Биодинамика мышц

Биокинематические маятники

Звено тела, продолжающее после разгона движение по инерции, имеет сходство с физическим маятником. Маятник в поле силы тяжести, выведенный из равновесия, сначала под действием момента силы тяжести качается вниз, а далее, затрачивая приобретенную кинетическую энергию, поднимается по инерции вверх.

Период качаний определяет собственную частоту качаний маятника, и, как видно из формулы, как будто независимо от их амплитуды. Однако это не совсем так; данная формула действительна только для малых колебаний (не более 5 — 7°, когда примерно равен углу отклонения). При более значительных отклонениях (например, качаниях ног в ходьбе, беге) частота качаний зависит от их амплитуды. Более того, длина «маятника» при сгибании и разгибании ноги изменяется, поэтому нога как маятник постоянной собственной частоты не имеет.

Ускорение_Е звена как маятника зависит от приложенного момента силы (М₀(Р)=Р-с!) и момента инерции маятника (1=

гдеК._ин — радиус инерции. Чтобы увеличить ускорение, надо увеличить либо силу, либо плечо, либо и то и другое или же уменьшить радиус инерции.

Составные маятники (несколько подвешенных друг к другу маятников) ведут себя намного сложнее. Именно поэтому в каждом шаге моменты мышечных сил нужно приспосабливать к переменным механическим условиям, чтобы обеспечивать относительное постоянство шагов.

Механические свойства мышц

Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются: а) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы)¹, и б) скорость изменения длины.

При возбуждении мышцы изменяется ее механическое состояние; эти изменения называют сокращением. Оно проявляется в изменении натяжения и (или) длины мышцы, а также других ее механических свойств (упругости, твердости и др.).

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.).

Понять многие из механических свойств мышцы помогает упрощенная модель ее строения — в виде комбинации упругих и сократительных компонентов (рис. 12). Упругие компоненты по механическим свойствам аналогичны пружинам: чтобы их растянуть, нужно приложить силу. Работа силы равна энергии упругой деформации, которая может в следующей фазе движения

перейти в механическую работу. Различают: а) параллельные упругие компоненты (ПарК) — соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышечных волокон и их пучков, и б) последовательные упругие компоненты (ПосК) — сухожилия мышцы, места перехода миофибрилл в соединительную ткань, а также отдельные участки саркомеров, точная локализация которых в настоящее время неизвестна.

Сократительные (контрактильные) компоненты соответствуют тем участкам саркомеров мышцы, где актиновые и миозиновые миофи-ламенты перекрывают друг друга. В этих участках при возбуждении мышцы происходит механическое взаимодействие между актиновыми и миозиновыми филаментами, приводящее к изменению натяжения и длины мышцы.

Поскольку каждая миофибрилла состоит из большого числа (п) последовательно расположенных саркомеров, то величина и скорость изменения длины миофибриллы в п раз больше, чем у одного саркомера. Сила, развиваемая каждым из них, одинакова и равна силе, регистрируемой на конце миофибриллы (подобно тому, как равны силы в каждом из звеньев цепи, к концам которой приложены растягивающие силы). Эти же самые п саркомеров, соединенные параллельно (что соответствует большему числу миофибрилл), дали бы /г-кратное увеличение в силе, но при этом скорость изменения длины мышцы была бы той же, что и скорость одного саркомера. Поэтому при прочих равных условиях увеличение физиологического поперечника мышцы привело бы к увеличению ее силы, но не изменило бы скорости укорочения, и наоборот, увеличение- длины мышцы сказалось бы положительно на скорости сокращения, но не повлияло бы на ее силу.

Покоящаяся мышца обладает упругими свойствами: если к ее концу приложена внешняя сила, мышца растягивается (ее длина увеличивается), а после снятия внешней нагрузки восстанавливает свою исходную длину. Зависимость между величиной нагрузки и удлинением мышцы непропорциональна (не подчиняется закону Гука) (рис. 13).

Сначала мышца растягивается легко, а затем даже для небольшого ее удлинения надо прикладывать все большую силу (иногда мышцу _в этом отношении сравнивают с вязаными вещами: если растягивать, скажем, трикотажный шарф, то вначале он легко изменяет свою длину, а затем становится практически нерастяжимым).

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 стремится принять мышца, будучи освобожденной от всякой нагрузки, называется равновесной (или свободной) (рис. 13). При такой длине мышцы ее упругие силы равны нулю. В живом организме длина мышцы всегда несколько больше равновесной и поэтому даже расслабленные мышцы сохраняют некоторое натяжение.

При растягивании мышцы больше равновесной длины появляются упругие силы в параллельных упругих компонентах (рис. 14, а, б).

Если при длине, превышающей равновесную, мышца сокращается, то сила, которую проявляют контрактильные элементы, складывается с силой упругой деформации ПарК, и суммарная сила тяги мышцы увеличивается (см. рис. 13). Поэтому при длине выше равновесной сила мышцы при сокращении больше.

Чем больше в мышце соединительнотканных образований, тем раньше при ее растягивании возникают упругие силы ПарК и тем больше их вклад в суммарное напряжение возбужденной мышцы. Так, например, большинство мышц нижних конечностей, где соединительнотканных образований и перистых мышц с угловым расположением

Дата добавления: 2015-05-09