Чем отличается замкнутая и разомкнутая кинематическая цепь

Основные понятия и определения

Основными задачами структурного анализа механизмов являются:

— исследование структурно-кинематических схем механизмов;

— определение количества свобод движения механизмов в зависимости от геометрических форм сопряжения звеньев и их количества;

— определение возможности движения механизма в заданном интервале обобщенных координат;

— обеспечение полнооборотного вращения входных и выходных звеньев (в случае необходимости);

— обеспечение заданных форм проекций движения точек звеньев механизма.

Звеном механизма называется одно или несколько твердых тел, соединенных неподвижно. Здесь имеются ввиду как абсолютно твердые так и деформируемые и гибкие тела.

Звенья механизма могут быть подвижными и неподвижными относительно выбранной системы координат. Неподвижное звено называется стойкой. В каждом механизме всегда есть одно (и только одно) неподвижное звено.

Звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм, называется выходным. Выходное звено обычно соединено с исполнительным органом машины либо с входным зве­ном другогомеханизма.

Звено, которому сообщается движение от двигателя или выходного звена другого механизма, называется входным звеном.

Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное дви­жение, называется кинематической парой.

Система звеньев, образующих между собой кинематические пары, называется кинематической цепью.

Кинематическая цепь замкнута, если каждое ее звено входит не менее чем в две кинематические пары.

Цепь разомкнута, если в ней есть звено, входящее только в одну кинематическую пару.

Используя понятие «Кинематическая цепь», можно дать еще одно определение механизму:

Механизмом называется замкнутая кинематическая цепь, пред­назначенная для преобразования заданного движения одного или нескольких входных звеньев в требуемое движение остальных звеньев.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется структурно-кинематической схемой механизма?

2. Что называется звеном механизма?

3. Сколько неподвижных звеньев может быть в механизме?

4. Чем отличаются входные и выходные звенья?

5. Что называется кинематической парой?

6. Что такое кинематическая цепь?

7. Чем отличаются замкнутая и разомкнутая кинематические цепи?

Источник

Кинематическая цепь

Содержание

Кинематическая цепь [ править | править код ]

Открытая или незамкнутая кинематическая цепь [ править | править код ]

С точки зрения управления движением наиболее важен случай открытой кинематической цепи, при которой сохраняются возможности опорного энергетического взаимодействия с одновременными активными действиями высокомобильными периферическими звеньями. Степени свободы звеньев открытой кинематической цепи зависят от положения звена относительно опоры. Потенциально наиболее подвижны и энергонасыщенны периферические звенья кинематической цепи, например, рука метателя при броске. Вместе с тем чем больше степеней свободы у звена, тем выше риск двигательной ошибки. Одна из сторон кинематики опорно-двигательный аппарат связана с подвижностью в суставах, которая зависит от ряда факторов. Один из них носит принципиально морфологический характер: шаровидные суставы (плечевой, тазобедренный) допускают трехосное вращение звена, а блоковидные (локтевой) имеют лишь одну степень свободы.

Закрытая или замкнутая кинематическая цепь [ править | править код ]

Такие замкнутые цепи разомкнуть невозможно. Незамк­нутые могут замыкаться, причем часто через опору. В слож­ной пирамиде, составленной несколькими акробатами, образу­ются даже своего рода «сети» (в плоскости) и «решетки» ( в пространстве) с очень сложной взаимной зависимостью дви­жений звеньев.

В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно изоли­рованное движение, т.е. движение в одиночном сочленении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает дви­жения и в других.

Таким образом, движения в незамкнутых цепях характери­зуются относительной независимостью звеньев. В замкнутых же, а также замкнувшихся цепях движения одних звеньев влияют на движения даже отдаленных звеньев (помогают или мешают).

В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

Кости, соединенные подвижно, образуют основу биокине­матических цепей. Приложенные к ним силы (мышечные тяги и др.) действуют на звенья биокинематической цепи, как на рычаги. Это позволяет передавать действие силы по цепям, а также изменять эффект приложения сил. Таким образом, рычаг как простейший механизм служит для передачи дви­жения и силы на расстояние.

