Степени свободы суставов человека

Степени свободы движений тела человека

Степени свободы суставов человека

Число степеней свободы движений соответствует количеству возможных независимых линейных и угловых перемещений.

Тело, ничем не ограниченное в движении, называется свободным. Движение свободного тела возможно в трех основных направлениях- вдоль осей координат, а также вращение вокруг этих трех осей, т. е. тело имеет 6 степеней свободы движения.

Наложение связей уменьшает количество степеней свободы. Если закрепить одну точку тела, то сразу снимается 3 степени свободы- у тела остается возможность вращения вокруг трех осей. Так соединены кости трехосных суставов.(шаровидных).

При закреплении двух точек в теле возможно вращение вокруг линии (оси), проходящей через обе точки. Так соединены кости одноосных суставов.

В преобладающей части суставов тела человека 2 или 3 степени свободы, из чего следует, что в движениях в неодноосных суставах отсутствует определенность, задаваемая способом соединения.

Управление движениями звеньев сводится к ограничению избыточных степеней свободы

Для выполнения определенного движения требуется решить задачи: а) выбора необходимой траектории, б) управления движением по траектории(направлением и величиной скорости) и в) регуляции движения, понимаемой как борьба с помехами, сбивающими с траектории.

Геометрия движений 

В суставном движении различают ось, плоскость, и размах. Все пары звеньев связаны в суставах неразрывно, как в шарнирах, поэтому они могут двигаться в основном только вокруг осей Число основных осей сустава соответствует количеству степеней свободы движений одного звена относительно другого.

Геометрические оси вращения не постоянны и следует говорить о мгновенных осях вращения. Плоскость движения перпендикулярна оси вращения и характеризует направление перемещения звена. Размах движений – это угловое перемещение звена из одного крайнего положения в другое. Размахом движений измеряется подвижность в каждом суставе.

Общий размах движения в целом бывает меньше суммы размахов изолированных движений.в суставах

 Звенья тела как рычагиимаятники.

Скелет, составленный из подвижно соединенных костей, представляет собой твердую основу биокинематических цепей. Звенья цепей с приложенными к ним силами (внутренними и внешними)рассматриваются как система составных рычагов.

Рычаг- это твердое тело, которое тело, которое может под действием приложенных сил вращаться вокруг оси (опоры)в двух противоположных направлениях, а также сохранять свое положение.

Как простейший механизм, рычаг служит для передачи движениям силы на расстояние.

Каждый рычаг имеет точку опоры — ось рычага (О на рис. 2), точки приложения двух взаимно противодействующих сил (G и Q).

Чтобы определить расстояние до места приложения сил от оси рычага, измеряют плечи рычага (ОА и ОВ).

Чтобы определить расстояния до направления действия сил от оси рычага, измеряют плечи сил (d — перпендикуляры, опущенные из точки О на линии действия сил, т. е. их направления).

Рычаги бывают одноплечие(с точкой опоры на конце рычага) и двуплечие (с точкой опоры между концами рычага).

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры

(произведение силы на ее плечо)

Звенья тела человека имеют в своей основе костные рычаги Двуплечие рычаги используются, например, при сохранении положения стоя, а одноплечие- в быстрых движениях конечностей (см. рис 3).

Условия сохранения положения звеньев и их движения как рычагов.

Моментом силы М относительно оси вращения называется произведение величины силы на ее плечо:

Момент силы берется со знаком «+», если сила стремится повернуть тело против часовой стрелке и со знаком «-« в противном случае. Момент силы количественно характеризует вращательное действие силы.

Для равновесия рычага необходимо равенство моментов приложенных сил относительно оси рычага ::рычаг будет находиться в равновесии, когда алгебраическая сумма моментов всех действующих на него сил относительно его неподвижной точки О равна нулю:

Подбирая соотношения плеч, можно изменять соотношение сил. Рычаги, показанные на рис 2 и 3 иллюстрируют эту закономерность

Рис. 2 Равновесие рычагов 1-го (а) и 2-го (б) рода

Когда момент одной из сил больше момента ругой, возникает ускорение в ту сторону., куда направлена сила большего момента.

Рис. 3 Костные рычаги.

а)-двуплечий; б)-одноплечий; в- вращающая сотавляющая F и укрепляющая F при различных углах ее приложения.

