Понятие о биомеханике движений

Науку о законах движения человека и животных называют биомеханикой. Для правильного и обоснованной применения лечебной физкультуры в лечении больных необходимо понимать закономерности движений человека.

Для регистрации состояния тела человека принято различать три основные, (воображаемые) плоскости тела:

• сагиттальная, или переднезадняя, разделяет тело или любую его часть на левую и правую половины (отделы), причем сагиттальную плоскость, проходящую через середину тела, называют срединной плоскостью;
• горизонтальная плоскость пересекает тело поперечно, разделяя его на головной (краниальный) и хвостовой (каудальный) отделы. Горизонтальная плоскость, проведенная на любой конечности, делит ее на проксимальный (ближе к туловищу) и дистальный (далее от туловища) отделы;
• фронтальная плоскость (параллельная поверхности лба) делит тело и его части на передний (вентральный) и задний (дорзальный) отделы.

Все три плоскости располагаются перпендикулярно друг другу.

.В суставах различают следующие движения: сгибание, разгибание, отведение (наружу), приведение (внутрь), вращение или ротация (поворот внутрь и наружу). Поворот внутрь называют еще пронацией, поворот наружу — супинацией. В некоторых суставах (например, в плечевом, тазобедренном, лучезапястном) возможны еще круговые движения.

В.соединении двух костных звеньев посредством сустава (биокинетическая пара) возможности движения определяются строением сустава, воздействием мышц, ограничивающим действием капсулы и связок сустава.

Подвижность сустава зависит от возраста, пола, индивидуальных особенностей, функционального состояния нервной системы. У женщин, молодых людей подвижность больше.

Н. А. Гукасова (1997) для специалистов ЛФК систематизировала данные одного из основных направлений биомеханики — динамической анатомии человека. Динамическая анатомия изучает функции мышц и влияние тяжести тела на его положение как в покое, так и при движениях (в статике и динамике).

Для специалистов ЛФК важны правильный выбор исходных положений в процедурах лечебной гимнастики, подбор специальных и общеразвивающих упражнений, их дозировка. Для этого необходимы знания из биомеханики законов рычагов, «степеней свободы», состояния тонуса мышц — синергистов и антагонистов.

Движения человека осуществляются по законам рычагов. Рычаги — это отдельные костные звенья человеческого тела, например кости плеча, предплечий, бедренные кости, кости голеней, стоп, головы, позвоночника. На каждое костное звено обычно действуют две силы: мышечная и сила тяжести данного костного звена. В зависимости от места приложения сил по отношению к точке опоры рычага или оси вращения различают «рычаги равновесия», «рычаги скорости» и «рычаги силы».

Р ы ч а г  I  р о д а — «рычаг равновесия», у которого силы расположены по обе стороны от точки опоры (оси вращения) и направлены в одну сторону. Плечом рычага считают перпендикуляр, опущенный из точки опоры рычага (оси вращения) на направление мышечной силы или тяжести; плечо рычага соответствует расстоянию от точки опоры рычага до точки приложения сил (рис. 1).

Рычаги I рода: а — с равными плечами; б — с неравными плечами. О — ось вращения, или точка опоры; МА — мышечная сила; ТВ — сила тяжести данного костного звена; ОА — плечо рычага мышечной силы; ОБ — плечо рычага силы тяжести

По закону рычага I рода происходят движения головы, позвоночника. При асимметричном изменении мышечной силы, силы тяжести костного звена возникает нарушение равновесия рычага, и это клинически проявляется нарушением осанки в сагиттальной или фрронтальной плоскости.

Для правильного выбора физических упражнений необходимо знать причины, вызвавшие нарушение функции равновесия. Так, при односторонних радикулитах необходимо снизить мышечный тонус на стороне поражения мышц, осуществляющих движение головы, позвоночника, применяя упражнения на расслабление, корригирующие исходные положения, массаж. При нарушениях осанки у детей, ослабленных больных, наоборот, следует использовать упражнения и приемы массажа, способствующие укреплению ослабленных мышечных групп, повышению их тонуса. У больных после частичной или полной ампутации конечности происходит уменьшение тяжести костного звена, поэтому следует применять упражнения, способствующие наращению мышечной массы на стороне ампутации, и обучать больного расслаблять мышцы противоположной конечности и пользоваться протезом для восстановления равенства моментов вращения сил.

Когда сгибают, наклоняют, поворачивают голову, туловище, происходит выведение рычага из состояния равновесия. Момент вращения одной силы становится больше или меньше-момента вращения другой силы. Тело возвращается в состояние исходного равновесия при восстановлении первоначального равенства моментов вращения сил.

