Двигательные возможности человеческого организма

Категория: Когда болят суставы...

Если спросить у молодого здорового человека, трудно ли ему ходить, бегать, прыгать в обыденной жизни, он удивится. И действительно, обычно мы, выполняя движения, не задумываемся над тем, какую ногу, куда и как поставить, под каким углом наклонить туловище, какое положение следует придать рукам и ногам, что бы пойти быстрее, перепрыгнуть через канаву, поднять какой-либо предмет и так далее. Мы просто ставим перед собой задачу — ускорить шаг, преодолеть препятствие, переставить предмет. А какая сложная работа выполняется при этом опорно-двигательным аппаратом и нервной системой!

До удивительного богаты двигательные возможности человеческого тела! Нас не перестают восхищать и головокружительное катание фигуристов на льду, и стремительные пробежки хоккеистов, и красивые и плавные танцы балерины, и изумительная техника пианиста-виртуоза.

Однако известно и другое: сложные двигательные навыки как в спорте, так и на производстве усваиваются довольно трудно. Сколько труда и упорства, разочарования и даже отчаяния приходится перенести человеку прежде чем он достигнет определенной степени мастерства во владении своим телом. Как неуклюжи первые попытки первоклассника написать слово, как беспомощно повисает на перекладине новичок, пришедший в гимнастический зал, как неловко работает напильником подросток, впервые взявший его в руки!

Что же лежит в основе управления движениями тела человека?

Изучая строение человеческого тела, мы узнаем, что оно состоит из различных тканей: костной, мышечной соединительной, нервной и многих других. Каждая ткань содержит в себе форменные элементы и межклеточное (основное) вещество. Есть в нашем организме ткани построенные преимущественно из клеток, а есть и такие что состоят из основного вещества с небольшим количеством форменных элементов. Ткани первого рода характерны для внутренних органов, желез, стенок сосудов полостей; второго — для соединительной ткани. Последняя является объединяющей структурой для частей человеческого тела, служит опорой тела, участвует в обмене веществ, защите организма, имеет сложное и разно образное строение, обеспечивая различные жизненно важные функции.

Прочность и эластичность соединительной ткани придают содержащиеся в ней коллагеновые и эластические волокна. Указанные волокна представляют собой сложные белковые и небелковые соединения, способные в определенных условиях изменять свойства тканей. К соединительной ткани относятся кости, хрящи, связки фасции, кровь.

Двигательный аппарат человека, обеспечивающий перемещение тела в пространстве, подразделяется на пассивную часть (кости, суставы), которые выполняют роль опоры и рычагов (рис. 1) и активную (мышцы) обеспечивающую подвижность этих рычагов. Поэтому нередко можно встретить объединенное название — опорно-двигательный аппарат.

Двигательные возможности человеческого тела

Рис.1 Основные суставы и сочленения костей:

1 – челюстной; 2 – плечевой; 3 - локтевой; 4 — лучезапястный 5 – пястно-фаланговый; 6 – межфаланговый; 7 — грудинно-ключичный; 8 - межпозвонковый диск; 9 — крестцово-подвздошное сочленение; 11 — тазобедренный сустав; 12 – коленный; 13 — голеностопный; 14 – плюсне – предплюсневые; 15 - плюснефаланговый

Рис.2 Схематическое изображение архитектоники верхней части бедренной кости: расположение костных балок соответствует силовым нагрузкам.


Основой опоры человеческого тела является костный скелет — собранные в определенную систему различной формы и строения кости. Особенность строения костей обеспечивает им большую прочность и относительную легкость. Не случайно костную ткань сравнивают с бетоном. Плотность кости превышает плотность гранита, а упругость ее — больше упругости дерева. Эластичность кости зависит от входящего в ее состав органического вещества — оссеина (его в кости одна третья часть), твердость — от наличия минеральных солей (две трети веса кости). В молодом возрасте оссеина относительно больше, кость эластичнее, реже ломается, в старости же количество органических веществ уменьшается, и кости становятся более хрупкими.

