Работа мышц при занятиях физической культурой и спортом
План:
1. Сила мышц.
2. Мышцы антагонисты и синергисты.
3. Законы рычага и работа мышц.
4. Типы работы мышц, примеры из спортивной практики.
В предыдущей лекции мы говорили о состоянии мышц и, в частности, выяснили, что сокращенное состояние мышц – рабочее состояние, т.е., такое, когда мышцы, сокращаясь, проявляют свою силу. Различные мышцы выполняют различную работу в зависимости от условий прикрепления их на скелете. В одних мышцах происходит очень значительное сближение мест прикрепления, в других – лишь небольшое укорочение. Разные функции, естественно, связаны с различием в их внутреннем строении. Зависимость между формой и функцией во внутренней структуре мышцы лучше всего видна при сравнении веретенообразных мышц с перистыми. Опытом установлено, что мышцы могут сокращаться более чем на половину своей длины. Следовательно, чем длиннее мышечное волокно, тем больше будет величина укорочения мышц, и наоборот. В веретенообразной мышце мы имеем длинные волокна, и максимальная величина укорочения ее будет больше, чем в перистой, где каждое волокно короткое. Зато в веретенообразной мышце, по сравнению с перистой, при одинаковом их весе будет приблизительно во столько же раз меньше волокон, во сколько будет больше длина каждого отдельного волокна.
Вопрос о том, какая мышца будет сильнее, решается просто: сила мышцы зависит от числа волокон, т.к. и короткие, и длинные волокна, при прочих равных условиях, могут развивать одинаковую силу. Поскольку величина укорочения мышцы зависит от длины её волокон, веретенообразные мышцы, проигрывая в силе, выигрывают в величине, на которую они могут укоротиться. Таким образом, если мы дадим для обеих мышц равного веса максимальные для каждой из них нагрузки и заставим их поднять эти грузы на максимальную для каждой из них высоту, то работа, совершённая той и другой мышцей, будет абсолютно одинаковой. Однако в этом случае одна из них выигрывает в пути (величине) укорочения (веретенообразная), но проигрывает в силе, а другая (перистая), наоборот, выигрывает в силе, но проигрывает в величине укорочения. Поэтому там, где в скелете между точками прикрепления мышц имеется большой размах движения, мышца будет с параллельными волокнами. В том же случае, если размах движения невелик, мышца имеет перистое строение. Перистое строение мышцы позволяет использовать большое число коротких мышечных волокон в тех случаях, когда размах движения невелик, но расстояние между началом и прикреплением мышцы очень значительно и намного превышает длину каждого волокна.
Таким образом, абсолютная сила мышцы, или подъёмная сила мышцы, при прочих равных условиях (утомление, состояние нервной системы, тренировки и прочее) зависит от количества мышечных волокон, входящих в состав данной мышцы. Однако подсчитать количество волокон, составляющих мышцу, даже у животных достаточно трудно. Поэтому при определении силы мышцы учитывают площадь поперечного сечения её – так называемый анатомический поперечник. При определении подъёмной силы следует учитывать особенности её внутреннего строения. У веретенообразных мышц направление волокон параллельно длине мышцы. Площадь поперечного сечения волокон этих мышц проходит как раз перпендикулярно длине мышцы. Определение этой площади у перистых мышц несколько труднее. Ввиду того, что особенностью данной мышцы является наличие сухожилия, идущего или посередине (двуперистая), или с краю (одноперистая) мышцы, пло-щадь перпендикулярного сечения каждого волокна проходит наискось по отношению к длине мышцы. Суммируя сечения отдельных волокон (физиологический поперечник), нетрудно убедиться, что общая их площадь значительно превышает площадь поперечного сечения веретенообразной мышцы, имеющей одинаковый с поперечной мышцей объём.
Многочисленные эксперименты (Фик, Майер и др.) показали, что подъемная сила мышц, имеющих площадь поперечного сечения в 1см2, для разных мышц и у разных животных неодинакова. Ориентировочно можно считать её равной 10 кг. Если при определении подъёмной силы мышцы исходить из этой цифры, то она, по данным Фишера, равна для сгибателей предплечья приблизительно 160 кг, для сгибателей же голе-
ни (полусухожильной, полуперепончатой и двуглавой бедра) – 480 кг.
Степень подвижности в суставе зависит не только от его формы и устройства связочного аппарата, но и от того, в какой мере проходящие около сустава мышцы позволяют использовать эту подвижность. В одних случаях величина подвижности может уменьшаться за счёт так называемой «пассивной недостаточности»; в других случаях эта подвижность может оставаться неиспользованной из-за отсутствия или недостаточности тяги тех мышц, которая необходима, чтобы произвести данное движение. Примером последнего является вращательное движение в шаровидных пястно-фаланговых суставах вокруг вертикальной оси, которое выполнить можно только пассивно или же, зафиксировав данный палец, вращать остальную часть кисти. Производить активное вращательное движение пальцев в этих суставах при неподвижной кисти не удается как раз из-за отсутствия мышц, выполняющих данное движение.
Многосуставные мышцы могут тормозить некоторые движения в суставах, мимо которых они проходят, в значительно большей мере, чем мышцы односуставные. Например, амплитуда движений в тазобедренном суставе при сгибании, а также разгибании зависит от положения голени по отношению к бедру. Вам хорошо известно, что если при сгибании бедра в тазобедренном суставе голень согнута в коленном суставе, то и это движение можно произвести в значительно большей мере, чем в том случае, когда голень удерживается в разогнутом положении. Объяснение этого явления заключается в том, что мышцы, расположенные на задней поверхности бедра, идущие с таза на голень, при сгибании голени не противодействует значительному сгибанию бедра. Наоборот, при разогнутой голени эти мышцы натягиваются в силу их меньшей, чем у односуставных мышц, относительной длины и в большей мере, чем эти последние, тормозят движение. Такая особенность двусуставных мышц обозначается также термином «пассивная недостаточность». В отношении степени подвижности отдельных звеньев конечностей эта недостаточность имеет большое значение.
