Как устроен человек - Страница 6

Положите на стол кирпич и попробуйте, не поднимая, передвинуть, его на полметра. Окапывается, для этого нужно приложить известную силу. Движению кирпича препятствует трение, возникающее между его поверхностью и поверхностью стола. На преодоление трения и затрачивается сила, которую приходится прикладывать к кирпичу, чтобы его сдвинуть. Величина этой силы зависит, во-первых, от того, насколько шероховаты трущиеся поверхности, а во-вторых, от веса кирпича.

Подобным же образом трение возникает в шарнирах человеческого тела – в суставах наших конечностей, препятствуя их движению.

Трение можно существенно уменьшить с помощью смазки. Налейте на стол немного воды и убедитесь, что по мокрой поверхности передвигать кирпич станет легче. А если вместо воды использовать какое-нибудь масло, кирпич заскользит по столу совсем легко. Природа позаботилась о смазке поверхностей суставов, но если из-за какого-либо заболевания количество или характер жидкости, предназначенной для смазки, существенно меняется, движение в суставе окажется затруднено. И любое движение в суставе будет теперь сопровождаться болевыми ощущениями, обычно достаточно сильными.

Суставы млекопитающих, в том числе человека, устроены таким образом, чтобы силу трения свести до минимума. Вот почему поверхности соприкасающихся костей имеют такую форму, которая наиболее удобна для их движения, да к тому же они покрыты слоем хряща, имеющего очень гладкую поверхность. Сустав окружен капсулой – так называемой суставной сумкой. Она удерживает соприкасающиеся поверхности костей сустава в необходимом положении. Полость суставной сумки заполнена суставной жидкостью, предназначенной для смазки соприкасающихся поверхностей костей.

Жидкость, заполняющая все щели суставной сумки, по своему составу напоминает плазму крови, но в ней меньше белков и присутствуют длинные молекулы гиалуроновой кислоты, которые придают этой жидкости особые удивительные свойства. В нормальном состоянии она обладает значительной вязкостью, что должно было бы серьезно затруднять движение сочлененных костей сустава. Однако во время их движения вязкость этой жидкости резко снижается. Снижение вязкости зависит от скорости движения. При быстрых движениях она уменьшается в 5 тысяч раз! Это свойство суставной жидкости помогает удерживать наши конечности в неподвижном состоянии и не мешает совершать быстрые движения.

Если на плоскую поверхность стекла или металла поместить каплю воды, а сверху на нее поставить выпуклую стеклянную линзу, ее не трудно будет так прижать к плоской поверхности, что в месте их соприкосновения из-под линзы будет выдавлена вся вода. Другое дело, если вместо воды взять каплю глицерина. В этом случае, чтобы полностью выдавить его из-под линзы, придется затратить значительные усилия. Когда с этой же целью испытывали внутрисуставную жидкость, то выяснилось, что выдавить ее из-под линзы практически не удается. Между линзой и подлежащей плоской поверхностью будет всегда оставаться тончайшая пленочка жидкости. Мало того, оказалось, что внутрисуставная жидкость обладает упругими свойствами. Когда давление на линзу ослабевает, прежняя форма жидкости восстанавливается, толщина пленочки, образованной ею под линзой, увеличивается, и линза чуть-чуть приподнимается над поверхностью.

Когда на гладкую металлическую поверхность попадает масло, на ней образуется тоненькая масляная пленочка, которую очень трудно удалить полностью. Оставаясь на соприкасающихся поверхностях, такая смазка действует в течение долгого времени, резко снижая трение в движущихся частях различных машин и механизмов.

Казалось бы, для определения силы трения необходимы сложные приборы. На самом деле для этого годятся достаточно простые приспособления, которые способен изготовить любой школьник. О силе трения, или, вернее, о качестве смазывающего вещества удобнее всего судить по скорости затухания качательных движений маятника. Для этого годится любой маятник, в том числе от старых часов-ходиков. Капнув на ось маятника испытуемое вещество, нужно придать маятнику горизонтальное положение и, опустив его, сосчитать, сколько раз он качнется до полной остановки. Потом, тщательно удалив остатки использованной смазки, капнуть на ось новым смазывающим веществом и повторить опыт.

Когда смазывающий эффект внутрисуставной жидкости проверили подобным образом, неожиданно оказалось, что она снижает трение хуже многих смазывающих масел. Ученые вычислили, что с помощью такой смазки сустав должен был бы работать гораздо хуже, чем он работает на самом деле, но им удалось разгадать секрет совершенства суставов. Оказалось, что все дело в суставных хрящах, имеющих губчатое строение, так как они пронизаны бесчисленными микроскопическими порами, заполненными внутрисуставной жидкостью. Поэтому, мало того, что из-за особых свойств этой жидкости она не только не выдавливается из-под соприкасающихся поверхностей костей, а наоборот, благодаря пористости хрящей при сильном давлении костей друг на друга выдавливается из их толщи, тем самым увеличивая толщину смазывающей пленки.

К сожалению, инженерам пока не удалось создать аналогичного технического устройства, при котором, чем больше давят друг на друга трущиеся поверхности, тем толще между ними пленочка смазывающего вещества. Это изобретение природы предстоит, по-видимому, использовать следующим поколениям инженеров-конструкторов.

Суставы конечностей человека выдерживают значительную нагрузку, особенно суставы ног. Труднее всего приходится тазобедренному суставу. Верхний конец бедренной кости, ее головка, сочленяющаяся с костями таза, имеют шарообразную форму диаметром около 4 сантиметров. Она плотно пригнана к сферической полости тазовых костей, второму элементу сустава.

Благодаря шаровидной форме сочленяющихся поверхностей этот сустав многоосевой, то есть сочлененные в нем кости имеют возможность совершать три вида движений, допуская движение ног в шести направлениях. Человек способен выносить ногу вперед и отводить назад, как это происходит при ходьбе, отводить ногу в сторону и в направлении другой ноги и, наконец, поворачивать ее вокруг длинной оси и по часовой стрелке, и в противоположном направлении, так что пальцы вместо нормального положения могут поворачиваться и вправо, и влево.

Когда человек совершает обычный шаг, его нога, на которую он только что опирался, поворачивается относительно человеческого туловища примерно на 57°, при этом головка бедренной кости, скользя по поверхности суставной впадины, проходит путь, равный 2 сантиметрам.

Давление на головку бедра всей массы человеческого тела достаточно большое. Когда человек с весом тела около 70 килограммов соблюдает неподвижность, опираясь на обе ноги, на его тазобедренные суставы ложится груз равный 55–60 килограммам. Однако реальное давление, которое испытывают эти суставы, гораздо больше – оно в 1,6 раза превышает вес опирающихся на. них частей тела. Это происходит потому, что центр тяжести человеческого тела не находится непосредственно над линией, соединяющей головки бедра, и поэтому для поддержания вертикальной позы несколько крупных мышц тазового пояса сокращаются, с силой прижимая сочленяющиеся поверхности друг к другу и не позволяя туловищу наклоняться. Поэтому реальная нагрузка на эти суставы у семидесятикилограммового человека достигает 95 килограммов, а если у него за плечами рюкзак, весящий 20 килограммов, давление возрастет до 125 килограммов. Для грузчика, поднявшего на спину мешок муки весом 50 килограммов, оно возрастает до 175 килограммов; ну а какое давление испытывают тазобедренные суставы спортсмена-штангиста, поднимающего тяжелую штангу, сосчитайте сами.