Лекция № 3
Биомеханические особенности мышечной системы
Механические свойства мышц. Механика мышечного сокращения.
Скелетные мышцы являются основным источником механической энергии человеческого тела. Их можно сравнить с двигателем.
Основная функция мышц – преобразование химической энергии в механическую работу.
Главные биомеханические показатели, характеризующие деятельность мышц:
а) сила, регистрируемая на ее конце (сила тяги);
б) скорость изменения длины.
Механические свойства мышц сложны и зависят от механических свойств элементов, образующих мышцу (мышечные волокна, соединительные образования и т.п.), и состояния мышцы (возбуждения, утомления и пр.).
Длину мышцы без нагрузки называют длиной покоя.
Механические свойства мышц:
Сократимость − это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы, и возникает сила тяги.
Покоящаяся мышца обладает упругостью. Если к ее концу приложена внешняя сила, мышца растягивается, а после снятия нагрузки восстанавливается.
Упругость − способность восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы.
Сначала мышца растягивается легко, а затем даже для небольшого удлинения нужна большая сила.
Если мышцу растягивать повторно, через небольшие интервалы времени, то ее длина увеличится больше, чем при однократном воздействии. Это свойство мышц широко используется в практике при выполнении упражнений на гибкость (пружинистые движения, повторные махи и т.п.).
Длина, которую стремиться принять мышца, будучи свободной от нагрузки, называется равновесной. При такой длине упругие силы равны 0. В живом организме длина мышцы всегда несколько больше равновесной и даже расслабленные мышцы сохраняют некоторое напряжение. Чем больше в мышце соединительных образований, тем раньше возникают упругие силы при растягивании.
Жесткость − это способность противодействовать прикладываемым силам.
Податливость − величина обратная жесткости.
Прочность − оценивается величиной силы ее растягивания, при которой происходит разрыв мышцы.
Прочность сухожилия в 150 раз больше прочности мышцы. Возникает вопрос: почему иногда рвется сухожилие, а мышца остается целой. По-видимому, это может происходить при очень быстрых движениях: мышца успевает самортизировать, а сухожилие - нет.
Релаксация − свойство мышцы, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине.
Релаксация проявляется при отталкивании в прыжках с места; сразу после быстрого приседания прыжок будет выше, чем при отталкивании после паузы в нижней точке приседа, так как после паузы упругие силы, возникшие при быстром приседании вследствие релаксации не используются (чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше).
Механическое действие мышц.
Механическое действие мышц проявляется как тяга, приложенная к месту их прикрепления.
Величина силы тяги мышцы зависят от совокупности механических, анатомических и физиологических условий.
Основным механическим условием, определяющим тягу мышцы, служит нагрузка. Без нагрузки для мышцы не может быть ее напряжения, не может быть ее силы тяги. Нагрузка растягивает мышцу при ее уступающей работе. Против нагрузки мышца выполняет преодолевающую работу. С нарастанием нагрузки сила тяги увеличивается, но не беспредельно.
Нагрузка может быть представлена весом отягощения, а также его силой инерции и другими силами.
К другим механическим условиям относят:
1) закрепление звеньев (при верхней и нижней опоре);
2) соотношение сил, вызывающих движение;
3) начальные условия движения (положения звеньев пары, их скорость и направление).
К анатомическим условиям проявления тяги мышцы относят строение мышцы и ее расположение (в данный момент движения).
Физиологический поперечник мышцы определяет суммарную тягу всех волокон с учетом их взаимного расположения. От расположения волокон зависит и величина их упругой деформации при растягивании всей мышцы, а значит, и величина возникающих упругих сил.
Расположение мышцы в каждый момент движения определяет угол ее тяги относительно костного рычага и величину растягивания.
Физиологические условия, определяющие величину тяги мышцы, в основном сводятся к условиям возбуждения мышцы и его изменения, в частности при утомлении.
Динамический и статический режимы работы мышц и их виды.
Любая физическая работа может быть подразделена на динамическую (динамический режим) и статическую (статический режим).
Статический режим наблюдается при сохранении положений звеньев тела. При этом, отсутствуют заметные движения в суставах, нет внешнего механического эффекта.
Все виды статической работы мышц представляют собой один механический процесс – уравновешивание сил рычага или системы рычагов.
С точки зрения биомеханики различают 3 качественных различия статической деятельности мышц.
1. Удерживающая работа мышц совершается против момента силы тяжести, то есть моментами силы тяги мышц уравновешиваются моменты сил тяжести звеньев человеческого тела.
2. Укрепляющая работа мышц совершается против сил тяжести, действующих на разрыв сочленений костей; силы мышечной тяги укрепляют суставы, принимая на себя почти всю нагрузку.
3. Фиксирующая работа мышц совершается против сил тяг мышц - антогонистов и других сил; при этом силы мышечной тяги лишают звено возможности движения. Действуя друг против друга.
Динамический режим мышечной деятельности вызывает движение звена или звеньев тела, при этом расстояние между точками прикрепления мышцы изменяется.
В его основе лежит ауксотоническое сокращение мышц, где укорочение мышцы сочетается с развитием в ней напряжения.
Динамическая работа – работа, при которой мышцы приводят в движение части тела человека, и тело перемещается в отношении опоры, земной или водной поверхности. Эта работа имеет физическое выражение, может быть определен коэффициент полезного действия.
Мышечные усилия (но не сокращения) могут быть подразделены на: 1) поддерживающие, преодолевающие и уступающие, 2) концентрические (укорочение мышц) и эксцентрические (удлинение мышц).
Различают 2 вида динамической работы мышц: преодолевающую и уступающую.
Преодолевающая работа мышц сопровождается ее ускорением: мышца совершает положительную работу, ее тяга направлена на увеличение скорости звена.
В некоторых движениях, преимущественно замедленных, преодолевающая работа мышц сохраняется до конца движения в данном направлении (например, при подтягивании в висе) и это называется непрерывной тягой.
При быстрых движениях (скоростных, скоростно-силовых) преодолевающая работа наблюдается только в начальной точке движения, когда звену сообщается положительное ускорение – совершается разгон звена. В дальнейшем мышцы выключаются из работы, и движение продолжается по инерции. Такая преодолевающая работа называется начальной тягой в движении или боллистической работой мышц.
Уступающая работа мышцы сопровождается ее растяжением, при этом мышцей производится отрицательная работа, так как ее тяга направлена на уменьшение скорости. Это является причиной многочисленных травм у спортсменов (например, разрыва ахиллова сухожилия у спринтеров и прыгунов в длину).
Уступающая работа производится только мышцами – антогонистами, но она иногда может быть вредной, если преждевременно тормозит движение звена и мешает преодолевающей работе других мышц.
Однако, чаще работа мышц-антагонистов почти во всех движениях играет очень важную управляющую роль:
а) мышцы – антагонисты данного движения притормаживают звено, регулируют скорость движения звена;
б) мышцы – антагонисты останавливают звено в заданном положении;
в) направление тяги антагонистических групп мышц регулируют направление движений, то есть управляет движением звена в 2-х и 3-х осных суставах.
Сравнение преодолевающей и уступающей работы динамического режима мышечной деятельности показывает следующее:
а) преодолевающая работа наблюдается не во всех движениях человека и не в каждый момент тех движений, которые осуществляются по инерции и под действием внешних сил и внутренних пассивных сил.
б) уступающая работа имеется во всех движениях, иногда на протяжении всего движения и всегда к моменту окончания движения.