Популярная анатомия. Строение и функции человеческого тела

Иногда мы можем полагаться на силу притяжения, чтобы отменять работу мышцы. Одна из функций большой икроножной мышцы задней части голени состоит в том, чтобы поднимать нас на цыпочки. Никакой равной по величине мышцы на другой стороне большеберцовой кости не требуется, чтобы опустить нас с положения «на цыпочках». Этой цели служит сила притяжения. Именно по этой причине фронтальная часть ноги, можно сказать, не имеет мышц, и мы можем чувствовать большеберцовую кость сразу под кожей от начала и до конца.

Кости и прикрепленные к ним мышцы составляют систему рычагов. Простейшая форма рычага – это детские качели в виде доски с точкой опоры в центре рычага, имеющие с двух концов два приблизительно равных веса (обычно в виде маленьких мальчиков или девочек). Единственная цель состоит в том, чтобы изменить направленность силы так, что, когда один ребенок опускается, другой взлетает вверх, и суть такой забавы достигается именно таким образом.

Обычно же точка опоры располагается ближе к одному концу рычага, который таким образом разделяется на короткий отрезок и длинный. Относительно небольшое давление на конце длинного отрезка поднимет вверх относительно большой вес на конце короткого отрезка. Действительно, равновесие достигается тогда, когда результат силового воздействия и длина отрезка рычага равны на том и другом конце. Если, например, длинный отрезок в десять раз превышает короткий, тогда, приложив силу в один фунт на длинном отрезке, можно поднять вес в 10 фунтов на коротком отрезке рычага.

Кажется, что поднять 10 фунтов очень легко, но конечно же все имеет цену. И эта цена проявляется в расстоянии, к которому должна прилагаться сила. Если сила в 1 фунт приложена к отрезку рычага длиной 10 дюймов, 10-фунтовый вес поднимется только на 1 дюйм. Сколько мы выигрываем в силе, столько проигрываем в расстоянии и общей работе, которая представляет собой силу, умноженную на расстояние.

Рычаг тогда не увеличивает работу, а просто обменивает расстояние на силу. Когда необходимо поднять тяжелый вес усилием, неадекватным этой задаче, если прилагать его непосредственно к поднимаемому предмету, рычаг, описанный ранее, как раз то, что надо.

Существует также возможность, что точка опоры располагается на одном конце рычага, а сила и поднимаемый вес скорее на той же стороне, а не на противоположной. Если вес ближе к точке опоры, чем сила, ситуация не меняется. Сила меньше веса, но должна пройти большее расстояние.

Предположим, вы захотели встать на цыпочки. Икроножная мышца сокращается и приподнимает пятки вверх. Подъем свода стопы выступает в качестве точки опоры, а вес тела концентрируется где-то посредине между подъемом и пяткой. Если вес тела составляет 150 фунтов, икроножной мышце требуется надавить с силой всего лишь 75 фунтов. Наверняка ей придется приподнять пятку на 3 дюйма, чтобы приподнять тело на 1,5 дюйма, но это, по-видимому, стоит того, чтобы сэкономить 75 фунтов усилия.

И все-таки не всегда желательно увеличивать расстояние, чтобы выиграть в силе. Легко представить обратный рычаг, который намеренно увеличивает силу. У такого рычага вес будет располагаться на конце длинного отрезка, а сила прилагаться на конце короткого отрезка. Если длинный отрезок будет в десять раз превышать короткий, нам придется надавить вниз с силой 10 фунтов, чтобы поднять вес 1 фунт.

Устройство может показаться нелепым, но мы кое-что выигрываем. Однофунтовый вес на длинном отрезке рычага поднимает вверх 10 дюймов на каждый дюйм силы, с которой мы давим на короткий отрезок рычага. Допустим, мы привязали к концу короткого отрезка рычага какой-то тяжелый предмет, который весит достаточно много, чтобы уравновесить небольшой вес на конце короткого отрезка. Теперь мы добавляем собственный вес к короткому отрезку рычага, так что предмет на конце длинного отрезка поднимается, описывая широкую дугу с большей скоростью, чем если бы мы могли двигать его с помощью непосредственного воздействия силы. Мы расходуем силу, чтобы выиграть в расстоянии, и получаем катапульту. То же самое верно и для такого положения, когда вес и сила находятся по одну сторону точки опоры, причем вес находится дальше от точки опоры, чем сила.

Давайте снова вернемся к бицепсу. Сокращаясь, он тянет предплечье вверх. Кости предплечья образуют рычаг с точкой опоры в локте. Бицепс прикрепляется к лучевой кости на расстоянии, которое составляет приблизительно одну четверть от всего расстояния от локтя до ладони, поэтому сила, поднимающая руку, прилагается, видимо, в 3 дюймах от локтя (точки опоры). Вес, который должен быть поднят, однако, сосредоточен в ладони на расстоянии около 12 дюймов от точки опоры. На каждый фунт сосредоточенного в вашей ладони веса, который вы должны поднять, бицепс должен израсходовать силу 4 фунта. Однако ему необходимо всего лишь сократиться на 1 дюйм, чтобы поднять вес на 4 дюйма, и, умножая силу, он придает руке катапультирующее действие, которое дает возможность развить значительную скорость движения.