Плоскости и оси коленного сустава

Ранее уже было сказано, что суставы, в отличие от непрерывных соединений, отличаются организованностью, т.е. строгой направленностью движений, большим размахом (объемом) движений. Возникает вопрос: что обусловливает вид и количество движений в суставе? Отвечая на него, можно коротко сказать, что характер и размах движений в суставе зависят в основном от формы суставных поверхностей с отрезками различных геометрических фигур вращения. Например, прямая образующая, вращаясь параллельно оси, опишет цилиндрическую фигуру, а образующая в виде полуокружности даст шар. Суставная поверхность определенной геометрической формы позволяет совершать движения только по соответствующим ей осям, вследствие чего суставы классифицируются как одноосные, двухосные и трехосные, или многоосные.

Одноосные суставы имеют цилиндрическую или блоковидную форму суставных поверхностей, и поэтому такие суставы называют цилиндрическими, или блоковидными. В них возможен только один вид движений. Примером первого вида сустава является лучелоктевой сустав, второго — межфаланговые суставы.

К двухосным суставам относятся седловидные, у которых в одном направлении суставная поверхность вогнутая, а в другом, перпендикулярном ему, — выпуклая, и эллипсовидный, или яйцевидный. Двухосные суставы допускают движения вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Примером седловидного сустава может служить первый запястно- пястный сустав, а эллипсовидного-лучезапястный.

Трехосные суставы — шаровидные. Это самые подвижные соединения, движения в которых происходят в трех главных взаимно перпендикулярных и пересекающихся в центре головки осях. Но через центр суставной головки можно провести бесконечное количество осей, почему шаровидные суставы и оказываются практически многоосными. Таковы, например, плечевой и тазобедренные суставы. К трехосным суставам можно отнести плоский сустав, в котором суставная поверхность представляет собой отрезок шара с большим радиусом, благодаря чему кривизна суставных поверхностей очень незначительна, и выделить головку и ямку нельзя. Плоский сустав обычно малоподвижен и допускает лишь незначительные скольжения сочленяющих поверхностей в различных направлениях (например, крестцово-подвздошный сустав).

Таким образом, степень подвижности в суставах зависит, прежде всего, от формы суставных поверхностей сочленяющихся костей. В то же время каждой форме суставных поверхностей соответствует определенное число осей, вокруг которых возможны движения в данном суставе (рис. 2.3—2.5).

Рис. 2.3. Суставы с различной формой суставных поверхностей и оси

их вращения (схема):

• 1 — шаровидный, трехосный, оси вращения сагиттальная, фронтальная, вертикальная; 2 — эллипсовидный, двухосный, оси вращения сагиттальная, фронтальная;
• 3 — седловидный, двухосный; оси вращения сагиттальная, фронтальная;
• 4 — плоский, многоосный, движения совершаются по всем осям в виде скольжения с незначительным объемом; 5 — блоковидный, одноосный, ось вращения фронтальная; в — цилиндрический, одноосный, ось вращения вертикальная

Суставами с одной осью вращения (одноосные) являются:

• — цилиндрический (проксимальный и дистальный лучелоктевые);
• — блоковидный (плечелоктевой и межфаланговый).

Суставы с двумя осями вращения (двухосные):

• — эллипсовидный (лучезапястный сустав);
• — седловидный (запястно-пястный сустав большого пальца кисти). Суставы с тремя осями вращения (многоосные):
• — шаровидный сустав (плечевой);
• — чашеобразный, или ореховидный (тазобедренный сустав);
• — плоский сустав (межзапястный).

В плоских суставах движения ограничены и заключаются в небольшом скольжении осей суставных поверхностей относительно друг друга.

Рис. 2.4. Виды суставов, различных по форме и числу осей вращения:

• 1 — шаровидный (плечевой, трехосный); 2 — ореховидный (тазобедренный, трехосный); 3 — эллипсовидный (лучезапястный, двухосный); 4 — седловидный (запястно-пястный большого пальца кисти, двухосный); 5 — блоковидный (плечелоктевой, одноосный); 6 — плоские суставы (между костями предплюсны);
• 7 — блоковидный сустав (голеностопный, одноосный); в — цилиндрический (проксимальный и дистальный лучелоктевые, одноосные)

Необходимо отметить, что движения происходят в плоскости, которая расположена перпендикулярно оси вращения. Отсюда движения вокруг сагиттальной оси происходят во фронтальной плоскости и называются отведением или приведением (на примере движений конечностей). Вокруг фронтальной оси движения происходят в сагиттальной плоскости и называются сгибанием или разгибанием. Движение вокруг вертикальной оси называют вращением — пронацией и супинацией, которые происходят в горизонтальной плоскости.

