Механические свойства мышц

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЫШЦ

Работа, совершаемая силою, приложенной на одном плече рычага, передается на другое плечо.

Сила тяги мышцы, приложенная на коротком плече рычага, вызы­вает во столько раз большее смещение другого плеча, во сколько первое плечо короче второго; налицо выигрыш в пути. В связи с тем, что раз­ные пути проходятся за одно и то же время, здесь имеется выигрыш в скорости. Сила, передаваемая на длинное плечо рычага, как раз во столько же раз меньше, чем приложенная. Таким образом, выигрыш в скорости достигается за счёт проигрыша в силе. Почти все мышцы в теле человека прикрепляются вбли­зи суставов (короткое плечо рычага); это приводит к выигрышу в пути (а, следовательно, и в скорости) при проигрыше в силе. При большей части положений костного рычага мышечные тяги направлены под острым или тупым углом к звену (вдоль звена), что влечет невосполнимые потери в силе мышц (уменьшается вращающая тяга). Нормальная же (скрытая) тяга в этом случае способствует укреплению сустава, через который мышца переходит.

При больших нагрузках напрягаются все мышцы, окружающие сустав, в том числе и антагонисты. При этом резко возрастают потери в суммарной тяге мышц; в то же время достигается и положительный эффект — укрепление нагруженного сустава.

В связи с особенностями приложения мы­шечных тяг к костным рычагам необходимы весьма значительные напряжения мышц для выполнения не только силовых, но и скорост­ных д в и ж е н и и.

Входящие в биокинематические цепи звенья тела образуют системы составных рычагов, в которых «золотое правило» механики прояв­ляется намного сложнее, чем в простых одиночных рычагах.

Мышцы как физические тела обладают рядом механических свойств — упругостью, вязкостью, ползучестью, релаксацией. Как биологические объекты мышцы проявляют свойства возбудимости и сократимости. Все названные свойства тесно взаимосвязаны, что важно учитывать при биомеханическом исследовании движений.

Упругость проявляется в возникновении напряжения в мышце при ее деформации под действием нагрузки. Вязкость — в замед­лении деформации внутренними силами (жидким трением, моле­кулярными силами).

На графике «длина — напряжение», полученном на изолированной мышце экспериментально (рис. 7, а), удобно рассмотреть упругость мышцы. Здесь видно, как по мере увеличения нагрузки мышца удли­няется и как при этом растет ее напряжение. Отсюда следует:

1 ) нагрузка (Р) растягивает мышцу, удлиняя ее (на Dl), т. е. для растягивания мышцы необходимо приложить силу;

2) по мере удлинения мышцы (на Dl) ее напряжение увеличивается (на DF); следовательно, чтобы вызвать напряжение мышцы (без дополнительного возбуждения), необходимо ее растянуть;

3) приложенная нагрузка (Р) определяет величину напряжения мышцы (F); таким образом, чтобы получить большое напряжение, надо приложить большую наг­рузку (сопротивление тяге мышцы) — действие равно про­тиводействию;

Рис.7. Графики «длина—напряжение» мышцы:

а — проявление упругости (зависимость дефор­мации и напряжения от нагрузки); б — прояв­ление вязкости («петли гистерезиса») (ориг.)

4) упругость мышцы нели­нейна (Dl₂ больше Dl₃ при рав­ных DF₂ и DF ₃); следовательно, по мере значительно­го растягивания оди­наковые приращения длины мышцы дают все большие прира­щения напряжения;

5) при отсутствии нагрузки длина мышцы (l) является наи­меньшей («свободная длина» мышцы) — нерастянутая мышца не напряжена;

6) в условиях организма длина мышцы (/о) больше «сво­бодной длины» и мышца не­сколько напряжена, т. е. всегда обладает «тонусом» покоя (F₀).

Таковы особенности упругих свойств невозбужденной мышцы.

Вязкость мышцы как причину запаздывания деформации можно наблюдать по отклонению графика действительной деформации от линии зависимости «длина — напряжение» в установившемся состоя­нии (см. рис. 7, б— линия A). При меньшей вязкости (линии Б) изме­нение длины отстает от изменения напряжения как при растягивании мышцы (£i), так и при ее сокращении (Б_z). В этом случае мышца, хотя и не сразу, но все же возвратилась к исходному состоянию (точка l₃). При большей вязкости (линии В) замедление еще больше и мышца не возвратилась к прежнему состоянию (точка l₃) — обнаружилась остаточная деформация (расстояние l₃ — l₁).

Полученные кривые (Б, В) образуют так называемые «петли гисте­резиса», характеризующие запаздывание процесса деформации из-за тормозящего действия вязкости. При этом неизбежна потеря энергии. Она пропорциональна площади, ограниченной петлей гистерезиса (косая штриховка для Б₁—Б _z и вертикальная—для B₁—В_z)- Действительно, площадь, определяемая произведением си­лы (напряжение) и пути (изменение длины), равна работе, затраченной на преодоление вязкости.

Ползучесть — это свойство мышцы изменять с течением времени соотношение «длина — напряжение»: нагруженная (напряженная) мышца имеет соответствующую длину; через некоторое время при тех же нагрузках и напряжении эта длина уве­личивается.

Релаксация заключается в том, что растяну­тая мышца, сохраняя длину, постепенно с те­чением времени уменьшает свое напряжение, рас­слабляется.

Совокупность этих ме­ханических свойств (упруговязких, ползучести и релаксации) во всевозмож­ных сочетаниях в различ­ных условиях, в сущности, и есть то, что называется эластичностью 1 мышцы.

Высокоэластичной мышце свойственны зна­чительная растяжимость, большая жесткость при большом растягивании (нелинейная уп­ругость) и малые потери энергии (небольшая вязкость) при деформациях. И хотя механизм, обеспечивающий названные свойства, еще неполностью объяснен, их прояв­ления очень важно учитывать при изучении способов повышения эффективности действия мышц в движениях.

Дата добавления: 2014-11-29