人体の静力学と力学：重心

人体の垂直位置、空間における動き、様々な動作（歩く、走る、跳躍する）は、人類の種としての形成とともに、長い進化の過程で発達しました。人類進化の過程において、人類の祖先が地上での生活環境へ、そして二本（下肢）での移動へと移行するにつれ、筋骨格系を含む生物全体の構造、個々の部分、器官は大きく変化しました。二足歩行は、上肢を筋骨格機能から解放しました。上肢は労働器官、つまり手へと変化し、器用な動きをさらに向上させることができました。質的に新しい機能の結果としてのこれらの変化は、肩甲帯と上肢の自由部を構成するすべての構成要素の構造に反映されました。肩甲帯は、自由になった上肢を支えるだけでなく、その可動性を大幅に向上させます。肩甲骨は主に筋肉を介して骨格に接続されているため、より大きな動きの自由度を獲得しています。肩甲骨は鎖骨のあらゆる動きに関与します。さらに、肩甲骨は鎖骨から独立して自由に動くことができます。ほぼすべての側面が筋肉に囲まれた多軸球関節は、その構造の解剖学的特徴により、あらゆる平面で大きな弧に沿った動きを可能にします。機能の特化は、特に手の構造において顕著です。長く可動性の高い指（主に親指）の発達により、手は細かく差別化された動作を行う複雑な器官となっています。

下肢は、体全体の重量を負担し、筋骨格機能にのみ適応しました。体の垂直位置、直立姿勢は、ガードル（骨盤）と下肢の自由部分の構造と機能に反映されています。下肢のガードル（骨盤ガードル）は、体幹、頭、上肢の重量を大腿骨頭に伝達するのに適応した強力なアーチ型構造です。人類発生の過程で確立された骨盤の45〜65°の傾斜は、体の垂直位置にとって最も好ましい生体力学的条件下で、体の重量を下肢の自由部に伝達するのに寄与します。足はアーチ型構造を獲得し、これにより体の重量に耐える能力が向上し、体を動かすときに柔軟なレバーとして機能します。下肢の筋肉は強く発達し、静的および動的負荷の実行に適応しました。上肢の筋肉と比較すると、下肢の筋肉の質量は大きいです。

下肢の筋肉は、広い支持面と広い筋力の作用面を有しています。下肢の筋肉は上肢の筋肉よりも大きく、強くなっています。下肢では、伸筋が屈筋よりも発達しています。これは、伸筋が体を直立させ、運動（歩行、走行）する上で重要な役割を果たすためです。

腕では、肩、前腕、手の屈筋が体の前面に集中しています。これは、手による作業が体の前方で行われるためです。物を掴む動作は手で行われますが、手は伸筋よりも多くの屈筋の影響を受けます。また、上肢には下肢よりも多くの回内筋（回内筋、回外筋）があります。これらの筋は、上肢の方が下肢よりもはるかに発達しています。腕の回内筋と回外筋の質量は、上肢の他の筋肉の質量に対して1:4.8の比率で存在します。下肢では、回内筋と他の筋肉の質量比は1:29.3です。

下肢の筋膜と腱膜は、静的および動的負荷下での力の発現が大きいため、上肢よりもはるかに発達しています。下肢には、体を垂直位置に保持し、空間内での動きを確保するのに役立つ追加のメカニズムがあります。下肢ガードルは仙骨にほぼ固定的に接続されており、体幹の自然な支持となります。骨盤が大腿骨頭上で後方に傾く傾向は、股関節の高度に発達した腸骨大腿靭帯と強力な筋肉によって防止されます。さらに、膝関節の横軸の前を通過する体の重力の垂直は、膝関節を伸展位置に機械的に保持するのに役立ちます。

足首関節レベルでは、立位時に脛骨と距骨の関節面の接触面積が増加します。これは、内側および外側の顆が距骨ブロックの前方の広い部分を包み込むことによって促進されます。さらに、左右の足首関節の前軸は、互いに後方に開いた角度で配置されています。体の重力の垂直方向は、足首関節に対して前方に移動します。これにより、距骨ブロックの前方の広い部分が内側および外側の顆の間で挟まれるような状態になります。上肢の関節（肩、肘、手首）には、このようなブレーキ機構はありません。

体幹の骨と筋肉、特に頭部、上肢、そして胸腔と腹腔の臓器を支える軸骨格、すなわち脊柱は、人類進化の過程で大きな変化を遂げました。直立姿勢と関連して、脊柱の湾曲が形成され、強力な背筋が発達しました。さらに、脊柱は下肢帯（骨盤帯）と対をなす強力な仙腸関節によって実質的に固定されており、生体力学的には、体幹の重量を大腿骨頭（下肢）に分配する役割を果たしています。

解剖学的要素（人類の進化の過程で、体を直立姿勢に保ち、安定したバランスとダイナミクスを確保するために発達した下肢と胴体の構造的特徴）に加えて、体の重心の位置に特別な注意を払う必要があります。

人の全身の重心（GC）は、体の各部の重力の合力が作用する点です。MF・イヴァニツキーによると、GCは第IV仙椎の高さに位置し、恥骨結合の上方で体の前面に投影されています。体の縦軸と脊柱に対するGCの位置は、年齢、性別、骨格、筋肉、脂肪の蓄積によって異なります。さらに、脊柱の短縮または伸長により、GCの位置は日々変動します。これは、昼夜の不均一な身体活動によって引き起こされます。高齢者の場合、GCの位置は姿勢にも左右されます。男性では、重心は第III腰椎～第V仙骨の高さに位置し、女性では男性より4～5cm低く、第V腰椎から第I尾骨の高さに相当します。これは特に、男性よりも骨盤と股関節部に皮下脂肪が多く蓄積されていることに起因しています。新生児では、重心は第V胸椎～第VI胸椎の高さにあり、その後徐々に（16～18歳まで）下方かつわずかに後方に移動します。

