Биомеханика - это наука, изучающая силы, действующие на биологическую структуру и в пределах этой структуры, а также результат воздействия этих сил. В биомеханике применяются научные методы исследования из механики, биологии, физиологии и контроля двигательной деятельности для изучения нормального и патологического функционирования тела человека.
Силы, действующие на биологический объект, могут вызывать его ускорение или деформацию, кроме того, силы, действующие на живые ткани (например, кости, связки, сухожилия и мышцы), могут также влиять на метаболизм этих структур.
Основными показателями, которые количественно определяются в биомеханических исследованиях, являются:
- движение различных сегментов тела (например, позы тела, распределение веса);
- факторы, влияющие на изменения движения сегментов (например, обувь, опора, стельки);
- факторы, влияющие на деформацию биологической структуры (например, суставная конгруэнтность);
- биологические эффекты локально действующих сил на живые ткани (например, рост и увеличение).
Эти биомеханические измерения используют в различных направлениях. Рассмотрим два из них: 1) биомеханические изменения походки при использовании ортопедической обуви и стелек; 2) совершенствование спортивного мастерства на основе биомеханического анализа и или его внедрения в практику.
Сила и перенапряжение
Силы, обеспечивающие жизнедеятельность организма человека, считаются нормальными. В то же время чрезмерные силы (перенапряжение) способны оказать отрицательное влияние на биологические ткани. Таким образом, для предупреждения травм могут применяться биомеханические положения, например изменение величины нагрузки (сил) на определенные ткани. Так, в частности, было выявлено, что использование стелек и различных ортопедических приспособлений может изменять величину сил, действующих на стопу и голень, и, следовательно, изменять величину общей нагрузки на них.
Силы, действующие на сустав, определяются величиной внешней силы и расстоянием от сустава до вектора действия силы (плечо рычага). По мере увеличения расстояния между силой и центром сустава, возрастает суставная сила (действующая на сустав).
Силы, действующие на сустав, являются результатом воздействующих внешних и внутренних сил, создаваемых мышечно-сухожильными элементами (например, вследствие сокращения). Внутренними силами нередко пренебрегают, однако они очень важны для оценки величины нагрузки на определенный сустав. Используя пример, в котором человек стоит на пальцах одной ноги можно определить силы, действующие на голеностопный сустав, сделав несколько упрощающих предположений. Предположим, что все силы действуют в вертикальном направлении, сила реакции опоры (Рс) равна весу тела (Р) и ахиллово сухожилие (РА) - единственная мышечно-сухожильная единица, создающая силу, тогда мы можем определить силы, действующие на голеностопный сустав (Рл). Сила, действующая на голеностопный сустав, должна быть равной сумме сил реакции опоры и силе тяги ахиллова сухожилия. Поскольку величина Рс нам уже известна (1Р), то в результате вычислений мы установим, что сила сухожилия приблизительно в 4 раза превышает массу тела (4 Р). Таким образом, сила, действующая на сустав, равна 5 Р. Следовательно, основной составляющей силы, действующей на сустав, является внутренняя сила, создаваемая мышечной единицей, а не внешней силой реакции опоры.
Из этого следует, что, пытаясь изменить силы, действующие на коленный и голеностопный сустав, необходимо определить, как рассматриваемое условие влияет на внутренние и внешние силы.
Эффекты изменения внешних сил - конструкция обуви и стелек
Стельки, а также различные ортопедические приспособления используют для устранения целого ряда нарушений, таких, как, например, чрезмерная пронация стопы, анатомические аномалии (например, разная длина ног или скелетные деформации), усталостные переломы и остеоартрит, а также для повышения комфортности. Используя их, можно изменить степень нагрузки на голеностопный и или коленные суставы при локомоции.
С помощью стелек можно сместить точку соприкосновения стопы с поверхностью. Ортопедические приспособления позволяют также изменить направление воздействия сил на каждый сустав. Результаты исследований свидетельствуют, что различия в скелетном движении при ношении различной обуви очень небольшие. Поэтому, скорее всего, изменения в нагрузке на сустав как эффект действия внешних сил являются результатом изменения точки соприкосновения стопы с опорой.
Применение одного и того же метода может привести к различным результатам у разных людей.
Как отмечалось выше, изменения в конструкции обуви или стельки может оказывать различную нагрузку на голеностопный и коленный суставы. Существует тесная взаимосвязь между местонахождением центра давления на стопу и нагрузкой на коленный сустав. Этот факт имеет большое значение для каждого врача, который считает целесообразным изменение обуви в случае жалоб пациента на боль в коленном суставе.
Нагрузка на голеностопный сустав при ношении разной обуви была практически одинаковой, в отличие от нагрузки на коленный сустав. Изменение конструкции обуви может иметь очень большое значение. Увеличение сил, действующих на сустав во время бега, нередко является главной причиной травм.
