"Окружающий мир (в 2 частях)", Дмитриева Н.Я., Казаков А.Н.
Кости конечностей работают как рычаги: они поворачиваются в суставах под действием мышц и помогают человеку двигаться. Сустав обычно служит точкой опоры, мышца при сокращении тянет кость, а приложенная к ней нагрузка сопротивляется движению. Расположение опоры, мышечного усилия и нагрузки определяет вид рычага. Тело не всегда получает выигрыш в силе: часто устройство рычагов позволяет быстрее и дальше перемещать руку, ногу или другую часть тела.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Рычаг — твёрдое тело, которое может поворачиваться вокруг точки опоры. Кости выполняют роль рычагов, потому что мышцы приводят их в движение, а сами кости передают это движение частям тела. Например, кость предплечья поворачивается при сгибании руки.
Точка опоры — место, вокруг которого вращается рычаг. В теле человека эту роль обычно выполняет сустав: он соединяет кости и позволяет им двигаться относительно друг друга. Определив опору, легче понять, в какую сторону и вокруг чего движется кость.
Сила мышц — сила, действующая на кость и приводящая её в движение. Мышца прикреплена к костям сухожилиями — прочными соединительными частями; при сокращении она укорачивается и тянет кость к месту прикрепления. Благодаря этому усилию кость поворачивается в суставе.
Плечо силы — расстояние от точки опоры до линии действия силы, то есть направления, по которому сила тянет или давит. От плеча зависит, насколько эффективно сила поворачивает рычаг. Поэтому даже небольшое изменение положения мышцы относительно сустава может изменить движение.
Когда мышца сокращается, её волокна укорачиваются, и прикреплённое к ней сухожилие тянет кость. Кость поворачивается вокруг сустава, а вместе с ней перемещается часть конечности. Если мышца расслаблена, она перестаёт активно тянуть, а движение может остановиться или начаться в другую сторону под действием других мышц и внешних сил.
Кость можно считать рычагом, потому что она относительно твёрдая и способна поворачиваться вокруг сустава. Сустав становится точкой опоры, мышечная тяга — усилием, а вес части тела или удерживаемого предмета — нагрузкой. Силы действуют в разных местах кости, поэтому их взаимное расположение влияет на то, начнётся ли вращение и каким будет движение.
Мышца обычно прикрепляется к кости не у самого сустава, а на некотором расстоянии от него. Когда это расстояние и направление тяги меняются, меняется и плечо силы. Если точка прикрепления расположена близко к суставу, мышце приходится сильно тянуть, зато небольшое её сокращение может переместить конец конечности на заметное расстояние. Так положение мышцы помогает управлять скоростью и размахом движения.
Рычаги в теле не всегда дают выигрыш в силе. Например, мышца может действовать на кость рядом с суставом, тогда как нагрузка находится далеко от него: для движения требуется большое мышечное усилие. Зато конец конечности проходит больший путь и может двигаться быстро. Это удобно для быстрых и точных движений рукой или ногой.
Виды рычагов различают не по тому, какая кость движется, а по расположению трёх частей: точки опоры, усилия и нагрузки. Если опора стоит между усилием и нагрузкой, это рычаг первого вида. Если между опорой и усилием находится нагрузка — второго вида, а если усилие расположено между опорой и нагрузкой — третьего. Такое сравнение помогает объяснять, какую задачу выполняет рычаг в конкретном движении.
Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите сустав или другую опору, затем определите, где мышца прикладывает усилие и где находится нагрузка. Сравните их порядок с описаниями в первом столбце — так можно определить вид рычага. В реальном движении на кость могут действовать несколько сил, но для разбора удобно выделить основные.
| Вид рычага | Расположение точки опоры, усилия и нагрузки | Пример в теле | Что позволяет делать |
|---|---|---|---|
| Первый вид: точка опоры между усилием и нагрузкой | Опора находится между местом приложения усилия и нагрузкой. | Удерживание головы: опора в области соединения черепа с позвоночником, мышцы затылка прикладывают усилие, вес головы создаёт нагрузку. | Удерживать голову в равновесии и наклонять её. |
| Второй вид: нагрузка между точкой опоры и усилием | Нагрузка расположена между опорой и местом приложения усилия. | Подъём на носки: опора находится на носке, вес тела действует между опорой и тягой икроножных мышц. | Поднимать тело, опираясь на переднюю часть стопы. |
| Третий вид: усилие между точкой опоры и нагрузкой | Место приложения усилия находится между опорой и нагрузкой. | Сгибание руки: локтевой сустав — опора, бицепс тянет предплечье ближе к локтю, нагрузка приходится на предплечье и удерживаемый предмет. | Быстро и на большой размах перемещать предплечье и кисть. |
Задача 1. При сгибании руки предплечье поднимается, а бицепс тянет кость предплечья. Укажите точку опоры, место приложения усилия и нагрузку.
