ФОРМЫ И ТИПЫ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

Основное свойство мышцы как специального органа — это способность развивать напряжение. Если напряжение мышцы развивается при уменьшении ее длины, то такая форма мышечного сокращения относится к динамической.

РЕЖИМЫ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

Переход мышцы в возбужденное состояние проявляется в изменении ее эластических свойств. Развивающиеся во время возбуждения мышцы упругие силы стремятся сблизить между собой точки её прикрепления. Осуществляя это движение на небольшом отрезке пути и преодолевая имеющееся сопротивление, мышца совершает элемент работы, равный произведению силы на путь и на косинус угла между направлениями силы и пути. Первыми о- эластических свойствах покоющейся и возбужденной мышцы сообщили Е.

выполненной прибавить некоторую дополнительную работу, заставив мышцу поднять на некоторую высоту груз, несколько меньший данного. Во-вторых» можно получить дополнительную работу, заставив мышцу в начале поднятия поднимать груз, несколько- больший данного. Если по вертикали отложить величину длины мышцы, а по- горизонтали — развиваемые Рис. 12. Установка для определения измене- мышцей напряжения в со- иий длины мышцы у ампутированного. стоянии возбуждения, то

78 получается кривая зависимости длины возбужденной мышцы от величины поднимаемого груза; чем больше поднимаемый груз, тем больше длина мышцы (меньше высота, на которую поднимается груз).

Рис. 13. Биомеханическая характеристика двуглавой мышцы плеча, а — длина мышцы в покое и удлинение мышцы в зависимости от величины под-вешенного груза; б — высота, на которую поднимается груз при сокращении мышцы после ее растяжения подвешенным грузом; в — эффективное сокращение мышцы при поднятии грузов. Е

S 50 - 90 з‘ 40 - Е 80 Э 30 -е_70 3

S 20 -гг 60 ф

X 10 -?50 X

ф 0 L Е 40 X

X ?30 5? ^20 10 0 У человека определялась максимальная работа двуглавой мышцы плеча (рис. 12), подготовленной для изолированного сокращения после ампутации плеча и формирования хирургическим путем мышечной петли [Косилов С. А., 1965].

«а котором находился груз после его подвешивания к невозбужденной мышце) от величины груза; в) эффективного укорочения мышцы (за вычетом пассивного удлинения мышцы) при поднятии различных грузов (рис. 13). Построенные таким образом диаграммы послужили для уточнения конструкции протеза и задания соответствующих технических условий. Основное условие заключалось в том, чтобы в начале сокращения мышца

преодолевала наибольшее сопротивление (для данной мышцы равное 4—5 кг), а затем постепенно уменьшающееся (до 0,5 кг). Согласно этим техническим условиям строились рычажные устройства, которые помещались между мышцей и механизмом искусственной кисти и обеспечивали требуемое уменьшение нагрузки по мере укорочения мышцы.

Убывающая по мере сокращения мышц нагрузка («разгрузка» по И. М. Сеченову) не только дает максимальную работу, но и повышенный эффект тренировки [Косилов С. А., 1954]. Принцип разгрузки мышц по мере их сокращения был использован в кон-струкции тренажеров для восстановления функциональной дее-способности мышц у лиц, подготавливающихся к протезированию после ампутации верхних конечностей.

В рабочих движениях здорового человека разгрузка мышц в конце их укорочения достигается при использовании запаса кинетической энергии, созданного на начальном отрезке рабочей траектории.

СИЛА И ВЫНОСЛИВОСТЬ мышц

Основными характеристиками функциональной дееспособности мышц являются сила и выносливость. Для измерения мышечной силы в физиологии труда широко используются динамометры кистевой и становой. Первый представляет собой стальную скобу, которую исследуемый с максимальным напряжением сжимает в согнутой ладони. В зависимости от величины развиваемой силы скоба более или менее деформируется, причем эта деформация отмечается поворотом стрелки, указывающей на шкале развиваемое усилие в килограммах.

