Сила тяжести является наиболее постоянной силой, с которой сталкивается тело человека, и ведет она себя вполне предсказуемо. Как величина векторная, ее можно полностью описать при помощи точки приложения, линии действия/направления и величины. Хотя сила тяжести действует во всех точках предмета, основной ее точкой приложения является центр тяжести (ЦТ). Центр тяжести является гипотетической точкой концентрации массы и точкой, в которой происходит действие силы тяжести.
В симметричном предмете ЦТ расположен в геометрическом центре предмета (рис. 2.4,а).
В асимметричном предмете ЦТ смещен к более тяжелому концу, где масса равномерно распределена вокруг точки (рис. 2.4,b).
На рис. 2.4,с изображен костыль, который показывает, что ЦТ — на самом деле точка гипотетическая, и она совершенно не обязательно должна находиться внутри собственно предмета.
Рис. 2.4. Центр тяжести предмета:
а — симметричного; b — несимметричного; с — ЦТ находится вне границ предмета
Но даже если ЦТ находится вне границ предмета, он все равно продолжает оставаться точкой, на которую действует сила тяжести. Расположение ЦТ любого предмета можно произвести достаточно большим количеством методов, рассмотрение которых не входит в задачу данной книги. Однако ЦТ предмета можно всегда приблизительно вычислить по точке равновесия (предполагая, что вы можете сбалансировать этот предмет на одном пальце или точечной опоре).
Линия действия и направление силы тяжести — всегда вертикально вниз, к центру Земли, независимо от ориентации предмета в пространстве. Обычно вектор силы тяжести называют линией силы тяжести (ЛСТ) или линией гравитации (ЛГ). Длина линии тяжести при изучении других взаимосвязей может быть масштабирована или выражена несколько произвольно. Лучше всего представлять ее себе в виде отвеса, верхний конец которого прикреплен к ЦТ предмета. Линия отвеса от ЦТ предмета дает точное представление о точке приложения, направлении и линии действия силы тяжести, но не ее величина.
2.2.1. Сегментарные центры тяжести
На каждый сегмент тела действует сила тяжести, каждый сегмент тела имеет собственный ЦТ. Можно сгруппировать два и более смежных сегмента, если вместе они будут двигаться как единый жесткий сегмент. Если сегменты сгруппированы, то действие силы тяжести на них будет представлено единым ЦТ. На рис. 2.5,а показаны векторы силы тяжести в центре плеча (ЦПл), предплечья (ЦП) и кисти (ЦК), с учетом того, что рука рассматривается как единый сегмент.
Центры тяжести близки к тем, которые были установлены в исследованиях на трупах и in vitro на сегментах тела, имеющих стандартизованные данные по центрам массы и весу отдельных и комбинированных сегментов тела.
Когда два смежных сегмента комбинируются и рассматриваются, как единый жесткий сегмент, то новый, больший сегмент, будет иметь ЦТ, расположенный между двумя прежними ЦТ и находящийся с ними на одной линии. Если сегменты не равны по массе, то новый ЦТ будет находиться ближе к более тяжелому сегменту. На рис. 2.5,b показан вектор ЦПл для плеча и новый вектор ЦПК для сегмента «предплечье/кисть».
В единый сегмент были скомбинированы предплечье и кисть. Новый ЦТ для этого сегмента находится между двумя исходными ЦТ, а величина вектора равна сумме ЦП + ЦК. На рис. 2.5,с в один жесткий объект скомбинированы все три сегмента, и сила тяжести (ЦПл ПК) действует уже на новый ЦТ, находящийся между ЦПл и ЦПК. Величина ЦПлПК равна сумме величин каждого из составляющих сегментов.
Центр тяжести любого жесткого объекта, или фиксированной последовательности сегментов, остается неизменным независимо от положения этого объекта в пространстве. Однако когда объект состоит из двух и более связанных и подвижных сегментов, расположение ЦТ в этой комбинации будет меняться, когда меняется положение одного сегмента относительно другого. На рис. 2.5,d изменяется положение плеча и сегмента «кисть/предплечье».
Рис. 2.5. Сила тяжести, действующая на:
a — плечо (ЦПл), предплечье (ЦП) и кисть (ЦК); b — плечо и предплечье/ кисть (ЦПК); c — сегмент «плечо/предплечье/кисть» (ЦПлПК); d — при изменении конфигурации сегментов ЦПлПК смещается