Статика і динаміка тіла людини: центр ваги

Вертикальне положення тіла людини, переміщення його в просторі, різні види рухів (ходьба, біг, стрибки) склалися в процесі тривалої еволюції разом зі становленням людини як виду. У процесі антропогенезу, в зв'язку з переходом предків людини до наземних умов існування, а потім і до переміщення на двох (нижніх) кінцівках суттєво змінилася анатомія всього організму, окремих його частин, органів, включаючи і опорно-руховий апарат. Прямоходіння звільнив верхню кінцівку від опорно-рухової функції. Верхня кінцівка перетворилася в орган праці - руку і надалі могла удосконалюватися в спритності рухів. Ці зміни як результат якісно нової функції відбилися на будівлі всіх складових частин пояса і вільного відділу верхньої кінцівки. Плечовий пояс служить не тільки опорою вільної верхньої кінцівки, він значно збільшує її рухливість. Завдяки тому що лопатка з'єднується з кістяком тулуба головним чином за допомогою м'язів, вона набуває велику свободу рухів. Лопатка бере участь у всіх рухах, які здійснює ключиця. Крім того, лопатка може вільно переміщатися незалежно від ключиці. У багатовісним кулеподібному плечовому суглобі, який майже з усіх боків оточений м'язами, анатомічні особливості будови дозволяють здійснювати рух по великим дуг у всіх площинах. Особливо помітно спеціалізація функцій відбилася на будові кисті. Завдяки розвитку довгих, дуже рухливих пальців (в першу чергу великого пальця) кисть перетворилася в складний орган, що виконує тонкі, диференційовані дії.

Нижня кінцівка, прийнявши на себе всю тяжкість тіла, пристосувалася винятково до опорно-рухової функції. Вертикальне положення тіла, прямоходіння відбилися на будову і функції пояса (таза) і вільного відділу нижньої кінцівки. Пояс нижніх кінцівок (тазовий пояс) як міцна аркова конструкція пристосувався до передачі ваги тулуба, голови, верхніх кінцівок на голівки стегнових кісток. Сталий в процесі антропогенезу нахил таза на 45-65 ° сприяє перенесенню на вільні нижні кінцівки ваги тіла в найбільш сприятливих для вертикального положення тіла біомеханічних умовах. Стопа набула склепінчасте будова, що збільшило її здатність протистояти ваги тіла і виконувати роль гнучкого важеля при його переміщенні. Сильно розвинулася мускулатура нижньої кінцівки, яка пристосувалася до виконання статичних і динамічних навантажень. У порівнянні з м'язами верхньої кінцівки м'язи нижньої кінцівки мають велику масу.

На нижньої кінцівки м'язи мають великі поверхні опори і додатка м'язової сили. М'язи нижньої кінцівки більший і сильніший, ніж верхньої кінцівки. На нижньої кінцівки розгиначі розвинені більше, ніж згиначі. Це пов'язано з тим, що розгиначі відіграють велику роль в утриманні тіла у вертикальному положенні і при пересуванні (ходьба, біг).

На руці згиначі плеча, передпліччя і кисті зосереджені на передній стороні, оскільки робота, вироблена руками, відбувається попереду тулуба. Хапальні рухи виробляються кистю, на яку діє більше число згиначів, ніж розгиначів. М'язів, що повертають (пронатори, супінатори) у верхній кінцівці також більше, ніж у нижній. У верхньої кінцівки вони розвинені набагато краще, ніж у нижній. Маса пронаторов і супінаторів руки відноситься до інших м'язів верхньої кінцівки як 1: 4,8. У нижньої кінцівки відношення маси м'язів, що повертають до решти дорівнює 1: 29,3.

Фасції, апоневрози у нижньої кінцівки в зв'язку з великим проявом сили при статичних і динамічних навантаженнях розвинені значно краще, ніж у верхньої кінцівки. У нижньої кінцівки є додаткові механізми, які сприяють утриманню тіла у вертикальному положенні і забезпечують пересування його в просторі. Пояс нижньої кінцівки майже нерухомо з'єднаний з хрестцем і являє собою природну опору тулуба. Прагненню таза перекинутися назад на голівках стегнових кісток перешкоджають сильно розвинена клубово-стегнова зв'язка тазостегнового суглоба і сильні м'язи. Крім того, вертикаль ваги тіла, що проходить попереду поперечної осі колінного суглоба, механічно сприяє утриманню колінного суглоба в розігнути положенні.