При измерениях мышечной силы у человека необходимо учитывать ее изменения в зависимости от различных условий. Во-первых, степень возбуждения мышцы; с увеличением возбуждения увеличивается и развиваемая мышечная сила. Отсюда следует правило: для сравнения мышечной силы одних и тех же мышц измерения производят при максимальных усилиях. Во-вторых, поскольку мышца работает как растянутое эластическое тело, раз виваемая ею сила зависит от длины мышцы и, следовательно, от угла в суставе. В-третьих, результаты измерения силы зависят от места приложения мышечной силы, то есть от расстояния между центром сустава и местом прикрепления тяги, идущей к измери-тельному прибору.

В некоторых случаях в организации труда ставится задача получить от человека максимум механической работы в течение рабочей смены или в более короткий отрезок времени. В этих случаях приобретает большое значение величина нагрузки на работающие мышечные группы: более выгодно выбирать нагрузку средней величины, так как при минимальных нагрузках работа отдельного движения незначительна вследствие того, что в произведении длины укорочения мышцы на величину груза последний сомножитель минимален, а при максимальной нагрузке минимально значение другого сомножителя —укорочения мышцы. В этом отношении наиболее эффективен режим мышечной работы с разгрузкой [Косилов С. А., 1965].

Способность длительно осуществлять и поддерживать мышечные усилия называется мышечной выносливостью. При выполнении статической работы выносливость определяется по времени, в течение которого поддерживается постоянная сила давления или удерживается в постоянном положении некоторый груз. Поскольку для характеристики статической выносливости берутся показатели силы и времени, в единой оценке используется произведение времени (t) на силу F, т. е. импульс силы. Когда сила F составляет меньше 20% от максимальной силы (т. е. меньше «критического уровня»), статическая работа может продолжаться в течение очень длительного времени. При больших значениях F предельное время t статической работы непродолжительно и изменяется согласно формуле:

t - К

Фред-(р/рмакс)п.

где К — константа, п — показатель степени, равный 2,5.

Для измерения выносливости при статической работе применяются динамометры, примером которых может служить динамометр Розенблата [Розенблат В. В., 1960]. В этом приборе имеется соединенная с манометром резиновая груша, наполненная водой, которую обследуемый сжимает в руке с силой, равной половине от максимальной.

Выносливость при динамической работе оценивается по предельному времени (Ііпред) и предельной работе заданной мощности. Например, в одном исследовании обследуемые поднимали груз, равный '/з от максимальной силы данной мышечной группы (разгибатели коленного сустава и сгибатели локтевого сустава) в ритме одно движение в 1 с [Коц Я. М., 1975]; выносливость характеризовалась максимальным количеством выполненных движений.

Измерения выносливости при выполнении динамической работы также производятся с помощью велоэргометра. Механическая работа обследуемого в этой методике измеряется произведением числа оборотов педали на величину работы, совершаемой за один оборот, равной произведению пути (2яг) на сопротивление (в килограммах).

ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Осуществление точных трудовых движений и развитие их в ходе упражнения опирается на интеграцию функций различных отделов двигательного аппарата и двигательного анализатора. Возникающая в результате взаимного сонастраивания компонентов двигательного анализатора и двигательного аппарата функциональная система обеспечивает целостность организма в его взаимодействии с внешней средой и эффективность целесообразных действий, направленных на удовлетворение потребностей организма. Именно такая интегрированная двигательная система способна выполнять ту функцию, которую в общих чертах характеризовал И. П. Павлов, говоря об общем законе работы скелетной мускулатуры. «Общий физиологический закон работы скелетной мускулатуры, — писал И. П. Павлов, — есть движение ко всему, захватывание всего, что сохраняет, обеспечивает целость животного организма, уравновешивает его с окружающей средой,— положительная реакция; и наоборот, движение от всего, отбрасывание, выбрасывание всего, что мешает, угрожает жцзненному процессу, что нарушило бы уравновешивание организма со средой— отрицательная реакция, отрицательное движение» (Павлов И. П. Соч., т. II, кн. 2, с. 317). Двигательная система человека в своей механической деятельности при решении конкретных трудовых задач осуществляет множество полносвязных механизмов. На периферии двигательного аппарата в образовании полно- связных механизмов участвуют кости, суставы и мышцы. Кости соединяются между собой неподвижными, пдлуподвижными и подвижными соединениями. Подвижные соединения, называемые иначе суставами или сочленениями, характеризуются тем, что в месте соединения костей имеется суставная сумка из крепкой соединительной ткани, переходящей с одной сочленяющейся кости на другую. Таким образом, получается герметически замкнутая суставная полость, внутри которой соприкасаются между собой сочленяющиеся кости. Суставные поверхности, которыми соприкасаются кости, покрыты гладким слоем суставного хряща. Суставная поверхность одной сочленяющейся кости выпукла и называется головкой, а другая — выгнута и называется впадиной. В зависимости от формы суставных поверхностей в суставе могут происходить различные вращательные движения. В цилиндрическом суставе (например, между фалангами пальцев, между плечевой и локтевой костью) головка и впадина сочленяющихся костей соприкасаются между собой по поверхности цилиндра к поэтому такой сустав позволяет производить вращение только вокруг одной оси, осуществлять только один вид движения — сгибание и разгибание. В эллиптическом суставе (например, в луче-запястном суставе между кистью и предплечьем) суставные поверхности эллиптической формы, которая позволяет производить движения вокруг двух взаимно перпендикулярных осей — приведение — отведение и сгибание — разгибание. В шаровидном суставе (в плечевом, тазобедренном) суставная головка имеет вид шара, поэтому сустав позволяет осуществлять движения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, т. е. сгибание и разгибание, приведение — отведение и вращение конечности вокруг собственной продольной оси.

Зная строение суставов и места прикрепления соответствующих мышц можно произвести биомеханический анализ взаимодействия сил в суставе и характер происходящего при этом движения. Взаимодействие мышц сгруппированных по обеим сторонам (спереди и сзади) сустава между затылочной костью и первым шейным позвонком уравновешивает силу тяжести головы и фиксирует положение головы при любом наклоне ее по отношению к горизонту. Механизм взаимодействия мышц в данном случае — рычаг первого рода. При поднятии груза в руке сокращение мышцы- сгибателей в локтевом суставе уравновешивает силу тяжести груза и частей руки (рис. 14). Соответствующий механизм — рычаг третьего рода, дающий проигрыш в силе и выигрыш в скорости движения.

Для расчета сил, развиваемых мышечной группой сгибателей в локтевом суставе при поднятии груза, рассмотрим рис. 15 и расчет, предложенные Ф. Ф. Лесгафтом. На схеме линиями изображены продольные оси сочленяющихся костей, плеча ОВ и предплечья ОА. Стрелка F изображает направление мышечной силы сгибателей в локтевом суставе, стрелка Р — направление силы тяжести груза, удерживаемого в руке, стрелка Pi — направление силы тяжести предплечья и кисти (эта сила приложена к центру тяжести системы предплечье+кисть). Точка О — ось вращения в суставе, OCi — плечо рычага силы мышечной тяги, OAt и ОДі — плечи рычагов силы тяжести. Задача заключается в том, чтобы определить, какую силу должна развить мышечная группа сгибателей в локтевом суставе для того, чтобы уравновесить удерживаемый кистью груз Р. Согласно законам механики, для уравновешивания груза P+Pi необходимо, чтобы момент вращения силы P+Pi был равен численно противоположно направленному моменту силы мышц. Момент силы F = F-OCi = F-OC sin а. Мо-

A

P

Рис. 14. Предплечье как рычаг третьего рода [Иваницкий М. Ф.].

Объяснение в тексте.

Рис. 15. Схема приложения мышечной силы.

Объяснение в тексте.

мент силы Р равен P-OAi = Р*ОА sin р, момент силы Pi = = P-OD sing.

