Анатомия человека - М.М. Курепина, А.П. Ожигова, А.А. Никитина 2010

Опорно-двигательный аппарат
Особенности опорно-двигательного аппарата и биомеханики тела человека
Анализ некоторых трудовых и спортивных движений

Физическая и психическая деятельность человека проявляется в движениях. Из закономерно сочетаемых и повторяющихся движений состоят ходьба, бег, письмо и труд человека.

Движения осуществляются в ответ на воздействия внутренних и внешних (физических, биологических и социальных) раздражителей. Это рефлекторные реакции центральной нервной системы на приходящие сигналы как от проприорецепторов опорнодвигательного аппарата, так и от интеро- и экстерорецепторов других сенсорных систем.

Всякое сложное движение имеет определенную структуру, под которой понимается система связанных друг с другом в единое целое простых движений (разгибание, сгибание и вращение в суставах, пронирование и супинирование рук и ног), без последовательного и закономерного выполнения которых оно не может совершиться. Структуру движений обусловливает взаимодействие сил, влияющих на тело извне и возникающих внутри него.

Внешние и внутренние силы, определяющие структуру движения.

К внешним силам (относительно тела человека), влияющим на структуру движений, относят: силу тяжести тела, сопротивление среды, реакцию опоры, силу трения, силу инерции внешних тел (рис. 1.70).

Рис. 1.70. Внешние силы, определяющие структуру движения:

F₁ — сила тяжести; F₂ — реакция опоры; F₃ — сопротивление среды; F₄ — сила трения

Внутренние силы проявляются главным образом в деятельности опорнодвигательного аппарата. К ним относят: силу тяги мышц, пассивное сопротивление тканей и внутренние реактивные силы.

Сила тяги мышц участвует во всех движениях человека. Она тем больше, чем сильнее напряжены мышцы. С уменьшением напряжения и расслаблением мышцы сила ее тяги падает.

При работе многосуставных мышц тяга одних может вызвать сопутствующее изменение напряжения других. Это явление известно под названием мышечной координации. Так, при сгибании ноги в тазобедренном суставе подвздошно-поясничной и другими мышцами растягиваются их антагонисты — двусуставные разгибатели: полусухожильная, полуперепончатая и двуглавая мышцы бедра. Под влиянием растяжения в них возникает возбуждение, и они, напрягаясь, сгибают ногу в коленном суставе. При этом икроножная мышца расслабляется и не препятствует передней большеберцовой мышце разогнуть за счет ее тонуса голеностопный сустав.

В работе многосуставных мышц встречается иногда парадоксальное действие. В этих случаях тяга мышцы вызывает движение, противоположное обычному. Так, например, при стоянии, когда ноги фиксированы весом тела на опоре, двусуставные разгибатели ноги в тазобедренном суставе, сокращаясь, действуют на коленный сустав не в качестве сгибателей (их основная функция), а разгибателей, так как при этом назад смещается не нижний, фиксированный конец голени, а верхний.

Пассивное сопротивление тканей проявляется в ограничении движений, которое создается связками, суставными сумками, а также вязкостью мышц, замедляющей их растягивание и сокращение. Сопротивление оказывают и кости, как рычаги, передающие движение другим подвижным звеньям тела. Ограничение движения могут оказывать многосуставные мышцы при определенном расположении соединяемых ими звеньев тела. Так, согнуть ногу в тазобедренном суставе можно значительно сильнее при согнутом колене. Если же коленный сустав разогнут, то сгибание тазобедренного сустава затрудняется в силу недостаточной длины задней группы мышц бедра, точки начала (на седалищном бугре) и прикрепления (на голени) которых оказываются при выпрямленной в колене ноге значительно удаленными друг от друга. Это явление носит название «пассивная недостаточность» мышц.

Внутренние реактивные, или отраженные, силы — это сила инерции. Вследствие того, что тело представляет собой цепь подвижных звеньев, сила инерции одного из них может передаваться другим. Так, после броска диска все тело через мышцы, затормозившие движение руки, испытывает толчок в противоположном направлении.

