Статика и динамика на човешкото тяло: център на тежестта

Вертикалното положение на човешкото тяло, движението му в пространството, различните видове движения (ходене, бягане, скачане) са се развили в процеса на дълга еволюция заедно с формирането на човека като вид. В процеса на антропогенезата, във връзка с прехода на човешките предци към земни условия на съществуване, а след това към движение на два (долни) крайника, анатомията на целия организъм, отделните му части, органи, включително опорно-двигателния апарат, са се променили значително. Двуножието освобождава горния крайник от опорно-двигателната функция. Горният крайник се превръща в орган на труда - ръка и може допълнително да се подобри в сръчността на движенията. Тези промени в резултат на качествено нова функция са се отразили в структурата на всички компоненти на раменния пояс и свободната част на горния крайник. Раменният пояс служи не само като опора за свободния горен крайник, но и значително увеличава неговата мобилност. Поради факта, че лопатката е свързана със скелета на тялото главно с помощта на мускули, тя придобива по-голяма свобода на движение. Лопатката участва във всички движения, извършвани от ключицата. Освен това, лопатката може да се движи свободно независимо от ключицата. В многоосовото сферично-гнездово раменно съединение, което е обградено от мускули почти от всички страни, анатомичните особености на структурата позволяват движения по големи дъги във всички равнини. Специализацията на функциите е особено забележима в структурата на ръката. Благодарение на развитието на дълги, много подвижни пръсти (предимно палеца), ръката се е превърнала в сложен орган, който извършва фини, диференцирани действия.

Долният крайник, поел цялата тежест на тялото, се е адаптирал изключително към мускулно-скелетната функция. Вертикалното положение на тялото, изправената стойка, се отразяват в структурата и функциите на пояса (таза) и свободната част на долния крайник. Поясът на долните крайници (тазов пояс) като здрава дъгообразна структура, пригодена за пренасяне на тежестта на торса, главата, горните крайници към главите на бедрената кост. Наклонът на таза от 45-65°, установен в процеса на антропогенезата, допринася за пренасянето на тежестта на тялото към свободните долни крайници при най-благоприятни биомеханични условия за вертикалното положение на тялото. Стъпалото е придобило дъгообразна структура, което е увеличило способността му да издържа на тежестта на тялото и да действа като гъвкав лост при движението му. Мускулите на долния крайник са се развили силно, което е адаптирало към изпълнение на статични и динамични натоварвания. В сравнение с мускулите на горния крайник, мускулите на долния крайник имат по-голяма маса.

На долния крайник мускулите имат обширни опорни повърхности и приложение на мускулна сила. Мускулите на долния крайник са по-големи и по-силни от тези на горния крайник. На долния крайник екстензорите са по-развити от флексорите. Това се дължи на факта, че екстензорите играят основна роля за поддържането на тялото изправено и в движение (ходене, бягане).

В ръката флексорите на рамото, предмишницата и ръката са концентрирани от предната страна, тъй като работата, извършвана от ръцете, се извършва пред тялото. Хващащите движения се извършват от ръката, която се влияе от по-голям брой флексори, отколкото екстензори. Горният крайник също има повече въртящи се мускули (пронатори, супинатори) от долния. Те са много по-добре развити в горния крайник, отколкото в долния. Масата на пронаторите и супинаторите на ръката се отнася към останалите мускули на горния крайник като 1:4,8. В долния крайник съотношението на масата на въртящите се мускули към останалите е 1:29,3.

Фасцията и апоневрозите на долния крайник са много по-добре развити от тези на горния крайник поради по-голямата проява на сила при статични и динамични натоварвания. Долният крайник има допълнителни механизми, които спомагат за задържането на тялото във вертикално положение и осигуряват движението му в пространството. Поясът на долния крайник е почти неподвижно свързан със сакрума и е естествена опора за торса. Тенденцията на таза да се накланя назад върху главите на бедрените кости се предотвратява от силно развитата илиофеморална връзка на тазобедрената става и силните мускули. Освен това, вертикалът на тежестта на тялото, преминаващ пред напречната ос на колянната става, механично спомага за задържането на колянната става в разгънато положение.

