Измерение силы, вызывающей авторотацию

Измерение силы, вызывающей авторотацию

При воспроизведении эффекта авторотации спонтанный поворот вперед объемной тазовой части модели в горизонтальной плоскости происходил под действием ее веса. Ранее нами найдено, что общая масса объемной тазовой части модели с подвешенной нагрузкой массой 1 кг составляет 1.8 кг. В исходном положении с воспроизведением максимальной супинацией в шарнире общий центр масс объемной тазовой части имел наибольшую высоту над основанием. В завершении спонтанного поворота вперед объемной тазовой части модели с воспроизведением максимальной пронации и приведения общий центр масс объемной тазовой части имел наименьшую высоту над основанием. Соответственно, общий центр масс объемной тазовой части модели перемещался вперед и сверху-вниз, как по наклонной плоскости.

С целью измерения силы, смещающей объемную тазовую часть модели вперед, нами поставлен эксперимент с электронным динамометром, расположенным в сагиттальной плоскости. Он имел элементы крепления, один из которых был переменной длины. Из металлических планок с отверстиями мы изготовили опорный треножник с противовесом, прикрепленным к одной из опор. Верхняя часть опорного треножника соединялась электронным динамометром с элементами крепления с грузовым кронштейном объемной тазовой части модели (Рис. 1).

Рис. 1. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с аналогами связок, аналогом средней ягодичной мышцы и прикрепленной к грузовому кронштейну нагрузкой, соединенный электронным динамометром с опорным треножником, снабженным противовесом (вид сзади с латеральной стороны).

Объемная тазовая часть соединялась с бедренной частью модели аналогом средней ягодичной мышцы и аналогами связок. Их перечень включал: аналог вертикальной части подвздошно-бедренной связки, аналог горизонтальной части подвздошно-бедренной связки, аналог седалищно-бедренной связки, аналог лобково-бедренной связки и аналог связки головки бедренной кости. К грузовому кронштейну объемной тазовой части подвешивалась стандартная в наших экспериментах нагрузка массой 1 кг.

Сагиттально расположенный электронный динамометр мог удерживать объемную тазовую часть модели в покое, противодействуя силе, порождающей эффект авторотации. В среднем положении между пронацией и супинацией динамометр аналога средней ягодичной мышцы не регистрировал усилия (Рис. 2).

Рис. 2. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с аналогами связок, аналогом средней ягодичной мышцы и прикрепленной к грузовому кронштейну нагрузкой, соединенный электронным динамометром с опорным треножником, снабженным противовесом (вид спереди с латеральной стороны).

Изначально мы повернули объемную тазовую часть модели назад в горизонтальной плоскости на максимально возможный угол. При этом край объемной тазовой части модели, противоположный шарниру, приподнялся над плоскостью опоры, в связи с реализацией эффекта автоотведения (Рис. 3).

Рис. 3. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с аналогами связок, аналогом средней ягодичной мышцы и прикрепленной к грузовому кронштейну нагрузкой, соединенный электронным динамометром с опорным треножником, снабженным противовесом (имитация разгибания, отведения и максимальной супинации); вверху – вид с латеральной стороны, внизу – вид сверху.

Естественно, увеличилась высота подвешенной нагрузки, а значит, и общего центра масс. В шарнире модели присутствовало отведение, разгибание и максимальная супинация. Для стабилизации объемной тазовой части модели нами укорочен элемент крепления переменной длины сагиттально расположенного электронного динамометра. В результате объемная тазовая часть модели стабилизирована в положении покоя и не требовала дополнительного внешнего воздействия. Она удерживалась только электронным динамометром. При этом динамометр аналога средней ягодичной мышцы усилия во фронтальной плоскости не регистрировал. Следовательно, данный элемент не принимал участия в стабилизации объемной тазовой части модели. Сагиттально расположенный электронный динамометр зарегистрировал нагрузку, равную 1.98 кг (Рис. 4).

Рис. 4. Вид на сагиттально расположенный электронный динамометр, удерживающий объемную тазовую часть модели (имитация разгибания, отведения и максимальной супинации).

