Равновесие ноги теперь установилось в положении, в котором связки натянуты, и поверхности суставов разошлись настолько, насколько позволяет длина связок. Отметим, что в данном примере мышцы, проходящие у коленного сустава, были предположительно неактивны, и мышечные усилия не учитывались. В случае перелома кости процесс растягивания костных обломков, требуемый для правильной их репозиции (или сопоставления) и лечения, аналогичен тому, который рассматривался для расхождения сустава. Перелом ведет себя как ложный сустав, и сопротивление растягиванию оказывается мышцами, проходящими у места перелома. Гиперактивность этих мышц ускоряет дистальный фрагмент в направлении проксимального отдела. Для выравнивания костей применяют вытягивание. По мере затихания мышечного спазма и нарастания утомления мускулатуры, мышцы действуют все с меньшей и меньшей силой. В конце концов сила тяги веревки, прилагаемая к дистальному обломку, превышает силу действия мышц на него, и направление движения меняется, что позволяет развести и выровнять обломки костей. Равновесие восстанавливается, когда структуры, проходящие через зону перелома, снова натягиваются.
В примере с вытяжением ноги мы пренебрегли действием силы тяжести на ногу и связки, говоря, что вертикальные силы не были частью одной и той же линейной системы сил растяжения и таким образом, при расчете величин этих сил ими можно было пренебречь.
Фактически в первый закон Ньютона, закон равновесия, можно внести следующее усовершенствование:
• чтобы объект находился в равновесии, сумма всех вертикальных сил, действующих на него, должна быть равна нулю, и, независимо от этого сумма всех горизонтальных сил должна также быть равна нулю:
ΣFv = 0;
ΣFн = 0.
Мы объяснили суммарное действие горизонтальных сил, но пренебрегли суммой сил вертикальных. Идентифицировав только гравитационные вертикальные силы (направленные вертикально вниз), мы не учитывали вертикальное ускорение ноги в примере с тягой. Даже если мы правильно пренебрегли совершенно незначительным весом веревки, то действие силы тяжести на ногу рассматривать все же следует. Мы могли компенсировать GL за счет положения ноги на постели (что создает контактную направленную вверх силу «постель-нога»), а могли потенциально ввести и новую силу, силу трения.
Сила трения (FN) потенциально существует при любом контакте двух предметов. Результатом контакта являются силы реакции, действующие на каждый из двух соприкасающихся предметов. Чтобы сила трения обладала размерностью (величиной), необходима какая-то еще одна сила, перемещающая или пытающаяся переместить один предмет по другому. Такая сила известна под названием «сила смещения». По определению, сила смещения (компонент силы) — это такая сила, которая действует параллельно контактным поверхностям в направлении движения, или его попытки. Величина силы трения — это функция силы контакта между предметами, в зависимости от гладкости или шероховатости контактных поверхностей, и если предметы не двигаются, величины собственно силы сдвига.
Когда два контактируемых предмета не движутся, но на один предмет действует сила смещения, которая пытается сместить предмет по другому, находящемуся ниже, то величина силы трения равна силе сдвига. Сила трения в этом случае называется силой трения покоя. Максимальная сила трения равна силе трения скольжения. Таким образом,
FN <= μs∙N.
Коэффициент трения покоя есть величина постоянная для данного данного контакта предметов. Например, μs трения льда по льду примерно 0,05, μs трения дерева по дереву — примерно 0,25. Чем мягче и грубее трущиеся поверхности, тем выше μs. Сила реакции трения покоя (N) увеличивается вместе с силой контакта смежных объектов. Чем больше сила контакта и грубее соприкасающиеся поверхности, тем выше максимальная потенциальная сила трения. Когда мы трем руки друг о друга, чтобы согреть их, то согреваются обе ладони (силы трения существуют как для правой, так и для левой руки). Если мы хотим увеличить трение, мы при трении прижимаем ладони друг к другу сильнее (увеличиваем силу контакта). С увеличением давления возрастает сила контакта между ладонями и увеличивает максимальное значение силы трения (коэффициент трения остается тем же, поскольку кожа трется о кожу).