Рычаги [ править | править код ]

Вне зависимости от вида рычага в каждом из них выделяют:

С помощью рычага можно выиграть в силе. Для этого нужно действовать мышечной силой на более длинное плечо. Согласно «золотому правилу механики», выигрывая в силе, одновременно проигрываем в пути и в скорости. Наоборот, если действовать мышечной силой на короткое плечо, то мож­но выиграть в пути и в скорости за счет проигрыша в силе.

Можно указать еще и на третью причину некоторых по­терь в силе мышц. При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав. Мышцы-антагонисты, создавая моменты сил, которые направлены противоположно, полезной работы не производят, а энергию затрачивают. Но в конечном счете в этом есть определенный смысл: хотя и возникают по­тери энергии, сустав во время больших нагрузок получает ук­репление напряжением мышц, которые его окружают.

В связи с особенностями приложения мышечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напря­жения мышц для выполнения не только силовых, но и скорос­тных движении. При этом следует помнить, что входящие в биокинематические цепи звенья тела образуют системы состав­ных рычагов, в которых «золотое правило» механики проявля­ется намного сложнее, чем в простых одиночных рычагах.

Амплитуда движений [ править | править код ]

Амплитуда движений в суставах зависит как от морфологии сустава (с пределами, определенными костной конструкцией сустава), так и от податливости мягких тканей, окружающих сустав (суставная сумка, прилегающий мышечно-связочный аппарат). Последняя может изменяться в процессе тренировки и является предметом специальных занятий на гибкость и подвижность в суставах. Одним из аспектов кинематики опорно-двигательный аппарат спортсмена является также аксиальная взаимосвязь движений в суставах пояса верхних конечностей. Так, одновременное сочетание движений на разгибание плеча с супинацией руки (или сгибания плеча с одновременной пронацией) позволяет осуществлять вращательные движения в поясе верхних конечностей без ограничений по углу поворота, что обеспечивает щадящий режим работы сустава. Противоположное сочетание движений (разгибание с пронацией, сгибание с супинацией) вызывает форсированную, предельную деформацию мягких тканей плеча, чреватую травмой. Вместе с тем именно такой режим работы может быть использован для развития подвижности в суставах.

Источник

Упражнения с открытой и закрытой кинетической цепью

Кинетическая цепь (иногда называемая кинематической цепью) — это инженерная концепция, используемая для описания движения человека. Используется в спортивной медицине, нейрореабилитации, при лечении мышечно-скелетных дисфункций, а также в ортопедии и при протезировании.

Концепция была введена инженером-механиком Franz Reuleaux в 1875 году. Он предложил, чтобы жесткие, перекрывающиеся сегменты соединялись через швы, и это создавало систему, при которой движение в одном шве вызывало или влияло на движение в другом шве в кинетическом соединении. В 1995 году доктор Arthur Steindler адаптировал теорию Franz Reuleaux и включил в нее анализ движений человека, специфических для спорта моделей деятельности и физических упражнений. Он предложил рассматривать конечности как жесткие, последовательно перекрывающиеся сегменты и определил кинетическую цепь как «комбинацию нескольких последовательно расположенных суставов, составляющих сложную двигательную единицу». Так стали выделять закрытую и открытую кинетические цепи.

Открытая кинетическая цепь

Steindler определил открытую кинетическую цепь как «комбинацию последовательно расположенных суставов, в которых терминальные сегменты могут свободно перемещаться». Таким образом, дистальный сегмент конечности может свободно двигаться в пространстве, например: можно двигать стопой во время фазы переноса в цикле ходьбы или разгибать колено в положении сидя.

Характеристики открытой кинетической цепи

Характеристики активности при отсутствии весовой нагрузки

Упражнения с открытой цепью полезны для работы с конкретными мышцами. Ниже приводятся некоторые примеры.

Примеры упражнений

Закрытая кинетическая цепь

Определение закрытой кинетической цепи, данное Steindler, означает, что дистальный сегмент испытывает «значительное» внешнее сопротивление, препятствующее его движению. Таким образом, это система, в которой ни проксимальный, ни дистальный сегменты не могут двигаться. Движение в одном сегменте замкнутой цепи вызывает предсказуемое движение во всех других соединениях. Например, во время приседания движение в коленном суставе сопровождает движение в тазобедренном и голеностопном суставах.

