Кафедра физики, математики и информатики Тема: «Биомеханика опорно двигательного аппарата человека» 2013
Кафедра физики, математики и информатики Опорно двигательный аппарат Управляемая система подвижно соединенных тел, обладающих определенными размерами, массами, моментами инерции и снабженных мышечными двигателями.
Кафедра физики, математики и информатики Опорно-двигательный аппарат • Жесткий скелет - 206 костей (85 парных и 36 непарных), соединенных – Неподвижно (кости черепа) – Полуподвижно (симфиз, межпозвонковые диски) – Подвижно (суставы, связки, суставные капсулы). • • • Поперечно-полосатые скелетные мышцы (более 600). Активная часть двигательного аппарата (мышцы, сухожилия, фасции). Мышцы приводят в движение костные звенья. Двигательные нервные клетки (мотонейроны). Мотонейроны расположены в сером веществе спинного и продолговатого мозга. Подлинным отросткам (аксонам) этих клеток сигналы (команды) поступают к исполнительным элементам (эффекторам) мышцам. Управление аппаратом движения осуществляется центральной нервной системой (пять уровней управления по Н. А. Бернштейну).
Кафедра физики, математики и информатики
Кафедра физики, математики и информатики
Кафедра физики, математики и информатики
Кафедра физики, математики и информатики
Кафедра физики, математики и информатики Типы суставов • Одно- двух- многоосные – – – – 1 Цилиндрический (атлантоосевой), 1 Блоковидный (межфаланговый) 2 Элипсовидный (лучезапястный), 2 Мыщелковый (коленный), 2 Седловидный (I запястно-пястный) 3 Шаровидный (плечевой, тазобедренный) 3 Плоский (межпозвонковые) • Простые, сложные
Кафедра физики, математики и информатики
Кафедра физики, математики и информатики Биокинематические пары и цепи Кинематическая пара — это подвижное соединение двух звеньев. – степени связи (относительное движение); • а) геометрические (постоянные препятствия перемещению в каком либо направлении) • б) кинематические (ограничение скорости, например, мышцей антагонистом). – степени свободы движения (возможности относительного движения). • поступательные — одно звено может перемещаться поступательно по другому (например, боковые движения нижней челюсти); • вращательные (например, повороты в наиболее распространенных в теле человека цилиндрических и шаровидных суставах); • винтовые с сочетанием поступательного и вращательного движений (например, в голеностопном суставе). Соединения, допускающие поворот звеньев пары, называют шарнирами.
Кафедра физики, математики и информатики Биокинематические пары и цепи Кинематическая цепь — это последовательное или разветвленное соединение ряда кинематических пар. • незамкнутая конечное звено свободно, возможны изолированные движения. Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны, представляют незамкнутые цепи • замкнутая цепь, в которой нет свободного конечного звена. Например, грудина, ребро, позвоночник, ребро и снова грудина
Кафедра физики, математики и информатики Степени свободы движений • Число степеней свободы движений соответствует количеству возможных независимых линейных и угловых перемещений тела. • Тело, ничем не ограниченное в движениях (может двигаться в любом направлении), называется свободным. Движение свободного тела возможно в трех основных направлениях — вдоль осей координат, а также вокруг этих трех осей; оно имеет 6 степеней свободы движения
Кафедра физики, математики и информатики • • • Наложение связей уменьшает количество степеней свободы. Если закрепить одну точку тела, то сразу снимается 3 степени свободы: тело не сможет двигаться вдоль трех осей координат; у него останутся только возможности вращения вокруг этих осей, т. е. только три степени свободы. Так соединены кости трехосных (шаровидных) с у с т а в о в. При закреплении двух точек в теле возможно вращение лишь вокруг линии (оси), проходящей через обе точки. Так соединены кости одно осных суставов, обеспечивающих одну степень свободы. Если же закреп лены три точки (не лежащие на одной линии), то движения тела совсем невоз можны Такое. соединение неподвижно и, следовательно, не является суставом. Как известно, двуосные суставы (эллипсовидный — лучезапястный, седловидный — первый запястно пястный) обеспечивают вторую степень свободы благодаря неполному взаимному соответствию своих суставных поверхностей (неконгруэнтность).
