РАБОТА МЫШЦ. ЭЛЕМЕНТЫ БИОМЕХАНИКИ

РАБОТА МЫШЦ. ЭЛЕМЕНТЫ БИОМЕХАНИКИ

Основное свойство мышечной ткани, образующей скелетные мышцы, - сократимость. Под влиянием нервных импульсов мышца укора- чивается. Мышцы действуют на костные рычаги, соединяющиеся при помощи суставов, и каждая мышца действует на сустав в одном направлении. У одноосного сустава (цилиндрический, блоковидный) костные рычаги совершают движение только вокруг одной оси. Мышцы располагаются с двух сторон по отношению к такому суставу и действуют на него в двух направлениях (сгибание - разгибание, приведение - отведение, вращение внутрь - пронация, кнаружи - супинация). Мышцы, дей- ствующие на сустав в противоположных направлениях (сгибатели и разгибатели), являются антагонистами. На каждый сустав в одном направлении действуют, как правило, две мышцы или более. Такие содружественно действующие в одном направлении мышцы называют синергистами. У двуосного сустава (эллипсоидный, мыщелковый, седловидный) мышцы группируются соответственно двум его осям, вокруг которых совершаются движения. К шаровидному суставу, имеющему три

Рис. 126. Схема анатомического (сплошная линия) и физиологического (прерывистая линия) поперечников мышц различной формы: I - лентовидная мышца; II - веретенообразная мышца; III - одноперистая мышца

оси движения (многоосный сустав), мышцы прилежат с нескольких сторон и действуют на него в разных направлениях. Так, например, возле плечевого сустава имеются мышцы-сгибатели и разгибатели, осуществляющие движение вокруг фронтальной оси. Отводящие и приводящие мышцы выполняют движение вокруг сагиттальной оси, мышцы-вращатели - вокруг продольной оси (внутрь - пронаторы и кнаружи - супинаторы).

В группе мышц, выполняющих то или иное движение, можно выделить основные, главные, обеспечивающие данное движение, и вспомогательные, о подсобной роли которых говорит само название. Они дополняют, моделируют движение, придают ему индивидуальные особенности.

Для функциональной характеристики мышц используют их анатомический и физиологический поперечники (рис. 126). Анатомический поперечник показывает величину мышцы, ее толщину, площадь ее поперечно- го сечения, перпендикулярного длиннику мышцы и проходящего через брюшко в наиболее широкой его части. Физиологический поперечник представляет собой суммарную площадь поперечного сечения всех мышечных волокон, входящих в состав мышцы. Поскольку сила сокращающейся мышцы зависит от величины поперечного сечения мышечных волокон, физиологический поперечник мышцы характеризует ее силу. У мышц веретенообразной и лентовидной формы с параллельным расположением волокон анатомический и физиологический поперечники совпадают. Из двух равновеликих мышц, имеющих одинаковый анатомический попереч- ник, у перистой мышцы физиологический поперечник будет больше, чем у веретенообразной. Суммарное поперечное сечение мышечных волокон

у перистой мышцы больше, а сами волокна короче, чем у веретенообразной. В связи с этим перистая мышца обладает большей силой, но размах сокращения ее коротких мышечных волокон будет меньше, чем у веретенообразной мышцы. Перистые мышцы имеются там, где необходима зна- чительная сила мышечных сокращений при сравнительно небольшом размахе движений (мышцы голени, стопы, некоторые мышцы предплечья). Веретенообразные, лентовидные мышцы, построенные из длинных мышечных волокон, при сокращении укорачиваются на значительную величину. Размах движений с участием таких длинных мышц большой. Веретенообразные, лентовидные мышцы развивают меньшую силу, чем перистые мышцы, имеющие одинаковый с ними анатомический поперечник. Так, например, портняжная мышца человека имеет лентовидную форму, она состоит из длинных мышечных волокон. При сокращении она может переместить бедро на большое расстояние, хотя ее сила невелика. Перистая дельтовидная мышца, состоящая из множества коротких волокон, переместит плечо на короткое расстояние, развивая при этом большую подъемную силу

Для вычисления абсолютной силы мышцы массу максимального груза (кг), который может поднять мышца, делят на площадь ее физиологического поперечника (см2). Этот показатель у человека для разных мышц составляет от 6,24 до 16,8 кг/см2. Так, например, абсолютная сила икроножной мышцы - 5,9 кг/см2, трехглавой мышцы плеча - 11,4 кг/см2. И.М. Сеченов определил среднюю подъемную силу мышцы человека, равной 8 кг/см2. Известно также, что напряжение, развиваемое одним мышечным волокном, колеблется в пределах от 0,1 до 0,2 г.

Путем умножения мышечной силы на скорость укорочения мышцы можно вычислить мощность мышечного сокращения. Скорость сокра- щения мышцы показывает величину ее укорочения в единицу времени. Эта скорость зависит от нагрузки (силы сопротивления), которую мышца преодолевает при сокращении.

Скелетная мышца передает костям силу своего сокращения через сухожилия. Нервный импульс вызывает мышечное сокращение, кото- рое в мышце проявляется укорочением и развитием напряжения. Укорочение мышцы ведет к напряжению сухожилий, прикрепляющихся к костным рычагам.

