Зависимость силы тяги мышцы (F) от скорости изменения ее длины

Причем с ростом скорости растягивания мышцы сила увеличивается, но до определенного предела. Следующим режимом сокращения, с точки зрения силовых возможностей мышцы, является изометрический режим. Наименьшую силу тяги мышца демонстрирует при преодолевающем режиме сокращения. При этом чем с большей скоростью укорачивается мышца, тем меньшую силу тяги она проявляет.

Взаимодействие человека с окружающей средой, осуществляемое за счет активности соответствующих мышц, происходит через звенья тела, которые в биомеханике рассматриваются как система костных рычагов.

Напомним, что рычаг - это твердое тело, которое может вращаться под действием приложенных сил и которое служит для передачи силы и работы на расстояние. Выделяют два вида рычагов - одноплечие (рычаг второго рода) и двуплечие (рычаг первого рода). Равновесие или движение рычага определяется соотношением моментов сил, приложенных к нему.

Рассмотрим действие мышц на костный рычаг в кинематической паре. В качестве примера приведем действие мышц-сгибателей предплечья при задании удержать груз в руке массой 10 кг. Чтобы упростить задачу, заменим все мышцы-сгибатели локтевого сустава одной эквивалентной мышцей (рис. 8). Такой прием часто используют в биомеханике. Предположим также, что плечо неподвижно, а предплечье и кисть невесомы. Таким образом, в данной системе действуют две силы - сила тяги мышцы (F) и сила тяжести груза (Р). Каждая из этих сил создает момент относительно локтевого сустава. Задание будет выполнено, если момент мышечной тяги будет равен моменту силы тяжести груза. Из равенства моментов сил можно определить силу мышечной тяги, которая в данном примере в десять раз превышает силу тяжести груза. В реальных условиях момент силы мышечной тяги делится между теми мышцами, которые участвуют в его создании.

M(Fm) = M(P)

FM-dM= P'dp

P-dp 100*0,3

f P=100N

Рис.8

Условие равновесия рычага и расчёт силы тяги мышцы

Проигрыш в силе тяги мышц, характерный для большинства суставов тела человека, отражает весьма важную особенность строения скелетно-мышечной системы. Она состоит в том, что мышцы крепятся очень близко к осям вращения в суставах и как следствие этого имеют малые величины плеч сил. Внешние нагрузки действуют на больших плечах сил. Такое строение приводит к проигрышу в мышечных силах, но к выигрышу в размахе и скорости движения в суставе.

Основными причинами изменения силовых возможностей человека при изменении угла в суставе являются: 1) изменение плеча силы тяги мышцы; 2) изменение длины мышцы; 3) изменение угла, под которым мышца тянет за кость (рис. 10).

Силу тяги мышцы (F) можно разложить на две составляющие. Одна из них направлена перпендикулярно предплечью (R) и создает вращательный момент в суставе. Другая составляющая силы (Р) действует вдоль предплечья и укрепляет сустав, вращательного момента она не создает, поскольку проходит через ось вращения в локтевом суставе.

Рис. 10

Изменение силы тяги двуглавой мышцы плеча (F),

составляющих этой силы (Р и R), плеча силы тяги (d),

и угла тяги мышцы за предплечье в зависимости от угла в локтевом суставе

Из рисунка видно, что с увеличением угла в суставе длина мышцы увеличивается, а следовательно, увеличивается и сила ее тяги (F) за кость. Однако вращающая составляющая этой силы (R) и плечо силы тяги мышцы (d) изменяются не столь однонаправленно. Наибольшие величины этих показателей соответствуют позе № 3, и поэтому в ней проявляется наибольший момент силы в суставе. Несмотря на то, что в позе № 1 сила тяги мышцы наибольшая, значительная часть ее расходуется на укрепление сустава, а не на поворот звена. Это связано с тем, что мышца тянет под очень острым углом по направлению к предплечью, а значит, составляющая Р будет больше, чем R.

Рассмотренные закономерности действия мышц на костные рычаги характерны для большинства суставов тела человека.

Гораздо более сложные взаимоотношения в действии мышц на костные рычаги наблюдаются в кинематических цепях. Это связано не только с участием в движении большего числа звеньев тела и мышц, но и с тем, что в теле человека довольно много двусуставных мышц, которые, в отличие от односуставных мышц, обслуживают сразу два сустава. Так, например, прямая мышца бедра разгибает ногу в коленном суставе и сгибает в тазобедренном суставе. Наружная и внутренняя головки трехглавой мышцы голени разгибают стопу в голеностопном суставе и сгибают голень в коленном суставе. Двуглавая мышца плеча сгибает предплечье в локтевом суставе и плечо - в плечевом суставе.

40 60 80 100 120 140 160 180

угол (град.)

Рис.11

Зависимость силы давления стопы на опору от угла в коленном суставе

при разгибании ноги в статическом положении.

На рис. 11 показана зависимость силы давления стопы на опору от угла в коленном суставе при разгибании ноги в статическом положении. Видно, что с увеличением суставного угла сила нелинейно увеличивается и достигает очень больших величин. Показано, что при малых углах в коленном суставе основной вклад в силу давления на опору

осуществляют четырехглавые мышцы бедра и ягодичные мышцы. При больших углах в коленном суставе основную роль играют мышцы задней поверхности бедра.

В упражнениях динамического характера действие двусуставных мышц в кинематических цепях существенно отличается от односуставных мышц. Режим сокращения односуставных мышц жестко связан с изменением угла в суставе. Например, при разгибании в коленном суставе односуставные головки четырехглавой мышцы бедра сокращаются в преодолевающем режиме, при сгибании - в уступающем режиме, а при неизменном угле - в изометрическом режиме. Режим сокращения двусуставных мышц зависит от изменения углов в соседних суставах. Например, если одновременно разгибать ногу в тазобедренном и сгибать в коленном суставе, то прямая мышца бедра будет удлиняться и сокращаться в уступающем режиме. Если же в этих суставах происходит сгибание или разгибание, то режим сокращения прямой мышцы бедра будет зависеть от соотношения угловых скоростей в этих суставах.

Экспериментально показано, что действие двусуставных мышц сводится к следующему.

1. Мышцы могут передавать часть мощности и силы от одних звеньев тела к другим.

2. Мышцы способны накапливать и затем частично отдавать энергию упругой
деформации при изменении длины кинематической цепи за счет разнонаправленного
изменения углов в соседних суставах.

3. Мышцы способны рассеивать (демпфировать) механическую энергию, что
особенно важно для уменьшения ударных нагрузок.

В заключение отметим, что знания изложенных выше закономерностей действия мышц необходимо для правильного применения физических упражнений в тренировочном процессе, и особенно, в развитии двигательных способностей человека.