Locītavu biomehānika

Visa cilvēka kustību daudzveidība tiek sasniegta pateicoties īpašai kustību aparāta uzbūvei. Lielākā daļa kaulu savienoti ar locītavu palīdzību.Poļu zinātnieki Mareckis, Ekls un Fideļus konstatējuši, ka skeletā ir 148 kustīgi kauli, 29 trīsasu locītavas, 33 locītavas ar divām brīvības pakāpēm un 85 locītavas ar vienu brīvības pakāpi. Locītava ir viskomplicētākais un viskustīgākais kaulu savienojumu veids. Locītavas galvenie elementi ir kaulu locītavas virsmas, locītavas somiņa un locītavas dobums.

Porainā kaulvielaLocītavas somiņa

Locītavas somiņas iekšējais slānisLocītavas dobums

Skrimšļa disks

Hialīnais skrimslis

Locītavas somiņas ārējais slānis

Blīvā kaulviela

Kaula plēve

1.

Kustību raksturu locītavā nosaka locītavas virsmas forma, tādēļ tās uzskata par galveno locītavas elementu. Atkarībā no kustību iespējām,locītavas iedala: 1) vienasu, 2) divasu un 3) trīsasu locītavās.

Kustību amplitūdu nosaka locītavu virsmu neatbilstība. To var ierobežot locītavas somiņa, locītavas saites, papildus kauli un muskuļi. Locītavā savienoto kaulu skaits var būt dažāds: divi kauli - lāpstiņa unaugšdelma kauls, trīs - augšdelma un divi apakšdelma kauli, pieci - diviapakšdelma kauli un trīs plaukstas pamata kauli. Tomēr iespēja kustētiesnav atkarīga no kaulu skaita locītavā.

2.

Trīs brīvības pakāpes ir locītavām ar lodveida formu, piem., pleca un gūžas locītavas. Šeit iespējama saliekšana un iztaisnošana, atcelšana un pievilkšana, kā arī kaula rotācija ap tā garenasi.

3.

Lāpstiņa

Atslēgas kauls

Augšdelma kauls

Atliekšana

Saliek-šana

Pievilkšana

Atcel-šana Rotācija

Daudzasu locītava- lodveida

Daudzasu locītava-riekstveida

Divasu locītava-eliptiskā

Divasu locītava-sedlveida

Pārtrauktie kaulu savienojumi / pēc Йоганес Роен, 1998 4.

Divas brīvības pakāpes ir eliptiskai un sedlveida locītavai, piemēram, plaukstas locītavai. Varam plaukstu saliekt un atliekt, atcelt un pievilkt.

Viena brīvības pakāpe ir cilindriskajai un blokveida locītavai, piemēram,elkoņa locītava, kurā iespējama saliekšana un atliekšana.

Elkoņa kaulsSpieķa kauls Saliekšanas-atliekšanas ass

Pievilkšana

Atcelšana

Saliekšana

Atliekšana

Pievilkšanas-atcelšanas ass

Delnas kauls

Augšdelma kauls

Spieķa kauls

Elkoņa kauls

Ass

Saliekšana

Atliekšana

5.

Vienasu locītava-cilindriskā

Vienasu locītava-blokveida

Daudzasu locītava-plakanā

6.

7.

