Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Біомеханіка і біохімія рухової активності

Рухи людини дуже різноманітні: за їхніми біомеханічними видами, за м’язовими зусиллями, за частотою скорочень і розслаблень.

Порівняйте рухи атлета й піаніста, балерини та вишивальниці, скейтбордиста й військового, офісного працівника та кухаря.

Різноманіття таких рухів зумовлене особливостями м’язово-скелетної системи людини. Адже скелет — це сукупність важелів, які приводять у рух м’язи.

Важелем називають тверде тіло (переважно прямий жорсткий стрижень), що має нерухому вісь обертання і до якого прикладені сили. Плечем важеля називають відстань від осі обертання до точки прикладання сили. Плечем сили називають найкоротшу відстань (перпендикуляр) від осі обертання до вектора сили або його продовження.

Мал. 11.4. Важелі

Розрізняють два види важелів (мал. 11.4). У важелі першого роду точки прикладання діючих сил розташовані по різні боки від точки опори на відстанях, тоді як важіль другого роду має сили, які прикладають з одного боку від осі обертання.

Важіль першого роду дає змогу виграти в силі й програти в переміщенні (важіль рівноваги). Важелі другого роду залежно від точки прикладання сил поділяють на важіль швидкості та важіль сили.

У важелі сили плече прикладеної сили довше за плече протидії. Якщо діюча сила прикладена на кінці важеля, а сила опору ближче до точки опори, то такий важіль дає виграш у силі, але програє в переміщенні. Натомість у важелі швидкості плече прикладеної сили значно коротше від плеча протидії.

Прикладами важеля першого роду в тілі людини є з’єднання хребтового стовпа з черепом людини (мал. 11.5, а) й тазостегновий суглоб. Вісь обертання важеля проходить через зчленування черепа з першим хребцем шиї. Спереду від точки опори на відстані (b) діє сила тяжіння (R), яка виконує роль опору та прикладена до центра мас голови, позаду точки опори на відстані (а) — сила натягу м’язів і зв’язок (F), прикріплених до потиличної кістки. Умова рівноваги: F • а = R • b.

Прикладами важеля другого роду (мал. 11.5, б) є ступня під час підйому на пальцях. Опорою важеля (точка О), через яку проходить вісь обертання, є головки плеснових кісток. Діюча сила литкового м’яза (F), що піднімає тіло, прикладена через ахіллесове сухожилля до п’яткової кістки. Сила тяжіння R прикладена до таранної кістки.

Мал.11.5. Важелі нашого тіла: а) з’єднання хребтового стовпа з черепом; б) суглоб у стопі; в) ліктьовий суглоб

Прикладом важеля швидкості є ліктьовий суглоб (мал. 11.5, в). Унаслідок подолання сили тяжіння, віддаленої на значну відстань від точки опори, необхідна значно більша сила м’язів-згиначів, які прикріплені на близькій відстані від ліктьового суглоба. Точка опори розташована в ліктьовому суглобі. Сила, яку розвивають м’язи передпліччя для утримання вантажу на долоні людини — F. Сила тяжіння вантажу — R. У цьому разі переважають швидкість та обсяг рухів довшого важеля та є втрати у виконанні силових дій.

Іншим прикладом важеля швидкості є нижня щелепа. Діючу силу здійснює жувальний м’яз. Сила протидії — опір їжі, яка діє на зуб. Плече діючої сили коротше, ніж сила опору, тому жувальний м’яз короткий і сильний. Якщо треба розжувати щось тверде, людина жує кутніми зубами, бо таким чином зменшується плече сили опору.

Чим ближче місце прикріплення м’яза до точки рощення кістки (суглоба), тим швидше виконуватимуться рухи на іншому кінці важеля, і тим меншою буде сила руху. Прикладом такого механізму є м’яз плеча (біцепс, трицепс), що прикріплений відразу після ліктьового суглоба (місце його прикріплення можна промацати, якщо трохи напружити цей м’яз). З іншого боку, дельтовидний м’яз прикріплений у середній третині плеча й розвиває велику силу.

Під дією навантаження в організмі людини відбуваються деформації розтягування, стискування, згинання, кручення й зсування. Для м’яких тканин характерна деформація розтягування. Наприклад, коли людина висить на руках або тримає вантаж в опущених руках. Стискування кісток і хрящів відбувається найчастіше у вертикальному положенні тіла на опорі. У цьому разі на скелет діють, з одного боку, сила тяжіння тіла й вага зовнішніх обтяжень, а з іншого — опора. Кручення найчастіше трапляються під час обертальних рухів.

Постійна напруга скелетних м’язів зумовлена тим, що тіло людини на Землі завжди перебуває під впливом сили тяжіння — сили, з якою тіло людини притягається до Землі. Під час руху вниз сила тяжіння є силою рушійною, під час руху вгору — гальмівною, за руху по горизонталі — «нейтральною».