Движения конечностей происходят преимущественно по закону р ы ч а г о в II р о д а. Рычагом II рода называется такой рычаг, у которого силы, приложенные к нему, расположены по одну сторону от точки опоры или оси вращения и направлены в разные стороны. Этот рычаг имеет две разновидности в зависимости от того, какая сила (сила тяжести или мышечная) будет расположена ближе к точке опоры (оси вращения). Если сила тяжести находится ближе к точке Опоры и плечо ее рычага меньше плеча рычага мышечной силы, то такой рычаг II рода называется «рычагом силы» (рис. 2, а). Если мышечная сила расположена ближе к точке опоры и плечо ее рычага меньше, чем плечо рычага силы тяжести, то такой рычаг II рода называется «рычагом скорости» (рис. 2, б). Движение стопы во время подъема на носки — пример» движения по закону «рычага силы». В этом движении точкой опоры служат головки плюсневых костей, сила тяжести тела проходит через тазобедренные суставы, кости бедра, голени, таранные кости и давит вниз, а мышцы задней поверхности голени противодействуют силе тяжести и стремятся удержать тело в состоянии равновесия при его положении стоя на носках. При этом имеет место равенство моментов вращения силы тяжести и мышечной силы. Если мышцы, расположенные по задней поверхности голени, слабые, пациент не сможет удержаться в равновесии, стоя на носках, так как момент вращения мышечной силы будет меньше, чем момент вращения силы тяжести. В этом случае равновесие нарушится, и человек будет стремиться встать на полную ступню. Поэтому необходимы упражнения для укрепления мышц, расположенных на задней поверхности голени, т. е. мышц — сгибателей стопы (трехглавая мышца голени, подошвенная мышца, задняя большеберцовая мышца, длинный сгибатель пальцев, длинная и короткая малоберцовые мышцы). Кроме того, следует посоветовать пациенту уменьшить массу тела (похудеть), если вес его превышает нормальные показатели.

Рычаги II рода: а — рычаг силы;б — рычаг скорости. О — ось вращения, или точка опоры; МА — мышечная сила; ТВ — сила тяжести данного костного звена; ОA — плечо рычага мышечной силы; ОВ — плечо рычага силы тяжести

Примером движения по закону «рычага скорости» служит сгибание руки в локтевом суставе.

Знание законов рычагов I и II рода помогает правильно выбирать наиболее оптимальные исходные положения (ИП) для выполнения физических упражнений. Так, для укрепления прямых мышц живота необходимо постепенно увеличивать момент вращения силы тяжести туловища за счет изменения длины плеча рычага, или массы туловища, или того и другого вместе. Изменение плеча рычага может быть достигнуто за счет изменения положения туловища. Сгибание и разгибание туловища сначала выполняются в исходном положении сидя на стуле, на полу. Так обеспечивают щадящее воздействие на прямую мышцу живота. По мере адаптации постепенно следует переходить к более нагрузочным ИП: лежа на спине, лежа на спине поперек гимнастической скамейки, касаясь головой и ногами пола. Такое изменение ИП дает возможность постепенно увеличивать плечо рычага силы тяжести туловища. Усилить воздействие на прямую мышцу живота можно, увеличив массу тела за счет выполнения упражнений с отягощением (гантели, медицинболы), с сопротивлением (резиновые бинты). Удлинение плеча рычага силы тяжести с одновременным увеличением самой силы тяжести — еще один вариант для укрепления силы этой мышцы.

Другой пример. У больного после перелома в верхней трети плечевой кости имеются последствия. Возникает необходимость укрепить отводящие мышцы плеча (средние пучки дельтовидной мышцы, надостную мышцу) для восстановления подвижности в плечевом суставе. В первой половине курса лечения для этих ослабленных мышц следует создать облегченные условия за счет уменьшения момента вращения силы тяжести руки и плеча рычага силы тяжести. Плечо рычага силы тяжести руки можно уменьшить за счет выполнения отведения в плечевом суставе рукой, согнутой в локтевом суставе. При этом плечо рычага силы тяжести руки уменьшится почти в 2 раза.

Для уменьшения веса конечности следует отводить руку больного с помощью руки методиста или подвесив ее на Лямках, используя блоки, выполняя упражнения в воде. Во второй половине курса лечения.необходимо укреплять и наращивать силу отводящих мышц плеча. Для этого упражнения следует выполнять с полным рычагом (отведение прямой руки в сторону), с удлиненным рычагом силы тяжести конечности (упражнения с булавами, гимнастическими палками), с отягощением, т.е. увеличением силы тяжести конечности (гантели, медицинболы), с сопротивлением (резиновые бинты, эспандеры).