Следует подчеркнуть, что в реальных движениях изменяются положения костных рычагов и углы приложения сил. Следовательно, изменяются плечи сил. Длина мышц тоже не остается постоянной. Все это делает задачу управления движениями сложной проблемой.

Золотое правило механики в движениях человека.

Работа, совершаемая силою, приложенной на одном плече рычага, передается на другое.

Сила тяги мышцы, приложенная на коротком плече рычага, вызывает во столько раз большее смещение другого плеча, во сколько раз первое плечо короче второго (выигрыш в пути).

Так как разные пути проходятся за одно и то же время, имеет место также и выигрыш в скорости. При этом сила, передаваемая на длинное плечо рычага, ровно во столько же раз меньше, чем приложенная..

Следовательно, выигрыш в скорости достигается за счет проигрыша в силе.

Почти все мышцы в теле человека прикрепляются вблизи суставов (короткое плечо рычага); это приводит к выигрышу в пути (а, следовательно, и в скорости) при проигрыше в силе.

При большей части положений костного рычага мышечные тяги направлены под острым или тупым углом к звену (вдоль звена), что влечет невосполнимые потери в силе мышц (уменьшается вращающая тяга).

Нормальная же (скрытая) тяга в этом случае способствует укреплению сустава, через который мышца переходит.

При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав, в том числе и антагонисты. При этом резко возрастают потери в суммарной тяге мышц; в то же время достигается и положительный эффект — укрепление нагруженного сустава.

В связи с особенностями приложения мышечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напряжения мышц для выполнения не только силовых, но и скоростных движений.

Входящие в биокинематические цепи звенья тела образуют системы составных рычагов, в которых «золотое правило» механики проявляется намного сложнее, чем в простых одиночных рычагах.



Источник: http://biofile.ru/bio/16443.html

Сустав, как часть опорно-двигательной системы – строение, характеристика и функции

Степени свободы суставов человека

Опорно-двигательный аппарат (ОДА) является весьма сложной системой, отвечающей за возможность перемещения тела человека в пространстве. Конструктивно она разделяется на две части – активную (мышцы, связки, сухожилия) и пассивную (кости и суставы).

Интересно! Скелет человека – своеобразный каркас, опора для всех остальных систем организма. У взрослого человека он состоит из 200 костей, соединения которых могут быть как неподвижные, так и подвижные.

Подвижное соединение костей обеспечивают суставы, которых насчитывается 360. По большей части они находятся в позвоночнике, где их количество достигает 147 штук; они обеспечивают сочленение позвонков между собой и с рёбрами.

Основное предназначение суставного соединения, кроме обеспечения подвижности костей, – амортизация, смягчение сотрясений и перегрузок, которые испытывает наш скелет.

Строение суставов человека

Все сочленения нашего организма разделяются на следующие основные типы:

  • синовиальные (подвижные);
  • фиброзные (ограничено подвижные);
  • волокнистые (неподвижные).

Синовиальные

Обеспечивают максимально подвижное соединение между отдельными костями. Представляют собой самые сложные конструкции и состоят из нескольких основных частей. К синовиальным относятся суставные поверхности коленей, плеч, локтей, пальцев и т.д. Их анатомия, в зависимости от типа, выглядит следующим образом:

  1. Эпифиз кости. Расширенная часть трубчатой кости (бедро, голень, плечо, предплечье), служащая основанием для хрящевой ткани.
  2. Гиалиновый хрящ. Покрывает эпифиз и имеет упругую, плотную консистенцию. Толщина гиалиновых хрящей, в зависимости от того, где они расположены, составляет 1 – 5 мм.
  3. Суставная капсула. Окружает хрящи, создавая вокруг них герметичную оболочку – так называемую суставную сумку, заполненную синовиальной жидкостью.
  4. Синовиальная оболочка. Образует внутреннюю поверхность суставной капсулы. её функция – повышение уровня подвижности и амортизации сочленения костей, а также биологическая защита суставной полости от проникновения патогенных микроорганизмов.
  5. Синовиальная жидкость. Заполняет полость суставной сумки, представляет собой вязкую, прозрачную или слегка мутную массу. Играет роль смазки, предотвращающей трение хрящевых поверхностей друг об друга при движении.
  6. Связки. Прочная ткань, которая подвижно соединяет между собой соседние кости, одновременно регулируя амплитуду их движения. Располагаются снаружи и внутри суставной капсулы.