Сила тяжіння є постійним подразником рецепторного й вестибулярного апаратів, що забезпечують координацію рухів і збереження певного положення. У космосі сили тяжіння немає, наступає стан «невагомості», за якого важко робити звичайні для людини рухи.

У місці дотику тіла з опорною поверхнею на організм людини діє сила реакції опори, яка чисельно дорівнює силі тяжіння, але протилежна за напрямком. З механіки відомо, що доки сила тяжіння й сила реакції опори діють по одній прямій, тверде тіло зберігає стан рівноваги (або спокою). Під час рухів живого людського тіла співвідношення між силою тяжіння і силою реакції опори значно складніші. З одного боку, це зумовлене тим, що тіло людини не є твердим тілом, а являє собою рухомо сполучені між собою частини — тулу, голова і кінцівки — кожна з яких також складається з рухомих ланок (наприклад, нижня кінцівка — зі стегна, гомілки та стопи). З іншого боку, сила реакції опори передається в організмі людини від однієї ланки до іншої лише через щільні тканини, нездатні до пластичної деформації (переважно через кісткову тканину). Отже, сила реакції опори діє лише вздовж кісток скелета. З огляду на різноманіття різних положень тіла й рухів, слід визнати, що в організмі людини ці сили діють не по одній прямій.

Майже за будь-якого положення тіла на кожну з його ланок і на все тіло в цілому діє дві сили. Одна — це сила тяжіння тіла в цілому або його окремої ланки, а інша — сила реакції опори, що діє або на тіло в цілому, або на його ланку. Взаємодія цих сил зумовлює обертання однієї кісткової ланки відносно іншої. Оскільки сила тяжіння має плече відносно майже всіх суглобів, то збереження положення тіла досягається завдяки активній роботі м’язів, які протидіють силі тяжіння.

Під час ходьби, бігу, стрибків у довжину сила реакції опори спрямована до тіла під кутом від опорної поверхні й може бути розкладена за правилом паралелограма на дві складові: вертикальну й горизонтальну — силу нормального тиску й силу тертя (мал. 11.6).

Мал. 11.6. Без векторів сил не обійтися

Сила тертя — це сила, що виникає під час контакту між тілами або руху тіла. Вона діє на поверхні контакту протилежно напрямку руху. Без сили тертя неможливе будь-яке переміщення тіла.

Завдяки силі тертя можливі різні з’єднання кісток. Наприклад, шов нерухомо з’єднаних кісток черепа має численні виступи однієї кістки, які входять у відповідні заглибини іншої, щоби збільшити тертя між ними. Хрящові проміжки забезпечують утворення напіврухомих з’єднань, характерних, наприклад, для хребців.

Тертя у м’язах розігріває тіло та шкіру. Гладкі м’язи судин за нагрівання розслабляються (зменшують тонус), а у шкірі відбувається процес потіння.

Тертя м’язів або сухожилків об кістку зменшується завдяки виділенню спеціальної рідини сумками, у яких вони розташовані.

Рухомим з’єднанням кісток є суглоб, на який тертя впливає негативно. Якщо хрящова тканина перестає виробляти в потрібній кількості спеціальні речовини — хондроїтин і глюкозамін, які беруть участь у формуванні природного суглобного мастила, то виникає біль, хрускіт, відчуття скутості в суглобах кінцівок і хребта. Потік свіжого суглобного мастила, яке надходить через суглобні ворсинки, поповнює витрачене.

Амортизація організму людини найбільше пов’язана із суглобами стопи та хрящовими прошарками хребта. Хрящові проміжки між хребцями здатні стискатися і розтягуватися. Під час стрибків і ходьби хрящі діють як амортизатори, тобто пом’якшують різкі поштовхи, оберігаючи тіло від струсу.

Завдяки м’язово-зв’язковому апарату стопа може витримувати певні навантаження. Суглоби стопи мають бути під певними кутами, інакше виникає плоскостопість. У цьому разі людина відчуває вібрацію під час приземлення ніг (мал. 11.7).

Мал. 11.7. Бережіть природні амортизатори!

Рух або рівновага людини в просторі значною мірою зумовлені розташуванням центра тяжіння тіла. У кожної частини тіла є власний центр тяжіння. З фізичних законів рівноваги сил відомо, що на тіло діє кілька паралельних сил. Для знаходження рівнодійної цих сил, що діє на все тіло, потрібно послідовно їх скласти. Точку прикладання рівнодійної сил тяжіння називають центром тяжіння тіла.

Рівновага — це здатність людини:

  • тримати у стані рівноваги своє тіло всупереч впливу сил, які прагнуть вивести його із цього стану (статичної рівноваги);
  • швидко й упевнено відновлювати стан рівноваги під час зміни положення тіла (динамічна рівновага).

У стані статичної рівноваги тіла проекція загального центра тяжіння тіла розташована посередині площі опори. Під час ходьби, бігу, катання на ковзанах тощо динамічної рівноваги тіла досягають балансуванням, тобто перенесенням площі опори під проекцію центра тяжіння тіла, що змістилася.