Для восстановления подвижности в том или ином суставе Необходимо знать возможные направления его движений. У свободного, незакрепленного тела имеется шесть степеней свободы:

три поступательных движения в направлениях:

• переднезаднем (вперед, назад),
• поперечном (вправо, влево),
• вертикальном (вверх, вниз);

три вращательных движения вокруг указанных выше осей.

В опорно-двигательном аппарате все костные звенья соединены друг с другом.

Трехосные суставы имеют три степени свободы, это — самые подвижные суставы. К ним относятся сочленение голрвы с позвоночником, сочленение позвонков между собой, плечевой, плечелучевой, грудино-ключичный, тазобедренный суставы. Эти суставы по форме — шаровидные или ореховидные. В них возможны движения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей (переднезадней, поперечной, вертикальной) и внутри трех взаимно перпендикулярных плоскостей (фронтальной, сагиттальной и горизонтальной). Плоскости движения располагаются перпендикулярно осям вращения.

В трехосных суставах конечностей возможно отведение, приведение, сгибание, разгибание, поворот внутрь, наружу; для позвоночника — наклоны вправо, влево, сгибание, разгибание, повороты вправо, влево.

Двухосные суставы (лучезапястный, сустав I пальца кисти, пястно-фаланговые сочленения, коленный) имеют меньшую подвижность и две степени свободы. По форме они — яйцевидные, эллипсоидные, седловидные. В них возможны следующие движения:

• ось поперечная, плоскость сагиттальная (сгибание, разгибание);
• ось переднезадняя, плоскость фронтальная (отведение, приведение).

В запястно-пястном (седловидном) суставе I пальца кисти возможны следующие движения: оппозиция (противопоставление) и репозиция (обратное движение).

В двухосных и трехосных суставах возможны круговые движения.

Одноосные суставы (плечелоктевой, лучелоктевой, межфаланговые, голеностопный, шопаров) имеют одну степень свободы. По форме они — блоковидные или цилиндрические. В них возможны следующие движения:

• ось поперечная, плоскость сагиттальная;
• если ось сустава идет наискось, например — в лучелоктевом, шопаровом суставах, возможны поворот наружу (супинация), поворот внутрь (пронация).

Круговые движения в одноосных суставах невозможны.

Все крупные мышцы, осуществляющие движения в суставах, едины с анатомической точки зрения. В то же время в функциональном отношении они не едины. Различные отделы одной и той же крупной мышцы выполняют различные движения. Так, сгибание руки в плечевом суставе осуществляют передние пучки дельтовидной мышцы, отведение руки в сторону до горизонтали — средние пучки, разгибание — задние пучки. Верхний отдел большой грудной мышцы поднимает плечевую кость, нижний ее отдел — опускает. Эти знания для больных с нарушениями функций движения помогают целенаправленно подбирать упражнения для тренировки определенных порций мышц.

М ы ш е ч н ы й  т о н у с — это непроизвольное напряжение мышц в состоянии покоя. Мышечный тонус обеспечивает возможность принимать различные положения тела в пространстве. Мышца может находиться в четырех состояниях: покоя, сокращения, расслабления, растяжения. Любое движение осуществляется в результате содружественной работы мышц. Синергистами обозначают мышцы, участвующие в однонаправленном движении. Антагонистами называют мышцы, производящие движение в противо-положном направлении. Синергистами, например, являются мышцы — локтевой и лучевой сгибатели, выполняющие одноонаправленное движение — сгибание кисти, а мышцы — локтевой и лучевой разгибатели — их антагонистами, так как осуществляют противоположно направленное движение — разгибание кисти.

Тонус мышц при всех движениях меняется: при сгибании повышается тонус мышц-сгибателей и на столько же снижается тонус мышц-разгибателей.

В ЛФК существуют три основных вида мышечной работы:

• уступающая динамическая (сопротивление),
• преодолевающая динамическая,
• статическая.

Первый и второй виды работы осуществляются в изотоническом режиме, третий — в изометрическом.

Измерение движений в суставах

Измерение углов вращения производится с помощью измерительных инструментов. Простейший из них называется угломером, или гониометром; он состоит из транспортира со шкалой 180°, соединенного с двумя браншами. Одна из бранш подвижна (рис. 3). При измерении ось угломера совмещается с осью сустава, а бранши размещаются по оси сочленяющихся проксимального и дистального сегментов.

