Мышечная сила.  Сила мышц Метод определения мышечной силы называется

Наибольшая сила мышц достигается либо за счет наибольшего увеличения массы поднимаемого или перемещаемого груза, либо за счет возрастания ускорения, т. е. изменения скорости до максимальной величины. В первом случае увеличивается напряжение мышцы, а во втором - скорость ее сокращения. Движения у человека обычно происходят при сочетании сокращения мышц с их напряжением. Поэтому при возрастании скорости сокращения пропорционально увеличивается и напряжение. Чем больше масса груза, тем меньше сообщаемое ему человеком ускорение.

Максимальная сила мышцы измеряется определением массы максимального груза, который она может сместить. При таких изометрических условиях мышца почти не сокращается, а ее напряжение является предельным. Следовательно, степень напряжения мышцы - выражение ее силы.

Силовые движения характеризуются максимальным напряжением при увеличении массы груза и неизменной скорости его перемещения.

Сила мышцы не зависит от ее длины, а зависит главным образом от ее толщины, от физиологического поперечника, т. е. от количества мышечных волокон, приходящихся на наибольшую площадь ее поперечного сечения. Физиологическим поперечником называется площадь сечения всех мышечных волокон. У перистых и полуперистых мышц этот поперечник больше анатомического. У веретенообразных и параллельных мышц физиологический поперечник совпадает с анатомическим. Поэтому наиболее сильные перистые мышцы, затем полуперистые, веретенообразные и, наконец, наиболее слабые мышцы с параллельным ходом волокон. Сила мышцы зависит также от ее функционального состояния, от условий ее работы, от предельной частоты и величины, пространственной и временной суммации притекающих к ней нервных импульсов, вызывающих ее сокращение, количества функционирующих нейромоторных единиц и от импульсов, регулирующих . Сила мышц повышается при тренировке, снижается при голодании и утомлении. Вначале она увеличивается с возрастом, а затем к старости уменьшается.

Сила мышцы при максимальном ее напряжении, развиваемая при наибольшем ее возбуждении и наиболее выгодной длине до начала ее напряжения, называется абсолютной .

Абсолютная сила мышцы определяется в килограммах или ньютонах (Н). Максимальное напряжение мышцы у человека вызывается волевым усилием.

Относительная сила мышцы высчитывается следующим образом. Определив абсолютную силу в килограммах или ньютонах, делят ее на число квадратных сантиметров поперечного сечения мышцы. Это позволяет сравнить силу разных мышц одного и того же организма, силу одноименных мышц разных организмов, а также изменения силы одной и той же мышцы данного организма в зависимости от сдвигов ее функционального состояния. Относительная сила скелетной мышцы лягушки 2-3 кг, разгибателя шёи человека - 9 кг, жевательной мышцы - 10 кг, двуглавой мышцы плеча - 11 кг, трехглавой мышцы плеча - 17 кг.

Растяжимость и эластичность

Растяжимостью называется способность мышцы увеличивать длину при действии груза или силы. Растяжение мышцы зависит от массы груза. Чем больше груз, тем больше растягивается мышца. По мере возрастания груза требуется все больший груз или сила для получения одинакового прироста длины. Имеет значение и продолжительность действия груза. При приложении груза или силы в течение 1-2 с происходит удлинение мышцы (быстрая фаза), а затем ее растяжение замедляется и может продолжаться несколько часов (медленная фаза). Растяжимость зависит от функционального состояния мышцы. Красные мышцы растягиваются больше белых. Растяжимость зависит и от типа строения мышцы: параллельные мышцы растягиваются больше перистых.

Скелетные мышцы обладают эластичностью, или упругостью,- способностью возвращаться после деформации в исходное состояние. Эластичность, как и, растяжимость, зависит от функционального состояния, строения мышцы, ее вязкости. Восстановление исходной длины мышцы также происходит в 2 фазы: быстрая фаза продолжается 1-2 с, медленная фаза - десятки минут. Длина мышцы после растяжения, вызванного большим грузом или силой, и после длительного растяжения долго не возвращается к исходной. После кратковременного действия небольших грузов длина мышцы быстрее возвращается к исходной. Таким образом, для эластичности мышцы имеет значение степень и продолжительность ее растяжения. Эластичность мышцы малая, непостоянная и почти совершенная.

Длина анизотропных дисков при сокращении и пассивном растяжении не изменяется. Уменьшение длины мышечного волокна при сокращении и увеличение при его растяжении происходит вследствие изменения длины изотропных дисков. При укорочении волокна до 65% изотропные диски исчезают. Во время изометрического сокращения анизотропные диски укорачиваются, а изотропные удлиняются.

При сокращении увеличивается эластичность изотропных дисков, которые становятся почти в 2 раза длиннее анизотропных. Это предохраняет волокно от разрыва при очень быстром уменьшении длины анизотропных дисков, наступающем при изометрическом сокращении мышцы. Следовательно, растяжимостью обладают только изотропные диски.