Затем мы удлинили элемент крепления сагиттально расположенного электронного динамометра. Объемная тазовая часть модели благодаря эффекту авторотации спонтанно повернулась вперед в горизонтальной плоскости. Длина элемента крепления сагиттально расположенного электронного динамометра отрегулирована так, что в шарнире возникло среднее положение между супинацией и пронацией (Рис. 5).

Рис. 5. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с аналогами связок, аналогом средней ягодичной мышцы и прикрепленной к грузовому кронштейну нагрузкой, соединенный электронным динамометром с опорным треножником, снабженным противовесом (имитация среднего положения между пронацией и супинацией); вверху – вид с латеральной стороны, внизу – вид сверху.

Край объемной тазовой части модели, противоположенный шарниру, опустился. Передняя плоскость объемной тазовой части оказалась с небольшим отклонением назад в сагиттальной плоскости. В шарнире модели, кроме среднего положения между пронацией и супинацией, наблюдалось среднее положение между отведением и приведением, а также незначительное разгибание. Объемная тазовая часть модели находилась в положении покоя без дополнительного внешнего усилия. Она удерживалась только сагиттально расположенным электронным динамометром. Высота расположения грузового кронштейна, к которому подвешивалась нагрузка, уменьшилась. Нагрузка, как и объемная тазовая часть, заметно сместилась вперед и вниз. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы не зафиксировал появление силы во фронтальной плоскости. Сагиттально расположенный электронный динамометр регистрировал нагрузку, равную 1.10 кг (Рис. 6).

Рис. 6. Вид на сагиттально расположенный электронный динамометр, удерживающий объемную тазовую часть модели (имитация среднего положения между пронацией и супинацией).

Далее мы максимально удлинили элемент крепления сагиттально расположенного электронного динамометра. Объемная тазовая часть модели благодаря эффекту авторотации спонтанно повернулась вперед в горизонтальной плоскости на предельную величину (Рис. 7).

Рис. 7. Электромеханическая модель тазобедренного сустава человека с аналогами связок, аналогом средней ягодичной мышцы и прикрепленной к грузовому кронштейну нагрузкой, соединенный электронным динамометром с опорным треножником, снабженным противовесом (имитация максимальной пронации и приведения); вверху – вид с латеральной стороны, внизу – вид сверху.

Объемная тазовая часть приняла положение с максимально возможным поворотом вперед и несколько латеральную сторону, а также максимально наклонилась вниз в медиальном направлении. В шарнире модели присутствовало разгибание, наибольшая пронация и приведение. Объемная тазовая часть модели находилась в положении покоя без дополнительного внешнего усилия и стабилизировалась только аналогами связок, которые стопорили шарнир. Высота расположения нагрузки уменьшилась до предела. Кроме этого, она, как и объемная тазовая часть, максимально сместилась вперед. Динамометр аналога средней ягодичной мышцы не зарегистрировал появления силы во фронтальной плоскости (Рис. 8).

Рис. 8. Вид на динамометр аналога средней ягодичной мышцы (имитация максимальной пронации и приведения).

Прибор засвидетельствовал, что аналог средней ягодичной мышцы не принимал участия в стабилизации объемной тазовой части модели. Сагиттально расположенный электронный динамометр также фиксировал отсутствие усилия (Рис. 9).

Рис. 9. Вид на сагиттально расположенный электронный динамометр, (имитация максимальной пронации и приведения).

Описанные эксперименты продемонстрировали, что при предельной супинации, сочетающейся с отведением, сила, смещающая объемную тазовую часть модели вперед, было максимальна. По мере реализации эффекта авторотации объемная тазовая часть модели с нагрузкой смещалась вперед и вниз. При этом закономерно уменьшалась высота расположения ее общего центра масс. Одновременно уменьшилась величина силы, смещающей объемную тазовую часть модели вперед. При достижении максимально возможного поворота вперед и вниз объемная тазовая часть модели спонтанно останавливалась. Сила, перемещавшая объемную тазовую часть модели вперед, исчезала. Шарнир модели оказывался застопорен аналогами связок и проявлялся эффект автостабилизации.