Измерение движений в коленном суставе с помощью угломера

Для преемственности и сравнимости результатов измерений, исключения ошибок необходимы одинаковые методики измерения (рис. 4, 5, табл. 1). Угол максимального разгибания-сгибания сустава в одной плоскости называется амплитудой движения.

Положение угломера при измерении подвижности в суставах: а-г — плечевом; д, е — локтевом; ж, з — тазобедренном

Положение угломера при измерении подвижности в суставах: а, б — лучезапястном; в, г — коленном; д, е — голеностопном

Таблица 1. Измерение амплитуды движения в некоторых суставах

При измерении движений в плечевом суставе за исходную величину принимают 0° при опущенной руке и сомкнутых браншах угломера. При .измерении движений в локтевом, лучезапястном, тазобедренном и коленном суставах за исходную величину берется 180°. Измерения в голеностопном суставе принято проводить от исходной величины 90°. Средняя нормальная подвижность в суставах конечностей представлена в табл. 2.

Таблица 2. Средняя подвижность в некоторых суставах конечностей (в rnanvcax от исходного положения)

Движения туловища в сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскостях — наклоны, повороты, вращения — осуществляются благодаря подвижным соединениям между позвонками. Подвижность между ними невелика, но в сумме оказывается значительной. Наиболее подвижны шейный и поясничный отделы позвоночника, менее — грудной. Возможны следующие движения туловища: сгибание и разгибание (наклон вперед и разгибание назад), наклоны в стороны (вправо и влево), ротация вокруг вертикальной оси (поворот вправо и влево) и круговые движения.

Исходное положение для измерения движений в суставах шейного отдела позвоночника — сидя на стуле с выпрямленным туловищем и головой; измерение проводят по положению головы. Движения в грудном и поясничном отделах измеряют в положении стоя прямо со слегка расставленными ногами и свободно свисающими руками по линии остистых отростков. При измерении ротации в поясничном отделе необходимо фиксировать таз, предварительно усадив больного «верхом» на сиденье стула. Движения позвоночника определяют и в градусах (что более сложно), и по максимальным движениям различных отделов.

В шейном отделе позвоночника сгибание в норме совершается до соприкосновения подбородка с грудиной, разгибание — до горизонтального положения затылка, наклоны в стороны — до соприкосновения ушной раковины с над-плечьем, при максимальной ротации подбородок касается акромиона. Тренированный взрослый человек при наклоне вперед может коснуться кончиками пальцев рук пола, не сгибая коленных суставов, при наклоне в сторону кончики пальцев, скользя по наружной поверхности бедра, могут коснуться соответствующего коленного сустава. Нормальными объемами движений в шейном отделе позво-ночника принято считать: разгибание 70°, сгибание 60°, пово-роты в стороны по 45°. Наклоны в стороны в грудном и поясничном отделах вместе составляют по 50°. Общая амплитуда сгибания и разгибания в поясничном отделе позвоночника до-стигает 80°. Суммарные движения всего позвоночного столба . возможны в пределах: до 160° — сгибание, до 45° — разгиба-ние, общая амплитуда движения во фронтальной плоско-сти — до 165°, поворотов в каждую сторону — до 120°.

Исходные положения тела для выполнения упражнений

Поза больного может облегчать, усложнять или отягощать выполнение физических упражнений, а в зависимости от цели тренировки — способствовать повышению ее эффективности. Исходное положение у лиц со сниженными функциональными возможностями должно упрощать и облегчать исполнение движений. В лечебной физкультуре применяют различные ИП, но чаще — положения лежа, сидя и стоя. Положение лежа применяют чаще для больных, находящихся на постельном режиме, при некоторых заболеваниях позвоночника; лежа и сидя — для слабых больных и при заболеваниях нижних конечностей, стоя — для окрепших, подвижных больных, при заболеваниях верхних конечностей.

Ис х о д н о е  п о л о ж е н и е  л е ж а — самая простая поза, или облегченное ИП. В этом положении нет борьбы с гравитационными силами, возможно максимальное расслабление скелетной мускулатуры, устойчивость равновесия обеспечивается большой площадью опоры и низким положением общего центра тяжести тела. Верхние и нижние конечности свободны для выполнения движений. Положение лежа в зависимости от состояния больного и характера предстоящих упражнений может, быть на спине или животе, при специальных показаниях — на боку.

Ис х о д н о е  п о л о ж е н и е  с и д я — поза тела со значительной площадью опоры. В этой позе сравнительно легко (автоматически) удерживается равновесие тела, исключаются значительные статические мышечные усилия нижних конечностей. Эта поза позволяет производить значительные движения свободными сегментами конечностей и включать в упражнения группы мышц шеи и туловища.