Растяжимость увеличивается при утомлении пропорционально возрастанию утомления. Растяжение мышцы вызывает повышение ее обмена веществ и температуры. Гладкие мышцы растягиваются значительно больше, чем скелетные, в несколько раз больше своей первоначальной длины.

Эластичность мышцы уменьшается при контрактурах, при окоченении. В покое эластичность мышцы является свойством миофибрилл, саркоплазмы, сарколеммы и соединительнотканных прослоек, при сокращении - свойством сокращенных миофибрилл.

Растяжение гладких мышц до критического предела может происходить без изменения их напряжения. Это имеет большое физиологическое значение при растяжении гладкой мускулатуры полых органов, в которых при этом не изменяется давление. Например, давление в мочевом пузыре не изменяется при значительном растяжении его мочой.

Работоспособность мышц

Работа мышцы измеряется произведением массы поднятого ею груза на высоту его поднятия или на путь, следовательно, на высоту сокращения мышцы. Универсальной единицей работы, а также количества теплоты, является джоуль (Дж). Работоспособность мышцы изменяется в зависимости от ее физиологического состояния и нагрузки. При увеличении груза работа мышцы вначале увеличивается, а затем после достижения максимального значения уменьшается и доходит до нуля. Начальное увеличение работы при увеличении груза зависит от повышения способности мышцы возбуждаться и от прироста высоты сокращения. Последующее уменьшение работы зависит от понижения сократительной способности мышцы вследствие возрастающего растяжения грузом. Величина работы зависит от количества мышечных волокон и их длины. Чем больше поперечное сечение мышцы, чем она толще, тем больше груз, который она может поднять.

Перистая мышца может поднять большой груз, но так как длина ее волокон меньше длины всей мышцы, то она поднимает груз на сравнительно небольшую высоту. Параллельная мышца может поднять меньший груз, чем перистая, так как ее поперечное сечение меньше, но высота подъема груза больше, так как длина ее мышечных волокон больше. При условии возбуждения всех мышечных волокон высота сокращения мышц при прочих равных условиях тем больше, чем волокна длиннее. На величину работы влияет растяжение мышечных волокон грузом. Первоначальное растяжение небольшими грузами увеличивает высоту сокращения, а растяжение большими грузами уменьшает высоту сокращения мышцы. Работа мышцы зависит также от количества мионевральных аппаратов, от их расположения и от одновременного их возбуждения. При утомлении работа мышцы уменьшается и может прекратиться; высота сокращения мышцы по мере развития утомления понижается, а затем доходит до нуля.

Законы оптимальной нагрузки и оптимального ритма

Так как по мере увеличения груза уменьшается высота сокращения мышцы, то работа, являющаяся произведением груза и высоты, достигает наибольшей величины при некоторых средних нагрузках. Эти средние нагрузки называются оптимальными.

При прочих равных условиях при оптимальных нагрузках мышца сохраняет свою работоспособность наиболее продолжительное время. При оптимальной нагрузке работоспособность мышцы зависит от частоты ритма ее сокращений, т. е. от частоты равномерного чередования сокращений мышцы. Ритм сокращений мышцы при средней нагрузке, при которой сохраняется наиболее продолжительная работоспособность мышцы, называется оптимальным,

У разных мышц оптимальные нагрузки и оптимальный ритм неодинаковы. Они изменяются и у данной мышцы в зависимости от условий работы и ее физиологического состояния.

Оптимальная нагрузка и оптимальный ритм обусловлены прежде всего нервной системой (И. М. Сеченов). Что касается человека, то его умственная и физическая работоспособность определяется социальными условиями труда (орудиями труда, отношением к труду, эмоциями и др.). Оптимальная нагрузка и оптимальный ритм у человека значительно изменяются в зависимости от жизненного опыта, возраста, питания и тренированности.

Динамическая работа и статическое усилие

Работа скелетных мышц, обеспечивающая движения тела и его частей, называется динамической, а напряжение скелетных мышц, обеспечивающее поддержание тела в пространстве и преодоление земного притяжения, называется статическим усилием.

Динамическая работа различается по мощности. Измерителем мощности, или интенсивности, является работа, выполненная в единицу времени. Единица мощности - ватт (вт = 1 Дж/с). Между интенсивностью динамической работы и ее продолжительностью существует закономерное отношение. Чем больше интенсивность работы, тем меньше ее продолжительность. Различают работу малой, умеренной, большой, субмаксимальной и максимальной интенсивности. При динамической работе учитывается скорость, или быстрота движений. Для измерения быстроты движений используются: 1) время двигательной реакции, быстрота реагирования, или латентный период двигательного рефлекса, 2) продолжительность отдельного движения при минимальном напряжении мышц, 3) число движений в единицу времени, т. с. их частота.

