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