Кафедра физики, математики и информатики Типы мышц • Скелетные (поперечнополосатые) • Гладкие • Сердечная
Кафедра физики, математики и информатики Типы скелетных мышц А — веретенообразная мышца; Б — одноперистая мышца; В — двуперистая мышца; Г — двуглавая мышца; Д — двубрюшная мышца; Е — прямая мышца с сухожильными перемычками; Ж — широкая мышца; 1 — брюшко; 2 — сухожилие; 3 — сухожильная дуга; 4 — сухожильная перемычка; 5 — апоневроз, или сухожильное растяжение
Кафедра физики, математики и информатики Строение мышечного волокна и миофибрилл (По W. Bloom and D. W. Faecett, 1975)
Кафедра физики, математики и информатики Схема двигательной единицы мышцы (По Л. О. Бадаляну, И. А. Скворцову, 1986) А, Б, В – мотонейроны передних рогов спинного мозга, 1, 2, 3, 4, 5 – мышечные волокна и соответствующие им потенциалы, I – потенциалы отдельных мышечных волокон, II – суммарный потенциал условной двигательной единицы.
Кафедра физики, математики и информатики Механизм реципрокного взаимодействия мышц при растяжении (А) и активном сокращении (В) (По J. Gordon, C. Ghez, 1991).
Кафедра физики, математики и информатики Рычаг – твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной опоры (оси вращения) на которое действуют, по крайней мере, две силы с противоположными моментами вращения. Моментом силы называется физическая величина, по модулю равная произведению силы на ее плечо: M = F ⋅ h, где: M – модуль момента силы, F – сила, h – плечо силы. Плечо силы – перпендикуляр, опущенный из центра вращения на линию действия силы.
Кафедра физики, математики и информатики В рычаге первого рода действующие силы расположены по разные стороны от точки опоры. В механике существует закон, открытый в начале новой эры Героном Александрийским. Этот закон называют «золотым правилом» механики. Выигрывая с помощью механизма в силе, мы во столько же раз проигрываем в пути и наоборот.
Кафедра физики, математики и информатики Примерами рычагов первого рода у человека являются кости нижней конечности и антигравитационные мышцы, противодействующие силе тяжести. Так, сила тяжести F тяж создает момент силы по одну сторону тазобедренного, коленного и голеностопного суставов, а сила тяги мышц Fм – по другую. Точками опоры рычагов являются тазобедренный, коленный и голеностопный суставы. Человек сможет сохранять неподвижную позу, изображенную, если момент силы тяжести, создаваемый вышерасположенными звеньями тела Fтяж ⋅ hтяж будет уравновешен мышечным моментом Fм ⋅ hм , т. е. будет иметь место равенство: Fтяж ⋅ hтяж = Fм ⋅ hм
Кафедра физики, математики и информатики В рычаге второго рода действующие силы приложены по одну сторону от точки опоры. В связи с этим для костных рычагов почти всегда имеется проигрыш в силе, но выигрыш в пути и как следствие – скорости перемещения внешнего груза ( «золотое правило» механики). Таким образом, биомеханизм характеризуется следующей особенностью: Имеется проигрыш в силе тяги мышц, но выигрыш в пути и в скорости перемещения груза или другого звена.
Кафедра физики, математики и информатики Рычаг будет находиться в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех действующих сил относительно неподвижной точки опоры рычага будет равняться нулю, то есть: F м⋅ hм − Р ⋅ h = 0, где: Р– вес груза, h – плечо силы, создаваемое грузом, Fм - сила тяги двуглавой мышцы плеча, hм – плечо силы. Сила тяги мышцы, как правило, приложена на более коротком плече костного рычага. Поэтому, для уравновешивания рычага, сила тяги мышцы должна быть во столько раз больше противодействующей силы, во сколько раз плечо ее силы тяги меньше плеча противодействующей силы.
