Биомеханика верхней конечности
Если попытаться представить себе разнообразные трудовые процессы, в которых участвует рука человека, то можно убедиться, что это разнообразие функций руки достигается путем, отличным от того, который обычно используется в технической механике. Последняя разрабатывает для каждой функции свой специальный механизм. Рука же человека приспособляется к новой функции, используя одни и те же звенья и сочленения.
Если рассматривать верхнюю конечность человека как систему сочленений твердых тел, то эта система не представляет собой какой-либо один однозначный механизм; она имеет столько подвижностей в различных суставах, что если бы их все использовать одновременно, то никакого определенного рабочего действия не могло бы получиться. Верхняя конечность человека с механической точки зрения представляет собой кинематическую цепь последовательно соединенных между собой кинематических пар (пар, соединенных между собой в суставах звеньев, взаимно ограничивающих движения, например плечо— предплечье, предплечье — кисть и т. д.). В открытой кинематической цепи (с незакрепленным последним звеном), к которой относится кинематическая цепь верхней конечности, число подвижностей (степеней свободы *) концевого звена равно сумме подвижностей всех промежуточных звеньев.
Сколько же подвижностей, или степеней свободы, имеет кисть руки по отношению к лопатке? Плечевая кость относительно лопатки имеет три степени свободы, локтевая относительно плечевой — одну, кисть вместе с лучевой костью относительно предплечья — три степени свободы. Всего кисть имеет семь степеней свободы. Но поскольку уже шесть степеней свободы дают безграничную возможность перемещений, то в пределах длины руки кисть может двигаться по отношению к туловищу так, как будто она вовсе не имеет с ним связи.
При таком большом числе степеней свободы движение верхней конечности получает определенность и целесообразность благодаря тому, что в каждое мгновенье в каждом сочленении в результате сокращения мышц исключаются все возможные движения, все степени свободы, кроме одной, соответствующей выполняемому целесообразному движению. Так получаются различные типовые рабочие движения.
На рис. 11 в виде графиков последовательных положений руки через каждую 1/10 с представлены некоторые наиболее распространенные рабочие движения. На графиках рука изображена в виде линейной схемы, состоящей из трех звеньев: плечо, предплечье и кисть. Каждое из звеньев обозначено прямой линией, длина которой пропорциональна длине оси данного звена. Простейшее движение поднятия груза на вытянутых руках происходит так, что вследствие одновременного напряжения мышц-антагонистов, выполняющих противоположные движения в локтевом (сгибателей-разгибателей) и в лучезапястном (сгибателей-разгибателей и приводящих-отводящих) сочленениях, вся рука фиксирована в виде жесткого рычага, все степени свободы в лучезапястном и локтевом суставах погашены. Погашено также напряжение мышц, осуществляющих приведение плеча (приближение плеча к туловищу), движение отведения плеча. Оставшаяся возможность движения верхней конечности — сгибание (вынос плеча вперед) и разгибание (возвращение плеча к туловищу) — в плечевом суставе используется для выполнения определенного движения — поднятия и опускания груза на вытянутых руках. На рисунке представлено более сложное движение — свободное поднятие груза, при котором производятся поочередные сгибания и разгибания в двух сочленениях: одновременное сгибание в плечевом и локтевом сочленениях при поднятии и одновременное разгибание в тех же сочленениях при опускании груза. При рубке зубилом, заколачивании гвоздей рабочее применение получает не сгибание, как в предыдущих примерах, а разгибание, причем во время удара происходит одновременное разгибание в плечевом и локтевом сочленениях. При пилящих движениях, применяемых при пилке дров, опиловке металла, стирке, происходят одновременное сгибание в плечевом сочленении и разгибание в локтевом сочленении.
Рис. 11. Типы рабочих движений:
а — поднятие груза на вытянутых руках, б — свободное поднятие груза, в — поднятие груза с укладкой на подставку, г — рубка зубилом (пунктир — ось молотка) и т. п., д — опиловка, пилка дров и т. п.
Чем определяется строгая последовательность, во времени и соразмерность скоростей и усилий при выполнении рабочих движений? Закономерное развитие во времени мышечного напряжения вокруг каждого сочленения руки обеспечивается нервными импульсами, поступающими к мышцам по нервам в виде серий (пачек) слабых электрических разрядов (биотоков), следующих с различной частотой (от 30 до 150 разрядов в секунду). Эти потоки нервных импульсов усиливают или ослабляют возбужденные мышцы соответственно силе и частоте биотоков.
Таким образом, каждому движению придается определенность подвижным, переменным распределением мышечных усилий, в свою очередь обусловленным различными сочетаниями состояний возбуждения клеток в нервной системе. Последовательность, с которой чередуются состояния возбуждения различных мышц при выполнении конкретного движения, закрепляется в порядке формирования системы условных рефлексов — двигательного динамического стереотипа. Элементами этого стереотипа являются отдельные мышечные сокращения, в целом вызывающие сложные движения частей тела. Каждая серия нервных импульсов при выполнении конкретного движения получает условнорефлекторное подкрепление в результате разнообразных раздражений (зрительных, слуховых, осязательных и др.), сигнализирующих правильное (т. е. достигающее поставленные цели) выполнение заданного движения.