Скорость движений зависит от характера и ритма импульсов из центральной нервной системы, от функциональных свойств мышц во время движений, а также от их строения. Способность производить мышечную деятельность определенного вида и интенсивности в течение наибольшего времени обозначается как выносливость. Чем больше выносливость, тем позднее начинается утомление.

Основные виды выносливости: 1) статическая - непрерывное, в течение предельного времени поддерживание напряжения скелетных мышц при постоянной силе давления или удерживании в постоянном положении определенного груза. Предельное время статического усилия тем меньше, чем больше сила давления или величина груза, 2) динамическая - непрерывное выполнение мышечной работы определенной интенсивности в течение предельного времени. Предельное время динамической работы скелетных мышц, зависит от ее мощности. Чем больше мощность, тем короче предельное время динамической выносливости.

Динамическая выносливость в большой степени зависит от повышения работоспособности внутренних органов, особенно сердечнососудистой и дыхательной систем.

Динамическая работа характеризуется также ловкостью.

Ловкость - это способность производить координированные движения с очень большой пространственной точностью и правильностью, быстро и в строго определенные, очень небольшие промежутки времени при внезапной перемене внешних условий.

Статическое усилие состоит в поддержании в течение некоторого времени напряжения мышц, т. е. в удержании веса тела, конечности или груза в неподвижном состоянии. В физическом смысле удерживание груза или тела в неподвижном состоянии не является работой, так как при этом отсутствует движение груза или веса тела. Примерами статических усилий являются неподвижное стояние, вис, упор, неподвижное держание руки, ноги или груза. Продолжительность статического усилия зависит от степени напряжения мышц. Чем меньше величина напряжения мышц, тем оно продолжительнее. При статических усилиях расходуется, как правило, значительно меньше энергии, чем при динамической работе. Расход энергии тем больше, чем тяжелее статическое усилие. Тренировка увеличивает продолжительность статических усилий.

Выносливость к статическим усилиям зависит не от повышения работоспособности внутренних органов, а главным образом от функциональной устойчивости двигательных центров к частоте и силе афферентных импульсов.

В условиях изометрического сокращения мышцы проявляют максимальную статическую силу.

Максимальная статическая сила и максимальная произвольная статическая сила мышц

И зометрически сокращающаяся мышца развивает максимально возможное для нее напряжение при одновременном выполнении следующих трех условий:

активации всех двигательных единиц (мышечных волокон) данной мышцы;

режиме полного тетануса у всех ее двигательных единиц;

сокращении мышцы при длине покоя.

В этом случае изометрическое напряжение мышцы соответствует ее максимальной статической силе.

М аксимальная сила (МС), развиваемая мышцей, зависит от числа мышечных волокон, составляющих данную мышцу, и от их толщины. Число и толщина волокон определяют толщину мышцы в целом, или, иначе, площадь поперечного сечения мышцы (анатомический поперечник). Отношение МС мышцы к ее анатомическому поперечнику называется относительной силой мышцы. Она измеряется в ньютонах или килограммах силы на 1 см2 (Н/см2 или кг/см2).

А натомический поперечник определяется как площадь поперечного разреза мышцы, проведенного перпендикулярно к ее длине. Поперечный разрез мышцы, проведенный перпендикулярно к ходу ее волокон, позволяет получить физиологический поперечник мышцы. Для мышц с параллельным ходом волокон физиологический поперечник совпадает с анатомическим. Отношение МС мышцы к ее физиологическому поперечнику называется абсолютной силой мышцы. Она колеблется в пределах 0,5-1 Н/см2.

И змерение мышечной силы у человека осуществляется при его. произвольном усилии, стремлении максимально сократить необходимые мышцы. Поэтому когда говорят о мышечной силе у человека, речь идет о максимальной произвольной силе (МПС, в спортивной педагогике этому понятию эквивалентно понятие "абсолютная сила мышц"). Она зависит от двух групп факторов: мышечных (периферических) и координационных (центрально-нервных).

К мышечным (периферическим) факторам, определяющим МПС, относятся:

механические условия действия мышечной тяги - плечо рычага действия мышечной силы и угол приложения этой силы к костным рычагам;

длина мышц, так как напряжение мышцы зависит от ее длины;

поперечник (толщина) активируемых мышц, так как при прочих равных условиях-проявляемая мышечная сила тем больше, чем больше суммарный поперечник произвольно сокращающихся мышц;

композиция мышц, т. е. соотношение быстрых и медленных мышечных волокон в. сокращающихся мышцах.

К координационным (центрально-нервным) факторам относится совокупность центрально-нервных координационных механизмов управления мышечным аппаратом - механизмы внутримышечной координации и механизмы межмышечной координации.

М еханизмы внутримышечной координации определяют число и частоту импульсации мотонейронов данной мышцы и связь их импульсации во времени. С помощью этих механизмов центральная нервная система регулирует МПС данной мышцы, т. е. определяет, насколько сила произвольного сокращения данной мышцы близка к ее МС. Показатель МПС любой мышечной группы даже одного сустава зависит от силы сокращения многих мышц. Совершенство межмышечной координации проявляется в адекватном выборе "нужных" мышц-синергистов, в ограничении "ненужной" активности мышц-антагонистов данного и других суставов и в усилении активности мышц-антагонистов, обеспечивающих фиксацию смежных суставов и т. п.