Согласно закону моментов должно соблюдаться равенство F-OC-sin а= (P-OA + P-OD) sin р. Из этого равенства можно определить величину F:

(Р ОА + P-OD) sin Р OC-sin а

Из рассмотрения полученного выражения следует, что чем меньше плечо силы мышц (OCi = OCsina) и чем больше угол, под которым действует сила тяжести груза, тем больше требуемое напряжение мышц. Из измерений получено, что плечо основной мышцы, сгибающей руку в локте, составляет около 20 мм, длина предплечья в среднем для взрослого человека около 25—30 см. На основании этих приближенных данных можно с помощью выведенной выше формулы сделать вывод, что при поднятии и держании груза массой 10 кг (пренебрегаем массой кисти и предплечья) усилие мышц-сгибателей в локтевом суставе должно быть не менее 100 кг. Таким образом, использование мышечных групп сгибателей руки в локтевом суставе для поднятия и удержания груза связано с потерей мышечной силы в 10 раз, зато при этом достигается большая протяженность траектории движения звеньев руки и большая скорость движений. Для проектирования нормалей рабочих движений и рабочих поз верхней конечности из изложенного выше следует важный биомеханический вывод: для рационального использования мускульной силы верхней конечности следует уменьшать величину удерживаемых в руке грузов и преимущественно задавать легкие быстрые движения.

Рассмотренные движения в отдельных изолированных суставах слишком однообразны для того, чтобы найти себе в чистом виде

практическое применение в рабочих движениях. Целесообразные рабочие движения, как правило, представляют сложные сочетания движений в нескольких суставах. При этом происходят разнообразные чередования движений в различных суставах и разнообразные сочетания движений, осуществляемых одновременно в различных суставах. В отличие от технических механизмов, характеризующихся в типичном случае постоянной полносвязностью и однозначной определенностью, биокинематические механизмы, образуемые при выполнении рабочих движений верхней конечностью человека, характеризуются временными силовыми связями, налагаемыми на кинематическую цепь верхней конечности. Такими связями являются распределенные соответственно выполняемой производственной задаче напряжения различных мышечных групп.

При выполнении каждой отдельной производственной задачи производится свое особое распределение мышечных напряжений. Благодаря такому переменному распределению напряжений мышечных групп в одной и той же верхней конечности осуществляется множество разнообразных рабочих механизмов. В то время как в технике для каждой конкретной задачи изготовляется специальный механизм, специальное приспособление или универсальное (относительно) приспособление перестраивается конструктивно (замена, изменение размеров деталей и т. д.), в верхней конечности человека осуществление разнообразных рабочих механизмов происходит путем использования одних и тех же звеньев руки и одних и тех же суставов, лишь одним изменением распределения мышечных напряжений.

По определению А. А. Ухтомского, «...наше тело представляет из себя не единую раз навсегда определенную машину, но множество переменных машин, которые могут калейдоскопически сменять друг друга, используя одни и те же сочленения и лишь градуируя иннервацию работающих мышц» [Ухтомский А. А., 1950]. Это теоретическое положение об уменьшении числа степеней свободы кинематической цепи, образуемой суставами и звеньями конечностей, при выполнении координированных рабочих движений нашло подтверждение в исследованиях биомеханического построения движений разной сложности [Косилов С. А.,

1965].

Проведенный биомеханический анализ позволил заметить, что рабочие движения действительно приобретают определенность благодаря исключению всех возможных движений, всех степеней свободы, кроме одной, соответствующей выполнению данного це-лесообразного движения. Это можно показать при рассмотрении движений в порядке возрастания их биомеханической сложности. Этот важный биомеханический закон координации рабочих движений осуществляется при выполнении ряда целенаправленных рабочих движений.

На рис. 16 представлены наиболее распространенные типовые рабочие движения в виде графиков последовательных положе- ний, которые принимает рука через интервалы времени равные 1/10 с. На графиках рука представлена в виде упрощенной линейной схемы, состоящей из трех звеньев: плечо, предплечье и кисть. Каждое из звеньев изображено прямой линией, по длине пропорциональной длине оси данного звена. Таким образом изображены движения: а) поднятие груза на вытянутых руках;

Рис. 16. Типовые рабочие движения.

б) свободное поднятие груза;

Последовательные положения при: а — поднятии груза на вытянутых руках; б — свободном поднятии груза; в — поднятии груза с укладкой на подставку; г — рубке зубилом, заколачивании гвоздей; д — пилке.