Механизмы движения. Большая часть крупных суставов туловища и конечностей — многоосные. Это значит, что в них возможно большое количество различных движений (степеней свободы движений); но в каждом частном случае движение происходит лишь в одном направлении, вокруг одной оси. Чтобы превратить сустав в двигательный механизм, к костям, которые он соединяет, должна быть приложена тяга мышц. Мышца, приводящая сустав в движение, совершает преодолевающую работу. Однако сокращение любой мышцы сопровождается растягиванием ее антагониста. Возникающие в последнем упругие силы сопротивления этому сокращению и последующее рефлекторное напряжение мешают совершить движение с полным размахом и наибольшей скоростью; антагонист, совершая уступающую работу, затормаживает движение. В результате взаимодействия преодолевающей и уступающей, динамической (или изотонической) работы мышц в суставе осуществляется движение с точно регулируемой скоростью. Тяга мышц, прикрепляющихся к костям в направлении, перпендикулярном движению, регулирует движение. Так, многоосный сустав становится определенным двигательным механизмом, т. е. соединением с одной возможностью точно регулированного движения.

В большинстве движений не все мышцы выполняют динамическую работу. Многие мышцы, напрягаясь, неподвижно закрепляют части скелета, что обеспечивает возможность динамической работы других мышц и позу человека. Подобные опорные, статические (изометрические) напряжения мышц проявляются в трех видах работы:

✵ удерживающей, когда мышца действует своей тягой против силы тяжести;

✵ укрепляющей, когда сила тяжести действует на сустав по вертикали и мышца, напрягаясь, противостоит его разрыву;

✵ фиксирующей, когда при совместном напряжении мышц-антагонистов сустав становится неподвижным.

В результате того, что нервная система постоянно согласует динамическую и статическую работу мышц, опорно-двигательный аппарат всегда находится в состоянии, которое обеспечивает нормальное взаимодействие организма со средой.

При любой работе активны не все мышцы: некоторые из них находятся в расслабленном состоянии и сохраняют лишь естественный тонус.

Тренировка и автоматизация движений. Когда человек осваивает новое сложное движение, он привлекает к его выполнению излишнее количество мышц. Поэтому при отработке всякого движения внимание человека должно быть направлено прежде всего на торможение активности лишних мышц. При дальнейшей тренировке устанавливается и закрепляется последовательность выполнения компонентов сложного движения. Когда движение автоматизировано, оно осуществляется при участии лишь тех участков (полей) коры (поле 6), которые имеют обширные связи с эфферентными центрами (подкорковыми ганглиями и др.) (см. главу 3). Под управлением сознания, связанного с деятельностью коры больших полушарий в целом, остаются лишь главные компоненты движения. Чем совершеннее двигательный навык, тем сильнее степень его автоматизации. Это достигается многократным повторением движения, вызывающим тренировку двигательного аппарата и образование в коре больших полушарий и подкорковых отделах новых нервных связей.

Классификация движений. Движения человека могут быть разделены на циклические, ациклические и непостоянные.

Циклические движения состоят из последовательно повторяющихся фаз (этапов). В каждом цикле одна фаза предшествует другой, как бы ложится в ее основу. Эти движения характеризуются однообразием, постоянством, непрерывностью и относительно легкой автоматизацией. К ним относятся преимущественно локомоторные движения: ходьба, бег, плавание, передвижение на лыжах, а также многие трудовые движения: пиление, строгание и др.

Ациклические движения — однократные. Они состоят из отдельных, не похожих друг на друга, последовательно выполняющихся, но не повторяющихся компонентов. К этим движениям относятся физические упражнения — бросок снаряда, прыжок — и некоторые трудовые движения, например, поднятие тяжестей.

Непостоянные движения представляют собой комбинацию циклических и ациклических. Примером могут служить прыжок в длину. Здесь основному ациклическому движению предшествует подготовительное циклическое в форме бега.

Ходьба. Ходьба — это одно из основных состояний тела в динамике. Она представляет собой сложное поступательное циклическое движение, в котором чередуются нарушение и восстановление равновесия тела. Ходьба состоит из попеременной опоры тела то на обе ноги (фаза двойной опоры), то на одну (фаза переднего и заднего шага). Таким образом, при ходьбе тело не теряет соприкосновения с опорной поверхностью, что отличает ходьбу от других локомоторных движений (например, бега). Начинается ходьба с выведения вертикали тяжести за переднюю границу площади опоры, вследствие чего теряется равновесие. Одна из ног сокращением передних групп мышц бедра и голени выносится вперед для создания новой площади опоры, тело же от падения удерживается напряжением большой ягодичной мышцы другой, опорной, ноги. Когда вынесенная вперед нога соприкоснется с опорной поверхностью (пяткой), кончается фаза переднего шага и наступает фаза двойной опоры. Теперь начавшееся поступательное движение тела продолжается в силу инерции и благодаря отталкиванию от земли второй, оставшейся позади ногой; так начинается третья фаза заднего шага. Отталкивание производится сначала пяткой, которая отрывается от земли в результате сокращения трехглавой мышцы голени, после чего носком, отрывающимся благодаря сокращению длинного сгибателя большого пальца. Тело, испытавшее новое поступательное движение, снова оказывается выведенным из равновесия, в результате чего сокращением сгибателей тазобедренного сустава «задней» ноги последняя переносится вперед, после того как переносная нога пройдет мимо опорной (момент вертикали), она вступает в фазу нового переднего шага.

