При выполнении каждой отдельной производственной задачи производится свое особое распределение мышечных напряжений. Благодаря такому переменному распределению напряжений мышечных групп в одной и той же верхней конечности осуществляется множество разнообразных рабочих механизмов. В то время как в технике для каждой конкретной задачи изготовляется специальный механизм, специальное приспособление или универсальное (относительно) приспособление перестраивается конструктивно (замена, изменение размеров деталей и т. д.), в верхней конечности человека осуществление разнообразных рабочих механизмов происходит путем использования одних и тех же звеньев руки и одних и тех же суставов, лишь одним изменением распределения мышечных напряжений.
По определению А. А. Ухтомского, «...наше тело представляет из себя не единую раз навсегда определенную машину, но множество переменных машин, которые могут калейдоскопически сменять друг друга, используя одни и те же сочленения и лишь градуируя иннервацию работающих мышц» [Ухтомский А. А., 1950]. Это теоретическое положение об уменьшении числа степеней свободы кинематической цепи, образуемой суставами и звеньями конечностей, при выполнении координированных рабочих движений нашло подтверждение в исследованиях биомеханического построения движений разной сложности [Косилов С. А., 1965].
Проведенный биомеханический анализ позволил заметить, что рабочие движения действительно приобретают определенность благодаря исключению всех возможных движений, всех степеней свободы, кроме одной, соответствующей выполнению данного целесообразного движения. Это можно показать при рассмотрении движений в порядке возрастания их биомеханической сложности. Этот важный биомеханический закон координации рабочих движений осуществляется при выполнении ряда целенаправленных рабочих движений.
Представлены наиболее распространенные типовые рабочие движения в виде графиков последовательных положений, которые принимает рука через интервалы времени равные 1/10 с. На графиках рука представлена в виде упрощенной линейной схемы, состоящей из трех звеньев: плечо, предплечье и кисть. Каждое из звеньев изображено прямой линией, по длине пропорциональной длине оси данного звена. Таким образом изображены движения: а) поднятие груза на вытянутых руках;
б) свободное поднятие груза;
в) поднятие груза с продвижением его вперед и укладкой на подставку; г) рубка металла; д) пилящие движения (опиловка металла, пилка дров, стирка и т. д.). Из рассмотрения графиков движений можно придти к выводу, что во всех случаях рука совершает движения как открытая (с незакрепленным последним звеном) кинематическая цепь последовательно соединенных. между собой кинематических пар (пар соединенных между собой в суставах звеньев, взаимно ограничивающих движения друг друга,. например, плечо — предплечье,. кисть — предплечье). Для характеристики кинематической цепи обычно указывают количество степеней свободы, которыми обладает эта цепь. Степень свободы, это — направления, в которых может совершать движение данное тело. Совершенно свободное тело может двигаться в трех взаимно' перпендикулярных плоскостях и вращаться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, следовательно, оно имеет 6 степеней свободы; шарнирный механизм может совершать вращение вокруг единственной оси и имеет одну степень свободы. В открытой кинематической цепи сумма степеней свободы концевого звена равна сумме подвижностей всех промежуточных звеньев. В нашей схеме верхней конечности кисть имеет по отношению к лопатке 7 степеней свободы (плечевая кость относительно лопатки 3+локтевая относительно плечевой 1 + кисть вместе с лучевой костью относительно локтевой кости 3). Поскольку уже 6 степеней свободы дают безграничную свободу перемещений, то в пределах длины руки кисть может двигаться так, как будто она вовсе не имеет никакой связи с лопаткой. Если рассматривать нашу схему верхней конечности только как систему сочлененных между собой твердых тел, то эта система не может образовать какой-либо однозначный механизм. Она имеет столько подвижностей (степеней свободы), что если бы их все одновременно использовать, то никакого определенного целенаправленного действия не могло бы получиться. При наличии такого большого числа степеней свободы движения верхней конечности при выполнении рассматриваемых типовых рабочих движений приобретают определенность и целесообразность благодаря тому, что в каждое мгновение в каждом сочленении за счет сокращения мышц исключаются все возможные движения, все степени свободы, кроме одной, соответствующей выполняемому целесообразному движению. Соответственно вышеизложенному, простейшее движение поднятия груза на вытянутых руках происходит так, что вследствие одновременного напряжения мышц-антагонистов (сгибателей и разгибателей) в локтевом суставе и мышц-антагонистов в лучезапястном суставе, вся рука фиксирована в виде жесткого рычага, все подвижности (степени свободы) в локтевом и лучезапястном суставах погашены. Также погашено, исключено напряжение мышц, осуществляющих приведение (приближение к туловищу) плеча и отведение плеча. Оставшаяся возможность движения верхней конечности— сгибание и разгибание в плечевом суставе используется для выполнения определенного рабочего движения — поднятии груза на вытянутых руках. Более сложное движение — свободное поднятие груза, выполняется при одновременном сгибании руки, в плечевом и локтевом суставе. Движение поднятия груза с укладкой его на подставку выполняется так, что в начале движения происходит одновременно сгибание в плечевом и локтевом суставах, а затем, в середине траектории поднятия, сгибание в локте прекращается и переходит в разгибание, в то время как в плечевом суставе продолжает происходить сгибание (вынос плеча вперед). При ударных движениях рабочее применение получают одновременное разгибание в плечевом и локтевом суставах и приведение в лучезапястном суставе.