в) поднятие груза с продвижением его вперед и укладкой на подставку; г) рубка металла; д) пилящие движения (опиловка металла, пилка дров, стирка и т. д.). Из рас-смотрения графиков движений можно придти к выводу, что во всех случаях рука совершает движения как открытая (с незакрепленным последним звеном) кинематическая цепь последовательно соединенных, между собой кинематических пар (пар соединенных между собой в суставах звеньев, взаимно ограничивающих движения друг друга,, например, плечо — предплечье, кисть — предплечье). Для характеристики кинематической цепи обычно указывают количество степеней свободы, которыми обладает эта цепь. Степень свободы, это — направления, в которых может совершать движение данное тело. Совершенно свободное тело может двигаться в трех взаимно' перпендикулярных плоскостях и вращаться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, следовательно, оно имеет 6 степеней свободы; шарнирный механизм может совершать вращение вокруг единственной оси и имеет одну степень свободы. В открытой кинематической цепи сумма степеней свободы концевого звена равна сумме подвижностей всех промежуточных звеньев. В нашей схеме верхней конечности кисть имеет по отношению к лопатке 7 степеней свободы (плечевая кость относительно лопатки 3+локтевая относительно плечевой 1 + кисть вместе с лучевой костью относительно локтевой кости 3). Поскольку уже 6 степеней свободы дают безграничную свободу перемещений, то в пределах длины руки кисть может двигаться так, как будто она вовсе не имеет никакой связи с лопаткой. Если рассматривать нашу схему верхней конечности только как систему сочлененных между собой твердых тел, то эта система не может образовать какой-либо однозначный механизм. Она имеет столько подвижностей (степеней свободы), что если бы их все одновременно использовать, то никакого опреде-ленного целенаправленного действия не могло бы получиться. При наличии такого большого числа степеней свободы движения верхней конечности при выполнении рассматриваемых типовых рабочих движений приобретают определенность и целесообразность благодаря тому, что в каждое мгновение в каждом сочленении за счет сокращения мышц исключаются все возможные движения, все степени свободы, кроме одной, соответствующей выполняемому целесообразному движению. Соответственно вышеизложенному, простейшее движение поднятия груза на вытянутых руках происходит так, что вследствие одновременного напряжения мышц-антагонистов (сгибателей и разгибателей) в локтевом суставе и мышц-антагонистов в лучезапястном суставе, вся рука фиксирована в виде жесткого рычага, все подвижности (степени свободы) в локтевом и лучезапястном суставах погашены. Также погашено, исключено напряжение мышц, осуществляющих приведение (приближение к туловищу) плеча и отведение плеча. Оставшаяся возможность движения верхней конечности— сгибание и разгибание в плечевом суставе используется для выполнения определенного рабочего движения — поднятии груза на вытянутых руках. Более сложное движение — свободное поднятие груза, выполняется при одновременном сгибании руки, в плечевом и локтевом суставе. Движение поднятия груза с укладкой его на подставку выполняется так, что в начале движения происходит одновременно сгибание в плечевом и локтевом суставах, а затем, в середине траектории поднятия, сгибание в локте прекращается и переходит в разгибание, в то время как в плечевом суставе продолжает происходить сгибание (вынос плеча вперед). При ударных движениях рабочее применение получают одновременное разгибание в плечевом и локтевом суставах и приведение в лучезапястном суставе.

При рубке металла, заколачивании гвоздей и др. рабочее применение получает не движение сгибания, как при поднятии тяжести, а разгибание, причем во время удара происходит одновременно разгибание в плечевом и локтевом сочленениях. При пилящих движениях, происходящих при пилке дров, опиловке металла, стирке и пр., происходят одновременно сгибание в плечевом сочленении и разгибание в локтевом сочленении (см. рис. 16).

Из рассмотрения этих примеров ясно, что каждое рабочее движение получает свою определенность вследствие того, что благодаря правильной последовательности быстро сменяющихся во времени рефлексов происходит совершенно определенная последовательность включения в работу различных мышц и их групп.

