Текст книги "Один на один с врагом: русская школа рукопашного боя"

Скелет (рис. 21) обеспечивает телу человека опору и сохранение формы, а также защищает внутренние органы. Он является основной силовой конструкцией тела и воспринимает все нагрузки, действующие на человека. Скелет состоит из 148 подвижных костей и, соответственно, 147 сочленений (суставов).

Основой этой силовой конструкции, его опорным сооружением является туловище, включающее шею и позвоночник с его более чем двумя десятками межпозвоночных соединений и мышечным оснащением.

В эволюционном развитии человеку пришлось дорого заплатить за прямохождение. Ходьба в вертикальном положении обусловила, прежде всего, возрастание нагрузок на позвоночник. При ходьбе на четвереньках позвоночник функционировал, к примеру, как свод моста или поперечная балка. При переходе к прямохождению он приобрел сходство с эластичной колонной, которая, изгибаясь, амортизирует толчки при ходьбе и переносит вес туловища на стопы ног. В конце концов в процессе эволюции позвоночный столб приобрел сложную S-образную форму (рис. 22). Изгибы позвоночника обеспечивают ему упругость, что важно при ходьбе и беге. При резких движениях и прыжках позвоночник предохраняет мозг от сотрясения.

Туловище человека держится прямо только благодаря непрерывному напряжению всех мышц, «расчаливающих» позвоночный столб, подобно тому, как ванты расчаливают корабельную мачту. Такая конструкция обеспечивает телу человека исключительно гибкую подвижность, приспособляемость и маневренность.

Суставы скелета по своим функциям и устройству являются шарнирами.

Рис. 21

Рис. 22

Сочленение головы с позвоночником, плечевой и тазобедренный суставы устроены по принципу шарового шарнира, состоящего из двух соприкасающихся сферических поверхностей – выпуклой и вогнутой – равного радиуса. Локтевой и коленный суставы, суставы пальцев напоминают цилиндрический шарнир, допускающий вращение только в одной плоскости.

Важную роль в работе сочленений играет трение. Без него в суставах было бы невозможно преобразование поступательного движения мышц во вращательное движение конечностей.

Суставы человека служат примером совершенства творений природы. Проблема трения и изнашиваемости в суставах решена природой на таком уровне, о котором инженеры-специалисты по трению могут только мечтать. Динамические нагрузки, превышающие тысячи ньютонов, практическое отсутствие трения (коэффициент трения fmp = 0,003!), никакого «техобслуживания» и безотказная работа в течение всей жизни – таков перечень качеств природного шарнира-сустава.

Суставы играют исключительную роль в построении движений. Они определяют высокую подвижность всех звеньев тела человека. По-видимому, именно по этой причине в биомеханике зачастую говорят о степенях свободы суставов. Думается, это не совсем так.

В механике, напомним, под числом степеней свободы понимают число независимых координат, полностью определяющих положение в пространстве физического тела, в том числе и тела человека. Поэтому когда речь идет о суставе как части тела человека, то уместно говорить об обеспечении суставом степени свободы той или иной части тела. То есть, по-видимому, следует говорить не о степени свободы, а о степени подвижности сустава. Так, например, тазобедренный и плечевой суставы обеспечивают по три степени свободы поворота бедра и плеча относительно туловища. Локтевой и коленный суставы обеспечивают две степени свободы поворота предплечья и голени относительно плеча и бедра. Фаланги пальцев соединены суставами, обеспечивающими одну степень свободы.

С туловищем как основной силовой пространственной конструкции тела, посредством плечевых и тазобедренных суставов соединены четыре многозвенные рычажные системы конечностей.

Нижняя конечность включает (рис. 23а): тазобедренный сустав, бедренную кость, коленный сустав, голень (большую и малую берцовые кости), голеностопный сустав и стопу. На рис. 23б изображена механическая модель, воспроизводящая суставную подвижность ноги человека.

Тазобедренный шаровой сустав (рис. 24) допускает достаточно большие диапазоны движения: до 130° при маховых движениях конечности и до 80° при движениях в стороны.