 

Архитектоника кости своеобразна: элементарные «кирпичики» кости — остеоны складываются в балочки и перекладины, расположение которых соответствует основным физическим нагрузкам на кость (рис. 2). Кость — живой орган, ее образование и разрушение происходят постоянно. Проведенными научными исследованиями (с помощью меченых атомов) установлено, что состав кости сменяется в течение года дважды.

В скелете различают: череп, создающий прочную защиту головному мозгу и начальным отделам пищеварительных и дыхательных путей, кости туловища и конечностей. Определяющее значение в двигательной функции скелета имеют позвоночник и кости конечностей.

Позвоночный столб (рис. 3) образован позвонками (их 33—34), расположенными один над другим таким образом, что тела их образуют массивный остов, а дуги составляют канал, в котором размещен спинной мозг (рис. 4). Между телами позвонков находятся межпозвонковые диски, состоящие из фиброзного кольца и студенистого ядра. Диски обладают рессорными свойствами, обеспечивая амортизацию сотрясений и толчков и подвижность позвонков. Механическая прочность позвоночника велика. Так, предел прочности позвонков составляет 100—300 килограммов, причем шейные позвонки, хотя и менее плотны, чем поясничные, но имеют больший запас прочности. Особой прочностью обладают межпозвонковые диски; они в состоянии выдерживать нагрузку в 1000 килограммов и более. Подвижность между отдельными позвонками небольшая, однако в целом позвоночник может совершать значительные наклоны.

Отделы позвоночника

Рис. 3 (слева). Отделы позвоночника (а — вид сбоку; б — спереди); 1 — шейный; 2 — грудной; 3 — поясничный; 4 — крестцовый; 5 — копчик. Сбоку видны поясничный лордоз и грудной кифоз.

Рис. 4 (справа вверху). Поясничный позвонок; а — вид сверху, б — сбоку.

Рис. 5 (справа внизу). Схематическое изображение сустава: 1 — сочленяющаяся часть кости; 2 — суставной хрящ; 3 — синовиальная оболочка; 4 — суставная сумка; 5 — надкостница

Позвоночник не является прямым столбом, а имеет волнообразные изгибы в переднезаднем направлении: в шейном отделе вперед (лордоз), в грудном — назад (кифоз), в поясничном — опять вперед, в крестцовом — назад. Эти изгибы, появляющиеся у человека в результате осевой нагрузки, обеспечивают упругость позвоночника и более плавные его движения, являются своего рода «демпферным устройством», обеспечивающим наряду с межпозвонковыми дисками гашение ударов, оберегая от сотрясений спинной мозг.


Кости конечностей преимущественно трубчатые, длинные и обеспечивают движения по принципу рычага. Прочность костей рук и ног также велика. Так, бедренная кость может выдержать 1,5 тонны весовой нагрузки, а большеберцовая кость — до 1,8 тонны!

 

Некоторые кости плотно соединяются между собой при помощи костных швов (кости черепа, таза) или хрящевых соединений (ребра с грудиной, некоторые кости таза). Но большинство костей нашего тела соединены суставами.

Схематически строение любого сустава можно представить себе следующим образом. Сочленяющиеся концы костей, входящих в сустав как в полость, покрыты суставным (гиалиновым) хрящом. Последний достаточно упруг и прочен, имеет гладкую поверхность, обеспечивающую хорошее скольжение сочленяющихся костей. Область сочленения окружена сумкой (капсулой), которая в виде муфты соединяет кости (рис. 5). Внутренняя (синовиальная) оболочка капсулы богата кровеносными сосудами и нервными окончаниями, покрыта клетками, которые вырабатывают синовиальную жидкость (благодаря чему обеспечиваются смазка и питание сустава). Наружная (фиброзная) оболочка капсулы плотная и крепкая.

Многие суставы окружены мышцами, связками, сухожилиями, которые укрепляют соединение костей. Такие суставы соединяют кости конечностей, дужки между позвонками, нижнюю челюсть с верхней и другие, где необходима достаточно большая и устойчивая подвижность.

Из большого количества костей и суставов состоят кисть и стопа, что обеспечивает им большую подвижность отдельных частей (кисть) и своеобразную, пружинистую походку (стопа).

