Statische Untersuchungen am Fuß der Primaten

Summary

The stresses affecting the toes and metatarsals of various primates during phases of rest or slow motion were analysed. Arbitrary values were assigned to all variable factors until that combination of values yielding the greatest stress was found. Further analysis was based on this condition. The structural requirements indicated by the theoretical analysis were then compared with the shape and the structural resistence of the skeletal elements.

The distal phalanges are subjected to the greatest stress when force is exerted upon the plantar surface and the tendons of the flexors are under maximum (isometrical) contraction.

The middle phalanges are subjected to the forces acting in the distal and proximal joints in a dorsal direction as well as the plantar directed pull of the tendo perforata and the vector resulting from the change in direction of the tendo perforans. The latter force is transmitted through the partes anulares vaginarum fibrosarum.

The proximal phalanges are subjected to forces similar to those acting upon the middle phalanges. In man the fibers of the aponeurosis plantaris-which insert in the joint capsuleexercise the same function as a tendon inserting on the base of the phalanx.

Curvatures of the longitudinal axes are adaptations to bending stresses of the sort described. Stresses tending to bend the elements in the opposite direction (dorsally convex) or in the mediolateral plane are also possible. Both require the presence of structural resistence in the shaft. This structural resistence is present.

The metatarsals of climbers are subjected to essentially the same stresses as the phalanges and often possess a similar curvature. During walking the stresses vary in magnitude, probably in direction as well. The plantar aponeurosis, the flexor tendons and the plantar muscles reduce the magnitude of the bending moments, but seldom eliminate them entirely. As a result, the plantar ligaments are under tension in certain walking phases, and the basal joints are subjected to compression. The stresses in the mediolateral plane are greatly reduced by the combination of 4 or 5 rays in this plane and by the action of mm. interossei et abductores. They are not eliminated entirely, however, and the remainder combine with those in the dorsoplantar plane. The form of the cross sections of the metatarsal shafts shows an extremely high degree of adaptation to withstand stress combinations of the type described.

Zusammenfassung

Die statischen bzw. quasistatischen Beanspruchungen der Zehenglieder und der Metatarsalia von Primaten werden in verschiedenen Bewegungs- und Ruhephasen analysiert. Die veränderlichen Größen werden planmäßig variiert, um die maximalen Beanspruchungen zu ermitteln. Diese liegen der weiteren Arbeit zugrunde. Mit der theoretischen Analyse werden Gestalt und Festigkeitseigenschaften der einzelnen Skeletteile verglichen.

Die Endphalangen unterliegen bei Einwirkung einer Last auf die Plantarfläche und bei maximaler (isometrischer) Anspannung der Beugesehne den maßgeblichen Beanspruchungen.

Mittelphalangen sind einerseits den dorsalwärts gerichteten Gelenkkräften im distalen und im proximalen Gelenk ausgesetzt, andererseits dem plantarwärts gerichteten Zug der Tendo perforata sowie der Umlenkkraft des Tendo perforans, die durch die Partes anulares vaginarum fibrosarum übertragen wird.

Grundphalangen werden ähnlich wie Mittelglieder beansprucht. Beim Menschen wirken sich die Fasern der Aponeurosis plantaris, die in die Kapseln der Grundgelenke eingewebt sind, in gleicher Weise aus wie ein Sehnenansatz an der Basis des Gliedes.

Krümmungen der Längsachsen sind als Anpassungen an Biegebeanspruchungen der genannten Art zu verstehen. Auch dorsalwärts konvex biegende Beanspruchungen können auftreten, ebenso wie Kräfte in der Mediolateralen Ebene. Beide erfordern eine besondere Biegefestigkeit der Schäfte. Diese ist auch vorhanden.

Metatarsalia werden beim Klettern ähnlich wie Phalangen beansprucht. Sie besitzen auch oft eine entsprechende Achsenkrümmung. Beim Laufen sind sie Beanspruchungen von wechselnder Größe, wahrscheinlich sogar von wechselndem Vorzeichen ausgesetzt. Die Plantaraponeurose, die Beugesehnen und die plantaren Muskeln sind zwar geeignet, die Biegebeanspruchungen der Metatarsalia niedrig zu halten, können sie aber nur in Ausnahmefällen völlig ausschließen. Deshalb kommt es in bestimmten Phasen des Gehens zwangsläufig zu einer Anspannung der plantaren Bänder und damit zu einer Druckbeanspruchung der basalen Gelenke. Den Beanspruchungen in der dorsoplantaren Ebene sind Beanspruchungen in der mediolateralen Ebene überlagert. Die Mm. interossei sowie abductores digiti V et hallucis wirken als Zuggurtungen und halten die Biegemomente in der zuletzt genannten Ebene niedrig. In gleicher Weise wirkt sich die Kombination von 4 oder 5 Strahlen in dieser Ebene aus.

Die Querschnittsform der Metatarsalschäfte entspricht bis in Einzelheiten der kombinierten Beanspruchung durch Kräfte in der dorsoplantaren und in der mediolateralen Ebene.