Колено — идеальный рычажно-шарнирный механизм в человеческом теле

Коленный сустав: анатомия и функции

Коленный сустав включает в себя:

• две трубчатые кости (бедренную и большеберцовую) и одну сесамовидную кость (надколенник) (малоберцовая кость не участвует в образовании сустава);
• семь наружных и три внутрисуставные связки;
• латеральный и медиальный мениски;
• суставную (синовиальную) капсулу;
• несколько синовиальных сумок (бурс).

Врачи отмечают, что колено представляет собой уникальный пример рычажно-шарнирного механизма, который обеспечивает не только стабильность, но и широкий диапазон движений. Его анатомическая структура, состоящая из костей, связок и хрящей, позволяет выполнять сложные движения, такие как сгибание и разгибание, а также вращение. Специалисты подчеркивают, что благодаря своей конструкции колено способно выдерживать значительные нагрузки, что особенно важно для спортсменов и людей, ведущих активный образ жизни. Однако, несмотря на свою прочность, колено подвержено травмам и дегенеративным изменениям, что требует внимательного отношения к его здоровью. Регулярные физические упражнения и правильная техника выполнения движений могут существенно снизить риск повреждений и сохранить функциональность этого важного сустава на долгие годы.

Кулисный механизм

Главные кости коленного сустава

Суставные поверхности обеих трубчатых костей (эпифизы) имеют по два мыщелка — расширения на концах. Один из них располагается внутри (медиальный), а другой — снаружи (латеральный). Мыщелки бедренной кости имеют выпуклую форму, а между ними находится углубление. В свою очередь, мыщелки большеберцовой кости имеют вогнутую форму с возвышением посередине. Таким образом, формируется идеальный мыщелковый замок эпифизов. Поверхности мыщелков покрыты гладким хрящевым слоем (гиалиновым хрящом), что обеспечивает легкое и беспрепятственное скольжение в суставе.

Суставные поверхности не соприкасаются плотно друг с другом: между ними имеется суставная щель, которая хорошо видна на рентгеновских снимках.

Трубчатые кости сустава соединены четырьмя связками — двумя боковыми наружными (латеральной и медиальной) и двумя внутренними (передней и задней крестообразными связками).

Надколенник (или коленная чашечка) располагается в передней части колена. Его функция двойная: он должен надежно защищать колено и одновременно обеспечивать его полную подвижность. Наличие надколенника усложняет строение колена:

Надколенник поддерживается тремя связками — одной собственной и двумя поддерживающими. Это обеспечивает его свободу движения и в то же время удерживает в анатомически правильном положении.

Внутренняя поверхность коленной чашечки, как и другие суставные поверхности, покрыта гиалиновым хрящом.

Суставная капсула колена

Суставная капсула представляет собой эластичную двухслойную оболочку, напоминающую мягкую сумку, в которой осуществляется движение сустава.

Внешний слой состоит из фиброзной ткани, а внутренний — из синовиальной мембраны. Эта мембрана насыщена сетью кровеносных сосудов, которые обеспечивают поступление необходимых веществ в сустав. Кроме того, синовиальная оболочка производит специальную жидкость (синовию), содержащую:

• хондроитинсульфат (основной элемент хряща);
• гликозаминогликан (гиалуроновую кислоту), которая увеличивает вязкость, благодаря чему синовия становится эффективной смазкой для суставов.

Дегенеративно-дистрофические процессы в суставах часто начинаются именно с синовиальной оболочки, которая играет ключевую роль в развитии артроза. Патологии синовиальной оболочки, как врожденные, так и приобретенные, приводят к истощению синовии, что вызывает дефицит основных компонентов и нарушает регенерацию хряща. Это, в свою очередь, может вызывать затруднения в движении и хруст в суставах.

Суставная капсула формирует множество складок и карманов, что увеличивает ее объем, позволяет охватывать все элементы сустава и способствует более эффективной циркуляции синовии.

В области колена, помимо внутренних карманов, располагается множество поверхностных и глубоких сумок (бурс), которые находятся между сухожилиями, под ними и в непосредственной близости от них. Более подробно о бурсах можно узнать в этой статье.

Колено — это удивительный пример природы, который вдохновляет инженеров и ученых. Многие отмечают его уникальную конструкцию, позволяющую выполнять широкий спектр движений с высокой степенью свободы. Люди восхищаются тем, как колено сочетает в себе прочность и гибкость, что делает его идеальным для выполнения таких сложных задач, как ходьба, бег и прыжки.

Специалисты в области биомеханики подчеркивают, что колено функционирует как рычажно-шарнирный механизм, обеспечивая оптимальную передачу силы и стабильность. Это позволяет избежать травм и поддерживать баланс. В то же время, спортсмены отмечают, что здоровье колена критически важно для достижения высоких результатов.