Фиброзные

В данном случае отдельные кости скреплены друг с другом с помощью хрящевой ткани. В результате соединение получается хоть и малоподвижным, но более прочным.

По-латыни «фибра» означает волокно, от чего и получил своё название этот тип соединения. Фиброзным способом сочленяются грудина, рёбра, межпозвонковые диски, а также кости таза и некоторые кости черепа.

Волокнистые

В данном случае кости соединяются между собой настолько жёстко, что практически составляют монолитную поверхность. При этом соединительная хрящевая ткань отвердевает так сильно, что теряет всякую эластичность. Подобным образом сочленяются крупные кости свода черепа (лобная, теменная, височная).

Классификация суставов человека

Синовиальные суставы человеческого скелета делятся на несколько типов. По причине большого количества различных суставных сочленений, для их дифференциации в биологии разработана «таблица суставов». В современной анатомии человека сочленения классифицируются по нескольким признакам:

  1. По количеству поверхностей.
  2. По форме поверхностей.
  3. По степеням свободы при движении.

Число поверхностей

Соединение костей может иметь несколько поверхностей суставного сочленения, в зависимости от чего они разделяются на следующие типы.

Простой сустав (симплекс)

Простые сочленения имеют всего две подвижные суставных поверхности, между которыми нет дополнительных включений. Пример подобных соединений – фаланги пальцев, плечевые или тазобедренные суставы. Так, простое соединение образуют суставная впадина лопатки и головка плечевой кости.

Сложный (композитный)

Такое соединение имеет больше двух суставных поверхностей. К такому типу относится локтевой сустав, который устроен более сложно, по сравнению с тем же плечевым.

Также они могут иметь дополнительные включения – хрящевые или костные. Подобные конструкции носят названия комплексных и комбинированных суставов.

Схема их строения отличается от простых тем, что в их конструкцию могут входить какие-либо дополнительные компоненты:

  1. Комплексные – содержат в своей структуре внутрисуставный хрящевой элемент (мениск, или хрящевой диск). Он разделяет сустав изнутри на две изолированные части. Пример комплексного сочленения –коленный сустав, в котором мениск делит внутрисуставную полость на две половины.
  1. Комбинированные – являются комбинацией нескольких изолированных друг от друга суставов, которые, несмотря на это, работают как единый механизм. Пример – височно-нижнечелюстной сустав, отвечающий за подвижность нижней челюсти. При этом, благодаря сложному механизму соединения, обеспечивается её подвижность сразу в нескольких направлениях: вверх-вниз, вперёд-назад, вправо-влево.

Характер движения (степени свободы) суставов человека

Сочленения отдельных костей могут обеспечивать им различную подвижность относительно друг друга. По степени подвижности они подразделяются на:

Одноосные

Обеспечивают движение соединяемых костей только по одной оси (только вперёд-назад или вверх-вниз).

Двухосные

Движение в них происходит в двух перпендикулярных плоскостях (например, в вертикальном и горизонтальном, либо в продольном и поперечном).

Многоосные

Подобное соединение костей, благодаря конструктивным особенностям, даёт им возможность движения по нескольким осям. Многоосные сочленения могут быть трёхосными и четырёхосными.

Безосные

Имеют плоские суставные поверхности, что позволяет смежным костям совершать весьма ограниченные скользящие или вращательные движения. Как правило, они обеспечивают сочленение коротких костей или костей, требующих особо прочного соединения.

Форма суставной поверхности

В зависимости от своей формы, все суставы разделены на несколько групп. Каждая из них имеет свои особенности – в частности, их форма определяет характер движения соединяемых костей. Поэтому все группы суставов связаны со степенью их подвижности.

Одноосные сочленения разделяются по форме суставных поверхностей на такие виды:

Цилиндрический

Суставные поверхности в данном случае расположены продольно, причём одна из них имеет вид оси, а другая – вид цилиндра с продольно срезанным основанием. Классический пример цилиндрического суставного соединения – срединный атлантоосевой, расположенный в шейных позвонках.

Блоковидный

Блоковидные соединения по своей форме напоминают цилиндрические, но суставные поверхности в них расположены не продольно, а поперечно. Для ограничения смещений костей в бок, они могут иметь специальные гребни и углубления, препятствующие свободе движения. К ним относятся соединения фаланг пальцев человека или локтевые сочленения копытных животных.