Т аким образом, управление мышцами, когда требуется проявить их МПС, является сложной задачей для центральной нервной системы. Отсюда понятно, почему в обычных условиях МПС мышц меньше, чем их МС. Разница между МС мышц и их МПС называется силовым дефицитом.

С иловой дефицит у человека определяется следующим образом. На специальной динамометрической установке измеряют МПС выбранной группы мышц, затем - ее МС. Чтобы измерить МС, раздражают нерв, иннервирующий данную мышечную группу, электрическими импульсами. Силу электрического раздражения подбирают такой, чтобы возбудить все моторные нервные волокна (аксоны мотонейронов). При этом применяют частоту раздражения, достаточную для возникновения полного тетануса мышечных волокон (обычно 50-100 имп/с). Таким образом, сокращаются все мышечные волокна данной мышечной группы, развивая максимально возможное для них напряжение (МС).

С иловой дефицит данной мышечной группы тем меньше, чем совершеннее центральное управление мышечным аппаратом. Величина силового дефицита зависит от трех факторов:

психологического, эмоционального, состояния (установки) испытуемого;

необходимого числа одновременно активируемых мышечных групп

степени совершенства произвольного управления ими.

П ервый фактор. Известно, что при некоторых эмоциональных состояниях человек может проявлять такую силу, которая намного превышает его максимальные возможности в обычных условиях. К таким эмоциональным (стрессовым) состояниям относится, в частности, состояние спортсмена во время соревнования. В экспериментальных условиях значительное повышение показателей МПС (т. е. уменьшение силового дефицита) обнаруживается при сильной мотивации (заинтересованности) испытуемого, в ситуациях, вызывающих его сильную эмоциональную реакцию, например после неожиданного резкого звука (выстрела). То же отмечается при гипнозе, приеме некоторых лекарственных препаратов. При этом положительный эффект (увеличение МПС, уменьшение силового дефицита) сильнее выражен у нетренированных испытуемых и слабее (или совсем отсутствует) у хорошо тренированных спортсменов. Это указывает на высокую степень совершенства центрального управления мышечным аппаратом у спортсменов.

В торой фактор. При одинаковых условиях измерения величина силового дефицита тем больше, чем больше число одновременно сокращающихся мышечных групп. Например, когда измеряется МПС мышц, только приводящих большой палец кисти, силовой дефицит составляет у разных испытуемых 5-15% от МС этих мышц. При определении МПС мышц, приводящих большой палец и сгибающих его концевую фалангу, силовой дефицит возрастает до 20%. При максимальном произвольном сокращении больших групп мышц голени силовой дефицит равен 30% (Я.М. Коц).

Т ретий фактор. Роль его доказывается различными экспериментами. Показано, например, что изометрическая тренировка, проводимая при определенном положении конечности, приводит к значительному повышению МПС, измеряемой в том же положении. Если измерения проводятся в других положениях конечностя, то прирост.МПС оказывается незначительным или отсутствует совсем. Если бы прирост МПС зависел только от увеличения поперечника тренируемых мышц (периферического фактора), то он обнаруживался бы при. измерениях в любом положении конечности. Следовательно, в данном случае прирост МПС зависит от более совершенного, чем до тренировки, центрального управления мышечным аппаратом именно в тренируемом положении.

Р оль координационного фактора выявляется также при изучении показателя относительной произвольной силы, которая определяется делением показателя МПС на величину мышечного поперечника (Так как у человека можно измерить только анатомический поперечник мышцы, для большинства мышц определяется не абсолютная произвольная сила (отношение МПС к физиологическому поперечнику), а относительная (отношение МПС к анатомическому поперечнику). В спортивной педагогике понятием "относительная сила" обозначают отношение МПС к весу спортсмена.). Так, после 100-дневной тренировки с применением изометрических упражнений МПС мышц тренируемой руки выросла на 92%, а площадь их поперечного сечения на 23% (рис. 28). Соответственно относительная произвольная сила увеличилась в среднем с 6,3 до 10 кг/см2. Следовательно, систематическая тренировка может способствовать совершенствованию произвольного управления мышцами. МПС мышц нетренируемой руки также несколько увеличилась за счет последнего фактора, так как площадь поперечного сечения мышц этой руки не изменилась. Это показывает, что более совершенное центральное управление мышцами может проявляться в отношении симметричных мышечных групп (явление "переноса" тренировочного эффекта).

