Человеческий фактор. Том 5 - Крёмер К.
ISBN 5-03-001817-4
Скачать (прямая ссылка):
2.4.2. Методы измерения
Так как статический случай (постоянная длина мышцы и, следовательно, отсутствие движения) является очень простым, то большинство измерений мышечной силы проводили с мышцами, сохраняя их длину постоянной в процессе изменения усилий. Однако в действительности многие мышцы развивают усилия не в изометрических (статических) условиях, а во время движения. Поэтому следует рассматривать перемещение мышцы вместе с его производными по времени, т. е. скоростью, ускорением и т. п. Из-за того что эти величины должны, вероятно, изменяться при движении, со временем возникают довольно сложные физические и физиологические условия, которые трудно контролировать и оценивать.
Один простой способ измерения мышечной способности состоит в определении максимальной величины массы (веса) груза, который может поднять человек. Этот способ раньше называли изотоническим тестом; однако это неверный термин, потому что при постоянном внешнем грузе никакого «постоянного тонуса» мышца не генерирует. Поэтому этот вводящий в заблуждение термин больше не используется; он заменен на более подходящий термин изоинерциальный, который означает, что энергия мышцы передается постоянной внешней массе. Преимуществом инерциального метода является его простота, например в тестах с определением способности поднятия [9]. Однако изоинерциальный тест не дает возможности непосредственного измерения (в ньютонах или ньютонах на метр) действительно развиваемой силы или момента.
Другой способ контролировать условия измерения силы состоит в том, чтобы поддерживать постоянной первую производную смещения, т. е. скорость. Этот способ называют изокшети-ческим. В течение последних десяти лет были разработаны измерительные приборы, которые позволяют изменять угловые смещения с постоянной скоростью, даже если к прибору прикладывают большие значения момента. Это позволяет измерять истинное значение развиваемого момента, в то время как прибор и прикрепленная к нему часть тела движутся с постоянной угловой скоростью; однако возникают проблемы в начале и конце движения, когда эта часть тела должна быть ускорена для достижения требуемой скорости или замедлена в конце движения. До последнего времени объем опубликованных
Биомеханика тела человека
37
данных по изокинетическим усилиям был относительно невелик [3].
Сила мышцы является сложной функцией присущих мышце возможностей геометрии приложения усилия, навыка и мотивации. При активизации мышц возникает лишь шс сокращение, однако мышцы можно растягивать внешним усилием, которому они сопротивляются, когда развивают напряжение. Следовательно, напряжение мышцы зависит также от ее длины. На рис. 2.5 схематически показана связь между длиной и силой. Очевидно, мышца не может сокращаться активно, когда ее длина меньше самой короткой из возможных. Ее наибольшая сила активного сокращения развивается при длине, близкой длине покоящейся мышцы. (При чрезмерном растяжении мышца или прикрепления сухожилий могут быть повреждены.) Поэтому
Рис. 2.5. Зависимость развиваемого мышцей усилия от ее длины.
полная сила, которая может развиваться мышцей, равна сумме активного сокращения и пассивного сопротивления внешнему растяжению. Наибольшая мышечная сила как результат этого сложения имеет место при длине, равной около 120% от длины покоящейся мышцы.
Максимальная сила, которую может развивать стопа или кисть, зависит от усилия напрягаемых мышц и относительного расположения соответствующих конечностей. Положения этих звеньев определяют геометрию приложения усилия путем изменения плеч рычагов при изменении относительных смещений частей тела. Таким образом, существует взаимодействие между геометрией и положением частей тела и силовыми возможностями вовлеченных мышц, как это изображено на рис. 2.3—2.5. Комбинация этих переменных обычно приводит к результирующим кривым для силы или момента, схематически показанным на рис. 2.6. Развиваемое усилие при подъеме тяжестей обычно Довольно мало вблизи крайних положений частей тела и увели-
38 Глава 2
чивается в промежуточных положениях. Однако не следует полагать, что максимальная сила обязательно достигается лишь где-то в среднем положении; например, при разгибании коленного сустава и надавливания вперед ступней (например, когда водитель автомобиля сильно давит на педаль) максимальная направленная вперед сила достигается при почти полностью разогнутом колене.
К сожалению, данные о силовых возможностях мышц человека не так легко применять на практике, как хотели бы многие инженеры. В руководстве по проектированию [15] и справочнике NASA [11] приведены весьма детальные данные о статических усилиях, измеренные при различных экспериментальных условиях. Эти условия включают самые разные позы тела
сС
Рнс. 2.6. Зависимость силы F, развиваемой при огибании локтя, от локтевого угла а.
(стоячую и сидячую), опоры тела (силы реакции), взаимодействие с измеряющим прибором (конфигурацию и положение педали или ручки), пол (большинство данных было собрано для мужчин, однако имеются данные и для женщин), вовлеченные скелетно-мышечные компоненты и т. п. Ясно, что эти данные представляют изолированные друг от друга условия', и инженер, пытаясь использовать их, должен убедиться, что обстоятельства, для которых ищут силовые данные, действительно достаточно аналогичны тем, при которых эти данные были измерены в соответствии с представленными в справочнике.
