Костно-суставная система

Костно-суставная система

Скелет (рис. 21) обеспечивает телу человека опору и сохранение формы, а также защищает внутренние органы. Он является основной силовой конструкцией тела и воспринимает все нагрузки, действующие на человека. Скелет состоит из 148 подвижных костей и, соответственно, 147 сочленений (суставов).

Основой этой силовой конструкции, его опорным сооружением является туловище, включающее шею и позвоночник с его более чем двумя десятками межпозвоночных соединений и мышечным оснащением.

В эволюционном развитии человеку пришлось дорого заплатить за прямохождение. Ходьба в вертикальном положении обусловила, прежде всего, возрастание нагрузок на позвоночник. При ходьбе на четвереньках позвоночник функционировал, к примеру, как свод моста или поперечная балка. При переходе к прямохождению он приобрел сходство с эластичной колонной, которая, изгибаясь, амортизирует толчки при ходьбе и переносит вес туловища на стопы ног. В конце концов в процессе эволюции позвоночный столб приобрел сложную S-образную форму (рис. 22). Изгибы позвоночника обеспечивают ему упругость, что важно при ходьбе и беге. При резких движениях и прыжках позвоночник предохраняет мозг от сотрясения.

Туловище человека держится прямо только благодаря непрерывному напряжению всех мышц, «расчаливающих» позвоночный столб, подобно тому, как ванты расчаливают корабельную мачту. Такая конструкция обеспечивает телу человека исключительно гибкую подвижность, приспособляемость и маневренность.

Суставы скелета по своим функциям и устройству являются шарнирами.

Рис. 21

Рис. 22

Сочленение головы с позвоночником, плечевой и тазобедренный суставы устроены по принципу шарового шарнира, состоящего из двух соприкасающихся сферических поверхностей – выпуклой и вогнутой – равного радиуса. Локтевой и коленный суставы, суставы пальцев напоминают цилиндрический шарнир, допускающий вращение только в одной плоскости.

Важную роль в работе сочленений играет трение. Без него в суставах было бы невозможно преобразование поступательного движения мышц во вращательное движение конечностей.

Суставы человека служат примером совершенства творений природы. Проблема трения и изнашиваемости в суставах решена природой на таком уровне, о котором инженеры-специалисты по трению могут только мечтать. Динамические нагрузки, превышающие тысячи ньютонов, практическое отсутствие трения (коэффициент трения fmp = 0,003!), никакого «техобслуживания» и безотказная работа в течение всей жизни – таков перечень качеств природного шарнира-сустава.

Суставы играют исключительную роль в построении движений. Они определяют высокую подвижность всех звеньев тела человека. По-видимому, именно по этой причине в биомеханике зачастую говорят о степенях свободы суставов. Думается, это не совсем так.

В механике, напомним, под числом степеней свободы понимают число независимых координат, полностью определяющих положение в пространстве физического тела, в том числе и тела человека. Поэтому когда речь идет о суставе как части тела человека, то уместно говорить об обеспечении суставом степени свободы той или иной части тела. То есть, по-видимому, следует говорить не о степени свободы, а о степени подвижности сустава. Так, например, тазобедренный и плечевой суставы обеспечивают по три степени свободы поворота бедра и плеча относительно туловища. Локтевой и коленный суставы обеспечивают две степени свободы поворота предплечья и голени относительно плеча и бедра. Фаланги пальцев соединены суставами, обеспечивающими одну степень свободы.

С туловищем как основной силовой пространственной конструкции тела, посредством плечевых и тазобедренных суставов соединены четыре многозвенные рычажные системы конечностей.

Нижняя конечность включает (рис. 23а): тазобедренный сустав, бедренную кость, коленный сустав, голень (большую и малую берцовые кости), голеностопный сустав и стопу. На рис. 23б изображена механическая модель, воспроизводящая суставную подвижность ноги человека.

Тазобедренный шаровой сустав (рис. 24) допускает достаточно большие диапазоны движения: до 130° при маховых движениях конечности и до 80° при движениях в стороны.

