Необходимость подробно обсудить рычажный механизм связана с тем, что биомеханика исторически тяготеет к тому, чтобы делать анализ рычагов основой модели человеческого тела.

Рычаг — это простейший механизм, являющийся основой сопромата и инженерии. Под рычагом понимают стержень (балку), который может поворачиваться вокруг опоры как оси вращения. Так образуются два плеча, которые движутся относительно друг друга при приложении внешней силы.

Рычаг позволяет выравнивать моменты сил, например контролировать небольшой вес, значительно удаленный от точки опоры, с помощью значительно большего веса, находящегося рядом с точкой опоры (подъемный кран).

Соотношение сил между плечами рычага определяется простой формулой. В строительстве эти формулы классической механики работают и позволяют добиваться удивительных результатов в контроле скорости и точности перемещения грузов. Но насколько уместно применять эти формулы для анализа опорной и двигательной функции человека?

Рассмотрим пример с ловлей рыбы, который внешне выглядит очень похоже на подъемный кран. Но так ли это на самом деле? На рис. 4.4 показаны расчетные силы, необходимые для уравновешивания рыбаком веса двухкилограммовой рыбы, расположенной на конце удилища длиной три метра. Однако при сравнении расчетных сил с реальной анатомией становится очевидным, что кости, мышцы и другие мягкие ткани спины не способны выдержать такую нагрузку (Delp et al., 2001; Hansen et al., 2006).

Кроме того, применение стандартных формул рычага требует предложения, что позвоночник действует как жесткий столб и движется вокруг неподвижной опоры. Это явно противоречит анатомической реальности, поскольку позвоночник представляет собой чрезвычайно сложную нежесткую систему костей, мышц и соединительной ткани с соединениями, которые оказались бы серьезно повреждены, будь они частью системы рычагов. (Levin, 2002).

Таким образом, при минимальном уважении к реальности налицо явное противоречие, которое опровергает исходные допущения о сравнимости позвоночника и рычаговых механизмов.

На этом проблема с попытками использования идеи рычажного механизма как модели работы нашего тела не заканчивается.

Рычаги как механизмы обладают рядом неустранимых недостатков: создают изгибающие моменты, поперечные напряжения, угрожающие деформациями сдвига, и потенциально разрушительные концентрации локальных нагрузок. Поэтому инженерные конструкции, основанные на рычагах, должны иметь огромный запас прочности материала для того, чтобы эти проблемы компенсировать (Salvadori, 2002, с. 84; Vogel, 2013, с. 365).

Рис. 4.4. Схема простой системы рычагов, показывающая, что рыбе весом 2 кг на конце стержня длиной 3 м потребуется уравновешивающая сила, превышающая силу мышц позвоночника (по Левину, 1995)

Рис. 4.5. Рычаги создают изгибающие моменты и потенциально разрушительные напряжения сдвига (помечены зеленым) внутри самих структур, поскольку перпендикулярная нагрузка (нормаль) создает силы натяжения (красные) и сжатия (синие), которые приводят к тому, что верхняя сторона кости растягивается, а нижняя сдавливается.

Такие требования к инженерной конструкции с очевидностью не выполняются нашим телом.

Более того, многократное использование рычажных механизмов вызывает накопительную усталость материала. Нетрудно понять, что для развивающихся тканей это бы привело к печальному концу уже на стадии раннего эмбриогенеза (Levin, 1995) (рис. 4.5).

Для строительных конструкций, таких как мосты и небоскребы, использование формул и моделей рычагов вполне оправданно, так как это жесткие конструкции из прочных материалов, которые при необходимости могут быть дополнительно усилены в механически уязвимых местах (болты, стяжки, сварка и т. д.). Живые организмы — это полная противоположность строительным конструкциям и производственным механизмам. Они механически податливые, легкие, гибкие и могут одинаково функционировать практически в любом положении и т. д. Но при этом не имеют дополнительных структурных усилений в местах расчетной концентрации нагрузок.

Поэтому, представляя себе науку о биомеханике живого, намного логичнее предположить, что живые организмы, вероятно, используют совершенно другую систему механики, выделяющую их из окружающего мира неживого, чем упорно продолжать загонять их в узкие рамки классических уравнений и формул.