Элементы биомеханики. Мышцы, сокращаясь, превращают весьма значительную часть (1/4—1/3) химической энергии в механическую работу

Мышцы, сокращаясь, превращают весьма значительную часть (1/4—1/3) химической энергии в механическую работу, выде­ляя при этом теплоту; это — один из главных источников образо­вания ее в организме.

Обычно мышцы действуют на кости, соединенные между собой суставами, так что получается тот или иной род рычага.

Особенно много в человеческом теле одноплечих рычагов вто­рого рода: точка приложения силы находится между точкой опоры и точкой сопротивления (центром тяжести той части тела, которая приводится в движение). Например, локтевое сочленение. Когда в нем происходит сгибание, точка опоры лежит на линии со­единения плечевой и локтевой костей; неподалеку от этой точки

в самом верхнем отделе предплечья, помещается точка приложе­ния силы (место прикрепления двуглавой и плечевой мышц, сги­бающих предплечье), сопротивление (центр тяжести предплечья и кисти) располагается дистальнее. Так как у этого рычага плечо сопротивления длиннее плеча приложения силы, приходится при­менять относительно большую силу для того, чтобы преодолеть сопротивление; при этом выигрывается время, почему рычаг это­го рода носит название рычага скорости.

Сокращение мускула не всегда приводит в движение кость, к которой он прикрепляется; нередко сокращение удерживает ее в определенном положении (иммобилизация). Движения, при кото­рых работе одного мускула обязательно сопутствует сокращение нескольких других, иммобилизующих место его начала, называют­ся координированными, или сочетанными. Редко мускул сокра­щается один; самые, казалось бы, простые движения частей тела обусловлены работой нескольких мышц. Так, при движениях в пле­чевом суставе работают не только мышцы, идущие от лопатки и ключицы к плечевой кости и действующие непосредственно на последнюю, но в известной мере сокращаются также мышцы, им­мобилизующие кости плечевого пояса; последние играют роль опо­ры для мышц, приводящих в движение плечевую кость.

Часто мускул соединяет смежные кости, образующие одно сочленение; кроме мышц такого рода, называемых односустав-ными, так как они действуют лишь на один сустав, есть много мус­кулов, которые идут мимо двух и более суставов; они называются двусуставными или многосуставными мышцами; последние от­личаются более сложным действием, так как приводят в движе­ние не только часть скелета, к которой прикрепляются, но могут изменять и положение костей, находящихся на пути от начала мышцы до ее прикрепления.

Глава 14

БИОДИНАМИКА (БИОМЕХАНИКА) ДВИГАТЕЛЬНЫХ КАЧЕСТВ

Каждый человек владеет определенными двигательными навы­ками, например, может поднять определенный вес, пробежать или прыгнуть и т. п., но возможности у всех различны. Это связано и с возрастом, и наследственностью и, главное, с тренированно­стью. Двигательные качества отличаются друг от друга по форме и по затраченной энергии. Двигательные качества — это отдель­ные стороны моторики человека. Они проявляются в одинаковой форме движений и энергетического обеспечения и имеют анало­гичные физиологические механизмы.

Поэтому методики совершенствования (тренировки) тех или иных качеств имеют общие черты независимо от конкретного вида движения. Например, выносливость марафонца во многом сходна с выносливостью лыжника-гонщика, велогонщика, конькобежца и т. п. Сила (F), скорость (V) и длительность (продолжительность) (t) движения находятся в определенных соотношениях друг с другом. Это соотношение различно в разных видах деятельности (в раз­ных видах спорта).

При сокращении мышцы развивают большие усилия, которые зависят от поперечного сечения, начальной длины волокон и ряда других факторов. Сила мышцы на 1 см² ее поперечного сечения называется абсолютной мышечной силой. Для человека она рав­на от 50 до 100 Н.

Сила и мощность одних и тех же мышц зависят от ряда физио­логических условий: возраста, пола, тренировки, температуры воз­духа, исходного положения при выполнении упражнений, биорит­мов и т. д.