Таким образом, помимо поступательного движения вперед, при ходьбе происходит также движение в той же сагиттальной плоскости вертикально вверх и вниз благодаря перекатыванию стопы с пятки на носок. Кроме того, перемещение происходит еще и во фронтальной плоскости. Оно осуществляется в тазобедренном суставе опорной ноги вследствие сокращения отводящих мышц (средней и малой ягодичных). Благодаря этому туловище отводится в сторону опорной ноги, поднимает двигающуюся ногу над землей и не дает ей волочиться, как это наблюдается у стариков с ослабленной мускулатурой.

Бег. Основное отличие бега от ходьбы заключается в отсутствии периода двойной опоры тела на ногу, уже вынесенную вперед, и на «заднюю», еще не оторванную от земли. Более сильное отталкивание тела «задней» ногой замещает момент двойной опоры тела периодом полета его в воздухе.

Бег, также как и ходьба, относится к циклическим движениям максимальной интенсивности (рис. 1.71). Циклом считается двойной шаг (шаг левой ногой и шаг правой), состоящий из двух опорных фаз — отталкивания и приземления — и двух разделяющих их фаз полета. Каждая фаза обусловливает последующую, в которой используются движения предыдущей.

Бег развивает силу мышц, точность и быстроту движений в суставах, совершенствует координационные нервные механизмы, значительно повышает обмен веществ. Он усиливает деятельность дыхательной и сердечно-сосудистой систем и поэтому может быть использован для их тренировки.

Плавание. Плавание — локомоторное, циклическое движение в воде (рис. 1.72). Оно протекает в необычной для человека среде и в несвойственном для него горизонтальном положении. При этом тяжесть тела уменьшается на вес вытесняемой им воды.

В работе мышц при плавании статические усилия незначительны. В то же время динамическая нагрузка велика. Это связано с трудностью сохранить равновесие в воде, а также с тем, что отталкивание происходит от жидкой среды.

Сила тяжести тела, направленная вертикально вниз, и давление воды, направленное вертикально вверх, образуют «пару сил», в результате действия которых тело должно испытывать вращательные движения. Равновесие достигается, когда общий центр тяжести тела и центр его объема (находится выше) окажутся на одной вертикали. Для этого руки вытягиваются перед головой.

Большая плотность воды и трудность отталкивания от нее обусловливают небольшую скорость движения. Но при горизонтальном положении тела уменьшается поверхность сопротивления. Такое положение необычно для человека и затрудняет координацию движений.

Рассмотрим способ плавания «брасс». Он состоит из четырех фаз, пучки дельтовидной мышцы; 12 — двуглавая; 14 — длинная и 15 — короткие головки трехглавой мышцы; 23 — большая и 24 — средняя ягодичные мышцы; 25 — напрягатель широкой фасции; 26 — мышцы задней группы бедра; 27 — прямая мышца бедра; 28 — широкие головки четырехглавой мышцы; 29 — протяжная; 30 — икроножная; 31 — камбаловидная; 32 — мышцы передней группы голени; 33 — мышцы латеральной группы голени. Штриховка — см. стр. 98 которые протекают на протяжении одного дыхательного движения: I — гребок руками, II — подготовительные движения, III — гребок ногами, IV — скольжение тела (рис. 1.72).

Рис. 1.71. Бег на короткие дистанции (100 м):

1 — верхние пучки трапециевидной мышцы; 2 — большая грудная; 3 — передняя зубчатая; 5 — широчайшая мышца спины; 7 — наружная косая мышца живота; 10 — передние и 11 — задние

Плавание — один из наиболее полезных видов спорта. Разнообразные движения, в которые вовлекаются почти все мышцы тела, способствуют физическому развитию, тренируют дыхательную мускулатуру и сердце, закаляют организм, повышают его сопротивляемость простуде, укрепляют нервную систему.

Обучение ребенка плаванию можно начинать с 5 лет. В этом возрасте опорно-двигательный аппарат достигает развития, при котором выполнение плавательных движений вполне доступно.

