SWorld – 17-28 June 2014

SWorld – 17-28 June 2014
http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/conference/the-content-of-conferences/archives-of-individual-conferences/june-2014
MODERN PROBLEMS AND WAYS OF THEIR SOLUTION IN SCIENCE, TRANSPORT, PRODUCTION AND EDUCATION‘ 2014
Технические науки – Машиноведение и машиностроение
УДК 621.1
Живаго Э.Я., Берман А.М., Федотов М.В.
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
ЧЕЛОВЕКА И НАРУШЕНИЙ РАБОТЫ МЕХАНИЗМА
ПЕРЕДВИЖЕНИЯ
Сибирский государственный индустриальный университет,
Новокузнецк, Кирова 42, 654007
Zhivago E.Y., Berman A.M., Fedotov M.V.
ANALYSIS OF THE STRUCTURE OF HUMAN MUSCULOSKELETAL
SYSTEM AND MUSCULOSKELETAL DISORDERS
Siberian State Industrial University
Novokuznetsk, Kirov st. 42,654007
Аннотация. В работе рассматривается строение скелета нижней
конечности
человека.
Строение
суставов
представлено
простыми
геометрическими поверхностями, что позволяет определить степени свободы
для каждого подвижного соединения. Представлена структурная схема
механизма нижней конечности.
Ключевые
слова:
Скелет
человека,
движение
суставов,
опорно-
двигательный аппарат, кинематические пары.
Abstract. In this paper we describe the use of skeletal structure of human lower
limb. The structure of joints is represented by simple geometric surfaces, which
allows to determine the degree of freedom for each one. There is block diagram of
the mechanism of lower limb.
Key words: human skeleton, movement of joints, musculoskeletal system,
kinematic pair.
Академик Артоболевский И.И. писал [1] – “машина есть устройство,
создаваемое человеком для изучения и использования законов природы с целью
облегчения
физического
и
умственного
труда,
увеличения
его
производительности и облегчения путем частичной или полной замены
человека в его трудовых и физиологических функциях”.
Если обратиться к живой природе, в частности, к человеку как к высшей
ступени живых организмов на Земле, можно отметить, что все перечисленные
факторы характерны и для его двигательной системы за исключением
искусственности происхождения. Несмотря на столь существенное различие
между человеком, как деятельным природным существом, и машиной, как
устройством, создаваемым человеком, в общем их строении с механической
точки зрения не просто много общего, а, более того, они идентичны по
строению и это положение вполне доказуемо.
Анализ скелета человека, как механической системы, состоящей из
отдельных костей (звеньев) и суставов (связей между костями) во всем их
многообразии позволяет сделать два вывода:
- во-первых, в качестве опорных поверхностей звеньев двигательной
системы человека природа выбрала лишь четыре простые поверхности,
которые могут быть описаны математически;
- во-вторых, разнообразие соединений, позволяющих всевозможные
относительные движения звеньев, достигается одновременным использованием
в соединении от одного до нескольких контактов.
Эти выводы могут быть развиты и систематизированы. Обратимся к
первому.
И в живых, и в неживых (искусственных) механических конструкциях
звенья (кости) имеют участки, которыми они взаимодействуют с другими
звеньями (костями). Эти участки в механике машин принято называть
геометрическими
элементами
звеньев.
Геометрические
элементы
есть
поверхности или куски поверхностей. Эти поверхности названы условно –
двояковыпуклой поверхностью или “шаром”, двояковогнутой поверхностью
или “лункой”, выпукло-вогнутой поверхностью или “корсетом”, вогнутовыпуклой поверхностью или “седлом”, выпуклой линейчатой поверхностью
или “цилиндром”, вогнутой линейчатой поверхностью или “желобом” и
плоской поверхностью – “параллелепипедом”. Но только первые четыре
поверхности использовала природа в качестве опорных поверхностей при
создании двигательной (механической) системы человека.
Обобщающие примеры используемых поверхностей приведены на рисунке
1. Каждый из примеров имеет свое конкретное назначение, а именно, “шар”,
например, есть опорная поверхность головки плечевой кости человека, “лунка”
– суставная поверхность лопатки, с которой соединяется головка плечевой
кости, “корсет” – дистальная поверхность бедренной кости, “седло” – суставная
поверхность проксимального конца первой пястной кости.
Рис. 1. Примеры поверхностей суставов
Различают движения в суставах по отношению к трем взаимно
перпендикулярным осям, а именно, вокруг одной горизонтальной оси, сгибание
и разгибание; вокруг второй горизонтальной оси – приведение и отведение и
вокруг вертикальной оси – вращательное движение. Вращательное движение
конечностями производится как кнутри, так и кнаружи. Величина подвижности
в суставах зависит от особенностей строения этих соединений и определяется
формой суставных поверхностей.
