Статика і динаміка тіла людини: центр ваги

Вертикальне положення людського тіла, його переміщення в просторі, різні види рухів (ходьба, біг, стрибки) розвивалися в процесі тривалої еволюції разом з формуванням людини як виду. У процесі антропогенезу, у зв'язку з переходом предків людини до земних умов існування, а потім до пересування на двох (нижніх) кінцівках, суттєво змінилася анатомія всього організму, його окремих частин, органів, включаючи опорно-рухову систему. Двоногоство звільнило верхню кінцівку від опорно-рухової функції. Верхня кінцівка перетворилася на орган праці - руку і могла ще більше вдосконалюватися в спритності рухів. Ці зміни в результаті якісно нової функції відобразилися на будові всіх компонентів пояса та вільної частини верхньої кінцівки. Плечовий пояс служить не тільки опорою для вільної верхньої кінцівки, він значно збільшує її рухливість. Завдяки тому, що лопатка з'єднана зі скелетом тіла переважно за допомогою м'язів, вона набуває більшої свободи рухів. Лопатка бере участь у всіх рухах, що здійснюються ключицею. Крім того, лопатка може вільно рухатися незалежно від ключиці. У багатоосьовому кульовому плечовому суглобі, який майже з усіх боків оточений м'язами, анатомічні особливості будови дозволяють здійснювати рухи по великих дугах у всіх площинах. Спеціалізація функцій особливо помітна в будові кисті. Завдяки розвитку довгих, дуже рухливих пальців (перш за все великого пальця), кисть стала складним органом, що виконує тонкі, диференційовані дії.

Нижня кінцівка, прийнявши на себе всю вагу тіла, пристосувалася виключно до опорно-рухового апарату. Вертикальне положення тіла, прямостояча постава відображаються в будові та функціях пояса (тазу) та вільного відділу нижньої кінцівки. Пояс нижніх кінцівок (тазовий пояс) як міцна дугоподібна структура пристосована до передачі ваги тулуба, голови, верхніх кінцівок на головки стегнової кістки. Нахил тазу на 45-65°, що встановився в процесі антропогенезу, сприяє передачі ваги тіла на вільні нижні кінцівки в найсприятливіших біомеханічних умовах для вертикального положення тіла. Стопа набула дугоподібної структури, що підвищило її здатність витримувати вагу тіла та діяти як гнучкий важіль при його русі. Сильно розвинулися м'язи нижньої кінцівки, які пристосувалися до виконання статичних та динамічних навантажень. Порівняно з м'язами верхньої кінцівки, м'язи нижньої кінцівки мають більшу масу.

На нижній кінцівці м'язи мають великі опорні поверхні та місця для застосування м'язової сили. М'язи нижньої кінцівки більші та сильніші, ніж м'язи верхньої кінцівки. На нижній кінцівці розгиначі розвинені сильніше, ніж згиначі. Це пов'язано з тим, що розгиначі відіграють важливу роль у підтримці тіла у вертикальному положенні та під час руху (ходьба, біг).

У руці згиначі плеча, передпліччя та кисті зосереджені на передній стороні, оскільки робота, що виконується руками, виконується перед тілом. Рухи хапання виконуються кистю, на яку впливає більша кількість згиначів, ніж розгиначів. Верхня кінцівка також має більше м'язів повороту (пронатори, супінатори), ніж нижня. Вони набагато краще розвинені у верхній кінцівці, ніж у нижній. Маса пронаторів і супінаторів руки співвідноситься з рештою м'язів верхньої кінцівки як 1:4,8. У нижній кінцівці співвідношення маси м'язів повороту до решти становить 1:29,3.

Фасції та апоневрози нижньої кінцівки розвинені значно краще, ніж верхньої кінцівки, завдяки більшому прояву сили при статичних та динамічних навантаженнях. Нижня кінцівка має додаткові механізми, що допомагають утримувати тіло у вертикальному положенні та забезпечують його рух у просторі. Пояс нижньої кінцівки майже нерухомо з'єднаний з крижовою кісткою та є природною опорою для тулуба. Тенденції тазу до перекидання назад на головках стегнових кісток запобігає високорозвинена клубово-стегнова зв'язка кульшового суглоба та сильні м'язи. Крім того, вертикаль сили тяжіння тіла, що проходить попереду поперечної осі колінного суглоба, механічно допомагає утримувати колінний суглоб у розігнутому положенні.

