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:

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

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

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

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

5)   при отсутствии нагрузки длина мышцы является наи­меньшей («свободная длина» мышцы)   – нерастянутая мышца не напряжена;

6)    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 величи-

на 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. В результате схематически можно выделить девять типичных разновидностей работы мышц   В приведенной таблице названия разновидностей услов­ные, поскольку в практике не сложилось еще определенной терминологии. Кроме того, не все разновидности одинаково часто встречаются.

При сохранении положения тела чаще встречается по­стоянная фиксация (разновидность 5) . В движениях наиболее обычны разгон (3) и торможение (7) . В точных движениях характерно притормаживание (9) . Силовая работа выполня­ется с напряжениями в движениях «до отказа» (1) и усилени­ем фиксации (4) . При выполнении одного и того же действия могут иметь место смены (иногда неоднократные) разновид­ностей работы у одной и той же мышцы.

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 мьлпц (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 различных 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