LOCĪTAVU BERZE

No mehānikas viedokļa locītavas ir savdabīgi gultņi, kuros sinoviālaišķidrums izpilda smērvielas lomu, locītavu skrimšļi ir nesošās virsmas,bet berzi novērtē ar slīdes berzes koeficientu. Normālos apstākļosenerģijas patēriņš šis berzes pārvarēšanai ir neliels, slīdes berzeskoeficienta lielums svārstās robežās no 0,005 līdz 0,02. Mēģināsim šo jautājumu ilustrēt ar praktisku piemēru. Ejot cilvēksizpilda darbu, kas tiek patērēts ne tikai, lai pārvietotu ķermeni uz priekšu,bet arī lai pārvarētu berzi locītavās, tai skaitā gūžas locītavā. Pieņemsim,ka augšstilba kaula galvas rādiuss ir apmēram 2 cm un kāja, izpildot soli,pagriežas par apmēram 1 radiānu (570). Tas nozīmē, ka saskarsmes virsmas noiet apmēram 2 cm garu ceļu. Spiediens uz kaula galvu atkarībā no iešanas ātruma var vairākkārt pārsniegt paša cilvēka svaru. Berzes spēka lielums vienāds ar spiediena spēka un berzes koeficientareizinājumu. Darbu, kas jāpatērē šī berzes spēka pārvarēšanai, iegūstsareizinot berzes spēku ar ceļu. Ja ņemtu tādu berzes koeficenta vērtību,kas raksturīga nesamitrinātām, neieeļļotām virsmām (~0,2), tad darbs berzes pārvarēšanai gūžas locītavā būtu vienāds ar darbu, kas tiek patērēts,lai cilvēks sevi paceltu 3 cm augstumā. Enerģija, kas tiktu patērēta, lai pārvarētu berzes spēku, locītavās atbrīvotos siltuma veidā. Iespējams, ka izpildot ilgstošas, enerģiskas kustības, locītavām draudētu pārkaršana.

8..

Eksperimentāli pierādīts, ka pasīvo pretestību locītavās ietekmē sinoviālā šķidruma daudzums un temperatūra uz locītavas virsmām. Berze samazinās, paaugstinoties locītavas temperatūrai un palielinoties sinoviālā šķidruma daudzumam. Neskatoties uz ļoti pilnīgu termoregulāciju dzīvos organismos, intensīva fizisko vingrinājumu izpilde paaugstina kā visa ķermeņa temperatūru, tā arī temperatūru muskuļos un uz locītavu virsmām. Piemēram, ar locītavās ieaudzētu termopāru palīdzību parādīts, ka suņiem pēc 30 minūšu skrējienalocītavu temperatūra izmainījās vidēdi par 2,70. Vienlaikus ar ķermeņa t0 paaugstināšanos, samazinās muskuļu iestiepšanas pasīvā elastīgā pretestība. Pierādīta sakarība starp intensīvu fizisku darbu un sinoviālā šķidruma daudzumu locītavās. Eksperimentāli ir konstatēts, ka pēc 12 mēnešus ilga intensīva fiziska darba sinoviālā šķidruma daudzums locītavās palielinājās divas reizes. Šīs zināšanas palīdz izprast iesildīšanas jēgu un treniņa ietemki uz locītavu mehāniku.

9.

LOCĪTAVU ŠĶIDRUMS

Locītavu šķidrumu jeb sinoviju izdala locītavas somiņas iekšējā slāņa sinoviocīti. Tas ir asiņu ultrafiltrāts, tāpēc pēc sastāva ir līdzīgs asins plazmai, tikai ar mazāku olbaltumvielu daudzumu. Bez tam tajā ir hialuronskābe - polisaharīds, kura garās molekulas ir saistītas arolbaltumvielām. To izdala B sinoviocīti. Sinovijam piemīt augstaviskozitāte, kas daudzkārt pārsniedz asiņu viskozitāti. Locītavas somiņa notur sinoviju locītavā slodzes laikā un zināmā mērā pretdarbojas locītavas iekšējam spiedienam. Slodzes laikā, kaula galviņai iespiežoties otra kaula locītavas bedrītē, rodas spiediens, kas izspiež locītavas šķidrumu uz sāniem. Locītavas skrimslī irmikroskopiskas poras pa kurāmiekļūst sinovijs. Poru diametrsir tik neliels, ka strauja tāizspiešana ir apgrūtināta.

NOSLOGOTAIS RAJONS NO KURA TIEK IZSPIESTS SINOVIJS

NENOSLOGOTIE RAJONI, KURI UZSŪC SINOVIJU

Porainā kaulviela

Blīvā kaulviela

10.

11.