На рівні гомілковостопного суглоба, при стоянні, площа контакту між суглобовими поверхнями великогомілкової та таранної кісток збільшується. Цьому сприяє те, що медіальна та латеральна кісточки охоплюють передній, ширший відділ блоку таранної кістки. Крім того, фронтальні осі правого та лівого гомілковостопних суглобів встановлені один до одного під кутом, відкритим назад. Вертикаль ваги тіла проходить вперед щодо гомілковостопних суглобів. Це призводить до своєрідного затискання переднього, ширшого відділу блоку таранної кістки між медіальною та латеральною кісточками. Суглоби верхньої кінцівки (плечовий, ліктьовий, променезап'ястний) не мають таких гальмівних механізмів.

Кістки та м'язи тулуба, особливо осьовий скелет – хребетний стовп, який підтримує голову, верхні кінцівки та органи грудної та черевної порожнин, – зазнали глибоких змін у процесі антропогенезу. У зв'язку з прямостоячою поставою сформувалися вигини в хребті, розвинулися потужні спинні м'язи. Крім того, хребет практично нерухомий у парному міцному крижово-клубовому суглобі з поясом нижніх кінцівок (з тазовим поясом), який у біомеханічному плані служить розподільником ваги тулуба на головки стегнової кістки (на нижні кінцівки).

Поряд з анатомічними факторами – особливостями будови нижніх кінцівок і тулуба, що розвинулися в процесі антропогенезу для підтримки тіла у вертикальному положенні, забезпечення стійкої рівноваги та динаміки, особливу увагу слід звертати на положення центру ваги тіла.

Загальний центр ваги (ЦВ) людини – це точка докладання рівнодіючої всіх сил тяжіння частин її тіла. За М. Ф. Іваніцьким, ЦВ розташований на рівні IV крижових хребців і проектується на передню поверхню тіла над лобковим симфізом. Положення ЦВ відносно поздовжньої осі тіла та хребта залежить від віку, статі, стану кісток скелета, м'язів та жирових відкладень. Крім того, спостерігаються добові коливання положення ЦВ через вкорочення або подовження хребта, які виникають через нерівномірне фізичне навантаження вдень і вночі. У людей похилого та старого віку положення ЦВ також залежить від постави. У чоловіків ЦВ розташований на рівні III поперекового – V крижового хребців, у жінок – на 4-5 см нижче, ніж у чоловіків, і відповідає рівню від V поперекового до I куприкового хребця. Це залежить, зокрема, від більшого відкладення підшкірного жиру в області тазу та стегон, ніж у чоловіків. У новонароджених центр ваги знаходиться на рівні V-VI грудних хребців, а потім поступово (до 16-18 років) він зміщується вниз і трохи назад.

Положення центру тягаря тіла людини також залежить від типу статури. У людей з доліхоморфним типом статури (астеніків) центр тягаря розташований відносно нижче, ніж у людей з брахіморфним типом статури (гіперстеніків).

В результаті дослідження було встановлено, що центр ваги тіла людини зазвичай розташований на рівні другого крижового хребця. Вискова лінія центру ваги проходить на 5 см позаду поперечної осі кульшових суглобів, приблизно на 2,6 см позаду лінії, що з'єднує великі вертели, та на 3 см попереду поперечної осі гомілковостопних суглобів. Центр ваги голови розташований трохи попереду поперечної осі атланто-потиличних суглобів. Спільний центр ваги голови та тіла знаходиться на рівні середини переднього краю десятого грудного хребця.

Для підтримки стійкої рівноваги тіла людини на площині необхідно, щоб перпендикуляр, опущений з її центру ваги, припадав на площу, зайняту обома стопами. Тіло стоїть міцніше, чим ширша площа опори і чим нижче центр ваги. Для вертикального положення тіла людини основним завданням є підтримка рівноваги. Однак, напружуючи відповідні м'язи, людина може утримувати тіло в різних положеннях (у певних межах) навіть тоді, коли проекція центру ваги знаходиться поза площею опори (сильний нахил тіла вперед, в сторони тощо). Водночас, стояння та рух тіла людини не можна вважати стійким. При відносно довгих ногах людина має відносно невелику площу опори. Оскільки загальний центр ваги тіла людини розташований відносно високо (на рівні другого крижового хребця), а площа опори (площа двох підошов і простір між ними) незначна, стійкість тіла дуже мала. У стані рівноваги тіло утримується силою м'язових скорочень, що запобігає його падінню. Частини тіла (голова, тулуб, кінцівки) займають положення, що відповідає кожній з них. Однак, якщо співвідношення частин тіла порушується (наприклад, витягування рук вперед, згинання хребта при стоянні тощо), то відповідно змінюються положення та рівновага інших частин тіла. Статичні та динамічні моменти дії м'язів безпосередньо пов'язані з положенням центру ваги тіла. Оскільки центр ваги всього тіла розташований на рівні другого крижового хребця позаду поперечної лінії, що з'єднує центри кульшових суглобів, тенденції тулуба (разом з тазом) до нахилу назад протистоять високорозвинені м'язи та зв'язки, що зміцнюють кульшові суглоби. Це забезпечує рівновагу всієї верхньої частини тіла, яка утримується вертикально на ногах.