Каждое свободное тело в пространстве в декартовой системе координат
имеет шесть степеней свободы. Оно обладает возможностью производить три
перемещения поступательного характера (соответственно направлению трех
основных
осей
системы
координат)
и
три
вращательных
движения
относительно трех координатных осей. Если это тело в одной своей точке
закреплено, оно уже не может двигаться поступательно, и его движения
ограничиваются лишь вращением вокруг трех осей, т.е. тело имеет три степени
свободы.
Все звенья человеческого скелета связаны между собой таким образом, что
максимальное количество степеней свободы, которым может обладать одно
звено по отношению к другому, равняется трем и все три движения являются
вращательными. Так как в суставах скелета невозможно осуществить
относительного
поступательного
движения,
то
суставы
с
меньшей
подвижностью позволяют либо два вращательных движения, либо одно.
Различают
три
вида
суставов:
одноосные,
обеспечивающие
одно
вращательное движение, двухосные, в которых движение происходит вокруг
двух осей, и трехосные, в которых возможны движения вокруг всех трех осей.
Обратимся ко второму выводу. Как следует из изложенного выше, в
опорно-двигательной
системе
человека
используются
исключительно
вращательные движения. Они могут быть относительно одной, двух или всех
трех осей декартовой системы координат. Нет никакого смысла связывать эти
движения с какими-либо конкретными осями координат, так как человек по
отношению к любой неподвижной системе координат может находиться
сколько угодно разнообразно. Будем лишь различать в суставах количество
относительных движений, а именно ВВВ, ВВ или В. Максимальное число
движений в суставах, таким образом, может быть равно трем. На этом
основании структурная формула, описывающая опорно-двигательную систему
человека, будет иметь вид [2]
(1)
где n – число подвижных звеньев (костей),
p5, p4 и p3 – соответственно, число кинематических пар (суставов),
позволяющих одно (В), два (ВВ) и три (ВВВ) относительные движения.
Необходимо учесть, что, если в опорно-двигательной системе человека не
используются относительные поступательные перемещения в большом, т.е.
когда они, эти перемещения превосходят или соизмеримы с геометрическими
размерами соединяемых костей, то в малом (первого или второго порядка
малости) смещения возможны, т.е., если имеет место соединение вида шаркорсет, то контактировать может одна и та же точка шара с разными точками
корсета, что допускает малые поступательные смещения.
Настоящее исследование в дальнейшем требует более углубленных
рассмотрений, чему авторы намерены уделить внимание. Но важность его
представляется очевидной уже и теперь, ибо оно напрямую связано, в
частности, с проблемами инженерной ортопедии, исправлением врожденных и
приобретенных
дефектов
опорно-двигательной
системы
человека,
использованием таких соединений и их элементов, которые не создала природа.
В последние годы серьезные результаты достигнуты медиками в
остеосинтезе,
например
[3].
При
тесном
сотрудничестве
медиков
и
машиностроителей достижения ученых по теории механизмов и машин станут
еще выше. Так, одним из авторов настоящей работы получены патенты РФ на
протез кисти человека [4] и на механизм для клипирования перфорантных вен.
Нет сомнения в том, что будущее за тесным объединением усилий и идей
медицины и механики.
При создании машин и механизмов человек в состоянии был упростить
подходы, которыми пользовалась природа. Наиважнейшим из соображений
было использовать частный случай гауссовой кривизны поверхности, такой,
когда K = 0,что для природы непостижимо, как непостижимо вообще, что такое
ноль.
Для человека ноль как категория теоретически понятен, понятен как
некоторый частный случай, когда K не положительно и не отрицательно.
Человек располагает и практическими средствами обеспечить K = 0, или,
вернее, K ≅ 0.
Анатомия, как наука, вполне сложилась к нашему времени и вряд ли
можно отыскать что-то новое в строении человека кроме аномалий и
патологий. Для анализа примем строение нижней конечности, широко
описанное в медицинской литературе [5].
Кости нижней конечности (рис. 2) делят на кости, образующие пояс
нижней конечности (тазовые кости) и скелет свободной нижней конечности,
который в области бедра представлен бедренной костью, в области голени –
большеберцовой и малоберцовой костями, а в области стопы – костями
предплюсны, плюсны и костями пальцев.
Рис. 2. Кости нижней конечности
Структурная схема нижней конечности приведена на рисунке 3 , из
которого следует, что в ее состав входят (табл. 1) две пятиугольных, шесть
четырехугольных, пять треугольных, одиннадцать “двухугольных” и шесть
“одноугольных” костей.
