Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий.
К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию.
Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги.
Упругость мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации. При этом мышцу можно сравнить с пружиной: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явление широко используется в спорте. Например, в хлесте предварительно растягиваются и параллельный, и последовательный упругий компонент мышц, чем накапливается энергия. Запасенная таким образом энергия в финальной части движения (толкания, метания и т.д.) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию).
Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, согласно которому удлинение пружины нелинейно зависит от величины растягивающей силы. Кривую поведения мышцы в этом случае называют «сила-длина». Зависимость между силой и скоростью мышечного сокращения («сила-скорость») называют кривой Хилла.
Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: Кж=DF/Dl (Н/м).
Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости: Кп=Dl /DF (м/Н) – показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н.
Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0.1 до 0.3 Н/мм2. Предел прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм2. Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать.
Релаксация – свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во время глубокого приседа спортсмен делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.
Существует два вида группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.
Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, при сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.
Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая – уступающую.
Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.
Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16–18 кН.
Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п.
Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.
Очень часто для того, чтобы понять механизм работы объекта, его заменяют адекватной моделью. Модель – образ объекта, который содержит его характерные черты. Вначале предполагали, что мышца может моделироваться системой, состоящей из двух компонентов: активного и пассивного. Сократительный (активный) элемент уподоблялся демпфирующему компоненту. Пассивный элемент представлялся упругим компонентом. В последующем А. Хилл предложил модель мышцы, состоящую из трех компонентов (рис. 3.3), которая в настоящее время является общепринятой.
Изложенный процесс сокращения элементарного блока миофибриллы представляет собой энергетический процесс, в котором химическая энергия превращается в механическую работу. Взаимодействие сократительных и эластичных компонентов мышцы наглядно изображено на механической модели мышцы (рис. 39).
Мышца: а - при длине покоя, b - в статическом режиме работы, с - в динамическом режиме работы, d - в растянутом состоянии, СК - сократительный компонент, состоящий из мышечных волокон, или миофибрилл. Пар - параллельный эластичный компонент, в состав которого входят, в частности, трубчатые соединительно-тканные оболочки мышечных волокон (эндомизий) и пучки мышечных волокон (перемизий). Пос - последовательно включаемый эластичный компонент, образованный, в частности, сухожилиями. Внутренняя сила: энергия сокращения (СК) + энергия предварительного растягивания (Пар + Пос). Внешняя сила: внешнее сопротивление (оказываемое, например, соперником или отягощением).
Сократительный компонент мышцы (СК) состоит из миофибрилл. Эластичный компонент подразделяется на последовательно включаемый эластичный компонент (Пoc) и параллельно-эластичный компонент (Пар). В состав первого входят сухожилия и другие элементы соединительной ткани мышцы, второй образуется, в частности, из соединительно-тканных оболочек мышечных волокон и их пучков.
Если укорачивается сократительный компонент, то сначала растягивается Пос (рис.39, b). Лишь после того, как развиваемая в Пос сила напряжения превысит величину внешней силы (например, сопротивление соперника или поднимаемого с земли отягощения), сократится вся мышца. Напряжение Пос во время укорачивания мышцы остается постоянным (рис. 39, с). Пар помогает сначала укоротить сократительный компонент, а затем вернуть его к длине покоя. Если мышца растягивается, то внешняя сила настолько сильно удлиняет Пос, что в конце концов за ним приходится следовать и сократительному компоненту (СК) (рис. 39, d).
Существуют два случая группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.
Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, в сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плечелучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. Но этим значение синергизма мышц не исчерпывается. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия. Мышцы-антагонисты (в противоположность мышцам-синергистам) имеют разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая — уступающую. Мышцы-антагонисты обеспечивают: 1) высокую точность двигательных действий; 2) снижение травматизма.
Одно и многосуставные мышцы. По отношению к суставам, через которые (один, два или несколько) перекидываются мышцы называют одно-, дву-, или многосуставными. Многосуставные мышцы выполняют сложные движения в двух или трех суставах одновременно.
Примером двусуставной мышцы является двуглавая мышца плеча
Она имеет три точки прикрепления: диафиз плеча, лучевая кость, суставной отросток лопатки и, сокращаясь, одновременно выполняет сгибание в локтевом и плечевом суставах. При фиксированном плечевом суставе длинная головка бицепса выполняет важную функцию - стабилизацию плечевого сустава, предотвращая смещение головки плечевой кости вперед. Примером двусуставной мышцы являются подколенные сгибатели, которые имеют прикрепление к седалищной кости и к большеберцовой кости, перекидываясь через тазобедренный и коленный сустав. Их функция – сгибание голени и разгибание бедра. Это важное движение при ходьбе. Примером многосуставной мышцы является поясничная мышца, которая прикрепляется к поперечным отросткам верхних поясничных позвонков и к малому вертелу бедренной кости.