На нивото на глезенната става, при изправяне, площта на контакт между ставните повърхности на тибията и талуса се увеличава. Това се улеснява от факта, че медиалният и латералният малеол обхващат предната, по-широка част на талусния блок. Освен това, фронталните оси на дясната и лявата глезенни стави са разположени една спрямо друга под ъгъл, отворен към гърба. Вертикалът на тежестта на тялото преминава напред спрямо глезенните стави. Това води до своеобразно прищипване на предната, по-широка част на талусния блок между медиалния и латералния малеол. Ставите на горния крайник (рамо, лакът, китка) нямат такива спирачни механизми.

Костите и мускулите на торса, особено аксиалният скелет - гръбначният стълб, който поддържа главата, горните крайници и органите на гръдната и коремната кухина - претърпяха дълбоки промени в процеса на антропогенезата. Във връзка с изправената стойка се образуваха извивки в гръбначния стълб и се развиха мощни гръбни мускули. Освен това гръбначният стълб е практически неподвижен в сдвоена силна сакроилиачна става с пояса на долните крайници (с тазовия пояс), която в биомеханично отношение служи като разпределител на тежестта на торса към главите на бедрената кост (към долните крайници).

Наред с анатомичните фактори - структурните особености на долните крайници и торса, развити в процеса на антропогенезата за поддържане на тялото в изправено положение, осигурявайки стабилно равновесие и динамика, специално внимание трябва да се обърне на положението на центъра на тежестта на тялото.

Общият център на тежестта (ОЦТ) на човек е точката на приложение на резултантната на всички гравитационни сили на частите на тялото му. Според М. Ф. Иваницки, ОЦТ се намира на нивото на IV сакрален прешлен и се проектира върху предната повърхност на тялото над срамната симфиза. Положението на ОЦТ спрямо надлъжната ос на тялото и гръбначния стълб зависи от възрастта, пола, скелетните кости, мускулите и мастните натрупвания. Освен това има ежедневни колебания в положението на ОЦТ поради скъсяване или удължаване на гръбначния стълб, които възникват поради неравномерна физическа активност през деня и през нощта. При възрастните и старите хора положението на ОЦТ зависи и от стойката. При мъжете ОЦТ се намира на нивото на III лумбален - V сакрален прешлен, при жените - с 4-5 см по-ниско, отколкото при мъжете, и съответства на нивото от V лумбален до I опашен прешлен. Това зависи, по-специално, от по-голямото отлагане на подкожна мазнина в областта на таза и бедрата, отколкото при мъжете. При новородените центърът на тежестта е на нивото на V-VI гръдни прешлени, а след това постепенно (до 16-18 години) се измества надолу и леко назад.

Позицията на центъра на тежестта на човешкото тяло също зависи от типа на телосложението. При хора с долихоморфен тип тяло (астеници), центърът на тежестта е разположен относително по-ниско, отколкото при хора с брахиморфен тип тяло (хиперстеници).

В резултат на изследването е установено, че центърът на тежестта на човешкото тяло обикновено се намира на нивото на втория сакрален прешлен. Отвесната линия на центъра на тежестта преминава на 5 см зад напречната ос на тазобедрените стави, приблизително на 2,6 см зад линията, свързваща големите трохантерни мускули, и на 3 см пред напречната ос на глезенните стави. Центърът на тежестта на главата е разположен малко пред напречната ос на атланто-окципиталните стави. Общият център на тежестта на главата и тялото е на нивото на средата на предния ръб на десетия гръден прешлен.

За да се поддържа стабилно равновесие на човешкото тяло в равнина, е необходимо перпендикулярът, спуснат от центъра на тежестта му, да пада върху площта, заета от двата крака. Колкото по-стабилно стои тялото, толкова по-широка е опорната площ и толкова по-нисък е центърът на тежестта. За вертикалното положение на човешкото тяло поддържането на равновесие е основната задача. Чрез напрягане на съответните мускули обаче човек може да държи тялото в различни позиции (в определени граници), дори когато проекцията на центъра на тежестта е извън опорната площ (силно накланяне на тялото напред, настрани и др.). В същото време стоенето и движението на човешкото тяло не може да се счита за стабилно. При относително дълги крака човек има относително малка опорна площ. Тъй като общият център на тежестта на човешкото тяло е разположен относително високо (на нивото на втория сакрален прешлен), а опорната площ (площта на двете стъпала и пространството между тях) е незначителна, стабилността на тялото е много малка. В състояние на равновесие тялото се държи от силата на мускулните контракции, което му пречи да падне. Частите на тялото (глава, торс, крайници) заемат позиция, съответстваща на всяка от тях. Ако обаче съотношението на частите на тялото е нарушено (например, изпъване на ръцете напред, огъване на гръбначния стълб при стоене и др.), тогава позицията и балансът на другите части на тялото се променят съответно. Статичните и динамичните моменти на мускулно действие са пряко свързани с положението на центъра на тежестта на тялото. Тъй като центърът на тежестта на цялото тяло е разположен на нивото на втория сакрален прешлен зад напречната линия, свързваща центровете на тазобедрените стави, тенденцията на торса (заедно с таза) да се наклони назад се противопоставя на силно развитите мускули и връзки, които укрепват тазобедрените стави. Това осигурява баланса на цялата горна част на тялото, която се държи изправена на краката.