Для проведения анализа структуры механической цепи нижней конечности
также воспользуемся формулой (1).
Таблица 1
Состав костей нижней конечности
Структурное название
Число звеньев
пятиугольник
2
Анатомическое название
кубовидная,
ладьевидная
четырехугольник
6
три плюсневые,
две клиновидные,
таранная
треугольник
5
две плюсневые (I и V),
I-ая клиновидная,
большеберцовая,
бедренная
“двухугольник”
11
5 проксимальных фаланг,
четыре средних фаланги,
малоберцовая,
пяточная
“одноугольник”
6
надколенник,
пять дистальных фаланг
В то время как внешние нагрузки на ногу человека отсутствуют, все 12
костей стопы составляют собой единое целое, что может быть представлено в
виде семиугольной кости, пять углов которой входят в пять кинематических
пар с проксимальными фалангами пальцев, а два остальных – с костями голени.
В этом случае общее число приводимых мышцами в движение костей будет n =
19, а кинематических пар p = 20.
Единственной представляется ситуация, когда (рис. 4) p5 = 10, это все
соединения фаланг, а также соединение берцовых костей между собой (4-3 двухконтактная кинематическая пара); p4 = 7 (соединения фаланг с
плюсневыми костями, а также большой берцовой кости с таранной и
бедренной) и p3 = 2 (соединение бедренной кости с тазовыми, а также
соединение малой берцовой кости с таранной костью). В этом случае степень
подвижности W = 24.
Рис. 3. Структурная схема нижней конечности
Даже при физическом развитии и совершенстве [6] в суставах не
появляется
дополнительная
подвижность;
например,
подвижность
(анатомическая) в тазобедренном суставе вокруг его поперечной оси
увеличивается за счет тренировки: при выполнении упражнения “шпагат”
тренируется на растяжение подвздошно-бедренная связка и мышцы задней
поверхности тазобедренного и коленного суставов. При занятии хореографией
увеличивается анатомическая подвижность бедра (увеличивается лишь угол
поворота бедра в ту или другую сторону, но дополнительных движений не
появляется) вокруг вертикальной оси.
Рис. 4. Упрощенная структурная схема нижней конечности
Из анализа структуры нижней конечности вытекают следующие выводы:
-кинематические пары, используемые в живой природе, являются парами
третьего, четвертого и пятого классов, позволяющие осуществить лишь
вращательные движения относительно трех, двух или одной из осей декартовой
системы координат;
-соприкасающиеся части костей, созданные природой, представляют собой
геометрические элементы звеньев вида “шар”, “лунка”, “корсет” и “седло”;
-неодноконтактные кинематические пары (так называемые сложные
суставы)
образуются
сочетанием
вышеприведенных
поверхностей
(геометрических элементов);
-определена
степень
подвижности
кинематической
цепи
нижней
конечности человека W = 24.
-структурные схемы верхней и нижней конечностей человека могли бы
быть синтезированы идентично тем, которые создала природа при условии,
если бы были четко известны требования, которые природа перед собой
ставила, решая эту задачу;
-пока же нельзя однозначно понять и обосновать целый ряд требований,
которые были поставлены природой при создании скелета человека и, в
частности, его руки. Например, почему именно рука должна была содержать в
своем составе пять пальцев, а не шесть или четыре. Почему природа нашла
ненужным иметь ту же свободу движений руки по отношению к спине, какую
она имеет по отношению к груди, почему природа не позволяет человеку
“укусить себя за локоть” и т.п.
-протезирование конечностей для человека является вполне разрешимой
задачей и решение ее должно начинаться с четкого формулирования
требований, которые следует к ней предъявить.
Литература:
1. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин: Учебник для
втузов, - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 640 с.
2.
Дворников
Л.Т.,
Живаго
Э.Я. Теоретические
основания
к
идентификации двигательных (механических) систем живой и неживой
природы. Вестник СО АН Высшей Школы. № 1 (3) 1998, - с. 74…85.
3. Руководство по остеосинтезу фиксаторами с термомехенической
памятью. Под ред. Котенко В.В. Новокузнецк, 1996. – 94 с.
4. Дворников Л.Т., Живаго Э.Я., Курдюков А.В. Протез кисти. Патент
РФ № 2141289 от 20.11.1999 г.
5. Синельников Р.Д., Синельников Я.Р. Атлас анатомии человеческого
тела. Учебное пособие. М., Медицина, 1989. т. 1, Учение о костях,
соединениях костей и мышцах. - 343 с.
6. Сапин М.Р., Брыксина З.Г. Анатомия человека. Учебное пособие. –
М.: Просвещение: Владос, 1995. – 464 с.
Статья отправлена: 10.06.2014г.