Рис. 2.24. Тяга стопы, создающая несколько сил, результатом чего является расхождение в коленном суставе: СвК — связки колена; СтН — сила тяжесть ноги
Начнем с предположения, что предметы на рис. 2.24 находятся в равновесии. Так как мы выбрали 4,5-килограммовый вес, подвешенный на веревке, мы знаем, что на него действует сила тяжести (СТ) равная -4,5 кг и направленная вниз. Чтобы вес находился в равновесии, на груз должна действовать сила, равная +4,5 кг, исходящая откуда-либо и находящаяся в контакте с весом. Поскольку единственным предметом, касающимся груза, является веревка, то это должна быть сила в +4,5 кг, «веревка-груз» (ВГ). ВГ должна иметь силу реакции «груз-веревка» (ГВ), равную по величине и противоположную по направлению ВГ (-4,5 кг). Предположим, что у нас имеется система блока без трения, натяжение веревки в которой равномерно по всей ее длине, т. е. сила, действующая на каждом конце веревки, одинакова. Поскольку ГВ представляет собой тягу веса, или натяжение (Т4) вертикального сегмента веревки, равный вектор натяжения (Т2) должен иметься на другом ее конце. Для того чтобы создать натяжение на обоих концах веревки, Т2 должен быть приложен в направлении, противоположном Тг Если учесть, что блок изменяет направление действия силы, Т2 в этом случае является горизонтальным и направлен влево (с силой в 4,5 кг). Если бы веревка не «огибала» блок, то Т4 и Т2 были бы прямо противоположными.
Поскольку мы знаем, что Т2 существует, мы должны идентифицировать ее по имени. Сила Т2 должна исходить из чего-либо, что находится в контакте с горизонтальным сегментом веревки. Как петля, так и блок может только «тянуть» веревку («толчок» веревки вызовет только ее провисание). Так как тяга всегда направлена к ее источнику, то тягу влево может осуществлять только петля. Для упрощения мы будем рассматривать петлю и ногу, как один жесткий объект, называемый ногой. Соответственно Т2 должна называться «нога-веревка» (НВ) и иметь, как и вектор Т2, величину в -4,5 кг. «Нога-веревка» имеет парную силу реакции «веревка-нога» (ВН), действующую на ногу с величиной в +4,5 кг.
Голень со стопой находится в контакте с силой тяжести (СТ), связками колена и веревкой. Силу, развиваемую веревкой, мы уже распознали. Вектор СТ направлен вниз и не находится в одной линии с ВН. Вектор СТ не является частью линейной системы сил вместе с ВН, и им можно пренебречь. Мы будем рассматривать только горизонтальные силы, действующие на ногу и бедренную кость, которые мы стараемся разделить. Вектор «связки колена-нога» (Св. Н) потенциально может тянуть ногу, создавая силу, направленную влево, которая является частью одной линейной системы с ВН (хотя суставная капсула также является частью связочной силы, действующей на ногу, здесь, для простоты, будут рассматриваться только связки). Если чистым эффектом действия двух сил (Св. Н) и ВН является отсутствие движения (равновесие), силы уравновешены и в сумме дают ноль. Таким образом, величина (Св. Н) должна быть -4,5 кг.
Вектор (Св. Н) должен иметь силу реакции; нога должна действовать с равной и противоположной по направлению силой (+4,5 кг) на связки, «нога-связки» (Н.Св). Чтобы связки находились в равновесии, бедро должно действовать на них с силой «бедро-связки», равной -4,5 кг (Б.Св), поскольку бедро — единственный предмет, контактирующий со связками (мы снова пренебрегаем вертикальным воздействием силы тяжести на связки). (Б.Св)имеет силу реакции, «связки-бедро» (Св. Б), равную +4,5 кг. Если предположить, что бедро находится в равновесии, без проверки сил, действующих на него, то все мы определили все силы, вызывающие расхождение сустава.
Равновесие каждого предмета, идентифицированного на рис. 2.24, зависит от способности предмета генерировать требуемую силу (способность толкать или тянуть так, чтобы уравновешивать силы). В случае с подвешенным грузом, веревкой и ногой каждый из элементов способен развивать требуемую силу в 4,5 кг, если только не возникает каких-либо дефектов. Однако связки не могут действовать со значительной силой на ногу, если они находятся в провисшем состоянии. На самом деле в момент подвешивания груза к системе они будут именно в таком состоянии, поскольку нога и бедренная кость — близко друг к другу (цель тяги как раз в том и состоит, чтобы их разделить). Вначале сила (Св. Н и Н.Св) может быть всего 0,45 кг, и на ногу будет действовать чистая сила в 4,5 кг, направленная вправо (тяга веревки не будет полностью уравновешиваться связками ноги).
Поскольку на ногу действует неуравновешенная сила, нога ускоряется вправо. По мере того как нога сдвигается вправо, и кости расходятся, натяжение связок увеличивается. Чем больше натягиваются связки, тем меньше становится неуравновешенная сила, и, соответственно, ускорение. Как только за счет движения ноги связки растягиваются до предела, они становятся способны действовать с силой в 4,5 кг, необходимой для поддержания ноги в равновесии. Связки обладают огромной силой натяжения и способны выдерживать большие нагрузки, чем те, которые создаются в данном примере, по крайней мере, в течение короткого времени. Пример с расхождением сустава, созданным за счет ускорения ноги вправо, т. е. от сустава, является образцом чистого поступательного движения без сопутствующего вращения сустава. Это также пример того, насколько важными могут оказаться даже маленькие неуравновешенные силы.