Костная система человеческого организма устроена таким образом, что при наибольшей легкости она представляет наибольшую прочность и способна противодействовать влиянию толчка и сотрясения. Длинные кости имеют трубчатое строение. Известно, что трубка обладает большей прочностью, чем стержень такой же массы. Также существует закономерность в расположении пластинок губчатого вещества, из которого образованы головки длинных костей. Пластинки губчатого вещества кости располагаются так, что противостоят растяжению и сжатию, часто пересекаются под углом 90˚. При этом происходит разложение сил на две составные, являющиеся сторонами параллелограмма сил, по диагонали которого действуют силы сжатия и растяжения. Поскольку перекладины опираются на компактное вещество кости, возникает жесткая и прочная конструкция, в которой нагрузка равномерно распределяется на всю кость. В организме человека многие кости выполняют функцию рычага. Рычаг обладает очень важным свойством, обусловившим его широкое распространение в природных механизмах, таких, например, как скелеты человека и животных. Это свойство — очень высокий коэффициент полезного действия, достигающий 98-100%. Высокий КПД рычага определяется тем, что в нем малы потери на трение. Рычажными механизмами в скелете человека являются почти все кости, имеющие некоторую свободу движения: кости конечностей, нижняя челюсть, череп (точка опоры — первый позвонок), фаланги пальцев. Главные кости и мышцы руки человека показаны на рисунке 2. Кисть посредством лучезапястного сустава крепится к лучевой кости, которая, в свою очередь, прикрепляется к локтевой кости посредством локтевого сустава. При помощи плечевого сустава рука крепится к лопатке. Основными рабочими мышцами руки, отвечающими за перемещение предплечья, являются бицепс (двуглавая мышца) и трицепс (трехглавая мышца). Как все мышцы, они не могут создавать толкающих усилий — они могут только тянуть. Когда человек поднимает одной рукой предмет, бицепс сокращается, а трицепс удлиняется. Когда человек опускает предмет, происходит противоположное, в чем нетрудно убедиться на опытеСилы, действующие на мышцы и кости, схематично показаны на рисунке 2) F1 – сила, действующая со стороны плеча и суставов; F2 – сила, действующая со стороны бицепса на локтевой сустав; – сила тяжести, действующая на систему рука-кисть; – вес груза; r2 – расстояние от локтя (точка О) до центра присоединения бицепса (обычно 4 см); r3 – расстояние от точки О до центра масс системы рука-кисть; r4 – расстояние от точки О до центра масс груза (считается, что он совпадает с центром масс руки). Если предположить, что человек, удерживающий груз, имеет массу 80 кг и рост 1,83 м, то величины, характеризующие руку как рычаг, могут быть такими: r4=0,35 м; r3=0,19 м; F3=24 H; F4=98 H. Решая уравнения сил и моментов (∑=0; ∑=0) получаем: F2- (F1+F2- F4)=0r1 F1+r2 F2- r3 F3=0Окончательно имеем: F2=968 Н; F1=847 Н (Эти силы значительно больше веса груза, удерживаемого рукой.) Таким образом, чтобы удержать груз некоторой массы, необходимо усилие мышцы, почти в 10 раз превышающее силу тяжести, действующую на груз.
