Statyka i dynamika ludzkiego ciała: środek ciężkości

Pionowa pozycja ciała człowieka, jego ruch w przestrzeni, różne rodzaje ruchów (chód, bieg, skok) rozwijały się w procesie długiej ewolucji wraz z kształtowaniem się człowieka jako gatunku. W procesie antropogenezy, w związku z przejściem przodków człowieka do warunków bytu ziemskiego, a następnie do poruszania się na dwóch (dolnych) kończynach, anatomia całego organizmu, jego poszczególnych części, narządów, w tym układu mięśniowo-szkieletowego, uległa znacznym zmianom. Dwunożność uwolniła kończynę górną od funkcji układu mięśniowo-szkieletowego. Kończyna górna przekształciła się w narząd pracy - rękę i mogła dalej poprawiać zręczność ruchów. Zmiany te w wyniku jakościowo nowej funkcji znalazły odzwierciedlenie w budowie wszystkich składników obręczy i części wolnej kończyny górnej. Obręcz barkowa służy nie tylko jako podpora dla wolnej kończyny górnej, znacznie zwiększa jej ruchomość. Dzięki temu, że łopatka jest połączona ze szkieletem ciała głównie za pomocą mięśni, zyskuje większą swobodę ruchu. Łopatka uczestniczy we wszystkich ruchach wykonywanych przez obojczyk. Ponadto łopatka może poruszać się swobodnie niezależnie od obojczyka. W wieloosiowym stawie barkowym kulistym, który jest otoczony mięśniami z niemal wszystkich stron, anatomiczne cechy struktury umożliwiają ruchy po dużych łukach we wszystkich płaszczyznach. Specjalizacja funkcji jest szczególnie widoczna w budowie ręki. Dzięki rozwojowi długich, bardzo ruchomych palców (przede wszystkim kciuka) ręka stała się złożonym narządem, który wykonuje drobne, zróżnicowane czynności.

Kończyna dolna, przejmując cały ciężar ciała, dostosowała się wyłącznie do funkcji układu mięśniowo-szkieletowego. Pionowe położenie ciała, wyprostowana postawa odzwierciedlona w budowie i funkcjach obręczy (miednicy) oraz części wolnej kończyny dolnej. Obręcz kończyn dolnych (pas miedniczny) jako silna wysklepiona struktura dostosowana do przenoszenia ciężaru tułowia, głowy, kończyn górnych na głowy kości udowych. Utworzone w procesie antropogenezy pochylenie miednicy o 45-65° przyczynia się do przenoszenia ciężaru ciała na wolne kończyny dolne w najbardziej korzystnych warunkach biomechanicznych dla pionowego położenia ciała. Stopa nabyła wysklepioną strukturę, co zwiększyło jej zdolność do wytrzymywania ciężaru ciała i działania jako elastyczna dźwignia podczas jego poruszania. Silnie rozwinęły się mięśnie kończyny dolnej, które przystosowały się do wykonywania obciążeń statycznych i dynamicznych. W porównaniu z mięśniami kończyny górnej, mięśnie kończyny dolnej mają większą masę.

W kończynie dolnej mięśnie mają rozległe powierzchnie podparcia i zastosowanie siły mięśniowej. Mięśnie kończyny dolnej są większe i silniejsze niż mięśnie kończyny górnej. W kończynie dolnej prostowniki są bardziej rozwinięte niż zginacze. Wynika to z faktu, że prostowniki odgrywają główną rolę w utrzymywaniu ciała w pozycji pionowej i w ruchu (chodzenie, bieganie).

W ramieniu zginacze barku, przedramienia i dłoni są skoncentrowane na przedniej stronie, ponieważ praca wykonywana przez ręce odbywa się przed ciałem. Ruchy chwytania są wykonywane przez dłoń, na którą działa większa liczba zginaczy niż prostowników. Kończyna górna ma również więcej mięśni obrotowych (pronatorów, supinatorów) niż dolna. Są one znacznie lepiej rozwinięte w kończynie górnej niż w dolnej. Masa pronatorów i supinatorów ramienia odnosi się do pozostałych mięśni kończyny górnej jak 1:4,8. W kończynie dolnej stosunek masy mięśni obrotowych do pozostałych wynosi 1:29,3.