В двухосном суставе, примером которого может быть лучезапястный эллипсовидный сустав (см. рис. 2.4 и 2.5), возможно два вида движений: вокруг фронтальной оси — сгибание и разгибание и вокруг сагиттальной оси — отведение и приведение.

В шаровидных многоосных суставах (плечевом, тазобедренном) (см. рис. 2.4 и 2.5) возможно три вида движений: сгибание и разгибание вокруг фронтальной оси; отведение и приведение вокруг сагиттальной оси и, наконец, вращение — пронация и супинация — вокруг вертикальной оси. Кроме описанных движений, в двухосных и трехосных суставах возможно еще так называемое круговое движение. При этом конец кости, противоположный закрепленному в суставе, описывает круг, а кость в целом — поверхность конуса.

Рис. 2.5. Форма и оси вращения суставов верхних и нижних конечностей:

• 1 — шаровидный (плечевой), оси вращения вертикальная, фронтальная, сагиттальная; 2 — блоковидный (плечелоктевой), оси вращения вертикальная, фронтальная;
• 3 — эллипсовидный (лучезапястный), оси вращения фронтальная, сагиттальная;
• 4 — блоковидный (межфаланговый), ось вращения фронтальная;
• 5 — ореховидный (тазобедренный), оси вращения сагиттальная, вертикальная,

фронтальная

Все сказанное выше о названиях движений относится к суставам конечностей. Относительно движений туловища и головы применяются несколько иные термины. Так, движения туловища или головы вокруг фронтальной оси, происходящие в сагиттальной плоскости, называются наклонами вперед и назад. Движения вокруг сагиттальной оси называются наклонами вправо и влево, и происходят они во фронтальной плоскости. Поворотом вправо и влево называют движения тела или головы, происходящие вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости. Можно встретить еще одно название движений, происходящих вокруг вертикальной оси, а именно — скручивание в ту или иную сторону.

Прежде чем перейти к анализу движений сустава, следует подчеркнуть, что величина движения в суставах вращения зависит не столько от абсолютной величины поверхности тела вращения (головки), сколько от разности между соприкасающимися поверхностями головки и впадины сустава. В суставах вращения движения лучше всего выражать в градусах. Если в одном суставе головка имеет, например, цилиндрическую форму и суставная поверхность достигает 300° по окружности, а в другом суставе такой же формы головка будет иметь 150°, то, казалось бы, в первом движения будут совершаться по большой дуге. На самом же деле это не так. Это легко понять, если представить себе, что первая головка находится во впадине, имеющей 200°. При этих условиях возможный размах движений будет всего 100° (300° — 200°). Если же во втором суставе впадина будет иметь 50°, то и в нем будет 100-градусный размах движения. Движение головки будет продолжаться до тех пор, пока ее край не упрется в край суставной впадины. При этом дуга движения кости будет равна разнице поверхностей головки и впадины, выраженной в градусах.

Степени свободы движений суставов. Как известно, тело, ничем не ограниченное в движениях, называется свободным, так как может двигаться в любом направлении. Отсюда, каждое свободное твердое тело имеет шесть степеней свободы движения. Оно обладает возможностью производить следующие перемещения: три перемещения поступательного характера, соответственно трем основным системам координат, и три вращательных движения вокруг этих трех координатных осей.

Наложение связей (закрепление) уменьшает количество степеней свободы. Так, если тело в одной своей точке закреплено, оно не может производить перемещение вдоль координатных осей, его движения ограничиваются лишь вращением вокруг этих осей, т.е. тело имеет три степени свободы. В том случае, когда закрепленными являются две точки, тело обладает только одной степенью свободы, оно может лишь вращаться вокруг линии (оси), проходящей через обе эти точки. И наконец, при трех закрепленных точках, не лежащих на одной линии, количество степеней свободы равно нулю, и никаких движений тела быть не может. У человека пассивный аппарат движения составляют части его тела, называемые звеньями. Все они соединены между собой, поэтому теряют возможность к трем видам движений вдоль координатных осей. У них остаются только возможности вращения вокруг этих осей. Таким образом, максимальное количество степеней свободы, которым может обладать одно звено тела по отношению к другому звену, смежному с ним, равняется трем.