Как известно, наиболее высокопороговыми ("менее возбудимыми") являются быстрые двигательные единицы мышцы. Их вклад в общее напряжение мышцы особенно велик, так как каждая из них содержит много мышечных волокон. Быстрые мышечные волокна толще, имеют больше миофибрилл, и поэтому сила их сокращения выше, чем у медленных двигательных единиц. Отсюда понятно, почему МПС зависит от композиции мышц: чем больше быстрых мышечных волокон они содержат, тем выше их МПС.

К огда перед спортсменом стоит задача развить значительную мышечную силу во время выполнения соревновательного упражнения, он должен систематически применять на тренировках упражнения, которые требуют проявления большой мышечной силы (не менее 70% от его МПС). В этом случае совершенствуется произвольное управление мышцами, и в частности механизмы внутримышечной координации, обеспечивающие включение как можно большего числа двигательных единиц основных мышц, в том числе наиболее высокопороговых, быстрых двигательных единиц.

Факторы, влияющие на величину силы мышцы:

1) длина мышцы: длинные мышцы сокращаются на большую
величину, чем короткие (укорочение мышцы происходит на 1/3, иногда на

2) количество мышечных волокон (чем большее количество волокон
входит в состав мышцы, тем больше ее сила);

3) толщина мышечных волокон (толстые волокна развивают
большее напряжение, чем тонкие);

4) направления волокон, составляющих мышцу (с косыми волокнами
сила мышцы больше, т.к. у них больше физиологическое поперечное
сечение, большая подъемная сила);

исходная длина мышцы (эффективнее работает мышца после ее умеренного растяжения);

величина площади прикрепления мышцы (чем больше площадь прикрепления, тем большую силу может развить мышца);

54 1) плечо силы (чем больше плечо силы мышечной тяги, тем

больше сила мышцы);

8) иннервация (чем большее количество мотонейронов,

иннервирующих данную мышцу, возбуждено, тем больше двигательных

единиц приведено в действие, тем больше величина напряжения или

сокращения мышцы; при учащении нервных импульсов, приходящих к

мышце, ее сократительная сила возрастает).

Различают абсолютную и относительную силу мышц.

Относительная сила мышцы - это отношение ее максимальной силы к анатомическому поперечнику (площади поперечного сечения мышцы, проведенного перпендикулярно ее длине).

Абсолютная сила мышцы - это отношение ее максимальной силы к физиологическому поперечнику (сумме площадей поперечных сечений всех мышечных волокон, образующих мышцу). Рисунок 1.

Рис. 1. Схема анатомического (сплошная линия) и физиологического (прерывистая

линия) поперечников мышц различной формы: / - лентовидная мышца, // - веретенообразная мышца, /// - одноперистая мышца

Для характеристики сократительной способности большое значение

имеет определение абсолютной силы мышцы. Необходимо иметь в виду,

что физиологический поперечник (т.е. площадь поперечного сечения всех

волокон мышцы в целом) часто не совпадает с анатомическим

поперечником (т.е. площадью поперечного сечения мышцы). Это

Статическая

это работа, при которой

мышечные волокна

развивают напряжение,

но практически не

укорачиваются; движения

тела или его частей не

происходит.

1) удерживающая

работа при выполнении данной

работы видимого

действия не наблюдается,

но мышца сокращена;

происходит

уравновешивание

действия сопротивления,

моменты силы тяги

55
совпадение есть только у параллельноволокнистых и

веретенообразных мышц, построенных из длинных мышечных волокон. У

перистых мышц, по типу которых постороено большинство скелетных

мышц человека, физиологический поперечник несколько больше

анатомического. Благодаря этому перистые мышцы являются более

сильными, чем параллельноволокнистые или веретенообразные.

Абсолютная сила мышц человека выражается в среднем следующими

величинами (в килограммах на 1 см 2): икроножная + камбаловидная -

6,24; разгибатели шеи - 9,0; жевательные - 10,0; двуглавая плеча - 11,4;

плечевая - 12,1; трехглавая плеча - 16,8.

Между силой и скоростью сокращения мышцы существует

определенное соотношение: чем выше сила, развиваемая мышцей, тем

меньше скорость ее сокращения, и наоборот, с нарастанием скорости

сокращения падает величина усилия (соотношение сила - скорость, по А.

2. Понятие о мышцах - антагонистах и мышцах-синергистах. Виды работы мышц

Выполнение любого двигательного акта представляет собой результат содружественного действия ряда отдельных мышц, так как на любой сустав действует не одна, а несколько мышц. В функциональном отношении в зависимости от направления усилий, развиваемых теми или иными мышцами, их принято делить на синергисты и антагонисты.

Под синергистами понимают такие мышцы, которые образуют содружественно работающие комплексы, обуславливающие возможность выполнения определенного движения. Например, мышцы живота, работая содружественно, осуществляют наклон туловища.

Отдельные мышцы или группы мышц, участвующие в различных движениях, противоположно направленных, принято называть антагонистами. Например, группа мышц, которая сгибает стопу, является

56 антагонистом по отношению к той группе, которая ее разгибает, т.е.