К сожалению, Steindler не дал количественной оценки термина «значительное» в своем первоначальном определении, что привело к путанице и разногласиям в отношении того, что считается истинным движением в закрытой кинематической цепи.

Строго говоря, в условиях закрытой цепи вообще невозможно какое-либо движение конечностей, за исключением изометрических сокращений, которые не сопровождаются перемещением конечностей в пространстве.

Однако, в клинической практике закрытая цепь определяется как «сопротивление, оказываемое через дистальную часть конечности и остающееся неизменным на протяжении всего упражнения». Лучшим примером этого являются приседания, потому что ноги остаются неподвижными на земле, т.е. поверхность опоры создает значительное сопротивление в зависимости от массы тела спортсмена или дополнительного веса.

На протяжении 20 лет упражнения в закрытой цепи все чаще включаются в реабилитационные программы из-за присущей им функциональной стимуляции.

Характеристики закрытой кинематической цепи (на примере приседаний)

Биомеханические и нейрофизиологические характеристики

Примеры упражнений

Особенности концепции кинетической цепи

Некоторые упражнения сложнее классифицировать по отношению к открытой или закрытой кинематической цепи. Примером может служить тренажер, имитирующий ходьбу по лестнице, поскольку каждая ступня «фиксируется» на педали, которая непрерывно движется во время выполнения упражнения. То же самое можно сказать и о езде на велосипеде, хотя это и закрытая система, но исследователи и клиницисты не классифицируют это как упражнение, осуществляемое в условиях закрытой цепи.

В своем блоге под названием «Проблема кинетической цепи» Mike Reinold бросает вызов идее кинетической цепи двумя способами. Во-первых, не все звенья цепи одинаково важны, поэтому следует думать о ней как о цепной реакции, а не просто как кинетической цепи. «Возьмем в качестве примера тазобедренный сустав. Любая тугоподвижность, нестабильность или дисбаланс тазобедренного сустава будут иметь большое влияние на поясницу и колени, и гораздо меньшее воздействие на суставы, расположенные от него на некотором расстоянии». Во-вторых, кинетическая цепь должна включать структуры между каждым звеном (т.е. мышцы, фасции, связки, сухожилия и т.д.). «Сустав не должен просто влиять на суставы, а мышцы — на мышцы. Все эти структуры работают и взаимодействуют друг с другом. Отличным примером этого является верхний перекрестный синдром».

Butler и Major предложили проводить четкое различие между положением с активным нейромышечным контролем (например, положение сидя с прямой спиной) и положением с недостатком контроля (например, положение сидя ссутулившись). Авторы ввели новую терминологию: (1) контролируемые замкнутые кинематические цепи (КЗКЦ) и (2) контролируемые открытые кинематические цепи (КОКЦ). КОКЦ подразумевает активный контроль всех суставов, где одна часть цепи «может соприкасаться с опорной поверхностью», но это не является обязательным требованием.

Примеры назначения упражнений с открытой и закрытой цепью

Восстановление после травмы ПКС

Достаточно долгое время считалось, что упражнения с закрытой цепью являются более предпочтительным вариантом восстановления после травмы передней крестообразной связки (ПКС). Это связано с тем, что во время выполнения упражнений в условиях открытой цепи возникают нестабильность сустава, передняя трансляция большеберцовой кости и повышенное натяжение ПКС. Glass и соавт. сделали систематический обзор 6 рандомизированных контролируемых исследований о влиянии упражнений с открытой и закрытой цепью на поврежденную и реконструированную ПКС.

Результаты обзора показали, что упражнения с открытой и закрытой цепью могут быть использованы для реабилитации при повреждении и реконструкции ПКС. Оба типа упражнений имели сходные результаты по боли в колене, нестабильности и функции коленного сустава. В одном исследовании предлагалось начать реабилитацию с упражнений с открытой цепью, а затем перейти к прогрессии. Рецензенты обнаружили, что подход, использующий упражнения с открытой и закрытой цепью, должен быть оправдан при реабилитации ПКС, особенно в спорте, где существуют сложные модели движения, которые включают как действия с открытой цепью, так и действия с закрытой цепью.

