Кинематическая цепь

Источник:
«Спортивная энциклопедия систем жизнеобеспечения».
Редактор: Жуков А.Д. Изд.: Юнеско, 2011 год.

Кинематическая цепь

Кинематическая цепь (к.ц.) - последовательное соединение ряда относительно подвижных кинематических пар (рука, нога или все тело спортсмена). В зависимости от наложенных на тело связей, различают три основных вида кинематической цепи, важных для понимания техники спортивного движения.

• свободная кинематическая цепь (при безопорных движениях)
• открытая или незамкнутая кинематическая цепь (с фиксацией одного ее конца в положениях типа стоек на руках, ногах, висов, а также при движениях свободной конечности - мах рукой, ногой и т. п.)
• закрытая или замкнутая кинематическая цепь (положения при фиксированных обоих концах кинематической цепи, например - с одновременной опорой руками и ногами).

Открытая или незамкнутая кинематическая цепь

С точки зрения управления движением наиболее важен случай открытой кинематической цепи, при которой сохраняются возможности опорного энергетического взаимодействия с одновременными активными действиями высокомобильными периферическими звеньями. Степени свободы звеньев открытой кинематической цепи зависят от положения звена относительно опоры. Потенциально наиболее подвижны и энергонасыщенны периферические звенья кинематической цепи, например, рука метателя при броске. Вместе с тем чем больше степеней свободы у звена, тем выше риск двигательной ошибки. Одна из сторон кинематики опорно-двигательный аппарат связана с подвижностью в суставах, которая зависит от ряда факторов. Один из них носит принципиально морфологический характер: шаровидные суставы (плечевой, тазобедренный) допускают трехосное вращение звена, а блоковидные (локтевой) имеют лишь одну степень свободы.

В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изоли­рованные движения. Они геометрически независимы от движе­ний в других соединениях (если не учитывать взаимодействия мышц) . Например, свободные конечности, когда их концевые зве­нья свободны, представляют незамкнутые цепи. Замкнутыми кинематическими цепями в теле человека являются, например, грудина, ребро, позвоночник, ребро и снова грудина.

Закрытая или замкнутая кинематическая цепь

Такие замкнутые цепи разомкнуть невозможно. Незамк­нутые могут замыкаться, причем часто через опору. В слож­ной пирамиде, составленной несколькими акробатами, образу­ются даже своего рода "сети" (в плоскости) и "решетки" ( в пространстве) с очень сложной взаимной зависимостью дви­жений звеньев.

В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно изоли­рованное движение, т.е. движение в одиночном сочленении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает дви­жения и в других.

Таким образом, движения в незамкнутых цепях характери­зуются относительной независимостью звеньев. В замкнутых же, а также замкнувшихся цепях движения одних звеньев влияют на движения даже отдаленных звеньев (помогают или мешают).

В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

В открытой кинематической цепи подвижность каждого следующего звена равна его собственной подвижности плюс подвижность предыдущих звеньев. Так, если у бедра три сте­пени свободы, а у голени относительно бедра еще две степени, то голень относительно таза имеет пять степеней свободы. Наибольшие возможности движений - у конечных звеньев цепи. Но больше шести степеней свободы конечное звено цепи иметь не может. Если же при суммировании степеней свобо­ды получается, что конечное звено имеет их больше шести, то это только значит, что при фиксировании этого звена проме­жуточные звенья сохраняют степени свободы на шесть степе­ней меньше. Так, кисть имеет относительно лопатки семь сте­пеней свободы (плечевой сустав - 3, плюс локтевой - 2, плюс лучезапястный - 2) . Если положить кисть на стол, то плечо и предплечье сохраняют 7-6=1 степень свободы. Они смогут двигаться лишь по одной траектории, вокруг оси, соединяю­щей плечевой и лучезапястный суставы.

Кости, соединенные подвижно, образуют основу биокине­матических цепей. Приложенные к ним силы (мышечные тяги и др.) действуют на звенья биокинематической цепи, как на рычаги. Это позволяет передавать действие силы по цепям, а также изменять эффект приложения сил. Таким образом, рычаг как простейший механизм служит для передачи дви­жения и силы на расстояние.

