Когда система в диаграмме свободного тела построена так, что она включает сустав, необходимо использовать понятие силы реакции сустава (Fj), чтобы учесть эффект сил, создаваемых контактом кости с костью соседних сегментов тела. Сила реакции сустава представляет суммарный эффект передачи через сустав с одного сегмента на другой усилий, вызванных мышцами, связками и контактными силами костей.
При совместной активности пары мышц агонистантагонист сила реакции сустава представляет собой разность активности этих мышц. Силы реакции в суставе могут достигать значительных величин. Так, при некоторых видах движений в плечелучевом суставе они возрастают до 3 кН. С прикладной точки зрения этот эффект имеет существенное значение, например, при создании протезов, поскольку их конструкция должна выдерживать возникающие усилия.
Меньше известно о долевом вкладе суставных мягких тканей (особенно связок) в силу реакции сустава. Влияние связок на Fj противоречиво: некоторые исследователи считают его относительно малым, за исключением экстремальных положений в диапазоне движений, а также при некоторых условиях нагрузки.
Есть данные, указывающие на то, что связки могут переносить усилия в три раза повышающие силу веса тела во время ходьбы. Хорошо известно, что на силу реакции сустава влияет мышечная сила, которая раскладывается на нормальную и тангенциальную составляющие, последняя действует на сустав как сжимающая сила.
Подобным образом (поскольку человеческое тело состоит из набора жестких сегментов, соединенных друг с другом) сила, действующая на один сегмент, может передаваться на все остальные сегменты тела, поэтому сила реакции земли на ногу распределяется по всему телу и влияет на Fj. Любая сила, действующая на систему, может влиять на силу реакции сустава. Более того, эффект, вызванный движением других сегментов тела и называемый силой инерции, может передаваться от одного сегмента к другому.
Крайне трудно измерить силу реакции сустава экспериментально. Обычно она оценивается путем определения всех остальных сил на диаграмме свободного тела допущением, что остаточный эффект обусловлен Fj. Это можно сделать, например, если система находится в равновесии, что означает сбалансированность всех сил, действующих на систему.
Для определения силы реакции сустава можно также использовать различные математические процедуры, например, минимизацию мышечных усилий. K. N. An и др. (1984) использовали этот подход при исследовании локтевого сустава, когда к кисти перпендикулярно предплечью прилагалась нагрузка. Полученные значения Fj превышали нагрузку в 6-16 раз при изменении угла в суставе от развернутого до прямого. Если учесть нагрузки, встречающиеся в обычной повседневной деятельности, то значения Fj, равные 0,3-0,5 веса тела, часто встречаются в локтевом суставе. Подобным образом силу реакции сустава можно определить, используя архитектуру мышцы и геометрию конечности для оценки мышечной силы.
В литературе уже известны значения силы реакции сустава для положения стоя, при переходе из сидячего положения в положение стоя, при ходьбе, беге, поднятии тяжестей и приземлении после прыжка. Например, обнаружено, что при беге со скоростью 4,5 м . с-1 максимальные значения Fj имели место в середине опорной фазы и достигали пиковой силы сжатия, равной 33-м значениям веса тела, в коленном суставе, пиковой силы сжатия в голеностопном суставе, равной 9-и значениям веса тела, и пиковой силы сдвига, равной 4-м значениям веса тела в том же суставе.
Даже обычная задача перейти из вертикального положения в положение сидя на корточках и затем вернуться в исходное связана с большими силами реакции в суставах. Для этого максимальная сила реакции большеберцового сустава, которая нормальна к поверхности (сила сжатия), достигала от 4,7 до 5,6 значений веса тела, тогда как тангенциальная составляющая (сила сдвига) составляла от 3,0 до 3,9 значений веса тела.
Тяжелоатлеты-штангисты испытывают максимальные сжимающие усилия, в 17 раз превышающие вес тела, и максимальные усилия сдвига, превышающие вес тела в 2,3 раза, в суставе между позвонками L4 – L5 во время подъема штанги. Эти результаты показывают, что сила реакции в суставах существенно изменяется в зависимости от вида движений и может достигать значительных величин, особенно по сравнению с нагрузками, испытываемыми в повседневной деятельности.