А. I фаза — отталкивание. Фаза характеризуется интенсивным махом вперед одной ногой; сильным взмахом согнутых в локтевых суставах рук — одноименной назад, другой вперед. Отталкивание толчковой ногой (на рисунке — левой) требует наибольших мышечных усилий и максимального давления на опору, в результате чего тело получает мощный толчок вперед и вверх. Сгибание этой ноги в голеностопном суставе производится задней группой мышц голени.

При сокращении задней группы мышц бедра и большой ягодичной нога разгибается в тазобедренном суставе. В результате работы мышц, отводящих бедро (малая и средняя ягодичные), таз поворачивается налево, а правая нога выносится вперед. Сила маха зависит от силы первоначального сокращения подвздошно-поясничной и четырехглавой мышц. Позднее нога продвигается вперед, разгибаясь в коленном суставе уже по инерции.

Толчок задней (левой) ногой вызывает вращение туловища вправо. Уступающая работа мышц спины (выпрямителя позвоночника и вращателей позвонков слева), а также мышц живота (правой наружной косой и левой внутренней косой), тормозит вращение туловища вправо, которое уравновешивается перекрестным движением рук. Движение рук достигается поочередным (справа и слева) вращением плечевого пояса вокруг вертикальной оси и рук в плечевых суставах вокруг фронтальной оси. При махе правой рукой назад сокращаются малая грудная, ромбовидная, мышца, поднимающая лопатку, широчайшая спины, трехглавая плеча и задние пучки дельтовидной мышцы. При махе левой рукой вперед сокращаются передняя зубчатая, верхние пучки трапециевидной, двуглавая, клюво-плечевая, передние пучки дельтовидной и большая грудная.

В локтевых суставах правая рука заканчивает разгибание, а левая — сгибание. Руки обращены ладонями к телу вследствие напряжения пронаторов, супинатора и плечелучевой мышцы.

Б. II фаза — полет — начинается с того, что толчковая нога (левая) подтягивается вперед, а маховая же опускается для приземления. Начинается перемещение рук в направлении, обратном тому, что было на первой фазе. Туловище вращается слегка влево.

Толчковая нога (левая), ставшая теперь свободной, подтягивается вперед преодолевающей работой подвздошно-поясничной мышцы, прямой, портняжной, напрягателя широкой фасции. Большая ягодичная мышца и группа задних мышц бедра совершают уступающую работу. Коленный сустав сгибается без участия мышц, по инерции, и голень продвигается вперед при меньшей площади сопротивления. Угол сгибания в коленном суставе регулируется напряжением четырехглавой мышцы. Позднее мышцы задней группы голени расслабляются, а передней — переходят к преодолевающей работе.

Маховая нога (правая) начинает приземляться под влиянием преодолевающей работы растянутых ранее мышц большой ягодичной (разгибает ногу в тазобедренном суставе), широких головок четырехглавой (разгибает ее в коленном суставе), и мышцы задней группы голени (вытягивают носок ноги для приземления).

Плечевой пояс удерживается в несколько приподнятом положении работой верхних пучков трапециевидных мышц и передних зубчатых. Благодаря этому достигается наиболее высокое положение общего центра тяжести и облегчается движение верхних конечностей.

Движение рук совершается лишь в плечевых суставах преодолевающей работой: на правой руке — передних пучков дельтовидной мышцы, клюво-плечевой и двуглавой; на левой — задних пучков дельтовидной и длинной головки трехглавой. В локтевых суставах начинается сгибание в правой руке и разгибание в левой.

В. III фаза — приземление — начинается с носка, что удлиняет шаг; тело опирается на стопу правой ноги, ставшую опорной. В тазобедренном и коленном суставах нога незначительно согнута. Левая нога переносится маховым движением вперед и вверх от опорной. Для амортизации толчка от приземления используются особенности строения стопы: своды, связочный и мышечный аппарат. При этом большое напряжение испытывают сгибатели стопы и пальцев, мышцы задней и наружной групп голени.

Преодолевающую работу выполняет группа отводящих мышц бедра (средняя и малая ягодичные и напрягатель широкой фасции). При их сокращении таз наклоняется в тазобедренном суставе вправо, чем облегчается дальнейший перенос маховой ноги. Все другие мышцы правой ноги, вызывающие ее движение в тазобедренном и коленном суставах, совершают уступающую работу, предотвращая дальнейшее сгибание ноги под влиянием тяжести тела.