Коленный сустав работает, как цилиндрический шарнир, но устроен довольно сложно (рис. 25). Пределы сгибания-разгибания колена являются рекордными для всех сочленений человеческого тела: около 140° так называемой активной подвижности (за счет работы собственных мышц этого сочленения) и свыше 170° пассивной подвижности (за счет внешних сил). Полусогнутый коленный сустав допускает и небольшое продольное вращение голени до 40–60°.

Рис. 23

Рис. 24

Рис. 25

Голеностопный сустав включает как бы два сочленения, напоминающие карданные соединения в технике и расположенные очень близко одно за другим. Они позволяют стопе наклоняться относительно голени во все стороны на 45–55°.

Сама стопа – многокостное упругое устройство – приспособлена к восприятию нагрузки, соответствующей 5–6-кратному значению веса человека. Однако активная внутренняя подвижность стопы ничтожна, и ею пренебрегают.

Верхняя конечность включает (рис. 26): плечелопаточный сустав, плечевую кость, локтевой сустав, предплечье (локтевую и лучевую кости), лучезапястное сочленение и кисть.

Устройство руки аналогично устройству нижней конечности, но более сложное. Плечелопаточный шаровой шарнир руки (рис. 27) гораздо подвижнее тазобедренного и допускает обширные движения: до 190° в вертикальной (глубинной) плоскости, до 180° в стороны (в поперечной плоскости) и до 100° во фронтальной плоскости.

Локтевой сустав представляет собой (рис. 28) цилиндрический шарнир, обеспечивающий сгибание-разгибание руки в плоскости движения предплечья в пределах до 145°.

Трудовая деятельность внесла в строение руки человека много усовершенствований, отличающих ее от передних конечностей животных. Только рука человека имеет способность поворачивать предплечье с кистью относительно его продольной оси (рис. 29). Общий диапазон этих движений превосходит 180°. В повседневной жизни это именно то вращательное движение, которым мы пользуемся, поворачивая ключ в двери.

В биомеханике эти повороты предплечья называют пронацией и супинацией. Бернштейн приводит очень простое и забавное правило для запоминания этой непривычной терминологии: «Поверните кисть ладонью кверху и скажите: „Несу суп“. Это движение и есть супинация. Затем опрокиньте кисть ладонью вниз и скажите: „Пролил“. Это – „пронация“».

Рис. 26

Рис. 27

Соединение между предплечьем и кистью (лучезапястное сочленение) само по себе обладает двумя видами подвижности (рис. 30): вверх-вниз на 170°, вправо-влево на 60°. Эти два направления подвижности в сочетании с третьим – пронацией и супинацией – равносильны тому, как если бы кисть была подвешена к руке на втором шаровом шарнире (следующим за плечелопаточным). В итоге два последовательно расположенных шаровых шарнира в сочетании с локтевым суставом не только обеспечивают кисти возможность принять любое положение и изменить направление движения, но и позволяют сделать это при самых разнообразных положениях плеча и предплечья.

Кисть, в отличие от стопы, обладает большой внутренней активностью. Скелет кисти представляет собой целую тонкую мозаику из косточек. Благодаря способности большого пальца кисти противополагаться каждому из остальных кисть является великолепным приспособлением для обхватывания и прочного удержания предметов любой формы. При этом еще остается возможность двигать локтем, т. е. смещать плечо и предплечье при неподвижном туловище.

Почему важно знать степень подвижности суставов опорно-двигательного аппарата человека? Да потому, что подвижность плечевых и тазобедренных суставов определяет число степеней свободы верхних и нижних конечностей. А это, в свою очередь, регламентирует построение движений при выполнении двигательных действий (например, применение болевых приемов, «выключение» суставов при выведении противника из равновесия и т. д.).

Рис. 28

Рис. 29

Рис. 30

Предельные диапазоны подвижности в суставах ограничивают применимость моделей, используемых, в частности, при моделировании верхних и нижних конечностей.