Следует остановиться на основном рабочем органе человека — кисти. Знаменитый русский хирург Н. И. Пирогов указывал на ее «особливую способность». И действительно, кисть с множеством вариантов захватов и поз может совершать быстрые и медленные, сильные и тончайшие движения невероятной сложности. Все эти анатомо-физиологические особенности руки и кисти в частности, по выражению Ф. Энгельса, сложились в процессе труда. Особенно велика подвижность первого пальца, он может быть противопоставлен остальным пальцам, быть поставлен с ними в ряд, действовать самостоятельно и с другими пальцами вместе. Именно большой палец в значительной мере обеспечивает многообразные трудовые движения кисти. В древние времена пленным отрубали большой палец, и это было самым унизительным для воина: он уже никогда не мог участвовать в сражениях.

Сложна архитектоника и стопы: в продольном направлении она образует свод, одна опора которого падает на пятку, другая — на головки преимущественно крайних плюсневых костей (первой и пятой), в поперечном направлении имеется второй свод с упорами на крайние плюсневые кости. При повышенных нагрузках своды несколько уплощаются, при этом несколько смещаются и точки опоры. Благодаря своему сложному строению стопа легко приспосабливается к неровностям почвы, способна пружинить, способствуя уменьшению сотрясения тела при ходьбе, прыжках.


Движения тела совершаются благодаря активной деятельности мышц — их сокращениям. В двигательных актах принимает участие весь опорно-двигательный аппарат как единое целое: мышцы, прикрепленные к костям, двигают костные рычаги и вместе со связками удерживают их в определенном положении, кости служат опорой для целых групп мышц!

 

Представляет интерес строение мышц. Мышечная клетка имеет удлиненную форму (длина около 12 сантиметров, ширина — 35—40 микронов), в ней расположены палочковидные ядра и тонкие нити (миофибриллы), способные сокращаться. Мышца состоит из множества таких нитей, окутанных соединительной тканью (фасциями) для уменьшения трения при сокращении мышечных волокон.

Существуют две большие группы мышц: поперечнополосатые и гладкие. Первые из них под микроскопом имеют поперечную исчерченность. Они называются скелетными. Эти мышцы с обеих концов заканчиваются сухожилиями, которые прикрепляются к костям. Другой группы мышц (гладких), не имеющих отношения к движениям тела, мы не касаемся. Скелетные мышцы способны произвести до 10 сокращений в секунду, например, мышцы у скрипача-виртуоза. В то же время мышцы долгое время могут находиться в напряжении.

Мышцы нашего тела даже в покое всегда несколько напряжены, что обеспечивает устойчивость принимаемых нами поз и плавность движений. Возможность производить разнообразные движения с одновременным созданием рациональных поз является непременным условием выполнения трудовых процессов.

Мышечная система является не только основой механических движений человеческого тела, но и системой, тесно связанной с головным мозгом и отражающей его функциональное состояние. Известный ученый в области исследования двигательных функций человеческого тела профессор Н. А. Бернштейн писал, что из всех областей, относящихся к компетенции общей физиологии, ни одна не является столь специфически человеческой, как область физиологии двигательных функций.

Сокращение мышцы вызывается импульсами, поступающими по волокнам из центров нервной системы. Если учесть, что в человеческом теле более 200 костей и более 600 мышц, то встает вопрос, как осуществляется согласованное действие всех частей опорно-двигательного аппарата.

При движении человеческого тела число возможных вариантов положений его в пространстве огромно. Чем это можно объяснить?


Во 11 веке нашей эры, в Римской империи, врач школы гладиаторов Клавдий Гален, наблюдая за боями своих подопечных, старался понять, в чем разница между движением мертвых тел и живых. Пытался углубиться в сущность движения тел животных и человека Леонардо да Винчи. Во второй половине XVII века в Риме вышла в свет книга профессора математики Джовании Альфонсо Борелли «О механике живого», и с тех пор биомеханика как наука о законах движений в живой природе стала быстро развиваться. Большой вклад в изучение движений человеческого тела внесли советские ученые Н. А. Бернштейн, Д. Д. Донской, В. С. Гурфинкель.