Сначала найдём место, вокруг которого поворачивается предплечье. Это локтевой сустав, поэтому он является точкой опоры.
Затем определим источник движения: сокращающийся бицепс тянет предплечье в месте прикрепления к кости. Это место приложения усилия.
Наконец, найдём то, что нужно поднять: нагрузкой служит предплечье, а если человек держит предмет — также вес этого предмета. Усилие находится между локтевым суставом и нагрузкой на кисти, поэтому это рычаг третьего вида.
Ответ: опора — локтевой сустав; усилие приложено бицепсом к предплечью; нагрузка — предплечье и удерживаемый предмет.
Задача 2. Человек поднимается на носки. Определите, где находятся точка опоры, нагрузка и усилие.
Стопа при подъёме поворачивается вокруг места, которое остаётся на полу. Значит, опора находится в области носка.
Нагрузкой служит вес тела, передающийся на стопу и действующий между носком и пяткой. При движении пятка отрывается от пола.
Икроножные мышцы сокращаются и через сухожилие тянут пятку вверх. Их усилие приложено к стопе дальше от опоры, чем нагрузка, поэтому нагрузка оказывается между опорой и усилием.
Ответ: точка опоры — носок, нагрузка — вес тела, усилие — тяга икроножных мышц; это рычаг второго вида.
Задача 3. Голова удерживается в равновесии на позвоночнике. Определите тип рычага и объясните, как мышцы затылка помогают удерживать голову.
Найдём опору: голова поворачивается в области сочленения черепа с позвоночником. Это точка опоры рычага.
Вес головы действует впереди этой опоры и создаёт нагрузку. Мышцы затылка сокращаются позади опоры и тянут голову в противоположную сторону.
Поскольку опора расположена между нагрузкой и мышечным усилием, получается рычаг первого вида. Когда силы уравновешены, мышцы помогают удерживать голову; изменение их напряжения позволяет наклонять её.
Ответ: это рычаг первого вида; опора находится у соединения черепа с позвоночником, нагрузка — вес головы, а усилие создают мышцы затылка.
Ошибка: считать, что мышца толкает кость. Так можно подумать, потому что при движении кость перемещается от мышцы или в сторону, которую трудно заметить. Проверь себя: при сокращении мышца укорачивается и тянет место прикрепления к себе; обратное движение обычно обеспечивают другие мышцы.
Ошибка: путать точку опоры с местом приложения мышечной силы. Оба места связаны с движением кости, но находятся не обязательно рядом. Найди сустав, вокруг которого вращается кость, и отдельно отметь, где её тянет мышца.
Ошибка: определять вид рычага по тому, какая кость движется. Название вида зависит не от названия кости, а от порядка опоры, усилия и нагрузки. Чтобы проверить себя, выпиши эти три элемента и посмотри, какой из них расположен посередине.
Ошибка: считать, что любой рычаг обязательно увеличивает силу. В теле мышцы нередко прикладывают усилие близко к суставу, чтобы конец конечности двигался быстрее и дальше. Спроси себя, что именно даёт устройство рычага в примере: увеличение силы, скорости или размаха движения.
Чтобы понять действие живых рычагов, нужно знать, как устроены кости, суставы и скелетные мышцы и как сокращение мышц вызывает движение. Понятие рычага связано с простыми механизмами, которые изучают в физике: тот же принцип помогает объяснять работу рычагов в быту и технике. Эти знания пригодятся при изучении опорно-двигательной системы и движений человека. Они также помогают понять, почему для сохранения здоровья важно беречь мышцы и суставы.
Почему кости называют живыми рычагами?
Кость может поворачиваться вокруг сустава и передавать движение, поэтому она действует как рычаг. Она не работает сама по себе: её движение создают мышцы, а сустав служит опорой.
Что в теле человека служит точкой опоры?
Обычно точкой опоры служит сустав — место, где кости соединяются и могут двигаться друг относительно друга. Например, при сгибании руки опорой для предплечья является локтевой сустав.
Мышца толкает кость или тянет её?
При сокращении мышца укорачивается и тянет кость к месту своего прикрепления. Толкать кость мышца не может, поэтому движения в противоположных направлениях часто обеспечивают разные мышцы.
Почему рычаги тела не всегда увеличивают силу?
Расположение мышц часто устроено так, что их усилие перемещает кость на большую скорость и расстояние, но требует значительной силы. Поэтому рычаг может давать выигрыш в скорости или размахе движения, а не в силе.
Как определить вид рычага по расположению его частей?
Сначала найдите точку опоры, затем место приложения мышечного усилия и нагрузку. Если опора между ними — рычаг первого вида, если нагрузка между опорой и усилием — второго, а если усилие между опорой и нагрузкой — третьего.
Живые рычаги
