Более полное понимание функциональной значимости классификации рычагов и роли мышц в системах человеческих рычагов может быть достигнуто через рассмотрение механического понятия работы и связанного с ней понятия энергии. В терминах механики работа проделывается силой, действующей на предмет, когда сила приложена параллельно движению предмета. Величина работы (W) прямо пропорциональна действующей силе (F) и расстоянию, пройденному предметом (d), на который эта сила действует. Проще эта взаимосвязь выражается как
W = |F||d|,
где направление действия силы параллельно движению, ей вызванному. Если на тело действуют несколько разнонаправленных сил, то в работе участвует только та часть силы, которая параллельна направлению движения (f||), т. е.:
W = |F11||d|, или
W = F∙d∙cos Q
где Q — угол между F и d.
Знак работы может быть положительным, если сила действует в направлении движения и отрицательным, если сила действует в направлении, противоположном движению. Если совершается вращательное движение, как при движении рычага вокруг оси сустава, то:
W = |T|Q
где T — вращательный момент действующей силы (УПУ х ПУ), а Q — угловое смещение точки приложения силы.
Результирующая работы по перемещению предмета — всегда сумма всех работ, произведенных каждой из сил, действующих на данный предмет.
На рис. 2.40,а и b мышца (ОСм) смещает точку приложения на меньшее расстояние, чем это делает сила тяжести, поскольку ОСм расположена ближе к оси, чем СТ. На рис. 2.40, b мышца выполняет отрицательную работу, поскольку прилагает свою силу в направлении, противоположном движению (она выполняет эксцентрическое сокращение). Факт, что мышцы могут совершать отрицательную работу, показывает, что сам термин «работа» является скорее механическим, чем биомеханическим понятием. Мышца, выполняющая эксцентрическое сокращение, все равно тратит энергию. Мы, люди, считаем, что любая затрата энергии является частью работы, но с точки зрения механики во время эксцентрического сокращения это не совсем верно. Если бы сопротивление в рычаге второго рода осуществлялось не мышцей, а пружиной, то эта пружина фактически никакой энергии бы не расходовала, она бы ее запасала (потенциальная энергия), поскольку сама по себе работы по перемещению не производила. Как мы увидим в части IV, активные сократительные элементы мышцы не аналогичны механической пружине. Однако некоторые части мышцы (пассивные параллельные и последовательные компоненты соединительной ткани) ведут себя практически так же, как пружина: при вытягивании эти части мышцы запасают энергию. Эффект отрицательной работы, совершаемой мышцей, состоит в том, что при эксцентрическом сокращении в 54 кг она тратит меньше энергии, чем потребовалось бы для концентрического сокращения с такой же силой и при таком же перемещении. Итак, суммируем:
• когда мышца совершает усилие в рычаге третьего рода, она производит концентрическое сокращение и выполняет положительную работу. От нее требуется дополнительная сила и энергия для увеличения углового смещения и угловой скорости;
• когда мышца оказывает сопротивление в рычаге второго рода, она выполняет эксцентрическое сокращение и отрицательную работу, затрачивая при этом меньше энергии, чем мышца, сокращающаяся с такой же силой, но концентрически.
В примерах, в которых рассчитывался вращающий момент (T = F||┴d|), — ┴d была эквивалентна плечу силы рычага. Всякий раз, когда линия действия силы расположена под углом 90° к сегменту, ┴d будет идти вдоль рычага и совпадать с плечом рычага для этой силы. Гораздо чаще, однако, в организме человека силы действуют не под прямым углом. Это особенно справедливо для сил, развиваемых мышцами. Линии действия мышц редко даже приближаются к углу 90°, потому что это означало бы, что мышца перпендикулярна кости. Если бы такое было правилом, а не исключением, люди имели бы весьма странную форму. Линии действия большинства мышц проходят почти параллельно костям, к которым они прикрепляются. Когда сила действует не под углом в 90° к рычагу, то плечо рычага не длиннее, чем кратчайшее расстояние между линией действия силы и осью сустава. Плечо момента (mа) всегда есть кратчайшее расстояние между линией действия и осью сустава, и находится при помощи измерения длины линии, проведенной перпендикулярно вектору силы, пересекающему ось сустава. Соответственно: