На рис. 2.48,b показано графическое разделение силы тяжести, действующей на предплечье, на ротационный и поступательный компоненты. В данном случае, равнодействующая G способствует ротации и смещению в равной мере, поскольку величины обоих компонентов почти одинаковы. Поступательный компонент силы тяжести направлен к локтевому суставу (ось движения предплечья) и, соответственно, является компрессионной силой.
Было показано, что действие постоянной силы на рычаг, когда он вращается вокруг суставной оси, вызывает изменение углов приложения силы и, соответственно, изменение вращающего момента. Поскольку ротационный компонент силы — это та ее часть, которая создает вращающий момент, изменение момента при постоянном усилии должно означать изменение величины данного компонента. Аналогичным образом изменение ротационного компонента должно указывать на изменение пропорции общей силы, идущей на поступательное движение, поскольку величины ротационного и поступательного компонента находятся в обратной пропорциональной зависимости. Иначе говоря, при увеличении доли общей силы, действующей перпендикулярно рычагу, будет наблюдаться одновременное уменьшение доли силы, действующей параллельно рычагу (и наоборот):
• если вращающий момент постоянной силы изменяется при движении рычага в пространстве, должен изменять угол приложения силы;
• если угол приложения силы изменяется, относительные значения ротационного и поступательного компонентов также должны изменяться.
Изменение момента, создаваемого постоянной силой при движении рычага вокруг оси сустава может рассматриваться либо как функция изменения ma (расстояние от оси сустава), либо как изменение ротационного компонента (доли силы, действующей перпендикулярно рычагу). Соответственно, можно считать, что эти два параметра прямо пропорциональны. На рис. 2.42 было показано изменение ma силы бицепса при четырех различных положениях локтевого сустава.
На рис. 2.49 показана ma же самая сила, и те же самые положения (35°, 70°, 90° и 145° локтевого сгибания), но на этот раз указывающие на изменение величины ротационного компонента.
Рис. 2.49. Изменение величины ротационного и поступательного компонента при: 35° (a), 70° (b), 90° (c) и 145° (d) сгибания локтевого сустава
При сгибании в локтевом суставе, равном 90°, ОСм уже действует под прямым углом к рычагу, т. е. ОСм и |fr| совпадают, и сила используется исключительно для вращения, без поступательного компонента. При любом приложении силы под прямым углом две формулы вращающего момента (F х ma и f х ПР) являются практически идентичными. Если сила действует на рычаг под прямым углом, F и fr являются эквивалентами, и точно так же эквивалентами являются ma и ПР.
На рис. 2.49 показано изменение не только ротационного компонента, но и поступательного компонента для всех позиций. Поступательный компонент оказывается больше ротационного как при 35°, так и при 145° локтевого сгибания. По мере того как линия действия ОСм сдвигается ближе к рычагу (ближе к параллельному положению относительно рычага), ft увеличивается. Когда линия действия ОСм удаляется от оси на 70°, поступательный компонент уменьшается. При сгибании в 90° вся сила (ОСм) является ротационной, поступательный компонент отсутствует. Поступательный компонент по мере сгибания локтя меняется не только по величине, но и по направлению. При сгибании в 35° поступательное усилие направлено к суставу (компрессия), а при 145° — от сустава (расхождение).
Изменение поступательного компонента от компрессии до растягивания, как это показано на рис. 2.49, для мышечной силы необычно. Фактически большинство мышц находится близко к осям суставов и расположены они почти параллельно рычагу, т. е. линии действия их направлены к оси сустава, независимо от положения рычага в пространстве. Эффект такой организации в том, что ротационные компоненты мышечных усилий обычно невелики, зато достаточно заметны поступательные компоненты, почти всегда являющиеся компрессионными. Основная часть силы мышцы способствует скорее компрессии сустава, чем его ротации. Это увеличивает устойчивость сустава, но означает вместе с тем, что мышца должна осуществлять большее усилие для создания ротационного компонента, необходимого для перемещения рычага в пространстве.