Изучение примеров конкретных видов деятельности позволило проверить и фактически подтвердить высказанное А. А. Ухтомским чисто умозрительное предположение об уменьшении числа степеней свободы кинематической цепи верхней конечности при выполнении координированных рабочих движений. Эта упорядоченная в пространстве и времени единая система двигательных условных рефлексов, воспроизводимая при каждом законченном движении получила название рабочий двигательный динамический стереотип.

Системообразующая упорядоченность рефлексов рабочего динамического стереотипа выступает при детальном биомеханическом изучении движений разной сложности у обследуемых, находящихся на разных ступенях накопления и совершенствования двигательного опыта. У лиц, приступающих к выполнению инструкции поднятия груза с укладкой его на подставку, формируются двигательные стереотипы, в которых объединяются два основных компонента. Первый компонент — это поднятие груза с уровня кистей опущенных вниз рук на уровень плечевого сустава. Второй компонент — продвижение поднятого груза в горизонтальном направлении и укладка груза на подставку (рис. 17). Перед выполнением завершающего элемента движения — укладки груза на подставку — обследуемый выполняет элемент разгибания удерживающих груз рук в лучезапястных суставах. При выполнении первых движений обследуемые лица выполняют элемент разгибания в лучезапястном суставе непосредственно перед укладкой груза на подставку. Затем, после выполнения некоторого количества движений в порядке упражнения те же лица перестраивают движение и начинают совершать разгибание в лучезапястном суставе несколько раньше, т. е. в начале вертикального движения груза. Разгибание в лучезапястном суставе при горизонтальном положении вытянутых рук, удерживающих груз, выполнять труднее, чем то же разгибание при опущенных вниз руках. Но если разгибание в верхнем положении рук с грузом диктуется внешними условиями — конструкцией подставки и анатомическим строением рук, то разгибание в нижнем положении рук с грузом имеет значение заблаговременного создания благоприятных условий для последующего выполнения двигательно-го элемента укладки груза. Подобная предусмотрительность в по-строении сложного движения, когда при выполнении его элементов создаются условия, способствующие облегчению и уточнению по-следующих элементов, свидетельствует о том, что цельное движение представляет собой не простую сумму элементарных частей, а систему, объединенную решением определенной двигательной задачи — двигательный динамический стереотип.

Заслуживает внимания и то обстоятельство, что при каждом выполнении очередного движения в процессе продолжительной работы организм человека реагирует на афферентацию, связанную с двигательной деятельностью в зависимости от накопленного опыта выполнения предыдущих движений. Это также подтверждает системное построение произвольных движений человека и характеризует эти движения как рефлекторную систему, подчиненную двигательной задаче.

Рис. 18. Кибернетическая схема управления движением по Н. А. Берштейну (1966).

I—эффектор; 2 — задающий прибор; 3 — рецептор; 4 — прибор сличения; 5 — иорешифровка; (5 — регулятор.

Рис. 17. Последовательные положения звеньев руки при поднятиях груза с укладкой его на поставку. Объяснение в тексте.

При изучении особенностей рабочих движений новаторов производства с целью содействия распространению новаторских достижений в рационализации труда было установлено то же системообразующее взаимодействие элементов, составляющих сложную трудовую операцию. Новатор перетяжчик обуви тщательно изучал каждую отдельную заготовку значительно раньше выполнения завершающих элементов, совмещая кинестетическое исследование особенностей каждой отдельной заготовки с ее замедленным взятием. Новатор кожевенного производства также тщательно изучал особенности поступающих на обработку кож, и прежде чем пустить кожу под валы тянульной машины выбирал наиболее выгодное ее расположение соответственно преобладающему направлению волокон и распределению участков различной плотности. В этих производственных примерах выступает ведущая роль правильного понимания работником конкретной трудовой цели выполняемой трудовой операции. Эта трудовая цель как закон определяет все рабочее поведение, ей работающий человек подчиняет свою волю и в частности построение рефлекторной системы рабочего динамического стереотипа.