Powięź i rozcięgna kończyny dolnej są znacznie lepiej rozwinięte niż kończyny górnej ze względu na większe przejawy siły przy obciążeniach statycznych i dynamicznych. Kończyna dolna ma dodatkowe mechanizmy, które pomagają utrzymać ciało w pozycji pionowej i zapewniają jego ruch w przestrzeni. Obręcz kończyny dolnej jest niemal nieruchomo połączona z kością krzyżową i stanowi naturalne podparcie dla tułowia. Tendencji miednicy do przechylania się do tyłu na głowach kości udowych zapobiega silnie rozwinięte więzadło biodrowo-udowe stawu biodrowego i silne mięśnie. Ponadto pion grawitacji ciała, przechodzący przed osią poprzeczną stawu kolanowego, mechanicznie pomaga utrzymać staw kolanowy w pozycji wyprostowanej.

Na poziomie stawu skokowego, w pozycji stojącej, zwiększa się powierzchnia styku powierzchni stawowych kości piszczelowej i skokowej. Ułatwia to fakt, że kostki przyśrodkowe i boczne obejmują przednią, szerszą część bloku skokowego. Ponadto osie czołowe prawego i lewego stawu skokowego ustawione są względem siebie pod kątem otwartym do tyłu. Pion grawitacji ciała przechodzi do przodu w stosunku do stawów skokowych. Prowadzi to do swoistego ściśnięcia przedniej, szerszej części bloku skokowego między kostkami przyśrodkowymi i bocznymi. Stawy kończyny górnej (bark, łokieć, nadgarstek) nie mają takich mechanizmów hamowania.

Kości i mięśnie tułowia, zwłaszcza szkielet osiowy - kręgosłup, który podtrzymuje głowę, kończyny górne i narządy klatki piersiowej i jamy brzusznej - uległy głębokim zmianom w procesie antropogenezy. W związku z postawą wyprostowaną uformowały się krzywizny kręgosłupa, rozwinęły się silne mięśnie grzbietowe. Ponadto kręgosłup jest praktycznie nieruchomy w sparowanym silnym stawie krzyżowo-biodrowym z obręczą kończyn dolnych (z obręczą miedniczną), która pod względem biomechanicznym służy jako rozdzielacz ciężaru tułowia na głowy kości udowej (na kończyny dolne).

Oprócz czynników anatomicznych - ukształtowanych w procesie antropogenezy cech budowy kończyn dolnych i tułowia w celu utrzymania ciała w pozycji pionowej, zapewniającej stabilną równowagę i dynamikę, szczególną uwagę należy zwrócić na położenie środka ciężkości ciała.

Ogólny środek ciężkości (GC) człowieka to punkt przyłożenia wypadkowej wszystkich sił grawitacyjnych części jego ciała. Według MF Ivanitsky'ego, GC znajduje się na poziomie IV kręgów krzyżowych i jest rzutowany na przednią powierzchnię ciała powyżej spojenia łonowego. Położenie GC w stosunku do osi podłużnej ciała i kręgosłupa zależy od wieku, płci, kości szkieletowych, mięśni i złogów tłuszczu. Ponadto występują codzienne wahania położenia GC z powodu skrócenia lub wydłużenia kręgosłupa, które występują z powodu nierównomiernej aktywności fizycznej w ciągu dnia i w nocy. U osób starszych i starszych położenie GC zależy również od postawy. U mężczyzn GC znajduje się na poziomie III kręgów lędźwiowo-krzyżowych, u kobiet - 4-5 cm niżej niż u mężczyzn i odpowiada poziomowi od V kręgu lędźwiowego do I kręgu guzicznego. Zależy to w szczególności od większego odkładania się tłuszczu podskórnego w okolicy miednicy i bioder niż u mężczyzn. U noworodków środek ciężkości znajduje się na poziomie V-VI kręgów piersiowych, a następnie stopniowo (do 16-18 roku życia) przesuwa się w dół i lekko do tyłu.

