Хотя нога может вращаться в разгибании и таким образом испытывать угловое ускорения (абсолютная T > 0), она должна находиться в линейном равновесии, иначе сустав разрушится, и нога будет ускоряться вверх уже с отрицательным углом. Сумма параллельных (поступательных) компонентов, действующих на ногу, таким образом, должна быть равна нулю. Поступательный компонент силы тяжести (ftq) равен 2,3 кг и действует на расхождение сустава. Поступательный компонент четырехглавой мышцы бедра (ftq) является компрессионной силой и равен 23 кг. Таким образом, представляется, что чистая компрессионная сила равна 20 кг, и она должна тянуть большую берцовую кость с ускорением к бедренной кости, пока обе кости не соприкоснутся. Как только они соприкасаются, возникают две силы: «большая берцовая кость и бедренная кость» (ББК-БК) и «бедренная кость, и большая берцовая кость» (БК-ББК). Поскольку нам интересно, находится ли в линейном равновесии большая берцовая кость, мы видим, что БК-ББК равна по величине и противоположна по направлению абсолютной величине силы компрессии, если только нет других сил, которые надо учитывать. Сила реакции сустава — это простая пара «действие-противодействие», или комплекс контактных сил, действующих в двух смежных костных сегментах.
2.12.2. Другие эффекты ротационных и поступательных сил
Теперь мы знаем, что силы, действующие на рычаг, можно разложить на компоненты, один из которых будет расположен перпендикулярно, а второй — параллельно рычагу. В реальности, эффекты ротационных и поступательных компонентов в человеческом организме несколько сложнее. Один сегмент не только вращается вокруг другого, но, так как наши кости сочленяются не при помощи истинных шарниров, один из сегментов может двигаться так, будто он является просто соседним (касающимся) сегментом по отношению к другому. В результате получается, что ротационные силы могут вызывать поступательное движение, а поступательные — ротацию! Это лучше всего объяснить на примере.
На рис. 2.54 показана сила действия четырехглавой мышцы бедра на большую берцовую кость.
Рис. 2.54. Ротационная сила (F1) четырехглавой мышцы бедра (ОСм) не только вращает большую берцовую кость в коленном суставе, но также создает усилие сдвига между большой берцовой и бедренной костью. Это усилие четырехглавой мышцы может быть частично уравновешено противодействием силы сдвига (СС) со стороны натянутой передней крестообразной связки (ПКС) колена. Как (F2) четырехглавой мышцы, так и КС ПКС усиливает контакт между большой берцовой и бедренной костью
Сила ОСм раскладывается на ротационный F1 и поступательный F2 компоненты, которые вызывают ротацию и компрессию сустава соответственно. Мы будем считать, что коленный сустав имеет фиксированную ось. Отметим, однако, что компонент Ft расположен не только перпендикулярно к большой берцовой кости, но и параллельно к ее суставной площадке. Соответственно компонент F2 расположен параллельно кости и перпендикулярно ее суставной площадке. Сила, которая действует перпендикулярно контактным поверхностям, является контактной силой. Факт, что F2 создает контакт между большой берцовой костью и бедренной костью, уже рассматривался, и мы идентифицировали эту силу как компрессионную. Однако до этого момента мы не видели (или не понимали), что многие поступательные силы, такие как F2 в настоящем примере, проходят не непосредственно через ось, а на некотором расстоянии от нее. Когда сила приложена на некотором расстоянии от оси сустава, возникает вращающий момент. Принимая во внимание форму суставных поверхностей, видно, что в месте прикрепления четырехглавой мышцы поступательный компонент ее силы не только сдвигает суставные поверхности, но и создает небольшой вращательный момент!
Точно так же, как компонент F2 вызывает как поступательное движение, так и небольшую ротацию большой берцовой кости, двойным эффектом обладает и компонент F1. Такая сила, как F1, действует параллельно контактным поверхностям, которые могут свободно двигаться одна по другой (не истинный шарнир), и пытается вызвать линейное движение между этими поверхностями. Это и есть определение силы смещения. Компонент F1 будет вращать большую берцовую кость только в том случае, если она гарантирована от линейного движения (смещения) за пределы бедренной кости. Нам следует идентифицировать еще одну линейную силу, действующую на большую берцовую кость и противодействующую силе смещения F1. Одна из возможностей — это сила тяжести (СТ), действующая на большую берцовую кость. Сила тяжести, как и сила четырехглавой мышцы, имеет компоненты с двойными функциями. Ротационная сила тяжести (РСТ) перпендикулярна большой берцовой кости, но параллельна ее суставной поверхности и действует в направлении, сдвигающем большую берцовую кость назад. Соответственно, она противодействует силе смещения четырехглавой мышцы. Однако величина F1 будет существенно большей, чем frq. Чтобы четырехглавая мышца удерживала большую берцовую кость на месте или разгибала коленный сустав, вращающий момент ее силы должен быть равен, или превышать момент силы тяжести. Поскольку сила тяжести действует на гораздо большем расстоянии, чем сила четырехглавой мышцы, величина F1 должна быть гораздо больше, чем frq Поскольку силы смещения являются линейными, абсолютная величина смещения находится простым сложением их величин. Если F1 больше, чем frq, то имеется абсолютная сила смещения, пытающаяся сместить большую берцовую кость вперед, за пределы бедренной кости.