Это относится к наиболее подвижным суставам человеческого тела, имеющим шаровидную форму.

Последовательно или разветвленные соединения частей тела (звеньев) образуют кинематические цепи.

У человека различают:

• — открытые кинематические цепи, имеющие свободный подвижный конец, закрепленный лишь на одном своем конце (например, рука по отношению к туловищу);
• — замкнутые кинематические цепи, закрепленные на обоих концах (например, позвонок — ребро — грудина — ребро — позвонок).

Следует отметить, что это касается потенциально возможных размахов движений в суставах. В действительности же у живого человека эти показатели всегда меньше, что доказано многочисленными работами отечественных исследователей — П. Ф. Лесгафтом, М. Ф. Иваницким, М. Г. Привесом, Н. Г. Озолиным и др. На величину подвижности в соединениях костей у живого человека влияет ряд факторов, связанных с возрастом, полом, индивидуальными особенностями, функциональным состоянием нервной системы, степенью растяжения мышц, температурой окружающей среды, временем дня и, наконец, что важно для спортсменов, степенью тренированности. Так, во всех соединениях костей (прерывных и непрерывных) степень подвижности у лиц молодого возраста больше, чем у старшего возраста; у женщин в среднем больше, чем у мужчин. На величину подвижности оказывает влияние степень растяжения тех мышц, которые находятся на стороне, противоположной движению, а также сила мышц, производящих данное движение. Чем эластичнее первые из названных мышц и сильнее вторые, тем размах движений в данном соединении костей больше, и наоборот. Известно, что в холодном помещении движения имеют меньший размах, чем в теплом, утром они меньше, чем вечером. Применение различных упражнений по-разному влияет на подвижность соединений. Так, систематические тренировки упражнениями «на гибкость» увеличивают амплитуду движений в соединениях, тогда как «силовые» упражнения, наоборот, уменьшают ее, приводя, к «закрепощению» суставов. Однако уменьшение амплитуды движений в суставах при применении силовых упражнений не является абсолютно неизбежным. Его можно предотвратить правильным сочетанием силовых упражнений с упражнениями на растяжение тех же самых мышечных групп.

В открытых кинематических цепях человеческого тела подвижность исчисляется десятками степеней свободы. Например, подвижность запястья относительно лопатки и подвижность предплюсны относительно таза насчитывает по семь степеней свободы, а кончики пальцев кисти относительно грудной клетки — 16 степеней свободы. Если суммировать все степени свободы конечностей и головы относительно туловища, то это выразится числом 105, слагающимся из следующих позиций:

• — голова — 3 степени свободы;
• — руки — 14 степеней свободы;
• — ноги — 12 степеней свободы;
• — кисти и стопы — 76 степеней свободы.

Для сравнения укажем, что преобладающее большинство машин обладает всего одной степенью свободы движений.

В шаровидных суставах возможны вращения около трех взаимно перпендикулярных осей. Общее же количество осей, около которых возможны в этих суставах вращения, до бесконечности велико. Следовательно, относительно шаровидных суставов можно сказать, что сочленяющиеся в них звенья из возможных шести степеней свободы движений имеют три степени свободы и три степени связанности.

Меньшей подвижностью обладают суставы с двумя степенями свободы движений и четырьмя степенями связанности. К ним относятся суставы яйцевидной или эллипсовидной и седловиной форм, т.е. двухосные. В них возможны движения вокруг этих двух осей.

Одну степень свободы подвижности и вместе с этим пять степеней связанности имеют звенья тела в тех суставах, которые обладают одной осью вращения, т.е. имеют две закрепленные точки.

В преобладающей части суставов тела человека две или три степени свободы. При нескольких степенях свободы движений (двух или более) возможно бесчисленное множество траекторий. Соединения костей черепа имеют шесть степеней связанности и являются неподвижными. Соединение костей при помощи хрящей и связок (синхондрозы и синдесмозы) могут иметь в некоторых случаях значительную подвижность, которая зависит от эластичности и от размеров хрящевых или соединительнотканных образований, находящихся между данными костями.

