Прежде чем показать пути ее решения, остановимся на том, как определяются основные оси и плоскости человеческого тела.
Оси тела образуют так называемую связанную систему координат XYZ, начало отсчета которой совмещают с центром масс (ЦМ) тела.
Для того чтобы изменение ориентации связанной системы точнее отражало изменение ориентации тела в пространстве, направление продольной оси определяют так. Тело человека (в стойке руки вверх) делится горизонтальной плоскостью на две равные по весу половины. Линия, соединяющая центры масс верхней и нижней половин тела (и проходящая через общий ЦМ), и есть продольная ось тела. В основной стойке эта ось практически близка к вертикальной.
Поэтому продольную ось тела ОY (рис. 19) направляют вертикально; ось ОХ проводят горизонтально и называют фронтальной; ось OZ направляют перпендикулярно первым двум осям и называют глубинной. Оси связанной системы первоначально ориентированы так же, как и оси неподвижной системы. При повороте (вращении) тела вместе с ним относительно неподвижной системы поворачивается и связанная система координат.
Таким образом, ориентацию тела в пространстве характеризуют три угловых координаты φx, φy, φz (так называемые углы Эйлера).
Заметим, что при сложных позах положение ЦМ может выходить за пределы тела.
В биомеханике с целью облегчить описание движений человека (в частности, при выполнении отдельных элементов упражнений, приемов и т. д.) вводят понятия плоскостей тела.
Основные плоскости тела (рис. 20) и всякие другие, параллельные им, ориентированы в системе трех взаимно перпендикулярных осей тела.
Вертикальная плоскость YОХ, проходящая через ЦМ и разделяющая тело на переднюю и заднюю части (а также всякая параллельная ей плоскость), называется фронтальной.
Рис. 20
Вертикальная плоскость YOZ, проходящая через ЦМ и разделяющая тело на левую и правую части, называется глубинной (а также продольной, сагиттальной). Горизонтальная плоскость ХOZ, проходящая через ЦМ и разделяющая тело на верхнюю и нижнюю части, называется поперечной (горизонтальной, трансверсальной). При описании двигательных действий человека движения его тела описываются соответственно в указанных основных или параллельных им плоскостях.
Опорно-двигательный аппарат человека
В повседневной жизни, выполняя те или иные движения, мы никогда не задумываемся над их природой. Для нас это как бы само собой разумеющееся, совершенно естественное явление. В действительности же управление движениями в человеческом организме – это очень сложный «технологический» процесс, требующий совместного и согласованного участия многих физиологических систем человека.
Все физические и психические реакции человека в конечном итоге приводят к движению. Великий русский ученый Сеченов И. М. писал: «Всё бесконечное разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности сводится окончательно к одному лишь явлению – мышечному движению. Смеется ли ребенок при виде игрушки, улыбается ли Гарибальди, когда его гонят за излишнюю любовь к Родине, дрожит ли девушка при первой мысли о любви, создает ли Ньютон мировые законы и пишет их на бумаге – везде окончательным фактом является мышечное движение». Как осуществляется управление движениями? В чем состоят трудности управления? Каковы пути совершенствования процесса управления движениями тела? Для того чтобы получить ответ на эти и ряд других непростых вопросов, предварительно следует познакомиться с устройством опорно-двигательного аппарата человека.
Опорно-двигательный аппарат предназначен для реализации двигательной деятельности человека (поддержания местоположения и ориентации тела в пространстве, перемещений и организации сложных движений при изменении позы и т. д.).
Опорно-двигательный аппарат человека состоит из двух систем: костно-суставной (скелета) и мышечно-сухожильной.
Костно-суставная система
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°.