Таким образом, колено не только служит основой для движения, но и является объектом изучения, вдохновляющим на создание новых технологий и улучшение спортивных достижений.

Кулисно-рычажный механизм

Связки колена

Анатомия коленного сустава включает девять связок, каждая из которых выполняет свою уникальную функцию.

Основная задача связок заключается в обеспечении стабильности сустава: ни одна его часть не должна выходить за пределы допустимых движений во время сгибания, разгибания, отведения, приведения или вращения. Связки обладают запасом прочности, который позволяет временно превышать эти пределы, однако наша нервная система, контролирующая все движения опорно-двигательного аппарата, сигнализирует о приближении к анатомическому пределу резкой болью. Без этого механизма человек мог бы постоянно подвергать себя травмам. Если же внешнее воздействие превышает прочность связки, это может привести к её разрыву.

Почему спортивные травмы возникают так часто? Во время соревнований в организме спортсмена происходит выброс значительного количества адреналина, что может привести к потере чувствительности к боли. В результате он может даже не заметить, что связка или мениск были повреждены.

Связки бедренной и большеберцовой костей

Бедренная и большеберцовая кости укреплены следующими элементами:

• двумя боковыми (коллатеральными) связками — наружной (латеральной) и внутренней (медиальной);
• передней крестцовой связкой (ПКС);
• задней крестцовой связкой (ЗКС).

Наружная коллатеральная связка, также известная как малоберцовая, начинается от надмыщелка бедренной кости и тянется до головки малоберцовой кости. Она не соединяется с суставной капсулой.

Внутренняя коллатеральная связка (также называемая большеберцовой) соединяет внутренний надмыщелок бедренной кости с внутренней поверхностью большеберцовой кости. Эта связка шире и прочнее наружной, она охватывает суставную капсулу, соединяясь с ней спереди и сзади, и прикрепляется к медиальному мениску.

Основная функция коллатеральных связок заключается в ограничении боковых движений и ротации в коленном суставе.

Передняя и задняя крестообразные связки (ПКС и ЗКС) располагаются внутри суставной капсулы и пересекают ее полость.

• ПКС начинается от наружного края бугристости бедренной кости и заканчивается на передней поверхности большеберцовой кости, рядом с межмыщелковым возвышением;
• ЗКС начинается от внутреннего мыщелка бедренной кости и прикрепляется между мыщелками большеберцовой кости в области ее задней поверхности.

Функции крестообразных связок:

• ПКС предотвращает переразгибание коленного сустава, то есть смещение голени вперед;
• ЗКС защищает от перегибаний колена с задним смещением голени.

Шарнирно-рычажный механизм Чебышева | Compliant mechanisms

Связки надколенника

Их основная функция заключается в обеспечении свободного движения коленной чашечки.

Передняя связка коленной чашки часто обозначается нашими ортопедами как собственная связка надколенника. Это продолжение сухожилия квадрицепса (четырехглавой мышцы), которое проходит над надколенником и прикрепляется к нему в верхней части, а в нижней части соединяется со срединным бугром большеберцовой кости.

Поддерживающие связки надколенника представляют собой две небольшие связки (медиальная и латеральная), которые являются ответвлениями сухожилия квадрицепса. Они обеспечивают крепление коленной чашечки вблизи внутренней и наружной передней суставной поверхности большеберцовой кости.

Задние связки коленного сустава

На задней части колена располагаются две подколенные связки — косая и дугообразная. Их основная задача заключается в обеспечении стабильности коленного сустава в его задних отделах.

Косая связка является продолжением сухожилия полуперепончатой мышцы и начинается в области медиального мыщелка большеберцовой кости. Она частично прикрепляется к бедренной кости и срастается с задней стороной суставной капсулы.

Дугообразная связка берет свое начало сзади, одновременно от головки малоберцовой кости и наружного мыщелка бедра. Она прикрепляется к задней срединной поверхности большеберцовой кости и затем идет по дуге внутрь, соединяясь с косой подколенной связкой.

Десятая, самая маленькая связка, расположена внутри сустава и соединяет два мениска колена. Эта связка называется поперечной менисковой связкой.

Мениски коленного сустава

Коленный сустав по своему строению напоминает идеальный рычажно-шарнирный механизм, где рычагами выступают кости, мышцы и сухожилия, а шарниром является сам сустав с его шарообразными поверхностями. Однако колено представляет собой еще более совершенный механизм, так как в его конструкции предусмотрены опоры и амортизаторы.

Опорно-амортизационную функцию выполняют мениски — наружный и внутренний. Эти полукруглые пластинки, состоящие из более эластичного коллагена, чем остальные хрящи, эффективно смягчают нагрузку на суставы, как от веса тела, так и при движении.