Ir pierādīts, ka, no fizikālā viedokļa, sinovijam piemīt spilgti izteikts pseidoplastiskums (pseido - neīsts, šķietams; plastiskums - cietu ķermeņu īpašība padoties veidošanai, deformācijai un saglabāt pēc tās radušos formu) un tiksotropās īpašības. Dažādos pētījumos ir noskaidrots, ka sinovija viskozitāte (stigrība, gāzu un šķidrumu spēja pretoties tecēšanai) samazinās, palielinoties ātruma gradientam. To labi ilustrē dati, kas iegūti novērojumos arspieķa un pēdas pamata kaulu locītavu liellopiem. Jā ātruma gradientsir 0,1 s-1, viskozitāte ir 50 Pz (Puazeli), kas 5000 reizes pārsniedz ūdensviskozitāti. Ja ātruma gradients ir 1000 s-1, viskozitāte ir ap 0,1 Pz, kasir tikai 10 lielāka kā ūdenim. Tas nozīmē, ka, palielinoties ātrumagradientam, viskozitāte ir samazinājusies 500 reizes. Locītavās, kurāssinovijā ir mazāk hialuronskābes, arī tā viskozitāte ir mazāka. Ātruma gradients locītavās var būt līdz 105 s-1. Šis lielums gan ir tikai aptuvens, jo locītavas sprauga ir šaura, grūti izmērāma un tāsplatums ir atkarīgs no slodzes. Katrā gadījumā, sinoviju kā pseidoplastisku šķidrumu ir grūtāk izspiest no locītavas, kā Ņūtona tipašķidrumu (ideāls šķidrums). Sinovija viskozitāti slodzes laikā varregulēt arī, uzņemot ūdeni no sinovija caur hialīnā skrimšļa porām.Kavitācija (dobumu - burbuļu veidošanās kustībā esošā šķidrumā) sinoviālajā šķidrumā izsauc locītavu knakšķēšanu.

12.

Reti, kad materiālu viskozitātes-elastības īpašības būs tik vienkāršas, kā mūsu augstāk minētajā piemērā. Kad uz polimēru iedarbojas pastāvīga slodze, kas izsauc materiāla deformāciju, šai deformācijai var izdalīt trīs komponentus: 1) momentānā elatīgā deformācija, kas rodas tūdaļ pēc slodzespielikšanas un pazūd līdz ar slodzes noņemšanu, 2) lēnā elastīgā deformācija, kuras pieaugums palēninās visu slodzes iedarbības laiku. Tas ir deformācijas veids, ko atspoguļo pēdējā formula, bet parasti tas tikai daļēji atbilst šai formulai. Atšķirības starp teorētiskajiem aprēķiniem un praktiskajiem rezultātiem rodas, jo reālam materiālam ir vairāki palēninājuma laiki . Pēc slodzes noņemšanas, lēnā elastīgā deformācija izzūd ar palēninošos ātrumu. 3) viskozā tecēšana pieaug ar pastāvīgu ātrumu slodzes iedarbības laikā un saglabājas pēc slodzes izzušanas.Polimēru materiāliem ar šķērssaitēm, šis komponents izpaliek, ja vien šķērssaites deformācijas laikā netiek pārrautas.

13.

I II

III IV

Deformācija Spriegums

Laiks

Viskozi-elastīga materiāla deformācija pastāvīgas slodzes ietekmē un pēc tās. I - momentānā elastīgā deformācija, II - lēnā elastīgā deformācija, III - viskozā tecēšana, IV - summārā deformācija.

14.

Grafika ceturtā līkne atspoguļo visu trīs deformācijas veidu mijiedarbību. Šādu līkni iegūst, kad uz kādu polimēru materiālu iedarbojas deformējošs spēks. Precīza līknes forma ir atkarīga no konkrētā materiāla. Materiāla “uzvedība” būs atkarīga arī no slodzes iedarbības ilguma. Īslaicīgas slodzes laikā, materiāls var darboties kā kaučukamlīdzīgs ciets priekšmets, bet ilgstošas slodzes laikā kā viskozs šķidrums. Šāds īpašību komplekts ir, piemēram, polidimetilsiloksānam. Ja bumbiņa no šī materiāla nokrīt uz grīdas, tā paleksies līdzīgi gumijas gabalam, bet , ja bumbiņu atstās guļot uz galda, tā ļoti lēnām izplūdīs, kamēr pārvērtīsies par bezveidīgu plāceni.