Pozycja CG ludzkiego ciała zależy również od typu budowy ciała. U osób o dolichomorficznym typie budowy ciała (astenicy) CG znajduje się stosunkowo niżej niż u osób o brachymorficznym typie budowy ciała (hipersthenicy).

W wyniku badań ustalono, że środek ciężkości ciała ludzkiego znajduje się zazwyczaj na wysokości drugiego kręgu krzyżowego. Pion środka ciężkości przebiega 5 cm za osią poprzeczną stawów biodrowych, około 2,6 cm za linią łączącą krętarze większe i 3 cm przed osią poprzeczną stawów skokowych. Środek ciężkości głowy znajduje się nieznacznie przed osią poprzeczną stawów szczytowo-potylicznych. Wspólny środek ciężkości głowy i ciała znajduje się na wysokości środka przedniej krawędzi dziesiątego kręgu piersiowego.

Aby utrzymać stabilną równowagę ciała ludzkiego na płaszczyźnie, konieczne jest, aby prostopadła zrzucona z jego środka ciężkości spadła na obszar zajmowany przez obie stopy. Ciało stoi mocniej, im szerszy obszar podparcia i niższy środek ciężkości. W przypadku pionowej pozycji ciała ludzkiego utrzymanie równowagi jest głównym zadaniem. Jednak poprzez naprężenie odpowiednich mięśni człowiek może utrzymać ciało w różnych pozycjach (w pewnych granicach), nawet gdy rzut środka ciężkości znajduje się poza obszarem podparcia (silne pochylenie ciała do przodu, na boki itp.). Jednocześnie, stojące i poruszające się ciało ludzkie nie może być uważane za stabilne. Przy stosunkowo długich nogach człowiek ma stosunkowo małą powierzchnię podparcia. Ponieważ ogólny środek ciężkości ciała ludzkiego znajduje się stosunkowo wysoko (na poziomie drugiego kręgu krzyżowego), a powierzchnia podparcia (obszar dwóch podeszew i przestrzeń między nimi) jest nieznaczna, stabilność ciała jest bardzo mała. W stanie równowagi ciało jest utrzymywane siłą skurczów mięśni, co zapobiega jego upadkowi. Części ciała (głowa, tułów, kończyny) zajmują pozycję odpowiadającą każdej z nich. Jeśli jednak proporcje części ciała zostaną zaburzone (np. wyciągnięcie ramion do przodu, zgięcie kręgosłupa podczas stania itp.), wówczas pozycja i równowaga pozostałych części ciała ulegają zmianie. Statyczne i dynamiczne momenty działania mięśni są bezpośrednio związane z położeniem środka ciężkości ciała. Ponieważ środek ciężkości całego ciała znajduje się na wysokości drugiego kręgu krzyżowego za linią poprzeczną łączącą środki stawów biodrowych, tendencji tułowia (wraz z miednicą) do przechylania się do tyłu przeciwdziałają silnie rozwinięte mięśnie i więzadła wzmacniające stawy biodrowe. Zapewnia to równowagę całej górnej części ciała, która jest utrzymywana w pozycji pionowej na nogach.

Tendencja ciała do upadania do przodu w pozycji stojącej wynika z pionowej linii środka ciężkości przechodzącej do przodu (o 3-4 cm) od osi poprzecznej stawów skokowych. Upadkowi przeciwdziałają działania mięśni tylnej części nogi. Jeśli pionowa linia środka ciężkości przesunie się jeszcze dalej do przodu - do palców, to poprzez skurcz tylnych mięśni nogi pięta zostaje uniesiona, uniesiona z płaszczyzny podparcia, pionowa linia środka ciężkości przesuwa się do przodu, a palce służą jako podparcie.