Так, например, плечевой сустав допускает вращение плеча в ограниченном пространстве, в пределах некоего конуса, сметаемого плечом при предельных отклонениях в суставе.

Эти ограничения уменьшают число степеней свободы руки по крайней мере на единицу при достижении предельных отклонений в каждой из основных плоскостей тела.

Кроме того, принудительное вращение предплечья вокруг продольной оси до упора «выключает» локтевой сустав, лишая руку двух степеней свободы.

Мышечная система опорно-двигательного аппарата обеспечивает высокую подвижность человека. Она состоит из скелетных мышц, сухожилий и связок.

Скелетные мышцы предназначены для создания тяговых усилий, они участвуют в движениях туловища и конечностей, в значительной мере определяющих движения человека. Функциональное назначение основных скелетных мышц показано на рис. 31. Это: мышцы, предназначенные для сохранения вертикального положения тела; мышцы, сгибающие и поворачивающие туловище; мышцы, поднимающие, сгибающие и разгибающие конечности и другие. Форма мышцы зависит от места ее расположения и выполняемой функции.

Рис. 31

Скелетные мышцы являются «источником» силы в теле человека. Они образованы так называемой поперечнополосатой мышечной тканью, волокна которой собраны в пучки (рис. 32). Внутри волокон проходят белковые нити, благодаря которым мышцы способны сокращаться. Эта способность мышц имеет огромное значение. Сокращаясь, мышца действует на кость как на рычаг и производит механическую работу. Именно сокращение скелетных мышц обеспечивает перемещение одних частей тела по отношению к другим и в конечном счете – движение тела в пространстве.

Рис. 32

Любое мышечное сокращение связано с расходом энергии. Источником энергии служат распад и окисление органических веществ (углеводов, жиров, нуклеиновых кислот). Эти вещества в мышечных волокнах подвергаются химическим превращениям с участием кислорода. В результате образуются продукты расщепления (главным образом углекислый газ и вода) и освобождается энергия.

Протекающая через мышцы кровь постоянно снабжает их питательными веществами и кислородом и уносит из них углекислый газ и другие продукты распада.

Мышцы состоят из мягких тканей и работают только на растяжение (они могут тянуть, но не могут толкать). Поэтому в выполнении человеком любого движения участвуют две группы мышц: сгибатели и разгибатели суставов.

Рис. 33

На рисунке 33 показана работа мышц локтевого сустава. Сгибание руки в суставе осуществляется при сокращении мышцы-сгибателя и одновременном расслаблении мышцы-разгибателя.

При разгибании в суставе функции мышц меняются. Мышцы свободно висящей вдоль тела руки могут одновременно находиться в расслабленном состоянии. При удержании груза (ядра, гири) в горизонтально вытянутой руке наблюдается одновременное сокращение мышц.

Вся двигательная деятельность человека (поддержание местоположения и ориентации тела в пространстве, его перемещения, изменение позы и т. п.) осуществляется с помощью опорно-двигательного аппарата. Управление движениями означает управление именно опорно-двигательным аппаратом.

Исключительную роль в построении движений играет костно-суставная система (скелет). Она не только обеспечивает телу человека опору и сохранение формы, но обусловливает также высокую подвижность и разнообразие движений.

Рис. 34

При оценке степени подвижности костно-суставной системы ее рассматривают как сложный пространственный механизм. Этот механизм, как известно, включает вполне определенное количество подвижных костей, соединенных различного рода суставами (шарнирами), обеспечивающими соответствующим частям тела от одной до трех степеней свободы. Структурная схема костно-суставной системы как многозвенного пространственного механизма представлена на рис. 34. Подвижность такого пространственного механизма в «Теории механизмов и машин» определяется по формуле следующего вида:

где n – число подвижных костей;

ki – число суставов определенных классов (i = 3, 4, 5).

Скелет человека имеет число подвижных костей n = 148; суставов, обеспечивающих три степени свободы k₃ -29, две степени свободы k₄= 33, одну степень свободы k₅ = 85.