На рівні гомілковостопного суглоба при стоянні збільшується площа зіткнення між суглобовими поверхнями кісток гомілки і таранної кістки. Цьому сприяє той факт, що медійна і латеральна щиколотки охоплюють передній, більш широкий відділ блоку таранної кістки. Крім того, фронтальні осі правого і лівого гомілковостопних суглобів встановлюються один до одного під кутом, відкритим кзади. Вертикаль ваги тіла проходить кпереди по відношенню до гомілковостопним суглобам. Це призводить як би до обмеження переднього, більш широкого відрізка блоку таранної кістки між медіальної і латеральної щиколотки. Суглоби верхньої кінцівки (плечовий, ліктьовий, променевозап'ястний) таких гальмівних механізмів не мають.

Глибоких змін в процесі антропогенезу піддалися кістки, м'язи тулуба, особливо осьового скелета - хребетного стовпа, який є опорою для голови, верхніх кінцівок, органів грудної та черевної порожнин. У зв'язку з прямоходінням утворилися вигини хребта, розвинулася потужна дорсальная мускулатура. Крім того, хребет практично нерухомо з'єднаний в парному міцному крижово-клубової зчленуванні з поясом нижніх кінцівок (з тазовим поясом), який в біомеханічному плані служить розподільником ваги тулуба на головки стегнових кісток (на нижні кінцівки).

Поряд з анатомічними факторами - особливостями будови нижньої кінцівки, тулуба, виробленими в процесі антропогенезу для підтримки тіла у вертикальному положенні, забезпечення стійкої рівноваги і динаміки, особлива увага повинна бути приділена положенню центру тяжіння тіла.

Загальним центром ваги (ОЦТ) людини називають точку прикладання рівнодіюча всіх сил тяжкості частин його тіла. Згідно з даними М.Ф.Іваніцкого, ОЦТ розташовується на рівні IV крижовиххребців і проектується на передню поверхню тіла вище лобкового симфізу. Положення ОЦТ по відношенню до поздовжньої осі тіла і хребетного стовпа залежить від віку, статі, кісток скелета, м'язів і відкладень жиру. Крім того, спостерігаються добові коливання положення ОЦТ в зв'язку з укороченням або подовженням хребетного стовпа, які виникають через нерівномірних фізичних навантажень вдень і вночі. У літніх і старих людей становище ОЦТ залежить також від постави. У чоловіків ОЦТ розташовується на рівні III поперекового - V крижового хребців, у жінок - на 4-5 см нижче, ніж у чоловіків, і відповідає рівню від V поперекового до I куприкового хребця. Це залежить, зокрема, від більшого, ніж у чоловіків, відкладення підшкірного жиру в області таза і стегон. У новонароджених ОЦТ знаходиться на рівні V-VI грудних хребців, а потім поступово (до 16-18 років) опускається вниз і переміщається кілька вкінці.

Положення ОЦТ тіла людини залежить також від типу статури. У осіб доліхоморфного типу статури (у астеніків) ОЦТ розташовується відносно нижчою, ніж у осіб брахіморфного типу статури (у гиперстеников).

В результаті досліджень було встановлено, що ОЦТ тіла людини знаходиться зазвичай на рівні II крижового хребця. Стрімка лінія центра ваги проходить на 5 см позаду поперечної осі тазостегнових суглобів, приблизно на 2,6 см ззаду від лінії, що з'єднує великі рожна, і на 3 см допереду від поперечної осі гомілковостопних суглобів. Центр ваги голови розташовується трохи наперед від поперечної осі ат-лантозатилочних суглобів. Загальний центр ваги голови і тулуба знаходиться на рівні середини переднього краю X грудного хребця.

Для збереження стійкого рівноваги тіла людини на площині необхідно, щоб перпендикуляр, опущений з його центра ваги, падав на площу, яку займає обома ступнями. Тіло варто тим міцніше, чим ширше площа опори і чим нижче розташований центр ваги. Для вертикального положення тіла людини збереження рівноваги є головним завданням. Однак, напружуючи відповідні м'язи, людина може утримати тіло в різних положеннях (в певних межах) навіть тоді, коли проекція центра ваги виведена за межі площі опори (сильний нахил тулуба вперед, в сторони і т.д.). Разом з тим стояння і пересування тіла людини не можна вважати стійкими. При відносно довгих ногах людина має порівняно невелику площу опори. Оскільки загальний центр ваги тіла у людини розташований порівняно високо (на рівні II крижового хребця), а опорна площа (площа двох підошов і простору між ними) незначна, стійкість тіла дуже невелика. У стані рівноваги тіло утримується силою м'язових скорочень, що запобігає його від падіння. Частини тіла (голова, тулуб, кінцівки) при цьому займають відповідне кожної з них положення. Однак якщо буде порушено співвідношення частин тіла (наприклад, витягування рук вперед, згинання хребта при стоянні і т.д.), то відповідно змінюються положення і рівновагу інших частин тіла. Статичні і динамічні моменти дії мускулатури знаходяться в прямому зв'язку з положенням центра ваги тіла. Оскільки центр ваги всього тіла розташовується на рівні II крижового хребця позаду поперечної лінії, що з'єднує центри тазостегнових суглобів, прагненню тулуба (разом з тазом) перекинутися назад протистоять сильно розвинені м'язи і зв'язки, які зміцнюють тазостегнові суглоби. Так забезпечується рівновагу всієї верхньої частини тіла, утримує на ногах у вертикальному положенні.