Oprócz podtrzymywania kończyny dolne pełnią funkcję lokomotoryczną, poruszając ciało w przestrzeni. Na przykład podczas chodzenia ciało człowieka wykonuje ruch do przodu, naprzemiennie opierając się na jednej nodze, to na drugiej. W tym przypadku nogi wykonują naprzemiennie ruchy wahadłowe. Podczas chodzenia jedna z kończyn dolnych w pewnym momencie jest podporą (tył), druga jest wolna (przód). Z każdym nowym krokiem wolna noga staje się podporą, a noga podporowa jest przenoszona do przodu i staje się wolna.

Skurcz mięśni kończyny dolnej podczas chodzenia znacznie zwiększa krzywiznę podeszwy stopy, zwiększa krzywiznę jej łuków poprzecznych i podłużnych. Jednocześnie w tym momencie tułów lekko pochyla się do przodu wraz z miednicą na głowach kości udowych. Jeśli pierwszy krok rozpoczynamy prawą stopą, to prawa pięta, następnie środek podeszwy i palce unoszą się ponad płaszczyznę podparcia, prawa noga zgina się w stawach biodrowych i kolanowych i jest wysunięta do przodu. Jednocześnie staw biodrowy tej strony i tułów podążają do przodu za nogą wolną. Ta (prawa) noga, przy energicznym skurczu mięśnia czworogłowego uda, prostuje się w stawie kolanowym, dotyka powierzchni podparcia i staje się podporą. W tym momencie druga, lewa noga (do tego momentu tylna, noga podporowa) odchodzi od płaszczyzny podparcia, jest wysunięta do przodu, stając się przednią, wolną nogą. W tym momencie prawa noga pozostaje z tyłu jako noga podporowa. Razem z kończyną dolną ciało porusza się do przodu i lekko w górę. Obie kończyny wykonują więc naprzemiennie te same ruchy w ściśle określonej kolejności, podpierając ciało najpierw z jednej strony, potem z drugiej i popychając je do przodu. Jednak podczas chodzenia nie ma momentu, w którym obie nogi są jednocześnie odrywane od podłoża (płaszczyzny podparcia). Kończyna przednia (wolna) zawsze zdąży dotknąć płaszczyzny podparcia piętą, zanim tylna (podpierająca) noga całkowicie się od niej oddzieli. Tym właśnie chodzenie różni się od biegania i skakania. Jednocześnie podczas chodzenia występuje moment, w którym obie nogi jednocześnie dotykają podłoża, przy czym noga podpierająca dotyka całej podeszwy, a noga wolna dotyka palców. Im szybszy chód, tym krótszy jest moment jednoczesnego kontaktu obu nóg z płaszczyzną podparcia.

Śledząc zmiany położenia środka ciężkości podczas chodzenia, można zauważyć ruch całego ciała do przodu, do góry i na boki w płaszczyźnie poziomej, czołowej i strzałkowej. Największe przesunięcie występuje do przodu w płaszczyźnie poziomej. Przesunięcie w górę i w dół wynosi 3-4 cm, a na boki (huśtawki boczne) - 1-2 cm. Charakter i zakres tych przemieszczeń podlegają znacznym wahaniom i zależą od wieku, płci i cech indywidualnych. Połączenie tych czynników determinuje indywidualność chodu, która może się zmieniać pod wpływem treningu. Średnio długość normalnego spokojnego kroku wynosi 66 cm i trwa 0,6 s.

Gdy chodzenie przyspiesza, krok zamienia się w bieg. Bieganie różni się od chodzenia tym, że wymaga naprzemiennego podpierania się i dotykania powierzchni podparcia najpierw jedną, a potem drugą stopą.

[ 1 ], [ 2 ]