Винтообразный

По своей сути является разновидностью блоковидного сочленения. Рисунок винтообразной конструкции предполагает наличие на поверхностях эпифиза одной кости своеобразных борозд, входящих в соответствующие желоба на эпифизе второй кости. Благодаря этому, обеспечивается возможность движения по спирали, откуда и происходит второе наименование суставов такого типа – спиралевидные.

Двухосные соединения обеспечиваются следующими формами суставных конструкций.

Эллипсовидный

Соединяемая поверхность одной из костей имеет форму выпуклого, а другой – вогнутого эллипса. В скелете человека к эллипсовидным относятся атлантозатылочный сустав и сустав, соединяющий бедренную и большеберцовую кости.

Мыщелковый

Поверхность одной кости имеет форму сферы, а другой – вогнутую поверхность, в которой данная сфера и размещается.

Мыщелковое сочленение обеспечивает подвижность костей в двух плоскостях: сгибание-разгибание и поворот вправо-влево. Этим мыщелковое соединение похоже на шаровидное.

Но, в отличие от него, не позволяет совершать активные вращательные движения вокруг вертикальной оси. Пример – пястно-фаланговые и коленный сустав.   

Седловидный

Обе седловидно сочленяющиеся кости имеют на своих концах углубления в виде седла, при этом данные углубления расположены перпендикулярно друг к другу. Такое расположение даёт несколько больше возможностей при движении. Например, подобную конструкцию имеет пястно-запястный сустав большого пальца человека и приматов, что позволяет «противопоставлять» его остальным пальцам кистей рук.

Возможность подобного противопоставления, с точки зрения биологов, и стала одной из главных причин превращения обезьяны в человека. Наличие седловидного сустава позволило использовать нашим предкам руки в качестве активного хватательного механизма для удержания различных инструментов.

Многоосное сочленение осуществляется при помощи суставов следующей формы:

Шаровидный

В этом случае одна из костей имеет на своём окончании головку в виде шара, а противоположная кость – впадину. В результате движение возможно в любом направлении, что делает шаровидные суставы наиболее свободными в человеческом организме.

Другое их название – ореховидные, из-за схожести форм сферической головки с грецким орехом. Классический пример шаровидного соединения – плечевой сустав между лопаткой и плечевой костью.

Чашеобразный

Является одной из частных форм шаровидного соединения. Подобным образом сочленяется наиболее крупный сустав человека – тазобедренный. При этом сферическая головка помещается в особую «чашу» – вертлюжную впадину. Такое соединение даёт возможность человеку осуществлять движение бедром в четырёх направлениях:

  • по фронтальной оси – сгибание-разгибание (при приседании, подъёме ноги к животу);
  • по сагиттальной оси – отведение ноги в сторону и возвращение её в исходное положение;
  • по вертикальной оси – некоторое смещение бедра относительно таза при вытягивании ноги;
  • круговое вращение бедра;

Плоский

Обращённые друг к другу поверхности обоих костей в этом случае имеют плоскую или близкую к ней форму. Более точное определение – не «плоскость», а «поверхность сферы большого сечения».

Подобные суставы дают возможность костям совершать движения по всем трём осям; однако, вследствие особенностей их конструкции, все эти движения крайне ограничены по амплитуде. По большей части они играют вспомогательную, буферную роль.

Пример подобной структуры – межпозвонковые сочленения, суставы стопы и кисти.  

Амфиартрозы

Они же – «тугие суставы». Особая разновидность соединения, возможна при любой форме поверхности. Отличительной её особенностью является наличие короткой и туго натянутой капсулы, которая окружена со всех сторон крепкими, практически не растягивающимися связками.

Суставные поверхности обоих смыкающихся костей очень плотно прижимаются друг к другу. Подобная особенность конструкции значительно ограничивает их способность к смещению относительно друг друга. Амфиартрозом, к примеру, является крестцово-подвздошный сустав. Предназначение таких жёстких конструкций – амортизация толчков и ударов, испытываемых костями.

Вывод

Итак, мы рассмотрели, что такое сустав человека, сколько их в нашем теле, какие бывают виды и характеристики каждого сочленения, а также где они находятся.

Источник: https://artritu.net/sustavy-cheloveka

СпасемСуставы
Добавить комментарий