Подставив числовые значения в формулу, получим громадное число степеней подвижности костно-суставной конструкции человека:

П = 244!

Преодоление непомерного избытка степеней по– движности костно-суставной системы обеспечивается мышечно-сухожильной системой.

Мышцы облегают скелет со всех сторон, где они по условиям подвижности могут понадобиться. Если у суставов имеются стороны, в которые они не должны двигаться (например, локтевой сустав – сгибаться в стороны, а не вперед-назад), то с этих сторон вместо нежной мышечной ткани размещается более грубая связочно-сухожильная.

Так или иначе, но каждый сустав закреплен со всех сторон гибкими растяжками – мышцами или связками, так сказать, «расчален» ими.

Это очень похоже на то, как расчаливаются высокие мачты судов или радиопередающих станций. При этом мышцы, кроме их прямых функций движителя, загружаются еще добавочной – опорной. Зато получается явный выигрыш по части гибкости опорной конструкции.

В анатомии человека для описания поз и, соответственно, движений в суставах используют специфические термины (сгибание-разгибание, отведение-приведение, пронация-супинация). Эта терминология чисто описательная: «сгибание ноги», «отведение руки». Но она не описывает особенностей движения в отдельных суставах.

Например, при сгибании ноги движения сочленяющихся суставных поверхностей в тазобедренном и коленном суставах совершенно различны.

Более того, при последовательном выполнении нескольких движений финальное положение конечности зависит от порядка их выполнения и может оказаться измененным.

В этом легко убедиться на следующем примере. Если попросить человека из положения основной стойки выполнить сгибание руки вперед затем разгибание в сторону и приведение, то ладонная поверхность кисти окажется развернутой (супинированной) на 90°. Но ведь описанные выше движения не включали супинирования кисти руки. Значит, при выполнении заданной последовательности движений могут появляться дополнительные, так называемые сопутствующие движения.

Из этого, в частности, следует, что одновременное описание кинематики движений всех звеньев тела при изменении позы (с учетом большого числа звеньев и степеней их подвижности) на практике представляет серьезные трудности.

Поэтому в биомеханике рассматривают упрощенную физическую картину, в которой тело человека представляют в виде некоторой идеализированной биомеханической модели.

Биомеханика изучает в опорно-двигательном аппарате человека преимущественно те особенности его строения и функций, которые имеют значение для совершения (и совершенствования) движений.

При самом упрощенном подходе перемещение человека рассматривают как движение его общего ЦМ. В этом случае можно проследить лишь за перемещением тела человека в целом, оценить в известной мере общий итог его двигательной деятельности. Но остается неизвестным, в результате каких именно движений достигнуто перемещение общего ЦМ.

Учет особенностей движения отдельных звеньев тела позволяет более точно рассмотреть и перемещение человека в целом.

В первом приближении в биомеханике отвлекаются от деталей анатомического строения и физиологических механизмов опорно-двигательного аппарата и рассматривают упрощенную (рабочую) модель человека.

При этом стремятся, чтобы эта биомеханическая модель обладала основными свойствами, присущими моделируемому объекту, и обеспечивала бы использование современных методов исследования, в том числе применение аппарата теоретической механики.

При построении рабочей модели человека в биомеханике делают, как правило, следующие допущения:[5]5
  Зациорский В. М. и др. Биомеханика двигательного аппарата человека. М., 1981.


[Закрыть]

• Звенья модели (части тела человека) абсолютно твердые, то есть не деформируются ни при каких обстоятельствах.

• Геометрические параметры и масса звеньев модели (их длина и пр.) совпадают с соответствующими параметрами сегментов тела человека.

• Звенья модели соединены в идеальные кинематические пары сферическими (шаровыми) или цилиндрическими шарнирами.

При принятых упрощающих допущениях рабочая модель человека, представленная на рисунке 35, включает девять звеньев туловища и конечностей.

Туловище моделируется как одно жесткое звено, образованное верхней и нижней траверсами, которые соединены между собой продольным элементом.

