Дайте определение понятию «биомеханическая система». За счет как их средств достигается переменный характер системы. Основные функции биомеханической системы.

Дайте определение понятию «биомеханическая система». За счет каких средств достигается переменный характер системы. Основные функции биомеханической системы.

1.Скелет, составленный из подвижно соединенных костей, представ­ляет собой твердую основу биокинематических цепей. Звенья цепей с приложенными к ним силами (мышечной тяги и др.) в биомеханике рассматриваются как система составных рычагов.

Рычаг — твердое тело, которое может под действием приложен­ных сил вращаться вокруг опоры (оси) в двух противоположных направлениях, а также сохранять свое положение. Виды костных рычагов и их роль в движении человека. С точки зрения биомеханики аппарат движения человека представляет собой управляемую систему подвижно соединенных костей, которые обладают определёнными размерами, массами, моментами инерции и снабжены мышечными двигателями. Скелет состоит из 206 костей (85 парных и 36 непарных), которые соединены суставами и связками. Это пассивная часть опорно-двигательного аппарата. Поперечно-полосатые скелетные мышцы (их более 600) – это его активная часть, приводящая в движение костные звенья. Управление этим костно-мышечным аппаратом движения осуществляется центральной нервной системой. Само движение осуществляется системой костных рычагов, которые приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц. Рычагом называется твердое тело, имеющее ось вращения (точку опоры), к которому приложены силы, создающие моменты сил относительно этой оси. Напомним, что момент силы (относительно некоторой оси или точки опоры) равен произведению величины силы на плечо еë действия, а плечо силы – это кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы (лежащей в плоскости вращения). Два основных вида рычагов: а)– рычаг скорости, б) – рычаг силы. В качестве примера рычага рассмотрим предплечье. Здесь сила тяги мышцы F приложена к короткому плечу a рычага (точка опоры О – локтевой сустав), а к его длинному плечу b приложена нагрузка R — сила тяжести удерживаемого груза, приложенная обычно к кисти, а также сила тяжести самого предплечья, приложенная в его центре масс (на рисунке не показана и далее не учитывается). Моменты этих сил равны соответственно F·a и R·b. Для равновесия рычага необходимо равенство моментов противодействующих сил, приложенных к нему: F × a = R × b. При движении рычага угловая скорость r u w = всех его точек одинакова, где υ – линейная скорость точки, а r – ее расстояние от оси вращения, поэтому для точек приложения груза и мышцы к рычагу можем записать: b а гр м u u =. Из этих соотношений следует, что a b F = R, а a b гр м u =u, где υгр – скорость движения груза, а υм - скорость укорочения мышцы. При a< b рычаг проигрывает в силе (F>R), но выигрывает в скорости перемещения груза (гр м u >u) и называется поэтому рычагом скорости (напр., предплечье,), а при a >b рычаг дает выигрыш в силе (F< 900. F F ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости и поскольку здесь a > b, то F < R. Часто мышечная сила F направлена к рычагу под углом a, отличным oт 90О. В этом случае условие равновесия рычага принимает вид: F·а·sina = R·b, откуда а sina R b F × × =, т. е. мышечное усилие F, необходимое для преодоления данной силы сопротивления R, должно быть тем больше, чем под меньшим углом к оси рычага оно направлено. Одиночное мышечное волокно при сокращении развивает силу порядка 2 мН. В мышцах человека содержится примерно 3 ·107 волокон. Если бы все они сократились одновременно в одном направлении, то создали бы огромное усилие – до 60 000Н. Сила мышцы зависит от количества содержащихся в ней волокон. Поскольку их трудно подсчитать, обычно измеряют поперечное сечение мышцы, которое пропорционально числу волокон, и по нему судят о ее силовых возможностях. При этом нужно определять не геометрическое, а физиологическое поперечное сечение, под которым понимают сумму поперечных сечений всех волокон, образующих данную мышцу. Отношение максимального мышечного усилия, которое может развить мышца, к ее физиологическому поперечному сечению называется абсолютной мышечной силой и выражается в единицах напряжения (Н·м–2 = Па). Для большинства скелетных мышц человека абсолютная мышечная сила имеет порядок 106 Па (100 Н/см2), а для гладких - 105 Па (10 Н/см2). Сила одних и тех же мышц человека зависит от ряда физиологических условий: возраста, пола, тренированности и т.д. Перемещение тела человека в пространстве совершается благодаря мышечным сокращениям, при которых мышцы и укорачиваются и напрягаются. В изотоническом режиме, т.е. при постоянной нагрузке на мышцу, зависимость между скоростью u мышечного сокращения и приложенной силой F описывается уравнением Хилла: F a F F b + - = max u; (5.3) Здесь Fmax – максимальное усилие, развиваемое данной мышцей, а – константа, имеющая размерность силы, b – константа, имеющая размерность скорости. Из уравнения Хилла (5.3) следует, что при отсутствии нагрузки (F = 0) скорость сокращения мышцы максимальна, а с увеличением нагрузки она уменьшается и при максимальной нагрузке (F = Fмах) ее укорочение вовсе не происходит (u =0). Коэффициент полезного действия (КПД = А/Е) при сокращении мышцы определяется как отношение совершённой работы А к затраченной энергии Е и может достигать 40 - 60% в разных типах мышц. Мышечные усилия и внешние силы, действующие на ткани человека, вызывают деформацию этих тканей и создают в них механические напряжения, которые до определенных значений безопасны для организма, но их превышение может приводить к травмам: к растяжению мышц, связок, вывихам, переломам и другим. Поэтому далее мы рассмотрим механические свойства различных сред и особенности их поведения при воздействии различных нагрузок.