мышцы, расположенные на задней и на передней поверхностях голени, -

антагонисты.

Деление это условно, т.к. при определенных условиях мышцы-антагонисты могут работать как синергисты. Так, мышцы-сгибатели и мышцы-разгибатели туловища, работая совместно, осуществляют наклон туловища в сторону, т.е. работают как синергисты. Согласованная работа мышц-антагонистов и мыпщ-синергистов обеспечивает плавность движений и предотвращает травмы.

В спортивной практике мышцы выполняют различные виды работ. В одних случаях работа приводит к движению, в других - к удержанию позы, фиксации какого-то положения.

Виды работы мышц

Динамическая

это работа, при которой мышечные волокна

укорачиваются или удлиняются, и происходит

перемещение груза и движение костей в суставах.

^преодолевающая работа

мышцей какого-либо

сопротивления или силы

тяжести данного звена

тела, когда момент силы

тяги мышцы (группы

мышц) больше момента

силы тяжести.

57

Например: на ладонь положили груз, который удерживается на вытянутой руке - это работа удерживающая. Если ладонь с грузом поднимается вверх, то это работа - преодолевающая, если ладонь под действием силы тяжести пошла вниз - уступающая работа.

3. Работа мышц по принципу рычага

Мышцы, сокращаясь, приводят в движение кости и действуют при этом как рычаги.

Рычаг - это всякое твердое тело, закрепленное в одной точке, вокруг которой происходит движение.

Обязательными элементами рычага являются:

точка опоры;

точка приложения силы;

плечо рычага - это расстояние от точки опоры до точки приложения силы;

плечо силы - это кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы (рис. 2).

Рис.2. Схема рычага. Плечи рычага (ОА и ОБ), плечи сил (ОА1 и ОБ1).

Если сила тяжести действует под прямым углом, то плечо силы и плечо рычага совпадают по величине.

Если речь идет о двигательном аппарате человека, то таким твердым телом является кость. Точкой опоры, вокруг которой происходят движения, является сустав. Само движение происходит за счет силы тяги мышц.

Костные рычаги - х это звенья тела, подвижно соединенные в суставах под действием приложенных сил. Они служат для передачи движения и работы на расстояние.

Различают два вида рычагов: первого и второго рода. Если две силы (сила тяжести и сила тяги мышц) приложены по разные стороны от точки опоры рычага и действуют в одном направлении, то тело является рычагом первого рода. Этот рычаг двуплечий, т.к. плечо силы тяжести и силы тяги мышц расположены по обе стороны от точки опоры, образуя соответственно два равных плеча. Такой рычаг является рычагом равновесия.

Примером рычага первого рода является соединение позвоночника с черепом, т.е. атлантозатылочный сустав. Его еще называют суставом равновесия, так как сила тяжести черепа уравновешивается силой тяги мышц затылка (рис.3).

Удельная сила мышц, скелетных и гладких (в расчете на 1 см 2 площади поперечного сечения), почти одинакова и, в среднем, составляет 4-3 кг/см 2 или 40-30 Н/см 2 .

Сила есть способность преодолевать внешнее сопротивление или противодействовать ему за счёт мышечного сокращения или напряжения.

В физиологии принято выделять следующие виды силы :

1. Максимальная сила (МС);

2. Максимальная произвольная сила (МПС);

3. Относительная сила (ОС) – это МС делённая на анатомический поперечник (перпендикулярно длиннику мышцы) мышцы (S) или массу тела (P): ОС = МС / S (P) кг/см 2 ;

4. Абсолютная сила (АС) – это МС делённая на физиологический поперечник (сумма поперечных сечений всех её волокон) мышцы S’’:

АС=МС/ S’’

Мышцы (по А.А. Ухтомскому) имеют следующие типы строения:

Мышцы с параллельным ходом волокон (портняжная мышца);

Мышцы с веретенообразным ходом волокон (бицепс);

Мышцы с перистым расположением волокон (жевательная, трапецивыдная, межреберные мышцы).

Так абсолютная сила портняжной мышцы 6,24 кг/см 2 , двуглавой мышцы плеча 8,1 кг/см 2 , жевательной 10 кг/см 2 .

Максимальную силу возможно определить лишь при следующих условиях:

1. одновременная активация всех двигательных единиц, входящих в данную мышцу,

2. режим полного тетануса всех ДЕ,

3. сокращение мышцы при длине покоя (изометрический режим),

4. наличие электростимуляции.

Максимальная произвольная сила – это суммарная величина изометрического напряжения группы мышц при максимальном произвольном усилии испытуемого.

Разница между показателями МС и МПС называется силовой дефицит (СД): СД=МС-МПС.

Силовой дефицит – это интегральный показатель степени координационных способностей нервно-мышечного аппарата.

Силовой дефицит зависит от:

1. эмоционального (психологического) состояния человека (его настрой);

2. числа активных ДЕ (особенно больших);

3. совершенствования управления двигательными единицами центральной нервной системой.