Тенденцията на тялото да пада напред при стоене се дължи на вертикалната линия на центъра на тежестта, преминаваща напред (с 3-4 см) от напречната ос на глезенните стави. Падането се съпротивлява от действията на мускулите на задната част на крака. Ако вертикалната линия на центъра на тежестта се премести още по-напред - към пръстите на краката, тогава чрез свиване на задните мускули на крака се повдига петата, повдига се от равнината на опора, вертикалната линия на центъра на тежестта се премества напред и пръстите на краката служат като опора.

Освен опорните, долните крайници изпълняват и двигателна функция, движейки тялото в пространството. Например, при ходене човешкото тяло прави движение напред, като се обляга последователно на единия крак, после на другия. В този случай краката последователно извършват движения, подобни на махало. При ходене единият от долните крайници в определен момент е опорен (отзад), другият е свободен (отпред). С всяка нова стъпка свободният крак става опорен, а опорният крак се изнася напред и става свободен.

Свиването на мускулите на долния крайник по време на ходене значително увеличава извивката на стъпалото, увеличава извивката на напречните и надлъжните му сводове. В същото време, в този момент, торсът леко се накланя напред заедно с таза върху главите на бедрените кости. Ако първата стъпка се започне с десния крак, тогава дясната пета, след това средата на стъпалото и пръстите се издигат над равнината на опора, десният крак се сгъва в тазобедрената и колянната става и се извежда напред. В същото време тазобедрената става на тази страна и торсът следват напред след свободния крак. Този (десен) крак, с енергично свиване на квадрицепсния мускул на бедрото, се изправя в колянната става, докосва повърхността на опората и става опора. В този момент другият, ляв крак (до този момент задният, опорен крак) се отделя от равнината на опора, извежда се напред, превръщайки се в преден, свободен крак. В този момент десният крак остава отзад като опорен крак. Заедно с долния крайник тялото се движи напред и леко нагоре. Така и двата крайника последователно извършват едни и същи движения в строго определена последователност, като поддържат тялото първо от едната страна, после от другата и го избутват напред. По време на ходене обаче няма момент, в който и двата крака едновременно да се откъснат от земята (равнината на опора). Предният (свободният) крайник винаги успява да докосне равнината на опора с петата си, преди задният (опорният) крак да се отдели напълно от нея. По това ходенето се различава от бягането и скачането. В същото време при ходене има момент, в който и двата крака едновременно докосват земята, като опорният крак докосва цялото стъпало, а свободният крак докосва пръстите на краката. Колкото по-бързо е ходенето, толкова по-кратък е моментът на едновременен контакт на двата крака с равнината на опора.

Проследявайки промените в положението на центъра на тежестта по време на ходене, може да се отбележи движението на цялото тяло напред, нагоре и настрани в хоризонталната, фронталната и сагиталната равнини. Най-голямото изместване се случва напред в хоризонталната равнина. Изместването нагоре и надолу е 3-4 см, а настрани (странични люлеене) - 1-2 см. Характерът и степента на тези измествания са подложени на значителни колебания и зависят от възрастта, пола и индивидуалните характеристики. Комбинацията от тези фактори определя индивидуалността на походката, която може да се променя под влияние на тренировките. Средно дължината на нормална спокойна стъпка е 66 см и отнема 0,6 секунди.

Когато ходенето се ускори, стъпката се превръща в бягане. Бягането се различава от ходенето по това, че включва редуваща се опора и докосване на опорната повърхност с единия, а след това с другия крак.

[ 1 ], [ 2 ]