Рычаги

Различают рычаги первого рода (двуплечий) и второго рода (одноплечий) . Первый характеризуется тем, что две груп­пы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) ры­чага, а во втором случае - по одну сторону.

Вне зависимости от вида рычага в каждом из них выделяют:

• точку опоры;
• точку приложения сил;
• плечи рычага (расстояние от точки опоры до места приложения сил) ;
• плечи сил (длина перпендикуляра, опущенного из точ­ки опоры на линию действия силы) .

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относи­тельно точки опоры. Поэтому для равновесия либо равномер­ного вращательного движения звена как рычага необходимо, чтобы противоположно направленные моменты сил относи­тельно оси рычага были равны. Для ускорения (торможения) звена один момент силы должен быть больше другого. Так, момент движущих сил, преобладая над моментом тормозя­щих сил, придает звену положительное ускорение (в сторону движения) . Если же большим оказывается момент тормозя­щих сил, то он вызывает торможение звена.

С помощью рычага можно выиграть в силе. Для этого нужно действовать мышечной силой на более длинное плечо. Согласно "золотому правилу механики", выигрывая в силе, одновременно проигрываем в пути и в скорости. Наоборот, если действовать мышечной силой на короткое плечо, то мож­но выиграть в пути и в скорости за счет проигрыша в силе.

В большинстве случаев мышцы прикрепляются недале­ко от сустава и подходят к кости под острым углом. Поэтому плечо силы тяги мышцы, как правило, небольшое. Обычно плечо силы тяги мышц меньше плеча силы сопротивления, и, следовательно, при работе мышцы получается проигрыш в силе и выигрыш в пути и в скорости движения. Для некото­рого увеличения плеча силы тяги мышц большое значение имеют костные выступы, бугры, сесамовидные косточки, к ко­торым мышцы прикрепляются или через которые они пере­ходят . Выступы, бугры, сесамовидные косточки увеличивают угол подхода мышцы к кости как к рычагу, тем самым уве­личивают плечо силы тяги мышцы и момент вращения мы­шечной силы. Таким образом, можно выделить две причины проигрыша в силе. Первая - прикрепление мышцы вблизи сустава, вторая - тяга мышцы вдоль кости под очень острым (или тупым) углом.

Можно указать еще и на третью причину некоторых по­терь в силе мышц. При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав. Мышцы-антагонисты, создавая моменты сил, которые направлены противоположно, полезной работы не производят, а энергию затрачивают. Но в конечном счете в этом есть определенный смысл: хотя и возникают по­тери энергии, сустав во время больших нагрузок получает ук­репление напряжением мышц, которые его окружают.

В связи с особенностями приложения мышечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напря­жения мышц для выполнения не только силовых, но и скорос­тных движении. При этом следует помнить, что входящие в биокинематические цепи звенья тела образуют системы состав­ных рычагов, в которых "золотое правило" механики проявля­ется намного сложнее, чем в простых одиночных рычагах.

Амплитуда движений

Амплитуда движений в суставах зависит как от морфологии сустава (с пределами, определенными костной конструкцией сустава), так и от податливости мягких тканей, окружающих сустав (суставная сумка, прилегающий мышечно-связочный аппарат). Последняя может изменяться в процессе тренировки и является предметом специальных занятий на гибкость и подвижность в суставах. Одним из аспектов кинематики опорно-двигательный аппарат спортсмена является также аксиальная взаимосвязь движений в суставах пояса верхних конечностей. Так, одновременное сочетание движений на разгибание плеча с супинацией руки (или сгибания плеча с одновременной пронацией) позволяет осуществлять вращательные движения в поясе верхних конечностей без ограничений по углу поворота, что обеспечивает щадящий режим работы сустава. Противоположное сочетание движений (разгибание с пронацией, сгибание с супинацией) вызывает форсированную, предельную деформацию мягких тканей плеча, чреватую травмой. Вместе с тем именно такой режим работы может быть использован для развития подвижности в суставах.

Читайте также

• Опорно-двигательный аппарат спортсмена
• Кинетическая цепь
• Двигательные рефлексы
• Мышечный аппарат
• Техника спортивных упражнений