При подъёме груза из положения «стоя» силы перемещаются по позвоночнику посегментно сверху вниз. Плоские суставные поверхности дугоотростчатых суставов грудного отдела (TI-XI) отражают равенство величин противонаправленных сил механической энергии на этом уровне позвоночного столба.
Наличие трех подвижных точек опоры в каждом позвоночном двигательном сегменте, направление мышечных волокон поперечно-остистых мышц, направление волокнистых структур фиброзных колец, т. е. векторов действия сил механической энергии, совпадают с положением ядерно-суставных осей, что подтверждает реальность существования и функционирования осей двигательных позвоночных сегментов.
Растяжимость эластических волокон межпозвоночных синдесмозов обеспечивают необходимую амплитуду смещений позвонков и уменьшают, путем поглощения и рассеивания часть силовых влияний на костную ткань позвонков. Фиброзные волокна обладают некоторым запасом длины, в пределах которого растягиваются эластические волокна (Жарков П.Л. 1994). Обладая слабой растяжимостью и высокой прочностью, фиброзные волокна соответствующего направления, исчерпав запасы своей длины, максимально напрягаются и притягивают позвонки друг к другу. Притяжения позвонков друг к другу увеличивают компрессии межпозвоночных дисков и прочность позвоночного столба в целом. В соответствии с физическим законом сохранения количества движений в растянутых и напряженных эластических и фиброзных волокнах возникают периодические механические затухающие колебания. Фиброзное кольцо, связки дугоотростчатых суставов и другие синдесмозы работают как рессорный аппарат и относятся к пассивной системе виброизоляции. Эластический хрящ между студенистым ядром и фиброзным кольцом противодействует сближению тел позвонков, выступая, как антагонист эластических и фиброзных волокон, выполняя функции буфера, и так же относится к пассивной системе виброизоляции.
Студенистые ядра при нагрузках, действующих по вертикали вдоль позвоночного столба, меняют вертикальную траекторию действия сил механической энергии на траекторию радиальную (Francechini M. 1960). Студенистые ядра являются центрами, вокруг которых происходят смещения позвонков (J. Calve, M. Galland 1930). Благодаря такой функции студенистые ядра делают невозможным процесс развития колебательных движений. Тем самым студенистые ядра выполняют функцию амортизатора. Студенистое ядро относятся к активной системе гашения колебаний т. к. используется обратная векторная связь.
Активная система гашения восходящих сил механической энергии в поясничном и нижнее - грудном отделах позвоночного столба реализуется также противонаправленными движениями пояса верхних конечностей и грудной клетки через движения грудного отдела позвоночного столба.
Таким образом, позвоночный столб человека обладает пассивной и активной системами гашения колебаний.
Позвоночный столб, как опора рычага равновесия
В медицинской литературе (Попелянский Я. Ю., 1997, и др.) описывают позвоночный столб, как опору рычага равновесия, плечо силы которого располагают сзади позвоночника. По длине плечо силы равно толщине мышц - разгибателей спины. Плечо нагрузки более длинное, располагают спереди от позвоночника, включают в него внутренние органы, верхние конечности и груз, если он есть. Длина плеча силы принимается за единицу, длина плеча нагрузки в зависимости от положения верхних конечностей, наклона туловища соотносят к длине плеча силы, как 1:5-15. Отмечают, что наличие груза соответственно увеличивает коэффициент плеча нагрузки. Работу рычага равновесия рассматривается с позиции классической механики, где мерой действия сил на рычаг (M) является произведение величины силы (F) на длину его плеча (d): M = F X d.
Однако, анатомия позвоночного столба и анатомия его связей с поясом верхних конечностей не укладываются в определение рычага равновесия. Нет ни одной кости, которая бы соединяла скелет пояса верхних конечностей непосредственно с позвоночником, соответственно отсутствует рычаг, как таковой. Не обнаруживаются ни плечи рычага, ни точки опоры.
Расчет работы рычага по формуле произведения величины силы на длину его плеча применительно к позвоночному столбу не корректен и применим только для механического рычага.
Биодинамический анализ функционирования позвоночного столба позволяет выстроить логическую цепь заключений, также подтверждающих структурные несоответствия работы позвоночного столба, как механического рычага.