人体の重心の位置は体型によっても異なります。長頭体型（無力症）の人は、短頭体型（過力症）の人よりも重心の位置が比較的低くなります。

研究の結果、人体の重心は通常、第2仙椎の高さに位置することが確認されました。重心の鉛直線は、股関節の横軸から5cm後方、大転子を結ぶ線から2.6cm後方、足首関節の横軸から3cm前方を通過します。頭部の重心は、環椎後頭関節の横軸からわずかに前方に位置します。頭部と体幹部の共通重心は、第10胸椎の前縁の中央の高さにあります。

人体が平面上で安定した平衡を保つには、重心から下ろした垂線が両足の占める面積に当たることが必要です。支持面積が広く、重心が低いほど、体はより安定して立っています。人体の垂直姿勢においては、バランスを保つことが主な課題です。しかし、適切な筋肉を緊張させることで、重心の投影が支持面積の外側にある場合でも（体が前傾したり、横に大きく傾いたりするなど）、人は様々な姿勢（一定の範囲内）で体を保持することができます。同時に、人体の立位や移動は安定しているとは言えません。脚が比較的長い人は、支持面積が比較的小さいです。人体全体の重心は比較的高い位置（第二仙椎の高さ）にあり、支持面積（両足の裏の面積とそれらの間の空間）は小さいため、体の安定性は非常に低くなります。平衡状態では、体は筋収縮の力によって支えられ、転倒を防いでいます。体の各部位（頭、胴体、四肢）は、それぞれに対応する位置を占めます。しかし、体の部位の比率が崩れると（例えば、腕を前に伸ばしたり、立っているときに背骨を曲げたりなど）、他の体の各部位の位置とバランスもそれに応じて変化します。筋肉の静的および動的作用モーメントは、体の重心の位置に直接関係しています。体全体の重心は、股関節の中心を結ぶ横線の後ろにある第2仙椎の高さにあるため、体幹（骨盤を含む）が後方に傾く傾向は、股関節を強化する高度に発達した筋肉と靭帯によって抑制されます。これにより、脚で直立した上半身全体のバランスが確保されます。

立っているときに体が前に倒れる傾向は、重心の垂直線が足首関節の横軸から前方（3～4cm）に伸びているためです。この倒れ込みは、脚の後ろ側の筋肉の働きによって抑制されます。重心の垂直線がさらに前方、つまりつま先まで移動すると、脚の後ろ側の筋肉が収縮してかかとが上がり、支持面から離れ、重心の垂直線が前方に移動し、つま先が支えの役割を果たします。

下肢は、体を支えるだけでなく、運動機能も担い、空間内で体を動かします。例えば、歩行時、人体は前方に動き、交互に片方の脚に体重を乗せます。この場合、両脚は交互に振り子のような動きをします。歩行中、ある瞬間、片方の脚は支持脚（後方）となり、もう片方の脚は自由脚（前方）となります。一歩ごとに、自由脚は支持脚となり、支持脚は前方に踏み出されて自由脚となります。

歩行中の下肢の筋肉の収縮は、足裏の湾曲を大幅に増加させ、横アーチと縦アーチの湾曲を増加させます。同時に、この瞬間、胴体は骨盤とともに大腿骨頭上でわずかに前方に傾きます。最初のステップが右足で開始され、次に右かかと、次に足裏の中央とつま先が支持面より上に上がると、右脚は股関節と膝関節で曲がり、前方に持ち出されます。同時に、この側の股関節と胴体は自由な脚に続いて前方に進み、この（右）脚は、大腿四頭筋の強力な収縮により、膝関節で伸び、支持面に触れて支持になります。この瞬間、もう一方の左脚（この瞬間まで後ろの支持脚）は支持面から外れ、前方に持ち出され、前の自由脚になります。このとき、右足は支持脚として後ろに残ります。下肢とともに、体は前方に、そしてわずかに上方に動きます。このようにして、両肢は厳密に定義された順序で交互に同じ動作を実行し、最初に片側で体を支え、次に反対側で体を支え、前方に押し出します。しかし、歩行中は、両足が同時に地面（支持面）から離れる瞬間はありません。後ろ（支持）脚が完全に離れる前に、前（自由）肢は常にかかとで支持面に触れます。これが、歩行が走行やジャンプと異なる点です。同時に、歩行中は、支持脚が足の裏全体で接地し、自由脚がつま先で接地し、両足が同時に地面に接地する瞬間があります。歩行速度が速いほど、両足が同時に支持面に接触する瞬間は短くなります。

歩行中の重心位置の変化を観察すると、水平面、前額面、矢状面において、体全体が前方、上方、側方に移動していることがわかります。最も大きな変位は水平面内で前方に発生します。上下方向の変位は3～4cm、側方（横方向）の変位は1～2cmです。これらの変位の性質と程度は大きく変動し、年齢、性別、個人特性によって異なります。これらの要因の組み合わせによって歩行の個性が決まり、訓練の影響を受けて変化することもあります。通常、落ち着いている状態での歩幅は平均66cmで、0.6秒かかります。

歩行が加速すると、歩幅が走りに変わります。走る動作は、片足ずつ交互に支持面に触れ、次にもう片方の足で支持面に触れるという点で歩行とは異なります。

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