Кафедра физики, математики и информатики Режим работы мышц В зависимости от соотношения величин моментов сил (мышечной силы и силы тяжести), действующих на рычаг, происходит вращение костного звена в том или ином направлении. Если мышечный момент больше момента силы тяжести, то мышца сокращается в преодолевающем режиме. Если мышечный момент меньше момента силы тяжести, то мышца работает в уступающем режиме. Мышца, сокращаясь в преодолевающем режиме, способна развить большую силу, если этому сокращению предшествовала работа в уступающем режиме. Такой режим работы получил название «баллистический» .
Кафедра физики, математики и информатики Виды работы мышцы Сокращенное, деятельное состояние мышцы бывает двоякого характера. В одних случаях мышца сокращена, но никакого движения в результате этого сокращения не происходит, длина всей мышцы не изменяется. Такая работа мышцы носит статический характер и называется изометрическим сокращением. В других случаях при сокращении мышцы происходит движение, длина мышцы изменяется, ее работа носит динамический характер. Такая работа мышцы называется изотоническим сокращением.
Кафедра физики, математики и информатики Биомеханические свойства элементов ОДА Изменение формы (деформация) тел под действием приложенных к ним сил — свойство всех реальных тел. Абсолютно твердых тел, которые не деформируются ни при каких условиях, в природе не существует. • Упругие деформации возникают в теле под действием нагрузки и исчезают при ее снятии. • упругость — свойство тела самостоятельно восстанавливать после деформации свою форму.
Кафедра физики, математики и информатики Зоны деформации • • зона линейной упругости — напряжение прямо пропорционально деформации (идеальная пружина). После разгрузки деформация пол ностью исчезает; зона нелинейной упругости — на равные приращения деформации приходятся все меньшие (как у мягкой стали) или все большие (как у мышцы) приращения напряжения; после разгрузки форма тела полностью восстанавливается; зона пластической деформации — с увеличением деформации напряжение нарастает; после разгрузки форма тела восстанавливается не полностью (остаточная деформация); зона разрушения — тело начинает разрушаться.
Кафедра физики, математики и информатики • • • Зоны деформации различны у разных тел. линейно упругим, имеет обратимую деформацию нелинейно упругим, Пластическим необратимую Хрупким малую относительную деформацию. • Различают еще п р о ч н о е тело, у которого высокий предел прочности, и вязкое тело, у которого за упругой деформацией следует пластическая.
Кафедра физики, математики и информатики биомеханические свойства мышц • сократимость; • жесткость (упругость); • вязкость; • прочность; • релаксация.
Кафедра физики, математики и информатики Трехкомпонентная модель мышцы Мышечные волокна характеризуются высокой вязкостью. Этот элемент в модели носит название сократительного компонента (Сок. К). Второй компонент – фасция, которой окружена мышца, а также соединительно тканные образования, окружающие мышечные пучки, мышечные волокна, миофибриллы и т. д. В этом компоненте наиболее выражены упругие свойства мышц. Так как этот компонент расположен параллельно мышечным волокнам, он получил название параллельный упругий компонент (Па. УК). В модели он имитируется пружиной с нелинейной зависимостью между силой и удлинением. Третий компонент – сухожилие. В этом компоненте также преобладают упругие свойства, однако жесткость этого компонента больше чем у параллельного упругого компонента. Мышечные волокна переходят в сухожилия, то есть этот компонент расположен последовательно относительно сократительного компонента, поэтому он называется последовательным упругим компонентом (По. УК). В модели он также имитируется пружиной с нелинейной зависимостью между силой и удлинением. Трехкомпонентная модель мышцы
Кафедра физики, математики и информатики Жесткость (упругость) Жесткость материала – характеристика тела, отражающая его сопротивление изменению формы при деформирующих воздействиях (В. Б. Коренберг, 2004). Fупр = k⋅ Δ L, где Fупр – сила упругости (Н), k – коэффициент жесткости (Н/м); ΔL – удлинение тела (м). Для мышцы: k = d. F / d. L Установлено, что жесткость активной мышцы в 4 5 раз больше жесткости пассивной мышцы. Зависимость силы упругости (F) от удлинения ΔL для линейной (кривая 1) и нелинейной (прямая 2) упругих систем
Кафедра физики, математики и информатики Вязкость Свойство жидкостей, газов и «пластических» тел оказывать неинерционное сопротивление перемещению одной их части относительно другой (смещение смежных слоев). При этом часть механической энергии переходит в другие виды, главным образом в тепло (В. Б. Коренберг, 1999). Это свойство сократительного аппарата мышцы вызывает потери энергии при мышечном сокращении, идущие на преодоление вязкого трения. Предполагается, что трение возникает между нитями актина и миозина при сокращении мышцы. Кроме того, трение возникает между возбужденными и невозбужденными волокнами мышцы. Поэтому, если возбуждены все волокна, трение должно быть меньше. Показано, что при сильном возбуждении мышцы, ее вязкость резко уменьшается. Если пружину вначале растянуть, а затем – снять деформирующую нагрузку, то кривая «удлинение– сила» будет идентичной во время обеих фаз. . Если же мы имеем дело с упруговязким материалом (мышцей), кривые окажутся неидентичными. Зависимость «удлинение – сила» при растягивании мышцы (кривая 1) и укорочении мышцы (кривая 2)
Кафедра физики, математики и информатики Кривая мышечного сокращения при разной степени растягивания.
