Биомеханические особенности мышечной системы

Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу.

Мышца как физическое тело обладает рядом механических свойств (упругость, вязкость, ползучесть, релаксация), а как живой орган также и биологическими свойствами (возбудимость, сократимость), играющими важную роль при выполнении движений.

Упругость мышцы проявляется в напряжении, когда мышца растягивается под действием нагрузки.

По мере увеличения нагрузки мышца удлиняется и при этом растет ее напряжение. Отсюда следует:

нагрузка растягивает мышцу, удлиняя ее, т.е. для растягивания мышцы необходимо приложить силу;

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

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

упругость мышцы нелинейна; следовательно, по мере значительного растягивания одинаковые приращения длины мышцы дают все большие приращения напряжения;

при отсутствии нагрузки длина мышцы является наи­меньшей ("свободная длина" мышцы) - нерастянутая мышца не напряжена;

в условиях организма длина мышцы больше "свободной длины" и мышца несколько напряжена, т.е. всегда обла­дает "тонусом" покоя.

Таковы особенности упругих свойств невозбужденной мышцы.

Вязкость мышцы проявляется в запаздывании деформации мышцы при изменении нагрузки.

При меньшей вязкости мышцы изменение ее длины отстает от изменения напряжения как при растягивании мышцы, так и при ее сокращении. В этом случае мышца, хотя и не сразу, но все же возвращается к исходному состоянию. При большей вязкости замедление еще больше и мышца дольше не возвращается к прежнему состоянию - обнаруживается остаточная деформация. При этом неизбежна потеря энергии. Считают, что вязкость мышц увеличивается при быстрых движениях и при значительном возбуждении, т.е. как раз в условиях соревновательной борьбы спортсмена. Однако разогревание мышц при разминке снижает вязкость, уменьшает торможение при сокращении и растягивании мышц. Следовательно, на соревнованиях и тренировках важно для снижения вязкости сохранять в разогретых мышцах тепло.

Ползучесть мышцы проявляется в удлинении мышцы со временем, несмотря на то, что напряжение ее не изменяется.

Это свойство характеризует изменчивость соотношения "длина - напряжение" мышцы, не зависящую непосредствен­но от ее возбуждения, т.е. от управления мышцей как живым органом. Так, например, нагруженная (напряженная) мышца, имея соответствующую длину; через некоторое время при тех же нагрузке и напряжении может начать увеличиваться. Остаточная деформация, упомянутая выше, тоже может быть рассмотрена как проявление ползучести.

Релаксация мышцы проявляется в уменьшении ее напряжения, несмотря на то, что длина ее не изменяется.

Релаксация заключается в том, что растянутая мышца, сохраняя длину, постепенно с течением времени уменьшает свое напряжение, расслабляется. Проявления ползучести и релаксации мышцы рассматриваются вне прямой зависимос­ти от ее возбуждения. Для живого организма такой подход чисто условен. Смысл его заключается в том, что даже с пози­ций механики не следует понимать связь напряжения и длины мышцы как постоянные соотношения.

Совокупность механических свойств (упруговязких, ползучести и релаксации) во всевозможных сочетаниях в различных условиях, в сущности, и есть то, что называется элас­тичностью 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 не полностью объяснен, их проявления очень важно учитывать при изучении способов повышения эффективности действия мышц в движениях.

К биологическим свойствам мышц относят их возбуди­мость и сократимость.

Возбудимость мышцы - ее свойство переходить в состояние возбуждения, которое проявляется в изменении ее напряжения, упругости, вязкости и др.

Сократимость мышцы - ее свойство при возбуждении сокращаться, т. е. при той же нагрузке и напряжении изме­нять длину, укорачиваться.

При одном и том же напряжении мышцы и одинаковой нагрузке длина мышцы вследствие возбуждения становится мень­ше - мышца сокращается. Если уменьшить возбуждение или же увеличить нагрузку, мышца растягивается. Следовательно, изменения длины мышцы - ее сокращение и растягивание (удлинение) - определяются степенью ее возбуждения и величиной нагрузки. Все это говорит о том, что проявление активности (режим работы) мышцы определяется изменением ее длины, либо ее напряжения, либо того и другого одновременно.