Это подтверждает еще один систематический обзор, проведенный на 12 исследованиях «которые не обнаружили никаких различий между упражнениями с открытой и закрытой цепью в их влиянии на ускоренную реабилитацию после реконструкции ПКС». Они также обнаружили, что сочетание упражнений с открытой и закрытой цепью может быть более эффективным для ускорения реабилитации.

Mikkelsen и соавт. пришли к выводу, что сочетание упражнений с открытой и закрытой цепью для квадрицепсов лучше, чем только упражнения с закрытой цепью при реабилитации после реконструкции ПКС. Авторы обнаружили, что сочетание упражнений привело к «значительно лучшему крутящему моменту четырехглавой мышцы и значительно более раннему возвращению к спорту (на тот же уровень, что и до травмы), без ущерба для стабильности коленного сустава».

Реабилитация плеча

Так сложилось, что реабилитация плеча в основном проводилась с использованием упражнений с открытой цепью. Причиной была легкость выполнения упражнений и убеждение в том, что большинство спортивных занятий представляют собой естественно открытые кинетические цепочки движений.

В различных исследованиях было установлено, что упражнения с закрытой цепью более полезны при реабилитации плеча, чем упражнения с открытой цепью. Для этого есть несколько причин:

В начале реабилитации плеча упражнения с открытой цепью менее желательны, потому что генерируют значительную силу сдвига и требуют большего диапазона движений. Сочетание упражнений для стабилизации лопатки и упражнений с замкнутой цепью обеспечивает стабильность лопатки и быстрое укрепление ротаторной манжеты, что необходимо для перехода к упражнениям с открытой цепью. В целом, реабилитация плеча требует тщательной оценки всей кинетической цепи.

Таким образом, прежде чем принять решение о назначении физических упражнений, следует учесть множество факторов.

Источник

Кинематические цепи

Кинематическая цепь — это последовательное или разветвленное соединение ряда кинематических пар.Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в которой нет свободного конечного звена,— замкнутой.

В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изоли­рованные движения. Они геометрически независимы от движений в других соединениях (если не учитывать взаимодействия мыши). Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны (рис. 4, а), представляют незамкнутые цепи. Замкнутымикинематическими цепями в теле человека являются, например, груди­на, ребро, позвоночник, ребро и снова грудина.

Такие замкнутые цепи разомкнуть невозможно. Незамкнутые могут замыкаться, причем часто через опору (см. рис. 4, а). В сложной пирамиде, составленной несколькими акробатами, образуются даже своего рода «сети» (в плоскости) и «решетки» (в пространстве) с очень сложной взаимной зависимостью движений звеньев.

В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно одиночное изолированное движение, т. е. движение в одном соединении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движения и в других (см. рис. 4, б).

Таким образом, дви­жения в незамкну­тых цепях харак­теризуются отно­сительной неза­висимостью звеньев. В замкнутых же, а также замкнувших­ся цепях движе­ния одних звень­ев влияют на дви­жения даже отда­ленных звеньев (по­могают или мешают).

Например, сгибая руки в локтевых суставах в упоре лежа (замкнувшаяся цепь), можно или отводить плечи, или разгибать их в плечевых суставах. Тогда будут растя­гиваться либо приводящие мышцы плеча (большие грудные, широчайшие спины и др.), либо сгибатели (передние части дельтовидных). Теперь при разгибании рук в локтевых суставах приводящие мышцы или сгибатели плечевых суставов в зависи­мости от того, какие мышцы растянуты, могут передавать свое действие на локтевые суставы — способствовать разгибанию рук в этих суставах.

Передача действия мышц на смежные и отдаленные суставы харак­терна для замкнутых цепей и часто имеет место в подобных условиях работы мышц.