Кафедра физики, математики и информатики Прочностью материала называют его способность сопротивляться разрушению под действием внешних сил (И. Ф. Образцов с соавт. , 1988). Прочность материала характеризуют пределом прочности – отношением нагрузки, необходимой для полного разрыва (разрушения испытуемого образца) к площади его поперечного сечения в месте разрыва. Предел прочности мышцы оценивается значением растягивающей силы, при которой происходит ее разрыв. Установлено, что предел прочности для миофибрилл равен 1, 6 2, 5 Н/см 2, мышц – 20 40 Н/см 2, фасций – 1400 Н/см 2, сухожилий – 4000 – 6000 Н/см 2; костной ткани – 9000 – 12500 Н/см 2. При этом предел прочности каната из хлопка на растяжение составляет 3760 – 6770 Н/см 2.
Кафедра физики, математики и информатики Релаксация мышц – свойство, проявляющееся в уменьшении с течением времени силы тяги при постоянной длине. Для оценки релаксации используют показатель – время релаксации, то есть отрезок времени, в течение которого натяжение мышцы уменьшается в е раз от первоначального значения.
Кафедра физики, математики и информатики Кривая Хила V = b (P 0 – P) / (P + a), где P 0 – максимальная масса груза, при которой не происходит укорочения мышцы; P– масса груза; a , b – константы. Реальная зависимость между силой тяги мышцы и скоростью ее укорочения или растяжения. Зависимость показывает: если изометрическом режиму работы предшествовал преодолевающий (кривая I), то развиваемая мышцей максимальная изометрическая сила превышает величину Fин , если же статическим предшествовал уступающий (кривая II), то мышца развивает Fuв.
Кафедра физики, математики и информатики Кривые мышечного сокращения для различных мышечных волокон. Мышечные волокна I типа в мировой номенклатуре обозначают как красные, окислительные, медленные, устойчивые к утомлению. Мышечные волокна IIВ типа в мировой номенклатуре обозначают как белые, быстрые, гликолитические, быстроутомляемые. Мышечные волокна IIA типа в мировой номенклатуре обозначают как промежуточные, окислительногликолитические, быстрые, устойчивые к утомлению.
Кафедра физики, математики и информатики Основные условия эффективного использования энергии мышечной системы в скоростно-силовых движениях: • • • В процессе движения мышца должна работать в диапазонах сильного растягивания, сокращаясь при этом на малую величину. Растягивание должно быть результатом действия внешней силы (инерции), а не силы тяги антагонистов, развиваемой в текущий момент. Стимуляция мышечного возбуждения (сократитель ный процесс мышцы) должна начинаться в фазе наибольшего растяжения мышцы. При стимуляции возбуждения должно особо акцентироваться начало процесса (должна обеспечиваться большая мощность первого рывка). Активное сокращение мышцы (возбудительный процесс) должно длиться лишь до тех пор, пока это дает механический эффект.
Скачать презентацию Кафедра физики математики и информатики Тема Биомеханика опорно
Биомеханика тема 3.ppt