Различают следующие режимы работы мышцы:

изотонический (напряжение одинаково - изменяется длина мышцы);

изометрический (длина мышцы постоянна - напряжение меняется);

ауксотонический (и длина и напряжение изменяется).

В чистом виде в движениях человека изотонический ре­жим работы мышцы не наблюдается, так как всегда имеется сопротивление, изменяющее напряжение. Изометрический режим характерен не для движений, а для статических положений. А в реальных движениях обычно наблюдается ауксотонический режим, когда сокращение и растяжение мышцы сочетаются с увеличением и уменьшением ее напряжения.

Механическое действие мышц проявляется как тяга, приложенная к месту их прикрепления. Величина силы тяги мышцы и ее проявление в движениях человека обусловлены рядом причин и 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 может быть представлена весом отягощения, а также его силой инерции и другими силами.

Из анатомических условий проявления тяги мышцы надо назвать 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 относительно оси сустава и звена в данный момент движения влияет, во-первых, на величину плеча силы, а стало быть, и величину момента силы тяги. При острых (менее 45°) и тупых (более 135°) углах вращающая тяга меньше укрепляющей. Во-вторых, расположение мышцы влияет на направление тяги мышцы.

Физиологические условия, определяющие величину тяги мышцы, в основном сводятся к условиям возбуждения мышцы и его изменения, в частности при утомлении. Как известно, от количества возбужденных мионов в основном зависит сила тяги мышцы. Максимальное возбуждение наибольшего количества мионов обеспечивает наибольшую силу тяги мышцы. В связи с утомлением существенно изменяется работоспособность мышцы. Это следует учитывать при биомеханическом исследовании спортивной техники.

Чтобы определить результат тяги мышцы, недостаточно установить величину и направление этой тяги. При различных условиях закрепления звеньев одна и та же тяга приводит к неодинаковому результату — разным движениям звеньев в суставе. Поэтому следует помнить, что результат приложения тяги мышцы в кинематической цепи зависит от:

а) закрепления звеньев;

б) соотношения сил, вызывающих движение, и сил сопротивления,

в) начальных условий вращения. При этом в каждом конкретном случае лишь совокупность всех факторов определяет результат работы мышц в целом.

Разновидности работы мышц определяются сочетанием изменений их силы тяги и длины. Общеизвестные виды работы мышц (преодолевающая, уступающая и удерживающая) определяются только направлением изменения длины мышцы: укорочением, удлинением, сохранением длины. Для этих трех видов работы (первые два - динамическая, последний - статическая) существует возможность по меньшей мере трех вариантов изменения силы тяги мышц по сравнению с изометрическим: его нарастание, уменьшение, сохранение без изменений. Хотя работа мышц и проявляется только через их тягу, разновидности работы различны и результаты тяги в зависимости от конкретных условий очень разнообразны.

Мышцы, влияющие на движения биокинематических цепей, как правило, функционируют не изолированно, а группа­ми. Взаимодействие осуществляется между мышцами внутри групп, а также между группами мышц. В результате рабочие тяги мышц (динамическая работа) обусловливают выполнение движений, а опорные тяги мышц (статическая работа) создают необходимые для этого условия.

Как известно, через каждый сустав проходит не одна мышца, а несколько. Движение в суставе есть результат группового взаимодействия мышц, проходящих через него. Принято различать два вида взаимодействия мышц - синергизм и антагонизм. Мышцы, которые выполняют общую работу, при­нимая участие в одном и том же движении, т.е. мышцы, рас­положенные по одну сторону данной оси сустава, называются синергистами. Мышцы, принимающие участие в различные движениях, противоположных одно другому, называются антагонистами. Необходимо иметь в виду следующие два обстоя­тельства:

во-первых, какого-либо истинного антагонизма в ра­боте мышц нет, так как не только мышцы содружественного (синергического), но и противоположного (антагонистического) действия работают согласованно, совместно обеспечивая выпол­нение данного движения. Особенно велика роль возбуждения антагонистов в регулировке движения. Посредством точной дозировки напряжения антагонистов регулируется скорость движения и развиваемая при этом результирующая сила, про­изводится торможение движения перед его окончанием, дости­гается плавный переход движения из одной фазы в другую. В основе точного регулирования противодействия антагонисти­ческих мышц лежит автоматически действующий врожден­ный рефлекс на растягивание: чем больше размах движения, тем больше растягиваются мышцы-антагонисты, тем сильнее раздражаются их проприорецепторы, тем больше возрастает в них рефлекторное напряжение. Этот спинальный рефлекс тон­ко регулируется высшими отделами центральной нервной сис­темы и дополняется специальными воздействиями центров на мышцы-антагонисты, в соответствии с характером двигатель­ного задания и условиями его выполнения.

Во-вторых, необходимо помнить, что синергетические и антагонистические отношения между мышцами не являются постоянными. Функциональная анатомия дает многочислен­ные примеры того, что многие мышцы изменяют свою функ­цию с изменением исходного положения и при движении по переходящим осям многоосных суставов. Мышцы, являю­щиеся для данного движения синергистами, для другого дви­жения могут становиться антагонистами. Изменение харак­тера взаимодействия между мышцами является важным фактором использования сустава со многими степенями свободы, как полносвязного механизма, работающего в направлении той или иной, но определенной степени свободы.

Перестройка использования мышц достигается благодаря координирующей работе нервных центров. Распределение усилий в группе мышц данного сустава по ходу движения изменяется. Следует добавить, что практически невозможна совершенно точная дозировка величины тяги каждой мышцы, быстроты нарастания тяги, времени "включения" и "выключения" мышцы. Поэтому всегда в той или иной степени возникают рассогласования тяг мышц, что является одной из главных внутренних помех в управлении движениями. На­учиться преодолевать рассогласования тяг мышц очень не­просто. Это одна из главных задач при овладении движения­ми, путь к наибольшей экономичности и точности движений.

Контрольные вопросы

1. Какова схема устройства двигательного аппарата че­ловека?

2. Что такое кинематическая пара и кинематическая цепь?

3. Каковы степени свободы в кинематических цепях тела человека?

4. Дайте понятие о звеньях тела как рычагах.

5. Как проявляется "золотое правило" механики в теле человека?

6. Каковы механические и биохимические свойства мышц?

7. Что влияет на силу мышц?

8. Какие существуют виды работ мышц?

9. Как проявляется групповое действие мышц?

 

Задание к теме 2

Выберите один правильный вариант ответа «А», «Б», «В», «Г»

№	Вопроса	Варианты	Выбранный вариант ответа
	Опорно-двигательный аппарат (ОДА) с точки зрения биомеханики представлен	А. Активной (мышечной системой), пассивной (костями и их соединениями) и функциональными системами (дыхательной, сердечно-сосудистой, нервной и др.) частями Б.Активной (мышечной системой) и пассивной частями (костной системой: костями и их соединениями) В. Активной (мышечная система) частью Г. Пассивной частью (кости и их соединения)
	Сколько степеней свободы имеет тело при закрепленных трех точках	А. 2 Б. 3 В. 1 Г. 0
	Незамкнутой биокинематической цепью называется	А. Цепь, в которой конечное звено, например кисть правой руки лежит на голове Б. Цепь, в которой конечное звено, например, правая нога прижата носком стопы к колену левой В. Цепь, в которой конечное звено – кисть руки сжимает другую кисть при рукопожатии Г. Цепь, в которой конечное звено свободно, например рука удерживающая теннисный мяч
	В чем суть золотого правила механики?	А. Выигрываем с скорости и пути – выигрываем в силе Б. Выигрывая в силе, проигрываем в пути и в скорости и наоборот. В. Выигрывая в скорости - выигрываем в силе Г. Проигрывая в силе, проигрываем в пути
	Мышца как физическое тело обладает рядом механических свойств	А. возбудимость, сократимость Б. упругость, вязкость В. упругость, вязкость, ползучесть, релаксация Г. ползучесть, релаксация, возбудимость.