Прагнення тіла впасти вперед при стоянні обумовлено проходженням вертикалі центра ваги попереду (на 3-4 см) від поперечної осі гомілковостопних суглобів. Падіння протистоять дії м'язів задньої поверхні гомілки. Якщо стрімка лінія центра ваги переміститься ще далі вперед - до пальців, то скороченням задніх м'язів гомілки п'ята підводиться, відривається від площини опори, стрімка лінія центра ваги переміщається вперед і опорою служать пальці стопи.

Крім опорної, нижні кінцівки виконують локомоторну функцію, переміщаючи тіло в просторі. Наприклад, при ходьбі тіло людини робить поступальний рух, поперемінно спираючись то на одну, то на іншу ногу. При цьому ноги по черзі здійснюють маятнікообразние руху. При ходьбі одна з нижніх кінцівок в певний момент є опорою (задній), інша - вільної (передній). При кожному новому кроці вільна нога стає опорної, а опорна виноситься вперед і робиться вільною.

Скорочення м'язів нижньої кінцівки при ходьбі помітно підсилюють зігнутість підошви стопи, збільшують кривизну її поперечного і поздовжніх склепінь. Одночасно в цей момент тулуб кілька нахиляється вперед разом з тазом на голівках стегнових кісток. Якщо перший крок розпочато правою ногою, то права п'ята, потім середина підошви і пальці піднімаються над площиною опори, права нога згинається в тазостегновому і колінному суглобах і виноситься вперед. Одночасно тазостегновий суглоб цієї сторони і тулуб слідують вперед за вільною ногою. Ця (права) нога енергійним скороченням чотириголового м'яза стегна випрямляється в колінному суглобі, стосується поверхні опори і стає опорною. У цей момент інша, ліва нога (до цього моменту задня, опорна) відривається від площини опори, виноситься вперед, стаючи передньою, вільною ногою. Права нога в цей час залишається позаду в якості опорної. Разом з нижньою кінцівкою і тіло пересувається вперед і трохи вгору. Так обидві кінцівки по черзі проробляють одні й ті ж рухи в строго визначеної послідовності, підпираючи тіло то з одного, то з іншого боку і штовхаючи його вперед. Однак під час ходьби не буває моменту, щоб обидві ноги були одночасно відірвані від поверхні землі (площину опори). Передня (вільна) кінцівка завжди встигає торкнутися площини опори п'ятою раніше, ніж задня (опорна) нога повністю відокремиться від неї. Цим ходьба відрізняється від бігу та стрибків. Разом з тим при ходьбі присутній момент, коли обидві ноги одночасно стосуються землі, причому опорна - всієї підошви, а вільна - пальцями. Чим швидше ходьба, тим коротше момент одночасного дотику обох ніг до площини опори.

Простежуючи при ходьбі зміни положення центра ваги, можна відзначити рух усього тіла вперед, вгору і сторони в горизонтальній, фронтальній і сагітальній площинах. Найбільше зміщення відбувається вперед в горизонтальній площині. Зсув вгору і вниз становить 3-4 см, а в сторони (бічні хитання) - 1-2 см. Характер і ступінь цих зсувів схильні до значних коливань і залежать від віку, статі та індивідуальних особливостей. Сукупність цих факторів обумовлює індивідуальність ходи, яка може змінюватися під впливом тренування. В середньому довжина звичайного спокійного кроку становить 66 см і займає час 0,6 с.

При прискоренні ходьби крок переходить в біг. Біг відрізняється від ходьби тим, що при ньому мають місце поперемінно тільки опора і торкання площі опори то однієї, то іншою ногою.

[1], [2]