Изучая движения человека необходимо знать, как устроен опорно-двигательный аппарат: его пассивная часть – кости и их соединения и активная – мышечная система. В биомеханических исследованиях невозможно учесть строение и функции тела во всех его особенностях (изменение момента инерции сегмента при мышечном сокращении, деформацию костной ткани, положение центра масс мышцы в расслабленном и напряженном состоянии и т.п.). Для изучения движений человека строят модель тела – биомеханическую систему.

Биомеханическая система обладает основными свойствами, существенными для выполнения двигательной функции, и не включает в себя множество частных деталей. Таким образом, биомеханическая система – это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.

Кинематические цепи. Множество частей тела, система звеньев, соединенных подвижно и образующих между собой кинематические пары – кинематические цепи. Кинематические пары и цепи – понятия заимствованные из теории механизмов и машин. В живых организмах их правильнее называть биокинематическими.

Биокинематическая пара – это подвижное (кинематическое) соединение двух соприкасающихся костных звеньев, в котором возможности движения определяются строением соединения и управляющим воздействием мышц. Кинематическую пару можно определить также как соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение. В этом определении подчеркивается, что подвижность соединения звеньев состоит в возможности их относительного движения.

Строение соединений в биокинематических парах определяет постоянные степени связи, которые ограничивают движение в кинематической паре. Строение всех суставов (кроме одноосных) определяет также и то количество степеней свободы, которое оставляет неопределенность возможных движений. Управляющие воздействия мышц накладывают дополнительные степени связи и оставляют только одну степень свободы (полносвязный механизм).

Следовательно, управляющие воздействия мышц выделяют из множества возможных движений именно заданное управляемое движение. Почти все биокинематические пары в основном вращательные; лишь немногие допускают чисто поступательное скольжение относительно друг друга и одна пара (голеностопный сустав) – винтовое движение.

Биокинематические цепи. Биокинематическая цепь – последовательное (или разветвленное) соединение ряда кинематических пар.

Все кинематические цепи подразделяются на плоские и пространственные. В плоской кинематической цепи при закреплении одного из звеньев все другие совершают плоское движение параллельное одной и той же неподвижной плоскости. На рис. 3.1 показаны кинематические цепи, в которых плоское движение получается при параллельности осей всех вращательных пар.

Выделяют следующие структуры биокинематических цепей (см. рис. 3.1):

-       неразветвленные (А);

-       разветвленные (Б, С);

-       замкнутые (С, Б – нижняя часть кинематической цепи);

-       незамкнутые (А, Б – верхняя часть кинематической цепи).

Рис. 3.1. Плоские кинематические цепи

В незамкнутой цепи имеется последнее («свободное») звено, входящее лишь в одну пару. В незамкнутой цепи возможны изолированные движения в каждом отдельном суставе. Например, вис на перекладине – неразветвленная, незамкнутая биокинематическая цепь. Ноги – свободное звено; в тазобедренных суставах возможны изолированные сгибательно-разгибательные движения.

В замкнутой цепи изолированные движения в одном суставе невозможны: в движение неизбежно вовлекаются и другие соединения. Незамкнутая цепь может стать замкнутой, если конечное свободное звено получит связь в виде:

1.  Опоры, захвата с другим звеном цепи. Например, из стойки ноги врозь руки в стороны (руки – свободные звенья – незамкнутая цепь) – руки на пояс (цепь замкнулась, рис. 3.1, С).

2.  Опоры через какое-либо тело. Например, в положении выпада две ноги замыкают цепь через опору.

Значительная часть незамкнутых биокинематических цепей оснащена многосуставными мышцами, и движения в одних суставах, через такие мышцы, связаны с движениями в других суставах. При точном управлении во многих случаях эту взаимную связь можно преодолеть, «выключить». В замкнутых же цепях такая связь непреодолима и действия мышц передаются на отдаленные суставы.

Степени свободы движения в биокинематических цепях. Число степеней свободы звена соответствует количеству его независимых перемещений:

-    линейных;

-    угловых.

Положение твердого тела, свободно движущегося в пространстве, полностью определяется шестью независимыми координатами, за которые можно принять три координаты начала подвижной системы координат, связанной с телом, и три угла Эйлера, определяющие расположение осей подвижной системы координат относительно неподвижной. Их принято называть обобщенными, так как они определяют положение всего твердого тела относительно неподвижной системы координат.

Если на физическое тело не наложено никаких ограничений (связей) оно может свободно перемещаться:

1.  Относительно любой из трех взаимно перпендикулярных осей декартовой системы координат (поступательное движение) – три степени свободы.

2.  Совершать вращательное движение относительно любой из трех взаимно перпендикулярных осей декартовой системы координат – три степени свободы.

Следовательно, свободное материальное тело имеет шесть степеней свободы, обусловливающих его возможное пространственное перемещение.

Каждая наложенная связь уменьшает количество степеней свободы:

1.  Зафиксировав одну точку свободного тела, сразу лишают его трех степеней свободы – возможных поступательных (линейных) перемещений относительно трех осей декартовой системы координат. Например, в шаровидном суставе осталось три степени свободы из шести (вращательное движение относительно трех осей).

2.  Закрепление двух точек тела оставляет одну степень свободы – вращательное движение тела относительно оси, проходящей через закрепленные точки. Пример подобного ограничения – одноосный сустав.

3.  При закреплении тела в трех точках, не лежащих на одной прямой, тело полностью лишается свободы движения. Такое соединение к суставам не относится.