужчин; у детей-дошкольников он существенно выше, чем у взрослых (например, у годовалых детей в среднем на 15%).
При изменении позы ОЦМ тела, естественно, смещается и в некоторых случаях, в частности при наклонах, вперед и назад, может находиться вне тела человека - рис. 24.
Чтобы определить положение ОЦМ тела, используют либо экспериментальные, либо расчетные методы. Одним из наиболее простых экспериментальных методов является взвешивание человека в избранной позе на специальной платформе, имеющей три точки опоры. Одна из них покоится на неподвижном основании, а две другие - на весах (рис. 25). Показания весов (без человека) Fa, и F b , указывают величину давления на весы самой платформы. Взвесив человека, определяют показания весов F Az и F В] . Рассматривая по очереди линии АС и ВС как оси вращения, можно написать уравнения моментов для системы, находящейся в равновесии. Отсюда:
Гораздо чаще, чем экспериментальные, используют расчетные методы. Чтобы определить расчетным путем координаты ЦМ тела в любой позе, надо знать: 1) положение отдельных звеньев тела, 2) вес отдельных звеньев тела и 3) положение ЦМ отдельных звеньев тела.
Положение отдельных звеньев тела определяют по кинограммам, фотографиям или каким-либо другим способом (например, с экрана видеомагнитофона); вес - по уравнениям, приведенным в табл. 2. Что касается ЦМ отдельных звеньев, то считают, что они расположены на продольных осях, соединяющих центры суставов. На рис. 23 слева обозначены расстояния между осями суставов (табл. 3) и центрами
 |
масс звеньев. Для определения положения ЦМ тела расчетным путем чаще всего используют теорему Вариньона: сумма моментов сил относительно оси равна моменту равнодействующей силы относительно этой оси.
В настоящее время разработаны методы автоматического расчета положения ЦМ тела отдельных звеньев: ЭВМ сама рисует контурные изображения спортсмена (ЭВМ-палочковые диаграммы), обозначая на них положения ЦМ (рис. 26).