Как только между двумя контактными поверхностями возникает абсолютная сила смещения, возникает и противодействующая сила трения, т. е. потенциально мы имеем силы «трение большая берцовая кость», вызванную компрессией (контактом) большой берцовой и бедренной кости. Максимальная величина этой силы трения, однако, будет довольно мала (независимо от силы контакта), так как коэффициент трения (μS) суставных хрящей предельно мал (FX < FC х μS). Вероятно, мы будем иметь абсолютную силу смещения даже с учетом силы тяжести и силы трения. На самом деле, большая берцовая кость будет двигаться только за пределы бедренной кости, пока это ей будет позволять натяжение связок или суставной капсулы.
На рис. 2.54 мы добавили тягу передней крестообразной связки (ПКС) колена к силам, действующим на большую берцовую кость. Тяга вектора ПКС раскладывается на два компонента, расположенных перпендикулярно и параллельно суставной поверхности большой берцовой кости. Контактный компонент (КС) ПКС будет просто увеличивать компрессию между большой берцовой костью и бедренной костью. Компонент смещения (СС) ПКС будет создавать изменение положения бедренной кости относительно большеберцовой в направлении, противоположном силе, развиваемой четырехглавой мышцей (и добавится к смещению силы тяжести). Предполагая, что связка достаточно сильна, компонент СС ПКС должен уравновешивать эффект абсолютного смещения F1 четырехглавой мышцы, позволяя ему вращать сегмент с минимальным выходом большой берцовой кости за пределы бедренной. Большинство связок и суставных капсул устроено так, чтобы не только натягиваться при открытии сустава, но и оказывать сопротивление абсолютной силе смещения по суставным поверхностям:
• сила или компонент силы, действующие перпендикулярно костному рычагу, и параллельно контактным суставным поверхностям, создают как вращающий момент вокруг суставной оси, так и смещение между суставными поверхностями;
• сила или компонент силы, которые действуют параллельно костному рычагу, но не пересекают ось сустава, вызывают не только компрессию или расхождение, но и некоторое количество вращения;
• сумма всех вращающих моментов в суставе обычно больше нуля; т. е. в суставе обычно наблюдается угловое ускорение (вращающий момент);
• сумма линейных сил (параллельных рычагу и параллельных контактным поверхностям) должна, в конечном счете, приводить к линейному равновесию, в противном случае сустав будет поврежден.
Равновесие рычага должно оцениваться, исходя из:
1) ротационных сил, действующих вокруг сустава (вращающего момента);
2) поступательных сил, действующих через сустав и перпендикулярных суставным поверхностям (равнодействующей сил реакции сустава, компрессионных сил и растягивающих сил);
3) поступательных сил, действующих через сустав и параллельно суставным поверхностям (равнодействующей сил смещения и сил трения).
Физические законы, которые управляют равновесием или движением рычагов в человеческом организме, исследовались на базовом уровне. Это, однако, только первый шаг в понимании функции человека. Следующий шаг включает в себя изучение строения суставов, определение различного характера контактных поверхностей и амплитуды движений, допустимых в суставах, а также строение связок, поддерживающих эти суставы. Кроме того, необходимо изучить строение мышц, где особое внимание следует обратить на свойства, влияющие на силу мышцы (ОСм), которую как одна, так и несколько мышц совместно могут прилагать к рычагу.