Тенденція тіла падати вперед під час стояння зумовлена проходженням вертикальної лінії центру ваги вперед (на 3-4 см) від поперечної осі гомілковостопних суглобів. Падінню чинять опір дії м'язів задньої частини ноги. Якщо вертикальна лінія центру ваги переміщується ще далі вперед - до пальців ніг, то скороченням м'язів спини ноги піднімається п'ята, відривається від площини опори, вертикальна лінія центру ваги переміщується вперед і пальці ніг служать опорою.

Окрім опорної, нижні кінцівки виконують локомоторну функцію, переміщуючи тіло в просторі. Наприклад, під час ходьби тіло людини здійснює рух вперед, по черзі спираючись то на одну ногу, то на іншу. При цьому ноги по черзі здійснюють маятникоподібні рухи. Під час ходьби одна з нижніх кінцівок у певний момент є опорною (задня), інша – вільною (передня). З кожним новим кроком вільна нога стає опорною, а опорна нога виводиться вперед і стає вільною.

Скорочення м'язів нижньої кінцівки під час ходьби значно збільшує кривизну підошви стопи, збільшує кривизну її поперечного та поздовжнього склепінь. Одночасно в цей момент тулуб злегка нахиляється вперед разом з тазом на головках стегнових кісток. Якщо перший крок розпочати з правої ноги, то права п'ята, потім середина підошви та пальці ніг піднімаються над площиною опори, права нога згинається в кульшовому та колінному суглобах і виводиться вперед. Одночасно кульшовий суглоб цього боку та тулуб йдуть вперед за вільною ногою. Ця (права) нога, при енергійному скороченні чотириголового м'яза стегна, випрямляється в колінному суглобі, торкається поверхні опори та стає опорою. У цей момент інша, ліва нога (до цього моменту задня, опорна нога) відривається від площини опори, виводиться вперед, стаючи передньою, вільною ногою. У цей час права нога залишається позаду як опорна. Разом з нижньою кінцівкою тіло рухається вперед і злегка вгору. Таким чином, обидві кінцівки по черзі виконують однакові рухи в суворо визначеній послідовності, підтримуючи тіло спочатку з одного боку, потім з іншого та висуваючи його вперед. Однак під час ходьби немає моменту, коли обидві ноги одночасно відриваються від землі (площини опори). Передня (вільна) кінцівка завжди встигає торкнутися п'ятою площини опори до того, як задня (опорна) нога повністю відокремиться від неї. Цим ходьба відрізняється від бігу та стрибків. Водночас, під час ходьби є момент, коли обидві ноги одночасно торкаються землі, причому опорна нога торкається всією підошвою, а вільна нога — пальцями ніг. Чим швидше ходьба, тим коротший момент одночасного контакту обох ніг з площиною опори.

Відстежуючи зміни положення центру ваги під час ходьби, можна відзначити рух усього тіла вперед, вгору та вбік у горизонтальній, фронтальній та сагітальній площинах. Найбільше зміщення відбувається вперед у горизонтальній площині. Зміщення вгору та вниз становить 3-4 см, а в сторони (бічні розмахи) - 1-2 см. Характер та ступінь цих зміщень схильні до значних коливань та залежать від віку, статі та індивідуальних особливостей. Поєднання цих факторів визначає індивідуальність ходи, яка може змінюватися під впливом тренувань. У середньому довжина нормального спокійного кроку становить 66 см і займає 0,6 с.

Коли ходьба прискорюється, крок перетворюється на біг. Біг відрізняється від ходьби тим, що передбачає почергову опору та торкання поверхні опори спочатку однією ногою, а потім іншою.

[ 1 ], [ 2 ]