Общеизвестно, что при уменьшении высоты общего центра масс потенциальная энергия системы уменьшается. Согласно закону сохранения энергии, она преобразуется в кинетическую энергию движения. В нашем случае часть потенциальной энергии расходовалась на преодоление силы трения в шарнире. В начальном положении объемной тазовой части при максимальной супинации потенциальная энергия системы была максимальной. В крайнем положении пронации потенциальная энергия системы оказывалась минимальной. Одновременно исчезала горизонтальная сила, перемещавшая объемную тазовую часть модели вперед благодаря эффекту авторотации.

Наши опыты позволяют уточнить усилия, действующие на таз, pelvis, человека в одноопорной позе и одноопорном периоде шага. В частности, выяснено, что сила необходимая для удержания таза, pelvis, в горизонтальной плоскости по мере его поворота вперед уменьшается. Она возрастает при супинации и, наоборот, уменьшается при пронации до нуля. Соответственно, в положении максимальной пронации, при повороте таза, pelvis, вперед равным повороту бедра, os femur, в этом направлении, не требуется мышечного усилия для удержания таза, pelvis.

Смотри также:

Бедренная часть комбинированной модели тазобедренного сустава 

Элементы электромеханической модели тазобедренного сустава человека

Электромеханическая модель без аналогов связок

Упрощение электромеханической модели тазобедренного сустава

Моделирование движений аналога LCF 

Упрощенная модель вертлужной впадины 

Модель как аналог рычага третьего рода 

Моделирование функции LCF 

Моделирование действия веса тела 

Имитация взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF 

Анализ взаимодействия средней ягодичной мышцы и LCF

Моделирование движений в горизонтальной плоскости 

Моделирование супинации 

Моделирование эффекта авторотации  

Обсуждение эффекта авторотации 

Моделирование перемещения общего центра масс тела 

Моделирование взаимодействия наружных связок и LCF 

Моделирование эффекта автостабилизации

Моделирование взаимодействия веса тела и отводящей группы мышц 

Эффект авторотации с аналогом отводящей группы мышц

                                                                     

Критика

Главным недочетом описанных ранее конструкций, по нашему мнению, являлась недостаточная упругость аналогов связок. В описанной конструкции мы использовали гибкий элемент - аналог LCF, выполненный из металла и усовершенствовали способ его крепления. В норме LCF присоединяется к вертлужной впадине в нескольких точках, что нам воспроизвести не удалось. Кроме этого, основой бедренной части модели явился субтотальный эндопротез тазобедренного сустава. Мы согласны с тем, что данное медицинское изделие лишь отчасти воспроизводит проксимальный отдел нативной бедренной кости. 

Примечания

Экспериментальные исследования на обсуждаемой модели начались в 2009 году. Полная сборка конструкции описана в заявка на изобретение RU2009124926A. Впервые полную версию представленного выше экспериментального материала мы опубликовали в пятнадцатой главе третьего тома монографии с юмором названой «Биомеханика пингвинов» (2018) [academia.edu]. Данная работа написана для личного использования и узкого круга лиц. В книге собраны, систематизированы и проанализированы результаты 25-ти лет изучения ligamentum capitis femoris и смежных тем. 

Расшифровку цитированных источников смотри в Списке литературы.

Первоисточник

Архипов СВ. Биомеханика пингвинов: заметки к вопросу о причинах ковыляющей походки и перспективах ее ремоделирования во имя обретения грациозности, сочиненные врачом, к.м.н. Сергеем Васильевичем Архиповым, в бытность им с 1992-го по 2017-й год хирургом и травматологом-ортопедом, по вдохновению в 1991-ом году его сестрою Еленой Васильевной, со светлой любовью к ней и благодарностью! Манускрипт в 5 томах. Т. 3. Главы 12-16. Напечатано Автором во граде Королев при попечении его супруги Людмилы Николаевны, ММXVIII A.D. [2018], bonum factum! [на благо и счастье], 518 с. [academia.edu]

Ключевые слова

ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, функция, эксперимент, электромеханическая модель, средняя ягодичная мышца, короткие ротаторы

 СОДЕРЖАНИЕ РЕСУРСА

Эксперименты и наблюдения

1991-2021АрхиповСВ