Поскольку концы мышцы или их сухожилия прикреплены к костям, то точки ее начала и прикрепления при сокращении мышцы приближаются друг к другу, а сами мышцы при этом выполняют определенную работу. Таким образом, тело человека или его части при сокращении со- ответствующих мышц изменяют свое положение, приходят в движение,

преодолевают сопротивление силы тяжести или, наоборот, уступают этой силе. В некоторых случаях при сокращении мышц тело удерживается в определенном положении без движения, как при сидении, спокойном стоянии. Особенности сокращения и действие на костные рычаги позволяют различать преодолевающую, уступающую и удерживающую работу мышц.

Преодолевающая работа выполняется тогда, когда сила сокращения мышцы изменяет положение части тела, конечности или ее звена с грузом или без него. При этом мышца преодолевает вес груза, тяжесть всего тела, его части.

Уступающей работой называют ту работу, при которой сила мышцы уступает действию силы тяжести части тела (конечности) или удерживаемого ею груза. Мышца работает, но не укорачивается, а наоборот, удлиняется. Например, когда тело, имеющее большую массу, невозможно поднять или удержать на весу. При большом усилии мышц приходится опустить такой груз.

Удерживающая работа выполняется тогда, когда силой мышечных сокращений груз удерживается в определенном положении без перемещения в пространстве. Например, человек сидит или стоит, не двигаясь, или держит груз. Сила мышечных сокращений уравновешивает массу тела или груза, при этом мышцы сокращаются без изменения их длины (изометрическое сокращение мышц).

Преодолевающую и уступающую работу, когда силой мышечных сокращений тело или его части перемещаются в пространстве, выполняя определенные движения, можно рассматривать как динамическую рабо- ту. Удерживающая работа, при которой движения всего тела или части тела не происходит, является работой статической.

Кости, соединенные суставами, при сокращении мышц действуют как рычаги. Если на рычаг (кость) действуют с двух сторон две силы, то одна из них будет действующей, другая противодействующей. В орга- низме человека действующей силой является сила мышечного сокращения, противодействует ей либо сила тяжести тела, либо сила сокращения других мышц-антагонистов. Плечом силы является часть тела, его сегмент, на конец которого действует эта сила. Чем длиннее плечо рычага, на которое действует сила, тем эффективнее работа рычага. Расположение точки опоры по отношению к точкам приложения действующей и противодействующей сил определяет тип рычага (рис. 127).

В биомеханике выделяют рычаги первого и второго рода. У рычага первого рода (рычаг равновесия) точки приложения действующих на него сил (сопротивления и приложения мышечной силы) находятся по разные

Рис. 127. Схема действия мышц на костные рычаги: I - рычаг равновесия; II - рычаг силы; III - рычаг скорости; А - точка опоры; Б - точка приложения силы; В - точка сопротивления

стороны от точки опоры. Этот рычаг двуплечий (рычаг равновесия). Примером может служить соединение позвоночника с черепом. Точка опоры лежит на поперечной оси, проходящей через мыщелки затылочной кости. Точкой приложения силы является зона прикрепления мышц-разгибателей к затылочной кости. Противодействующей (сила сопротивления) является сила тяжести головы. Сокращение мышц-разгибателей предотвращает сгибание головы под влиянием силы тяжести. Этот рычаг находится в состоянии равновесия, если момент вращения прилагаемой силы (произведение величины мышечной силы, действующей на затылочную кость, на длину плеча - расстояние от точки опоры до точки приложения силы) равен моменту вращения силы тяжести. Момент вращения силы тяжести является произведением величины силы тяжести на длину соответствующего плеча (расстояние от точки опоры до точки приложения силы тяжести).

Рычаг второго рода одноплечий, обе силы прилагаются по одну сторону от точки опоры. В зависимости от места приложения мышечной силы и противодействия силы тяжести (сила сопротивления) различают два вида рычага второго рода. Первый - это рычаг силы, когда плечо приложения мышечной силы длиннее плеча сопротивления (силы тяжести). Например, точкой опоры и осью вращения стопы служат головки костей плюсны. Точкой приложения мышечной силы, на которую действует трехглавая мышца голени, является пяточная кость. Точкой со- противления (тяжести тела) является блок таранной кости, через который проходит поперечная ось голеностопного сустава. Плечо силы тяжести, которая действует на стопу в голеностопном суставе, короткое, плечо приложения мышечной силы (сокращение икроножной мышцы) - длинное. Благодаря этому большой вес тела человека уравновешивается сокращением икроножной мышцы. В рычаге силы имеется выигрыш в силе, но скорость передвижения уменьшена.

Вторая разновидность рычага второго рода - рычаг скорости, у которого плечо приложения мышечной силы короче, чем плечо сопротивления. Примером рычага скорости являются локтевой сустав и дей- ствующие на образующие его кости силы. В этом рычаге точкой опоры (ось вращения) является центр локтевого сустава, точкой приложения силы мышц-сгибателей предплечья является бугристость локтевой кости, которая находится вблизи локтевого сустава (короткое плечо приложения силы). Точка сопротивления, на которую действует противодействующая сила тяжести, находится на удалении от сустава - это кисть и груз, который может на ней находиться. Расстояние от точки опоры до точки сопротивления («плечо сопротивления») в этом случае длинное.

Для преодоления силы тяжести, которая действует на значительном расстоянии от точки опоры, необходимо очень большое усилие мышцсгибателей, прикрепляющихся в точке приложения силы, расположен- ной вблизи локтевого сустава. При этом, в отличие от рычага силы, имеются выигрыш в скорости и размахе движения более длинного рычага (предплечье и кисть) и проигрыш в силе, действующей в точке ее приложения.

YAmedik.org