Дальнейшее манипулирование действиями руки может еще больше улучшить биомеханическую эффективность прилагаемой силы. Максимальный вращающий момент создается, когда величина ПР или ma оказывается наибольшей. Если руку положить на лодыжку (а не на верхнюю часть голени) и поддерживать угол приложения силы в 90°, то, как плечо рычага, так и вращательный компонент окажутся максимальными. За счет предельного увеличения |fr| и ПР. можно создать максимальный момент для данной величины действующей силы (СР).
Итак, вращающий момент внешней силы можно увеличить за счет:
• увеличения самой действующей силы;
• ее приложения перпендикулярно к рычагу (или близко к перпендикуляру);
• увеличения расстояния между точкой ее приложения и осью сустава.
2.12.1. Ротационное и линейное равновесие
Если сегмент конечности не движется, он должен находиться как во вращательном (ротационном), так и в поступательном (линейном) равновесии. Рычаг находится в ротационном равновесии, когда сумма всех моментов, действующих на него, равна нулю. Если рычаг не находится в равновесии, он будет находиться в состоянии углового ускорения. Величина углового ускорения (а) прямо пропорциональна неуравновешенному моменту (Т), действующему на рычаг и обратно пропорциональна массе (m) перемещаемого рычага:
aугловое = T/m.
Угловое ускорение, как отмечалось ранее, добавляет к рычагу новый набор сил, которые в данной книге не рассматриваются; достаточно просто понимать, что сама по себе величина неуравновешенного момента, действующего на рычаг, может оказаться причиной недооценки всех сил, действующих на рычаг, находящийся в состоянии углового ускорения.
Сила, или силы, действующие параллельно рычагу (предположим, что они лежат в одной линии с осью сустава), не оказывают влияния на вращение рычага, но вызывают его поступательное движение. Для того чтобы рычаг был в линейном равновесии, арифметическая сумма всех параллельных сил, действующих на рычаг, также должна быть равна нулю.
На рис. 2.53,а показано действие силы тяжести (СТ) на зависимую (свободно висящую) ногу (сегмент «голень/стопа»).
Рис. 2.53. Действие силы тяжести (СТ) на зависимую ногу:
а — висящая голень находится в ротационном и линейном равновесии. Сила тяжести нейтрализована тягой связок колена (ТСК); b — четырехглавая мышца бедра разгибает коленный сустав. Линейное равновесие достигается поступательным усилием четырехглавой мышцы (ftq1), поступательным действием силы тяжести (ftq2) и давлением бедренной кости на большую берцовую кость (БК-ББК) (ftq3)
Общая сила СТ параллельна рычагу и является чистой силой растягивания. Поскольку перпендикулярные силы на ногу не действуют, то и вращающих моментов здесь быть не может, и нога должна находиться в ротационном равновесии. Однако для расхождения коленного сустава не может существовать только одной направленной вниз и действующей независимо поступательной силы. Соответственно, должна существовать уравновешивающая и направленная вверх (компрессионная) сила (или комплекс сил), равная по величине. Компрессионные силы создаются преимущественно мышцами, и в данном примере такое усилие должно создаваться именно мышцей. Однако если человек находится в полностью расслабленном состоянии, то мышца развивает очень малое усилие или не развивает его вообще. Сила, необходимая для создания линейного равновесия, должна исходить из какого-то иного источника, находящегося в контакте с ногой. Эта сила может обеспечиваться направленной вверх тягой связок коленного сустава, находящихся в контакте с голенью и способными «тянуть» голень вверх с достаточной силой. Поскольку связки окружают коленный сустав, равнодействующую связочную силу можно рассматривать в данной ситуации, как действующую через коленный сустав и создающую через него абсолютное значение поступательной силы.
На рис. 2.53,b показана нога в состоянии разгибания в коленном суставе. Разгибание происходит за счет четырехглавой мышцы бедра, преодолевающей действие силы тяжести (заметим, что векторы построены не в масштабе). Так как нога разогнута, то должен присутствовать результирующий момент, действующий против часовой стрелки. В данном примере сила четырехглавой мышцы бедра будет силой действия (вызывающей движение), а сила тяжести будет силой сопротивления, или противодействия. Силы четырехглавой мышцы (ОСм) и тяжести (СТ) были разложены по компонентам.