Величина максимального мышечного напряжения зависит от следующих факторов:

А – Периферические (структурные, внутримышечные) факторы:

Количество мышечных волокон в мышце,

Величина двигательных единиц, степень рекрутирования (вовлечения в сокращение) мышечных волокон.

3. длина мышечных волокон (Существует некоторая средняя длина Л 0 (это длина мышцы при покое в условиях целостного организма), при которой мышца развивает максимальное сокращение. Если длина будет меньше Л 0 , или, наоборот, больше Л 0 (перерастянута), то сила, развиваемая мышцей в момент ее возбуждения, будет значительно меньше. Оказалось, что максималь­ная сила развивается мышцей в том случае, когда длина саркомера составляет 2,2-2,5 мкм. Зависимость силы мышцы от ее длины очень важна - особенно для сердечной мышцы (закон Франка-Старлинга) в практическом и теоретическом отношениях (она доказывает гипотезу скольжения протофибрилл, объясняющую механизм сокращения);

4. тип строения мышцы (степень наклона мышечных волокон к оси движения – физиологический поперечник мышцы),

5. композиция мышцы (из каких волокон состоит – белых гликолитических или красных оксидативных),

6. функциональные (энергетические – содержание химических потенциалов АТФ, КрФ, гликоген, миоглобин и сократительных белков).

Б – Центральные факторы:

Факторы внутримышечной координации (частота и характер нервных импульсов в ДЕ.

В 1885 г. Н.Е. Введенский ввел понятие оптимума и пессимума частоты и силы раздражения, т.е. зависимости амплитуды ответной реакции мышцы от частоты и силы раздражения. Например, импульсы с частотой 30 Гц (30 имп/с) вызывают тетанус высотой 10 мм миографической записи, 50 Гц – 15 мм, 200 Гц – 3 мм. В этом примере 50 Гц - оптимальная частота (оптимум), 200 Гц – пессимальная частота (пессимум). Таким образом, меняя частоту посылки импульсов к мышечным волокнам, альфа-мотонейрон может регулировать величину сократительного ответа своего мышечного аппарата.

К факторам внутримышечной координации также относится регуляция числа активных, возбуждаемых в данный момент времени ДЕ (Хенеманн). Так, если мышца представлена 10 ДЕ, а в данный момент активна 1ДБ, то мышца способна развить силу, равную 1/10 от ее максимальной силы. Если 5 ДЕ активны, то соответственно, мышца развивает 50% от мак­симума и т. д., а 100% силы она разовьет в том случае, если все 10 ДЕ одновременно будут возбуждены.

2. Режим сократительной деятельности (от одиночного до полного тетануса).

Синхронизация работы ДЕ.

Так, если все 10 ДЕ начнут одновременно возбуждаться, то сила будет, например, 4 кгс/см 2 , а если они возбуждаются асинхронно, то максимальная сила составит 3 кгс/см 2 .

4. Факторы межмышечной координации (мобилизация агонистов, торможение антагонистов, адаптационно-трофические влияния симпатической нервной системы (феномен Орбели-Генецинского).

5. Гормональные влияния (гормоны с анаболическим эффектом: половые, гормон роста и др.)

Скелетные мышечные волокна подразделяются на быстрые и медленные. Скорость сокращения мышц различна и зависит от их функции. Например, быстро сокращается икроножная мышца, а глазная мышца сокращается еще быстрее.

Рис. Типы мышечных волокон

В быстрых мышечных волокнах более развит саркоплазматический ретикулум, что способствует быстрому выбросу ионов кальция. Их называют белыми мышечными волокнами.

Медленные мышцы построены из более мелких волокон, и их называют красными из-за их красноватой окраски, обусловленной высоким содержанием миоглобина.

Рис. Быстрые и медленные мышечные волокна

Таблица. Характеристика трех типов волокон скелетных мышц

Показатель	Медленные оксидативные волокна	Быстрые оксидативные волокна	Быстрые гликолитические волокна
Главный источник образования АТФ		Окислительное фосфорилирование	Гликолиз
Митохондрии
Капилляры
	Высокое (красные мышцы)	Высокое (красные мышцы)	Низкое (белые мышцы)
Активность ферментов гликолиза		Промежуточная
		Промежуточное
Скорость утомления	Медленная	Промежуточная
Активность АТФазы миозина
Скорость укорочения	Медленная
Диаметр волокна
Размер двигательной единицы
Диаметр двигательного аксона

Сила мышц

Силу мышцы определяют по максимальной величине груза, который она может поднять, либо по максимальной силе (напряжению), которую она может развить в условиях изометрического .

Одиночное мышечное волокно способно развить усилие 100-200 мг. В теле примерно 15-30 млн волокон. Если бы они действовали параллельно в одном направлении и одновременно, то могли бы создать напряжение 20-30 т.

Сила мышц зависит от ряда морфофункциональных, физиологических и физических факторов.