На структуру позвоночного столба оказывают прямое, непосредственное механическое влияние только те анатомические образования, которые с позвоночным столбом имеют прямой, непосредственный контакт (кости, мышцы, связки). Эти структуры входят в биодинамическую систему позвоночного столба, и только они являются генераторами внутренних сил механической энергии, которые распространяются и действуют в позвоночном столбе. Поэтому позвоночный столб является замкнутой или изолированной биодинамической системой.
Наличие в межпозвоночных соединениях подвижных точек опоры, упругих и эластичных элементов, губчатой костной ткани, заполненной жидким костным мозгом, позволяет заключить, что внутренние механические силы между позвонками убывают в процессе взаимодействия. Поэтому эти внутренние силы механической энергии являются непотенциальными силами .
На основании того, что позвоночный столб является замкнутой (изолированной) системой тел, в которой между позвонками действуют непотенциальные силы, позвоночный столб относится к числу неконсервативных систем.
Известно, что Закон сохранения механической энергии справедлив для любой замкнутой системы тел, силы взаимодействия между которыми потенциальны, а система является консервативной.
Вследствие того, что позвоночный столб является замкнутой неконсервативной системой, на позвоночный столб не распространяется закон сохранения механической энергии, естественно при полном действии в позвоночнике Закона сохранения и превращения энергии и Закона сохранения количества движений..
Позвоночный столб, на который не распространяется закон сохранения механической энергии, некорректно рассматривать в качестве рычага или составной части рычага. При этом каждый позвонок в отдельности является рычагом 1 рода, т.е. жестким стержнем, который может свободно поворачиваться относительно точки, называемой точкой опоры.
Соответствующие расчеты действия сил механической энергии на пресакральные диски, как точку опоры рычага равновесия, при наклонах тела, подъеме и удержании груза на вытянутых руках (Bradford F. K., Spurling R. G., 1945; Mathiash H. H., 1956), применимы только к рычагу равновесия, описанному в классической механике и не могут применяться к позвоночному столбу.
Векторы сил и формы тел позвонков
Тела позвонков приобретают свою форму, в первую очередь, под влиянием ходьбы. Опора на правую ногу вызывает смещение вокруг правой ядерно-суставной оси по дуге влево, вперед и вверх правой половины таза вместе с SI, и смещение левой половины таза, вместе с левой половиной SI по эллипсоидной дуге вправо назад и вниз. Студенистое ядро SI - LV отдавливается влево и назад. Вследствие смещения студенистого ядра влево и назад, смещения вверх и назад верхнего левого и вниз и вперед верхнего правого суставных отростков, происходит растягивание в этих направлениях связок левого и правого дуго-отростчатых суставов, а также левосторонняя ротация позвонка.
Опора на левую ногу вызывает смещение левой половины таза и левой половины SI вокруг левой ядерно-суставной оси по дуге вправо, вперед и вверх и правой половины таза вместе с правой половиной SI по дуге назад, вниз и влево. Студенистое ядро отдавливается вправо и назад (Рис.10).
Синхронно с торсионными движениями позвонков вокруг ядерно-суставных осей, имеющих ротационный компонент, при смене опорных конечностей и смещений центра тяжести происходит смена сторон равновесного сколиоза. Стороны равновесных сколиозов в норме совпадают со сторонами торсионных сколиозов, увеличивая их.
В результате смещения позвонков в зависимости от смены опорных конечностей позвоночный столб человека, имеющий форму согнутой пологой сегментированной пространственной спирали, изменяет направление витков позвоночной спирали (правая спираль - левая спираль).
При этом смежные позвонки относительно друг друга в горизонтальной плоскости совершают так же маятникообразные колебательные движения вокруг осей, проходящих через верхушки своих остистых отростков, фиксированных мощной надостисной связкой (Рис. 11). Это характерно для поясничного отдела позвоночника.