 

Чтобы уяснить сущность движений человеческого тела в разных направлениях, представим себе свободно находящееся тело в трехмерном пространстве. Такое тело может свободно двигаться вверх—вниз, вперед—назад, влево—вправо и вокруг каждой из этих осей. Таким образом, находящееся в пространстве тело имеет шесть возможных вариантов движений, или, как говорят специалисты, — шесть степеней свободы. Шаровидные суставы (тазобедренный и плечевой) имеют три степени свободы, эллипсовидный — две, межфаланговый — одну (рис. 6). Если сложить все степени свободы во всех суставах человеческого тела вместе, то получится сумма более 100, то есть огромное число возможных вариантов движений. В обыденной жизни человек использует небольшую часть этих возможностей, не использует их полностью и спортсмен, удивляющий нас многообразием движений. Вот почему и у спортсменов и у артистов имеются еще большие резервы для выбора комбинаций различных движений, и прогресс в этом плане практически неисчерпаем.

Степени свободы движения человеческого тела

Рис. 6. Количество степеней свободы движения: а — свободное в пространстве тело (6 степеней); б — тазобедренный сустав (3 степени свободы); в — межфаланговый сустав (1 степень)

Как же происходит регуляция движения человеческого тела? В 1948 году вышла книга американского ученого Норберта Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». В ней положено начало новой науки, которая, по выражению советского академика А. И. Берга, изучает вопросы оптимального целенаправленного управления сложными (подвижными) динамическими системами.

В настоящее время сущность управления движениями человека и других животных рассматривается в аспекте кибернетической науки. Предусматриваются несколько усложняющихся видов систем управления движениями:

- с прямой связью и разомкнутым контуром, при которой аппарат управления (АУ), передавая команду на аппарат исполнения (АИ), «не знает» условий среды (С) и «не узнает» результата действия;

- с прямой и обратной связью и замкнутым контуром, при которых АИ получает информацию из С и передает ее на АУ, давая сведения о среде и результате действия;

- наконец, система управления с обратной связью и на - сличающего механизма (СМ), который согласно имеющейся программе сравнивает результат действия с - оставленной задачей и при необходимости (при изменяющихся условиях среды) вносит поправки — корригирует сигналы АУ для получения необходимого результата действия (рис. 7).

системы управления движением

Рис. 7. Системы управления движениями: А — прямая связь с разомкнутым контуром; Б — прямая и обратная связь с замкнутым контуром; В — с наличием сличающего механизмаОднако указанная схема является элементарно упрощенной. На самом деле система управления движениями человеческого тела очень сложна и условия ее функционирования весьма разнообразны.

Во-первых, имеется несколько уровней управления движениями: специальный — наиболее примитивный и свойственный также самым низшим животным; подкорковый, где формируются команды автоматизированных движений; наконец, корковый, дающий импульсы для произвольных, сознательных движений.

Во-вторых, у человека имеется громадное количество исполнительных органов — множество групп мышц, действующих однонаправлено (синергисты) и противоположно (антагонисты), например, сгибатели и разгибатели, причем иногда одна и та же мышца может войти то в группу синергистов, то антагонистов, отдельные двигательные звенья в каждый момент могут занимать различное положение с определенным, переменным напряжением мышц и так далее.

Наконец, человеческий организм действует в непрерывно изменяющейся обстановке внешней среды, что еще более усложняет управление движениями. Как образно сказал о сложности движений человеческого тела известный советский ученый Д. Д. Донской, имеется машина с переменными числом и формой деталей.

Многие комплексы двигательных навыков мы унаследуем, и они появляются сразу после рождения, например, сосательные движения при кормлении новорожденного грудью. Постепенно, с развитием ребенка, расширяются двигательные, возможности его тела, включаются все усложняющиеся уровни управления движениями. Так, по данным отечественного специалиста по биомеханике Л. В. Чхаидзе, к первому году жизни у ребенка возможно решение ряда задач, связанных с перемещением в пространстве, еще через год появляется возможность связывать движения в отдельные цепочки, а еще через год ребенок решает смысловые задачи, уверенно владеет речью.

Добавить комментарий


Когда болят суставы...