Конечности человека представляют как замкнутые или разомкнутые кинематические пары, соединенные с туловищем шаровыми шарнирами. Считают, что звенья кинематических пар между собой соединены цилиндрическими шарнирами.

Для совпадения геометрических параметров модели с соответствующими параметрами сегментов человека шарниры модели совмещают с шарнирами скелета человека.

Модели такого типа нашли широкое применение в биомеханике и получили название базовых моделей. При исследовании движений человека они давно используются многочисленными авторами, начиная с Бернштейна Н. А. Известны труды многих исследователей (Донского Д. Д., Зациорского В. М. и др.), которыми накоплен богатый экспериментальный материал по определению геометрических и массовых параметров при моделировании человека.

Рис. 35

Американской службой NАSА[6]6
  NАSА – Национальное управление по аэронавтике и использованию космического пространства.


[Закрыть] на основании антропологических исследований большого количества людей получены экспериментальные данные о геометрических параметрах и положении ЦМ отдельных частей тела «среднего» человека.

Суммарное число степеней свободы биомеханической модели человека, как правило, больше шести. Его определяет наличие разомкнутых кинематических цепей, в основном верхних конечностей. В пределах подвижности сочленений с туловищем они могут иметь по четыре степени свободы (рис. 6).

Определяющим фактором является поза человека – взаимное расположение отдельных сегментов тела относительно друг друга. При изменении позы суммарное число степеней свободы изменяется, так как новой позе соответствует новое модельное представление человека.

В позе, соответствующей боевой стойке (рис. 6), биомеханическая модель имеет четырнадцать степеней свободы – (6+4+4).

В процессе выполнения двигательного действия разомкнутая цепь внезапно может получить связь в виде опоры или захвата, что резко ограничивает свободу движений. Следовательно, число степеней свободы биомеханической модели человека может изменяться в широком диапазоне.

В биомеханике совокупность показателей, характеризующих распределение масс в теле человека, принято называть геометрией масс. Для биомеханических расчетов нужны точные сведения об этих показателях.

Таблица 3

К массово-инерционым характеристикам тела человека относятся:

• массы и координаты центров масс всего тела в целом и отдельных его частей (звеньев);

• моменты инерции тела при разных позах и положениях оси вращения;

• радиусы инерции отдельных звеньев (сегментов) тела;

• центры качаний физического маятника и т. п.

Понятие массы и силы вытекают из первого закона Ньютона, который обобщает принцип инерции:

«Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние».

Понятие массы. Стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения в механике называют инертностью, а закон Ньютона – законом инерции. С проявлением этого закона человек постоянно сталкивается в повседневной жизни.

Из опыта известно, что различные тела при одинаковом воздействии со стороны других тел неодинаково изменяют скорость своего движения. Иными словами, они приобретают различные ускорения. Из этого следует, что ускорения зависят не только от величины воздействия, но и от свойств самого тела.

В физике всякое свойство тел выражается определенной величиной. Например, свойство тела занимать часть пространства выражается его объемом.

Так и свойство тела, которое называют инертностью, выражают его массой. Это свойство не зависит ни от условий внешнего воздействия, ни от характера движения. Что бы с телом ни происходило, где бы оно ни двигалось, масса его остается одной и той же.

Таким образом, масса – это физическая величина, которая наряду с такими величинами, как длина, время и др., входит в число основных величин международной системы единиц (СИ).

В качестве эталона массы на международном конгрессе в 1889 году была принята масса специально изготовленного цилиндра из сплава платины и иридия. Эта единица массы получила название килограмм – 1 кг. С достаточной для практики точностью можно считать, что массой в 1 кг обладает 1 л чистой воды при температуре 15 °C.

Для описания упоминаемого в первом законе Ньютона «воздействия со стороны других тел» в механике вводят понятие силы и говорят: на тело действует сила.

Понятие силы (и момента силы) подробно излагается в следующей главе.

Рабочая модель позволяет для конкретного телосложения человека (роста и массы) рассчитать положение его центра масс и моменты инерции для любой позы тела, что очень важно для анализа построения движений.