Внешнее проявление сократительной активности мышцы (пучка волокон или волокна) состоит в том, что при ее фиксированной

длине развивается усилие, а при фиксированной нагрузке проис­ходит укорочение. Эксперимент с мышцами проводится в двух режимах: изометрическом, когда длина мышцы фиксирована и изотоническом, когда мышца имеет возможность укорачивать­ся при постоянной нагрузке (рис. 14.1). На рисунке видно, что изо­метрическое усилие развивается очень быстро и достигает своей максимальной величины примерно через 170 мс после возбужде­ния. Начиная с 200 мс оно снова уменьшается с возрастающей ско­ростью. Интересно отметить, что даже через 900 мс в мышце еще сохраняется некоторое напряжение, что может быть обусловлено только активными физическими и химическими процессами.

Изотоническое одиночное сокращение существенно отличает­ся от изометрического. Укорочение в процессе изотонического одиночного сокращения начинается только тогда, когда в мышце развивается достаточное усилие, равное по величине внешнему. В результате одиночное сокращение начинается тем позднее, чем больше нагрузка. Укорочение вначале почти линейно зависит от времени и достигает максимальных значений тем раньше, чем

больше нагрузка. Затем наступает расслабление мышц с возрас­тающей скоростью, причем, так же как и укорочение, оно завер­шается тем раньше, чем больше груз. Если сделать нагрузку равной тому полному изометрическому усилию, которое мышца способна развить, то никакого внешнего укорочения не произойдет. При нулевой нагрузке скорость укорочения, очевидно, должна быть максимальной. Соотношение между нагрузкой и установившейся скоростью укорочения показано на рис. 14.2.

скорость, соответствующая условно F = О, из уравнения Хилла

bF

равна —-. При раздражении мышцы серией импульсов, сле­дующих с постоянной частотой, второй и последующие импульсы будут оказывать разное действие в зависимости и от того, на ка­кой участок кривой «сила — время» они попадут. Например, для портняжной мышцы лягушки при 0°С (рефрактерный период по­тенциала действия около 10 мс) второй импульс, отстоящий от пер­вого на 5 мс, не вызывает никакой дополнительной механической реакции. При частоте возбуждения, равной 2 Гц, импульсы будут поступать в момент, когда фаза расслабления завершится на 2/3. Мышца отреагирует следующим одиночным сокращением, кото­рое, в свою очередь, прервется, не завершившись, новым импуль­сом и т. д. В результате получается кривая, каждый максимум ко­торой соответствует одиночному импульсу. При соответствующем выборе частоты раздражения одиночные сокращения буду иметь все большую тенденцию к слиянию. У портняжной мышцы при 0°С наступает полное слияние — тетанус — при частоте примерно 15 Гц. Эффект слияния проявляется в том, что активное усилие увели­чивается в 1,2—1,8 раза по сравнению с максимальным усилием одиночного сокращения. Следует отметить, что при одиночном импульсе активность целой мышцы не успевает достичь своего тетанического максимума, так как полное растяжение системы последовательных упругих элементов требует времени, которое больше длительности одиночного сокращения.

В описанных экспериментах (исследованиях) изотоническое укорочение или изометрическое усилие измерялось на мышцах, длина которых была близка к длине расслабленной мышцы или не­сколько превосходила ее.

Исходя из термодинамики, химии и механики процесса сокра­щения и связи их с распространением возбуждения, П.И. Усиком, С.А. Ригерера (1973)'сделаны предпосылки модели: а) мышца про­изводит работу за счет прямого преобразования энергии, освобож­дающейся при механохимических реакциях; б) механохимические реакции протекают в большом числе малых, но конечных областей, распределенных по всему объему мышцы; в) источники исходных химических реагентов также распределены по всему объему мыш­цы; г) мышечная ткань анизотропна и обладает упругими и вязки­ми свойствами, причем вязкость обусловлена преимущественно

миофибриллами, а упругость — соединительной тканью и други­ми структурами.

Дата добавления: 2015-05-09