В замкнутых цепях возможностей движе­ний меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

Источник

Кинематическая цепь

Открытая или незамкнутая кинематическая цепь

С точки зрения управления движением наиболее важен случай открытой кинематической цепи, при которой сохраняются возможности опорного энергетического взаимодействия с одновременными активными действиями высокомобильными периферическими звеньями. Степени свободы звеньев открытой кинематической цепи зависят от положения звена относительно опоры. Потенциально наиболее подвижны и энергонасыщенны периферические звенья кинематической цепи, например, рука метателя при броске.

Вместе с тем чем больше степеней свободы у звена, тем выше риск двигательной ошибки. Одна из сторон кинематики опорно-двигательный аппарат связана с подвижностью в суставах, которая зависит от ряда факторов. Один из них носит принципиально морфологический характер: шаровидные суставы (плечевой, тазобедренный) допускают трехосное вращение звена, а блоковидные (локтевой) имеют лишь одну степень свободы.

Закрытая или замкнутая кинематическая цепь

Такие замкнутые цепи разомкнуть невозможно. Незамк­нутые могут замыкаться, причем часто через опору. В слож­ной пирамиде, составленной несколькими акробатами, образу­ются даже своего рода «сети» (в плоскости) и «решетки» ( в пространстве) с очень сложной взаимной зависимостью дви­жений звеньев.

В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно изоли­рованное движение, т.е. движение в одиночном сочленении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает дви­жения и в других.

Таким образом, движения в незамкнутых цепях характери­зуются относительной независимостью звеньев. В замкнутых же, а также замкнувшихся цепях движения одних звеньев влияют на движения даже отдаленных звеньев (помогают или мешают).

В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

Кости, соединенные подвижно, образуют основу биокине­матических цепей. Приложенные к ним силы (мышечные тяги и др.) действуют на звенья биокинематической цепи, как на рычаги. Это позволяет передавать действие силы по цепям, а также изменять эффект приложения сил. Таким образом, рычаг как простейший механизм служит для передачи дви­жения и силы на расстояние.

Рычаги

Вне зависимости от вида рычага в каждом из них выделяют:

С помощью рычага можно выиграть в силе. Для этого нужно действовать мышечной силой на более длинное плечо. Согласно «золотому правилу механики», выигрывая в силе, одновременно проигрываем в пути и в скорости. Наоборот, если действовать мышечной силой на короткое плечо, то мож­но выиграть в пути и в скорости за счет проигрыша в силе.

Можно указать еще и на третью причину некоторых по­терь в силе мышц. При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав. Мышцы-антагонисты, создавая моменты сил, которые направлены противоположно, полезной работы не производят, а энергию затрачивают. Но в конечном счете в этом есть определенный смысл: хотя и возникают по­тери энергии, сустав во время больших нагрузок получает ук­репление напряжением мышц, которые его окружают.

В связи с особенностями приложения мышечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напря­жения мышц для выполнения не только силовых, но и скорос­тных движении. При этом следует помнить, что входящие в биокинематические цепи звенья тела образуют системы состав­ных рычагов, в которых «золотое правило» механики проявля­ется намного сложнее, чем в простых одиночных рычагах.

Амплитуда движений

Амплитуда движений в суставах зависит как от морфологии сустава (с пределами, определенными костной конструкцией сустава), так и от податливости мягких тканей, окружающих сустав (суставная сумка, прилегающий мышечно-связочный аппарат). Последняя может изменяться в процессе тренировки и является предметом специальных занятий на гибкость и подвижность в суставах. Одним из аспектов кинематики опорно-двигательный аппарат спортсмена является также аксиальная взаимосвязь движений в суставах пояса верхних конечностей.

Так, одновременное сочетание движений на разгибание плеча с супинацией руки (или сгибания плеча с одновременной пронацией) позволяет осуществлять вращательные движения в поясе верхних конечностей без ограничений по углу поворота, что обеспечивает щадящий режим работы сустава. Противоположное сочетание движений (разгибание с пронацией, сгибание с супинацией) вызывает форсированную, предельную деформацию мягких тканей плеча, чреватую травмой. Вместе с тем именно такой режим работы может быть использован для развития подвижности в суставах.

Источник