Человеческий фактор. Том 5 - Крёмер К.
ISBN 5-03-001817-4
Скачать (прямая ссылка):
Как предложил в свое время Борелли, скелетную систему человека обычно упрощают до звеньев, соединяющихся в суставах. Длинным костям между основными сочленениями, таким образом, ставятся в соответствие прямые линии между суставами, причем число звеньев (или суставов) зависит от необходимых точности и реальности модели. На рис. 2.1 показана типичная система звено — сустав, используемая при биомеханическом моделировании. Это, очевидно, сильное упрощение более реалистичных описаний, показанных на рис. 1.3 и 1.4. Отметим, например, что модель позвоночного столба имеет лишь два сочленения между шейным и крестцовым соединениями Ясно, что это не может быть реалистической моделью позвоночного столба с его многими степенями свободы во многих сочленениях. Однако для данной цели такое упрощение может быть приемлемо и применяется на практике.
Биомеханика тела человека
31
Примером такого целенаправленного упрощения служит моделирование сустава запястья. По отношению к предплечью ру-йа может быть согнута и разогнута, отведена и приведена, а так-»се может находиться в пронационном или супинационном положениях. Хотя сгибание и отведение — приведение могут быть верно исполнены мыщелковидным суставом с двумя степенями Свободы, с анатомической точки зрения неверно считать, что-Сустав запястья обеспечивает и вращательные движения (как это часто делают при моделировании), так как вращение при
Голова Трансторакаль -мое звено
Ключица
Трансгрудинное
звено
Верхняя часть-дуки
Предплечье
7одвздошно-та~ ЗоВое звено
Нисть
Голень
Шея
грудинно-грудное звено Лопаточное звено
Грудное звено
Поясничное звено Тазовое звено Транстазовое звено
Ведро
Стопа
Рис. 2 1. Типичная система звено — сустав, применяемая в биомеханике [11].
пронации и супинации на самом деле происходит в предплечье. И все же этим методом можно пользоваться для определенных целей моделирования при условии, что ограничения этого упрощения ясно понимаются и учитываются.
Для описания движения тела и его частей определенных и легко понятных терминов не существует. Очевидно, несколькими строками выше было очень утомительно описывать несколько-видов движения кисти по отношению к предплечью. Традиционная медико-анатомическая терминология часто довольно пространна и ие позволяет делать различия между смещениями частей тела и движениями, происходящими в сочленениях. Более
•32 Глава 2
того, нулевое положение часто подразумевается, но не определяется. Попытки создать лучшую систему обозначений пока не встретили общего одобрения. Существуют системы обозначений, которые описывают положения и движения частей тела и удовлетворяют хореографов и танцоров, но они пока не подходят для решения инженерных задач. Поэтому еще предстоит разработать адекватную систему обозначений, которую можно было бы легко применять.
2.4. Сила мышцы
Оценка мышечной силы человека является задачей, к которой обращаются антропометристы, биомеханики, физиологи и ортопеды. Данные о силе представляют особый интерес для инженеров по дизайну оборудования и рычагов, которые приводятся в действие напряжением мышечной силы. Под силой здесь понимается усилие или момент, которые могут быть переданы (обычно с помощью руки или ноги) внешнему объекту при помощи одного произвольного усилия.
2.4.1. Развитие усилия
При современной технологии не существует средств для надежного измерения in vivo величины сократительного усилия, развиваемого мышцей: не существует «датчика силы», который можно было бы поместить в мышцу или в место прикрепления ее сухожилия к кости, для прямого измерения развиваемой силы. Следовательно, необходимо измерять силу косвенно, т. е. как результат действия (неизвестной) мышечной силы М, тянущей при помощи рычага I и поворачивающей часть тела вокруг его ближайшего сустава против известного внешнего сопротивления. Это показано на рис. 2.2 на примере двуглавой мышцы, вращающей предплечье в локтевом суставе. Как показывает этот эскиз, даже при (неверном) допущении постоянства мышечного усилия величина развиваемого момента зависит от изменяющегося плеча рычага, соединяющего под прямым углом вектор силы и локтевой сустав. На рис. 2.3 иллюстрируются условия этой биомеханической задачи в деталях. Видно, что истинное направление вектора силы сокращения М составляет угол ji с его векторной компонентой S, перпендикулярной к плечу рычага I. Конечно, угол и величина силы сокращения мышцы М зависят от локтевого угла а. Величины S, М и (5 неизвестны и не могут быть измерены непосредственно. Даже плечо рычага I определить нелегко. Однако всем этим величинам противодействует внешняя, поддающаяся измерению сила
Н, приложенная в данном случае у кисти. Эта сила Я действу-
Биомеханика тела человека
33
ет с известным плечом рычага f относительно локтевого сустава. Для равновесия верно следующее:
T=Sf, T — Pl, (1), (2)
где
Р=М cos Р- (3)
Отсюда
r=Sf = Pf. (4)
Выражение для силы кисти имеет вид
S=(M/f) cos (4а)
а для силы сокращения мышцы
M = Sf/(t cos [J). (46)
Конечно, угол р зависит от существующих анатомических условий и локтевого угла а.