Коленный сустав работает, как цилиндрический шарнир, но устроен довольно сложно (рис. 25). Пределы сгибания-разгибания колена являются рекордными для всех сочленений человеческого тела: около 140° так называемой активной подвижности (за счет работы собственных мышц этого сочленения) и свыше 170° пассивной подвижности (за счет внешних сил). Полусогнутый коленный сустав допускает и небольшое продольное вращение голени до 40–60°.

Рис. 23

Рис. 24

Рис. 25

Голеностопный сустав включает как бы два сочленения, напоминающие карданные соединения в технике и расположенные очень близко одно за другим. Они позволяют стопе наклоняться относительно голени во все стороны на 45–55°.

Сама стопа – многокостное упругое устройство – приспособлена к восприятию нагрузки, соответствующей 5–6-кратному значению веса человека. Однако активная внутренняя подвижность стопы ничтожна, и ею пренебрегают.

Верхняя конечность включает (рис. 26): плечелопаточный сустав, плечевую кость, локтевой сустав, предплечье (локтевую и лучевую кости), лучезапястное сочленение и кисть.

Устройство руки аналогично устройству нижней конечности, но более сложное. Плечелопаточный шаровой шарнир руки (рис. 27) гораздо подвижнее тазобедренного и допускает обширные движения: до 190° в вертикальной (глубинной) плоскости, до 180° в стороны (в поперечной плоскости) и до 100° во фронтальной плоскости.

Локтевой сустав представляет собой (рис. 28) цилиндрический шарнир, обеспечивающий сгибание-разгибание руки в плоскости движения предплечья в пределах до 145°.

Трудовая деятельность внесла в строение руки человека много усовершенствований, отличающих ее от передних конечностей животных. Только рука человека имеет способность поворачивать предплечье с кистью относительно его продольной оси (рис. 29). Общий диапазон этих движений превосходит 180°. В повседневной жизни это именно то вращательное движение, которым мы пользуемся, поворачивая ключ в двери.

В биомеханике эти повороты предплечья называют пронацией и супинацией. Бернштейн приводит очень простое и забавное правило для запоминания этой непривычной терминологии: «Поверните кисть ладонью кверху и скажите: „Несу суп“. Это движение и есть супинация. Затем опрокиньте кисть ладонью вниз и скажите: „Пролил“. Это – „пронация“».

Рис. 26

Рис. 27

Соединение между предплечьем и кистью (лучезапястное сочленение) само по себе обладает двумя видами подвижности (рис. 30): вверх-вниз на 170°, вправо-влево на 60°. Эти два направления подвижности в сочетании с третьим – пронацией и супинацией – равносильны тому, как если бы кисть была подвешена к руке на втором шаровом шарнире (следующим за плечелопаточным). В итоге два последовательно расположенных шаровых шарнира в сочетании с локтевым суставом не только обеспечивают кисти возможность принять любое положение и изменить направление движения, но и позволяют сделать это при самых разнообразных положениях плеча и предплечья.

Кисть, в отличие от стопы, обладает большой внутренней активностью. Скелет кисти представляет собой целую тонкую мозаику из косточек. Благодаря способности большого пальца кисти противополагаться каждому из остальных кисть является великолепным приспособлением для обхватывания и прочного удержания предметов любой формы. При этом еще остается возможность двигать локтем, т. е. смещать плечо и предплечье при неподвижном туловище.

Почему важно знать степень подвижности суставов опорно-двигательного аппарата человека? Да потому, что подвижность плечевых и тазобедренных суставов определяет число степеней свободы верхних и нижних конечностей. А это, в свою очередь, регламентирует построение движений при выполнении двигательных действий (например, применение болевых приемов, «выключение» суставов при выведении противника из равновесия и т. д.).

Рис. 28

Рис. 29

Рис. 30

Предельные диапазоны подвижности в суставах ограничивают применимость моделей, используемых, в частности, при моделировании верхних и нижних конечностей.

Так, например, плечевой сустав допускает вращение плеча в ограниченном пространстве, в пределах некоего конуса, сметаемого плечом при предельных отклонениях в суставе.

Эти ограничения уменьшают число степеней свободы руки по крайней мере на единицу при достижении предельных отклонений в каждой из основных плоскостей тела.

Кроме того, принудительное вращение предплечья вокруг продольной оси до упора «выключает» локтевой сустав, лишая руку двух степеней свободы.