Число степеней свободы движений соответствует количеству возможных независимых линейных и угловых перемещений тела.

Тело, ничем не ограниченное в движениях (может двигаться в любом направлении), называется свободным. Движение свободного тела возможно в трех основных направлениях – вдоль осей координат, а также вокруг этих трех осей; оно имеет 6 степеней свободы движения (рис., а)

Наложение связей уменьшает количество степеней свободы. Если закрепить одну точку тела, то сразу снимается 3 степени свободы: тело не сможет двигаться вдоль трех осей координат; у него останутся только возможности вращения вокруг этих осей, т.е. только три степени свободы (рис., б). Так соединены кости трехосных (шаровидных) суставов.

При закреплении двух точек в теле возможно вращение лишь вокруг линии (оси), проходящей через обе точки (рис., в). Так соединены кости одноосных суставов, обеспечивающих одну степень свободы. Если же закреплены три точки (не лежащие на одной линии), то движения тела совсем невозможно (рис., г). Такое соединение неподвижно и, следовательно, не является суставом.

Множество возможностей движений в суставах кинематической пары более чем с одной степенью свободы требует для выполнения каждого определенного движения: а) выбора необходимой траектории, б) управления движением по траектории (направлением и величиной скорости) и в) регуляции движения, понимаемой как борьба с помехами, сбивающими с траектории.

Костные рычаги

Кости как твердые (негибкие) звенья, соединяясь подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные силы действуют на звенья как на рычаги или маятники.

Костные рычаги – звенья тела, подвижно соединенные в суставах под действием приложенных сил, - могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние. Все силы, приложенные к звену как рычагу, можно объединить в две группы:

а) силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычага (они не могут повлиять на движение вокруг этой оси);

б) силы или их составляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси рычага (они могут влиять на движение вокруг оси в двух противоположных направлениях).

Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходу движения (движущие) и против него (тормозящие).

Когда группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода (рис.), а когда по одну сторону – одноплечим, или рычагом второго рода (рис.).

Каждый рычаг имеет следующие элементы (рис.):

а) точку опоры (о);

б) точки приложения сил;

в) плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил – l);

г) плечи сил (расстояние от точки опоры до линий действия сил – опущенные на них перпендикуляры – d).

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры (произведение силы на ее плечо).

Сохранение положения и движения звена как рычага зависит от соотношения противоположно действующих моментов сил. Когда противоположные, относительно оси сустава, моменты сил равны, звено либо сохраняет свое положение, либо продолжает движение с прежней скоростью (моменты сил уравновешены). Если же один из моментов сил больше другого, звено получает ускорение в направлении его действия.

Иногда полезно рассматривать движения тела или его звеньев как маятников (например, движение ноги при ходьбе или беге). Звено тела, продолжающее после разгона движение по инерции, имеет сходство с физическим маятником. Маятник в поле силы тяжести, выведенный из равновесия, сначала под действием момента силы тяжести качается вниз, а далее, затрачивая приобретенную кинетическую энергию, поднимается по инерции вверх. Можно рассчитать период качания и ускорение звена. Составные маятники (несколько подвешенных друг к другу маятников) ведут себя намного сложнее. Именно поэтому в каждом шаге моменты мышечных сил нужно приспосабливать к переменным механическим условиям. Чтобы обеспечивать относительное постоянство шагов.

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями: кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции.

Кости черепа, грудной клетки и таза защищают внутренние органы. Опорную функцию выполняют кости конечностей и позвоночника.

Различают четыре вида механического воздействия на кость:

1. Растяжение. Прочность кости на растяжение выше, чем у дуба, и почти равна прочности чугуна.

2. Сжатие. Самая массивная кость – большеберцовая (в голени) – выдерживает вес 27 человек. Предельная сила сжатия составляет 16000 – 18000 Н (1,6 -1,8 т).

3. Изгиб. Силы 12000 Н (1,2 т) недостаточно, чтобы сломать бедренную кость.

4. Кручение. При ходьбе моменты скручивающих сил могут достичь 15 Н×м. Эта величина в несколько раз меньше предела прочности костей: для разрушения, например, большеберцовой кости момент скручивающей силы должен достичь 30-140 Н×м.

Прочность костей в 2-5 раз превышают силы, действующие на них в повседневной деятельности человека. Если механические нагрузки превышают обычные диапазоны, то организм с ними справляется, гипертрофируя кости. Известно, что у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья т.д.

Биомеханика мышц

Скелетные мышцы являются основным источником механической энергии человеческого тела. Их можно сравнить с двигателем. Они преобразуют химическую энергию в механическую работу или силу.