Гибкость (подвижность в суставах). Общая подвижность позвоночника при сгибании увеличивается с возрастом неравномерно. Прирост подвижности позвоночника у мальчиков ускоряется в 7—10 лет, замедляется с 11—13 лет и особенно ускоряется с 14 лет, достигая максимума к 15 годам, а затем в 16—17 лет он снова замедляется до уровня девятилетних. У девочек прирост подвижности позвоночника в 7—10 лет невелик, с 10—14 лет он ускоряется и достигает максимума к 14 годам, затем с 14 до 17 лет он замедляется до уровня 11-летних.

У мальчиков с 15 до 17 лет подвижность позвоночника при сгибании уменьшается на 33°, а у девочек с 14 до 17 лет — на 23°. При пассивных движениях сгибание позвоночника больше, чем при активных. Разгибание позвоночника особенно возрастает у мальчиков с 7 до 14 лет, а у девочек — с 7 до 12 лет, после 12 лет его прирост замедляется. Наклоны вправо и влево увеличиваются до 9—10 лет, затем постепенно уменьшаются.

В суставах плечевого пояса также происходит непрерывный неравномерный рост подвижности до 12—13 лет. Активная подвижность при сгибании и разгибании рук у мальчиков повышается значительно больше, чем у девочек (на 2 Г у мальчиков и на 9° у девочек); при пассивных движениях это различие сохраняется, но оно небольшое. У девочек всех возрастов общая подвижность в суставах плечевого пояса больше, чем у мальчиков. Наибольшая подвижность в плечевом суставе у мальчиков и девочек в 9—10 лет, а затем она постепенно уменьшается.

В тазобедренном суставе прирост подвижности при сгибании наибольший в возрасте от 7 до 10 лет, в 12—15 лет он меньше, а в 16—17 лет сгибание ноги значительно уменьшается. У девочек снижение подвижности при сгибании ноги отмечено после 12 лет.

Гибкость обусловлена строением связочного аппарата сочленяющихся костей и развитием мышц и сухожилий. Наибольшие изменения в приросте подвижности в суставах наблюдается с 7 до 11 лет. К 13—14 годам гибкость приближается к уровню взрослых.

Влияние занятий физической культурой на систему скелета. Под влиянием физических упражнений суставы укрепляются, увеличивается их подвижность, суставные хрящи становятся более эластичными, значительно повышается тонус капсулы суставов и связок. В спортивной деятельности весьма важно выделить роль позвоночника и межпозвоночных соединений. Физические упражнения оказывают большое влияние на развитие позвоночного столба, предупреждая развитие сутулости, патологических боковых искривлений, и являются также мощным средством для исправления имеющихся дефектов.

Изгибы позвоночного столба увеличивают его рессорные свойства. Под действием внешних влияний изгибы могут несколько изменяться в течение одного и того же дня. В связи с этим высота всего позвоночного столба, равно как и рост человека, не является величиной строго постоянной. Суточные колебания роста обычно наблюдаются в пределах 1 см, но нередко бывают больше, достигая 2—2,5 см. Описаны случаи суточных колебаний роста, достигающих 4 и даже 6 см. Благодаря межпозвоночным дискам и связкам позвонки образуют гибкий и эластичный столб, при движениях которого две эластичные системы противодействуют друг другу: межпозвоночные диски не дают возможности соседним позвонкам сблизиться, а связки, соединяющие дуги и отростки позвонков, — отдалиться друг от друга. В силу небольшой подвижности в межпозвоночных суставах движения между двумя соседними позвонками не могут быть обширными. Однако, благодаря тому, что позвоночный столб состоит из большого числа отдельных костных сегментов, незначительные движения между позвонками, суммируясь, обусловливают довольно большую подвижность позвоночного столба в целом. Эта подвижность неодинаково выражена в различных отделах позвоночного столба. Наибольшая подвижность наблюдается в шейном и поясничном отделах, меньшая — в верхнем и нижнем участках грудного отдела, самая малая — в среднем участке грудного отдела. Одним из важных факторов для подвижности позвоночника является состояние межпозвоночных дисков. Однако если представить колоссальные нагрузки, которые испытывают межпозвоночные хрящевые соединения и связки у спортсменов, особенно при занятиях тяжелой атлетикой, гимнастикой, при метании диска и молота, то понятно, что нерациональные занятия указанными видами спорта и чрезмерные нагрузки могут быть причиной разрыва межпозвоночных связок, грыжи межпозвоночных дисков.

У тяжелоатлетов, например, в начале тяги вверх, при подъеме штанги, чрезмерное усилие при согнутом позвоночнике способствует сползанию вышележащего позвонка