Мал. 11.8. Рівновага і центр тяжіння

Умовою збереження рівноваги тіла є проходження вертикальної осі його загального центра тяжіння посередині площі опори тіла. Якщо вертикаль центра тяжіння опори виходить з площі опори, то тіло втрачає рівновагу й падає.

У підтриманні стану рівноваги тіла важлива роль належить вестибулярному апарату. Його рецепторна частина розташована у внутрішньому вусі. Унаслідок порушень функціонування вестибулярного апарату відбувається подразнення волосків чутливого епітелію, виникають імпульси, що передаються вестибулярним нервом у мозок. У процесі збереження рівноваги тіла вестибулярна система здійснює тісну взаємодію із зоровим апаратом. Обидва ці апарати (вестибулярний і зоровий) мають значні двосторонні зв’язки з мозочком. Велику роль відіграють численні рецептори м’язів, сухожиль, суглобів і шкіри, і насамперед механізми м’язового тонусу, а також проприоцептивні рефлекси. Координація всіх цих механізмів, що забезпечують рівновагу тіла, відбувається на різних рівнях нервової системи в спинному мозку, стовбурі мозку й корі великих півкуль.

Мал. 11.9. Як забезпечується рівновага

Рівновагу тіла досліджують різними методами. Зокрема, методом стабілографії — реєструванням переміщень проекції загального центра тяжіння з площі опори. Рівновага тіла порушується внаслідок різних захворювань: уражень вестибулярного апарату, мозочка, спинного мозку тощо.

Участь зорового аналізатора в збереженні рівноваги тіла пов’язана, з одного боку, із забезпеченням зорового орієнтування положення тіла стосовно навколишніх предметів, а з іншого, — із загальною дією світла як одного з найважливіших чинників, що визначають рівень активності центральної нервової системи. Після заплющування очей зростає амплітуда коливань тіла, що може призвести до явного порушення рівноваги тіла й навіть падіння. Це ілюструють еквілібристика (канатоходіння) та балетні фуете.

За допомогою програмного забезпечення (наприклад, Make it Stand) створюють 3D-моделі з ідеальною рівновагою (мал. 11.10). На етапі проектування є можливість змінювати конструкцію, передбачати різні види матеріалів, а прозорий результат друку принтера дає змогу побачити модель ізсередини. Такі адитивні технології використовують у медицині для створення імплантатів (частин кісток, скелета, хрящових тканин, щелеп тощо) у протезуванні; для виготовлення техніки та зброї; у будівництві та ін.

Людина, щоби набути стійкого положення, розставляє й трохи згинає ноги. Комп’ютерне моделювання (кінематичний підхід для анімації) дає змогу симулювати рухи й рівновагу за різних умов (зросту, форми, маси, швидкості руху тіла людини чи тварини, з допоміжним обладнанням — палиці, екзоскелети тощо).

Мал. 11.10. Анімаційні моделі для симуляції рухів

З біологічного погляду спортивне тренування є процесом спрямованої адаптації (пристосування) організму до впливу фізичних навантажень. Фізичні навантаження в процесі тренування виконують роль основного подразника, який викликає адаптаційні зміни в організмі.

З біохімічних змін, які відбуваються в м’язах під впливом тренування, заслуговує на увагу збільшення вмісту скорочувального білка — міозину. Оскільки цей білок окрім скорочувальних властивостей має ще й ферментативні, то в процесі тренування збільшується й здатність м’язів до розщеплення АТФ, тобто до мобілізації хімічної енергії і перетворення її в механічну енергію м’язового скорочення. Поряд зі збільшенням можливостей розщеплення АТФ під впливом тренування зростають і можливості як дихального, так і анаеробного ресинтезу АТФ у проміжках між скороченнями.

Цікавий той факт, що під час занять спортом першими «утомлюються» не м’язи, а нервові клітини, які регулюють їхню активність. Одним з видів допінгу є психостимулятори, які підвищують активність нервової системи, і тим самим збільшують фізичні (м’язові) характеристики спортсмена.

Оптимальне поєднання стомлення й відновлення — фізіологічна основа довгострокової адаптації організму до фізичних навантажень. З’ясовано, що в процесі відновлення, якщо попередня втома була значною, але не перевищувала можливостей організму, працездатність його не лише повертається до початкового рівня, а й підвищується і деякий час утримується на такому підвищеному рівні (мал. 11.11). Цей період назвали суперкомпенсацією. Саме він створює найсприятливіші умови для повторного навантаження, адже підвищена працездатність дає змогу без шкоди для організму використати збільшені навантаження.

Мал. 11.11. Графік стомлення і відновлення

Для нормального розвитку кісток зв’язок і суглобів під час занять спортом потрібно забезпечити організм необхідними мінералами й вітамінами. Вітамін С стимулює розвиток сполучної тканини зв’язок і сухожиль, а Кальцій і Фосфор надають твердості кісткам.