Смещения позвонков последовательно, посегментно передаются снизу вверх вышележащим позвонкам. Создаются тяговые силы в волокнистых элементах межпозвоночных дисков, направление которых совпадает с векторами тяговых сил. Эластические волокна растягиваются в пределах запаса свободной длины фиброзных волокон, которые также напрягаются. Растягивание волокон и смещение позвонков уменьшают углы наклона волокон относительно тел позвонков. Тяговые силы при противодействии волокон верхнего фиброзного кольца вызывают действие внутренних сил в теле под уменьшенным углом. Эти силы реализуют процесс растяжения компактной костной ткани, что вызывает её рост по направлению тяги, вызывая углубление талии. Процесс трансформации костной ткани продолжается до установления соосности векторов внутренних сил. Под влиянием растягивания напряженных фиброзных волокон, тела позвонков притягиваются друг к другу, встречая противодействие хрящевой ткани межпозвоночного диска. Развиваются силы компрессии, сжатия тел позвонков.
Под действием сил компрессии происходит рост костной ткани, перпендикулярный к плоскости давления, и тело позвонка уменьшает глубину своей талии. Два разнонаправленных процесса, торсионный и компрессионный, неотделимы друг от друга, они устанавливают определенную форму тела позвонка, которая отражает суммирование, итог влияния внутренних торсионных и компрессионных сил. Подвижные студенистые ядра и сохраненные эластические свойства волокон межпозвоночных дисков, вызывая большие торсионные смещения, отразится более выраженной глубиной талии тела позвонка (торсионная деформация). Менее растяжимые фиброзные волокна сразу вызывают сближение тел позвонков, увеличивают их компрессию и уменьшают глубину талии тел позвонков (компрессионная деформация). Изменение формы тел позвонков является проявлением, следствием структурных изменений и функциональных возможностей межпозвоночных дисков (Рис. 12).
Обменные процессы в студенистом ядре и в тканях, непосредственно его окружающих, осуществляется через гиалиновые пластинки тел позвонков путём диффузии (Ubermuth H. 1930). Скорость обмена жидкости в бессосудистом диске между студенистым ядром и внепозвоночными тканями значительна (Cloward R. B., Buzaid L. L., 1937). Механические нагрузки на диски активизирует процесс дегидратации студенистых ядер, что сопровождается уменьшением их объема, при этом уменьшается высота дисков, т. к. студенистые ядра выступают над уровнем межпозвоночных дисков, и каждое является одной из подвижных, легко смещаемых в норме, опорных точек для двух смежных позвонков. В конце дня после длительной ходьбы и физических нагрузок высота межпозвоночных дисков в поясничном отделе уменьшается на 1/3 (Рохлин Д. Г., Рубашева А. Е., 1936). Уменьшение толщины дисков приводит к сближению точек фиксации волокон межпозвоночных дисков, что увеличивает амплитуду смещения позвонков, вызывает уменьшение углов между волокнами и основаниями тел позвонков, соответственно постепенно уменьшаются углы векторов внутренних сил механической энергии, действующих преимущественно в компактном слое тел позвонков. Это приводит к углублению талий тел позвонков, их торсионной деформации (Рис.13).
Рис.10. Зависимость состояния волокнистых структур межпозвоночных синдесмозов от векторов действия внутренних сил механической энергии при ходьбе. АВ - левая ядерно-суставная ось, АС - правая ядерно-суставная ось, ВС - межсуставная ось. I - Торсия позвонка вокруг левой ядерно-суставной оси. II - Торсия позвонка вокруг правой ядерно-суставной оси. 1 - Векторы действия сил пояса нижних конечностей. 2 - Векторы противодействия сил пояса верхних конечностей. 3 - Растянутые и напряженные волокна фиброзного кольца одного направления. 4 - Расслабленные и утолщенные волокна фиброзного кольца противоположного направления. 5 - Противодействие упругих сил межпозвоночных дисков (рессора). 6 - Вектор действия внутренних сил механической энергии в телах позвонков. 7 - Смещения студенистых ядер вправо и влево (амортизатор).
Рис.11. Маятникообразные смещения поясничных и нижних грудных позвонков в горизонтальной плоскости - эффект ротации позвонков.
S - Величина эффекта ротации позвонков.
R - Радиус дуги окружности смещений позвонков.
O - Центр дуги окружности смещения позвонков.
Процесс дегидратации ядер вызывает не только увеличение амплитуды смещения позвонков, уменьшение углов действия силовых линий и углублений талий тел позвонков.