В  и с х о д н о м   п о л о ж е н и и  с т о я отмечаются высокое положение общего центра тяжести тела и малая площадь опоры. В регулировании такого (вертикального) положения тела участвуют различные части нервной системы. Вертикальная поза зависит от взаимного расположения различных звеньев тела, постоянного воздействия, гравитации и других внешних сил. Поддерживается она благодаря сокращению определенных мышц, которые автоматически на уровне подсознания корригируют отклонения тела от положения равновесия. В поддержании вертикального положения тела участвуют четырехглавые мышцы бедер, разгибатели тазобедренных суставов, мышцы голеней и стоп, живота, туловища, шеи и др. Стопы опираются на пяточные кости и головки плюсневых костей. Разновидности позы, стоя зависят от размеров площади опоры, положения общего центра тяжести и линии гравитации, имеют различную степень устойчивости равновесия (например, положение ног: одна впереди другой, стопы на одной линии, на носках, в положении «смирно» и др.). Наиболее устойчивым и легко управляемым является положение стоя с широкой расстановкой ног.

Упоры, висы, ходьба, бег, приседания, прыжки, подскоки с точки зрения биомеханики

У п о р ы  относятся к положениям тела с неустойчивым равновесием. Наиболее типичным является упор лежа. Тело выпрямлено и занимает наклонное положение, голова держится прямо, шейный отдел позвоночника в состоянии небольшого разгибания. Верхние конечности выпрямлены, расположены почти под прямым утлом к туловищу и соприкасаются с опорной поверхностью. Нижние конечности также выпрямлены, но находятся под острым углом к опорной поверхности. Все части тела образуют замкнутую кинематическую цепь. Степень устойчивости равновесия сравнительно большая, так как площадь опоры — значительных размеров, а высота, общего центра тяжести — небольшая (30-35 см). Поэтому в таком положении можно производить различные движения с перемещением частей тела без нарушения равновесия.

К положениям тела при верхней опоре относятся различные висы. Эти положения являются устойчивыми. Наиболее просты из них — «чистые» висы на выпрямленных руках. Тело человека занимает выпрямленное вертикальное положение. Руки подняты вверх, выпрямлены и фиксированы к снаряду. Сила тяжести как бы стремится растянуть тело. Вис противодействует силе мышечной тяги. Работа аппа-рата движения в этом положении сложна, так как совершается в необычных для организма условиях. Висы относятся к силовым упражнениям. Если в положении вискисполъзу-ется опора ног (смешанный вис), то масса тела равномерно распределяется на мышечные группы, не нарушается функция дыхания. Смешанные висы широко применяют в ЛФК.

Х o д ь б а — обычная двигательная деятельность человека, Это постоянная попеременная активность ног. Когда одна нога, опираясь на землю, служит для поддержки и последующего отталкивания тела (опорная фаза одной ноги), другая, поднятая и висящая в воздухе, перемещается вперед (пере-носная или маховая фаза другой ноги). Каждая нога после-довательно проходит обе фазы — опорную и переносную. Два шага составляют цикл.

Б е г — циклические движения шагом, сложный рефлекторный двигательный акт, требующий участия всей скелетной мускулатуры тела, значительного напряжения нервной системы и достаточной физической подготовки человека. Он может дозироваться по скорости, длительности, ширине шага.

П р и с е д а н и я — упражнения, выполняемые преимущественно за счет работы мышц нижних конечностей. Стопы могут опираться на площадь опоры всей подошвенной поверхностью или только на головки плюсневых костей и пальцы. Упражнения могут быть облегчены опорой руками в передние поверхности бедер, поддержкой за какой-нибудь предмет. Величина нагрузки дозируется глубиной приседаний, темпом и числом повторений. Упражнения могут быть усложнены и отягощены нагрузкой на свободные руки.

П р ы ж к и  характеризуются свободным полетом тела в воздухе в результате отталкивания от опорной поверхности. Основная работа выполняется мышцами нижних конечностей, вспомогательная — мускулатурой туловища и верхних конечностей. Выполнение упражнения обеспечивается одновременным сокращением крупных мышечных групп нижних конечностей, большой амплитудой движений в крупных суставах ног и плечевых суставах.

По д с к о к и — это простые прыжки на месте. Основная на-грузка при подскоках приходится на сгибатели стопы. В голеностопном суставе при подскоках используется максимальная амплитуда движений. Мышцы тазобедренного и коленного суставов выполняют вспомогательную роль. Движения в этих суставах совершаются с небольшой амплитудой.