Левая, свободная, нога переносится вперед преодолевающей работой всех ее сгибателей в тазобедренном суставе: подвздошно-поясничной, прямой и портняжной мышц. Все увеличивающееся сгибание в коленном суставе без участия мышц уменьшает поверхность ноги, противостоящую давлению воздуха, и облегчает перенос ее из «заднего» шага в «передний». Мышцы задней и наружной групп голени, производившие на обеих фазах энергичную работу, на этой фазе расслаблены и, следовательно, отдыхают. Голеностопный сустав разгибается преодолевающей работой передней группы мышц — передней большеберцовой, сгибателей пальцев и сгибателя большого пальца, что предотвращает задевание носком почвы.

В правом локтевом суставе продолжается сгибание при выносе руки вперед. В результате сокращения передних пучков правой дельтовидной мышцы и задних пучков левой руки движутся в плечевых суставах, уравновешивая вращение туловища вокруг вертикальной оси.

Рис. 1.72. Мышцы, участвующие в плавании:

2 — большая грудная мышца; 5 — широчайшая мышца спины; 6 — глубокие мышцы спины; 10 — передние и 11 — задние пучки дельтовидной мышцы; 12 — двуглавая; 13 — плечевая; 14 — длинная и 15 — короткие головки трехглавой мышцы; 23 — большая и 24 — средняя ягодичные мышцы; 25 — напрягатель широкой фасции бедра; 27 — прямая мышца бедра; 28 — широкие головки четырехглавой мышцы; 32 — передняя группа мышц голени; 33 — большая круглая мышца. Штриховка — см. стр. 98 А. I фаза — гребок руками — достигается разведением рук, вследствие чего площадь отталкивания увеличивается. Средние и задние пучки дельтовидных мышц отводят и разгибают в плечевых суставах руки. В локтевых суставах руки не полностью разгибаются (трехглавые мышцы) и пронируются сокращением круглых и квадратных пронаторов. Переходят в состояние напряжения широчайшие мышцы спины. Туловище прогибается сокращением глубоких мышц спины, благодаря чему голова, шея и отчасти грудь поднимаются над уровнем воды. Происходит вдох.

Ноги вытянуты, их мышцы расслаблены. Прямая мышца бедра начинает переходить в состояние напряжения, характерное для нее в следующей фазе.

Б. II фаза — подготовительные движения. Руки приводятся в плечевых суставах благодаря интенсивной работе широчайших мышц спины и больших грудных и сгибаются в локтевых (двуглавые и плечевые мышцы). Ноги сгибаются в тазобедренных и коленных суставах, в голеностопных же разгибаются под углом 90°. Одновременно ноги разводятся не менее чем на ширину плеч. Голова опускается для выдоха.

Сгибание и разведение ног в тазобедренных суставах — следствие работы подвздошно-поясничных мышц, портняжных, прямых бедра, напрягателей широкой фасции, средних и малых ягодичных мышц. Сгибание в коленных суставах ног, согнутых в тазобедренных суставах, происходит не активно, а вследствие действия внешних сил — давления воды. Поэтому задние группы мышц бедер и голеней расслаблены. Мышцы передней группы голеней разгибают голеностопные суставы.

В. III фаза — гребок ногами. На этой фазе применяются наибольшие мышечные усилия, в результате которых тело энергично продвигается вперед. Руки продолжаются приводиться в плечевых суставах (большие грудные мышцы, широчайшие спины и большие круглые) и резко вытягиваются вперед (сокращение сгибателей в плечевых суставах — передних пучков дельтовидных мышц, клюво-плечевых, двуглавых — и сокращением разгибателей в локтевых суставах — трехглавых (коротких головок) и локтевых мышц). Ноги резко сводятся, как бы выталкивая воду, отталкиваясь от нее, разгибаются в тазобедренных и коленных суставах; остаются разогнутыми в голеностопных.

Сведение ног осуществляется большой, длинной и короткой приводящими стройной и гребешковой мышцами. Одновременно большие ягодичные мышцы разгибают ноги в тазобедренных суставах, широкие головки четырехглавых — в коленных. Голеностопные суставы поддерживаются в разогнутом состоянии напряжением передней группы мышц голеней.

Г. IV фаза — скольжение тела. Руки, туловище и ноги вытянуты в горизонтальном положении, в результате чего максимально уменьшается лобовая поверхность сопротивления воде и облегчается скольжение. Мышцы рук и туловища статически напряжены, а мышцы ног расслаблены.