Расчет мышечной силы

Сила мышц возрастает с увеличением площади их геометрического и физиологического поперечного сечения. Физиологическое поперечное сечение мышцы представляет собой сумму поперечных сечений всех волокон мышцы по линии, проведенной перпендикулярно ходу мышечных волокон.

В мышце с параллельным ходом волокон (например, портняжная мышца) площади геометрического и физиологического поперечных сечений равны. В мышцах с косым ходом волокон (межреберные) площадь физиологического сечения больше площади геометрического и это способствует увеличению силы мышц. Еще больше возрастают физиологическое сечение и сила у мышц с перистым расположением мышечных волокон, которое наблюдается в большинстве мышц тела.

Для того чтобы иметь возможность сопоставить силу мышечных волокон в мышцах с различным гистологическим строением, используют понятие абсолютной силы мышцы.

Абсолютная сила мышцы — максимальная сила, развиваемая мышцей, в перерасчете на 1 см 2 физиологического поперечного сечения. Абсолютная сила бицепса составляет 11,9 кг/см 2 , трехглавой мышцы плеча — 16,8, икроножной 5,9, гладких мышц — 1 кг/см 2 .

где А мс — мышечная сила (кг/см 2); Р — максимальный груз, который способна поднять мышца (кг); S — площадь физиологического поперечного сечения мышцы (см 2).

Сила и скорость сокращения , утомляемость мышцы зависят от процентного соотношения различных типов двигательных единиц, входящих в эту мышцу. Соотношение разных типов двигательных единиц в одной и той же мышце у разных людей неодинаково.

Различают следующие типы двигательных единиц:

• медленные неутомляемые (имеют красный цвет), они развивают небольшую силу сокращения, но могут длительно находиться в состоянии тонического напряжения без признаков утомления;
• быстрые, легко утомляемые (имеют белый цвет), их волокна развивают большую силу сокращения;
• быстрые, относительно устойчивые к утомлению, развивающие относительно большую силу сокращения.

У разных людей соотношение числа медленных и быстрых двигательных единиц в одной и той же мышце определено генетически и может значительно различаться. Чем больше в мышцах человека процент медленных волокон, тем более она приспособлена к длительной, но небольшой по мощности работе. Лица с высоким содержанием в мышцах быстрых сильных моторных единиц способны развивать большую силу, но склонны к быстрому утомлению. Однако надо иметь в виду, что утомление зависит и от многих других факторов.

Сила мышцы увеличивается при ее умеренном растяжении. Одним из объяснений этого свойства мышц является то, что при умеренном растяжении саркомера (до 2,2 мкм) увеличивается вероятность образования большего количества связей между актином и миозином.

Рис. Соотношение между силой сокращения и длиной саркомера

Рис. Соотношение между силой мышцы и ее длиной

Сила мышц зависит от частоты нервных импульсов , посылаемых к мышце, синхронизации сокращения большого числа моторных единиц, преимущественного вовлечения в сокращение того или иного типа моторных единиц.

Сила сокращений увеличивается:

• при вовлечении в процесс сокращения большего количества моторных единиц;
• при синхронизации сокращения моторных единиц;
• при вовлечении в процесс сокращения большего количества белых моторных единиц.

При необходимости развить небольшое усилие сначала активируются медленные неутомляемые моторные единицы, затем быстрые, устойчивые к утомлению. Если надо развить силу более 20-25% от максимальной, то в сокращение вовлекаются быстрые, легко утомляемые моторные единицы.

При напряжении до 75% от максимально возможного практически все моторные единицы активированы и дальнейший прирост силы идет за счет увеличения частоты импульсов, посылаемых к мышечным волокнам.

При слабых сокращениях частота посылки нервных импульсов по аксонам мотонейронов составляет 5-10 имп/с, а при большой силе сокращения может доходить до 50 имп/с.

В детском возрасте прирост силы идет главным образом за счет увеличения толщины мышечных волокон, что связано с увеличением в них количества миофибрилл. Прирост числа волокон незначителен.

При тренировке мышц у взрослых нарастание их силы связано с увеличением миофибрилл, а повышение их выносливости обусловлено увеличением числа митохондрий и получением АТФ за счет аэробных процессов.

Имеется взаимосвязь силы и скорости сокращения мышцы. Скорость сокращения мышцы тем больше, чем больше ее длина (за счет суммации сократительных эффектов саркомеров). Она уменьшается при увеличении нагрузки. Тяжелый груз можно поднять только при медленном движении. Максимальная скорость сокращения, достигаемая при сокращении мышц человека, около 8 м/с.

Мощность мышцы равна произведению мышечной силы на скорость укорочения. Максимальная мощность достигается при средней скорости укорочения мышц. Для мышц руки максимальная мощность (200 Вт) достигается при скорости сокращения 2,5 м/с.

Сила сокращения и мощность мышцы снижаются при развитии утомления.