Во время сгибания колена на мениски приходится до 85% всей нагрузки. Они также способны выполнять стабилизирующую функцию в случае травмы: например, при разрыве передней крестообразной связки (ПКС) голень не сместится вперед, так как ее будет удерживать медиальный мениск, прикрепленный к внутренней коллатеральной связке.

Мышцы колена

Без мышц наш рычаг был бы абсолютно неэффективным.

За движение колена отвечают три группы мышц:

• сгибатели;
• разгибатели;
• приводящие мышцы (расположенные на внутренней стороне бедра).

Сгибатели

• Четырехглавая мышца: она охватывает всю переднюю и часть боковой области бедра и состоит из четырех головок — бедренных мышц (прямой, медиальной широкой, латеральной широкой и промежуточной широкой).
• Портняжная мышца — одна из самых длинных мышц передней группы бедра: начинается от подвздошной кости (передняя верхняя ость), проходит косо вниз по спирали, охватывая внутреннюю переднюю поверхность голени, и прикрепляется к бугристости большеберцовой кости.

Разгибатели задней группы

Двуглавая мышца состоит из двух головок, которые начинаются от седалищной и бедренной костей. В нижней части она переходит в сухожилие, прикрепляющееся к головке малоберцовой кости.

Полусухожильная мышца располагается ближе к внутренней поверхности и снаружи граничит с двуглавой мышцей, а с внутренней стороны — с полуперепончатой. В центре она закрыта большой ягодичной мышцей. Начало этой мышцы находится на седалищном бугре, она обходит медиальный мыщелок бедренной кости и прикрепляется к бугристости большеберцовой кости. Вместе с портняжной и тонкой мышцами она образует треугольник, известный как гусиная лапка.

Полуперепончатая мышца также начинается от седалищного бугра и, спускаясь вниз, делится на три пучка: один из них достигает медиального мыщелка большеберцовой кости, второй — подколенной фасции, а третий переходит в медиальную связку колена. Эта мышца играет важную роль в вращении голени.

Приводящие мышцы

Большая приводящая мышца является самой крупной среди медиальных (внутренних) мышц. Она берет свое начало от нижних лобковых и седалищных костей. Мышечные волокна этой мышцы располагаются веерообразно, направляясь вниз и наружу, и прикрепляются к шероховатой линии бедра с помощью широких сухожилий, которые проходят вдоль всей медиальной губы.

Тонкая мышца представляет собой длинную подкожную мышцу, находящуюся в самой медиальной части. Она начинается от лобковой кости и прикрепляется к бугру большеберцовой кости.

Заключение

Структура коленного сустава позволяет человеку эффективно адаптироваться к окружающей среде. Однако быстрый ритм жизни и значительные физические нагрузки способствуют быстрому износу этого удивительного механизма. Растяжения и разрывы связок, вывихи надколенника, повреждения менисков и другие травмы могут надолго вывести колено из строя, и не всегда после этого удается восстановить его прежнюю функциональность. Не игнорируйте непонятные боли, хруст, ограничение движений или, наоборот, необычную подвижность в колене. Многие травмы, особенно связанные с мениском, могут оставаться незамеченными.

Заботьтесь о своем колене и не откладывайте визит к ортопеду.

Вопрос-ответ

Что такое рычожно-шарнирные механизмы?

Шарнирно-рычажные механизмы. Шарнирно-рычажными называют механизмы, состоящие из звеньев-рычагов, соединенных низшими кинематическими парами. Такие механизмы могут быть пространственными и плоскими.

Что значит шарнирный механизм?

Шарнирный механизм — механизм, звенья которого образуют только вращательные кинематические пары (шарниры). По видам движения звеньев Ш. М. подразделяются на плоские, сферические и пространственные общего вида.

Что такое шарнир простыми словами?

Charniere, от лат. Cardo — дверная петля) — вращательная кинематическая пара, то есть подвижное соединение двух частей, которое обеспечивает им вращательное движение: вокруг общей оси (цилиндрический шарнир, шарнирная петля), вокруг общей точки (шаровой шарнир).

Советы

СОВЕТ №1

Изучите анатомию коленного сустава, чтобы лучше понять его функциональность. Знание о том, как работают связки, хрящи и мышцы, поможет вам избежать травм и улучшить физическую активность.

СОВЕТ №2

Регулярно выполняйте упражнения для укрепления мышц ног, особенно квадрицепсов и подколенных сухожилий. Это поможет поддерживать стабильность колена и снизит риск травм.

СОВЕТ №3

Обратите внимание на свою технику при выполнении физических упражнений и спортивных активностей. Правильная форма поможет избежать излишней нагрузки на коленный сустав и предотвратит повреждения.

СОВЕТ №4

Не игнорируйте боли в колене. Если вы испытываете дискомфорт, обратитесь к врачу или физиотерапевту для получения рекомендаций по лечению и реабилитации.