Каждая часть нашего тела, соединенная с другой частью, называется кинематическим звеном. Два звена, соединенные подвижно друг с другом, образуют кинематическую пару. Весь организм человека можно рассматривать, с механической точки зрения, как кинематическую цепь, представляющую собой последовательно или разветвлено соединенные многочисленные кинематические пары. В организме человека можно выделить замкнутые и свободные кинематические цепи. Примером постоянно замкнутой цепи является цепь, составленная грудиной – ребром – позвонком – ребром – грудиной. Примером свободной цепи может быть свободно висящая рука.
Характер движений кинематических пар в замкнутой и свободной цепях различен. Так, когда человек стоит двумя ногами на земле (замкнутая цепь: земля – левая нога – таз – правая нога – земля), то сокращение какой-либо односуставной мышцы, например подколенной, окажет влияние на движение голени и бедра в коленном суставе, а окольным путем – на движение таза, бедра и голени другой стороны тела. Если этой замкнутости нет, то дело обстоит проще, а именно: происходит движение главным образом дистального звена. Так, когда человек стоит на одной ноге, т.е. нет замкнутой цепи (земля – нога – таз – нога – земля), то при сокращении на другой ноге той же подколенной мышцы может происходить перемещение только голени на стороне сокращения мышцы. Сопутствующие движения в этом случае возможны, но они гораздо меньше заметны, а могут быть и полностью исключены, если проксимальный отдел зафиксирован.
Ранее уже было сказано, что все мышечные элементы, как и вся мышца в целом, обладают способностью лишь к одностороннему действию, т.е. они приходят в движение только за счет своего укорачивания. Отталкивание мышца совершать не может. Это основное положение позволяет нам сделать вывод относительно расположения мышц. Если имеется активный аппарат, который сближает кости только при помощи сокращения, т.е. производит, например, на руке сгибание в локтевом суставе, то обратное движение – разгибание – данная мышца произвести уже не может. Для разгибания нужна другая мышца, расположенная с противоположенной стороны сустава. Следовательно, здесь для движений сгибания и разгибания необходим не один, а два механизма. Каждое полное движение – сгибание и разгибание – в одном и том же суставе обеспечивается, как минимум, двумя мышцами, расположенными на противоположенных сторонах сустава. Таким образом, для осуществления движения какого-либо звена тела необходимо, так сказать, дублирование мускулатуры, т.е. каждое движение звена должно быть обеспечено не только сгибающей, но, одновременно, и разгибающей мышцами. Такие мышцы, совершающие противоположенные движения, называются антагонистами. С другой стороны, мышцы, которые выполняют общую работу, участвуя в одном и том же движении, т.е. мышцы, расположенные по одну сторону оси сустава, называются синергистами.
Какого-либо действительного антагониста в работе мышц нет, т.к. мышцы не только содружественны, но и в противоположном действии работают согласованно, совместно обеспечивая выполнение того или иного движения. Комбинации содружественной и противоположной работы могут быть чрезвычайно разнообразны. Мышцы, являющиеся для данного движения синергистами, для другого движения могут становиться антагонистами. Например, сгибатели и разгибатели кисти – антагонисты друг другу при действии на фронтальную ось лучезапястного сустава. При движении же кисти вокруг саггитальной оси того же сустава, локтевой разгибатель и локтевой сгибатель кисти работают уже как синергисты.
Гораздо сложнее сочетание работы мышц, расположенных на значительных расстояниях друг от друга. Они образуют содружественно работающие комплексы, обуславливающие возможность выполнения данного движения. Например, наружная косая мышца живота одной стороны и внутренняя косая другой, сокращаясь одновременно, принимают совместное участие во вращении туловища в одну и ту же сторону.
В каждом движении, как правило, работает не одна мышца и даже не одна группа мышц, а несколько содружественно действующих групп. Среди них всегда можно выделить мышцы, которые производят данные движения непосредственно, и мышцы, способствующие укреплению тех отделов тела, на которые опирается действующее звено.
В то время как содружественные синергические группы мышц обуславливают возможность выполнения данного движения, другие мышцы противоположного действия - антагонисты, благодаря своему тонусу или сокращению, это движение регулируют, т.е. делают движение плавным, размеренным. Без регулирующего влияния антагонистов сокращение одних только синергистов может дать порывистое толчкообразное движение.
Следующий вопрос – тонус мышцы, обуславливающий готовность ее к сокращению. Регулируется ЦНС, зависит от импульсов, возникающих в самой мышце. Тонус мышц увеличивается при растяжении мышцы, что используется в спортивной практике при разминке. В зависимости от тонуса мышца может находиться в расслабленном, сокращенном или в среднем состоянии. В зависимости от этого мышца может выполнять преодолевающую работу – это когда мышца преодолевает тяжесть какой-то части тела или сопротивления; уступающую работу – когда мышца расслабляется, уступая действию силы тяжести, и удерживающую работу – когда происходит уравновешивание силы действия и сопротивления. Движение отсутствует. Разберем это на примере работы дельтовидной мышцы при движениях:
1) отведение руки
2) удерживание в горизонтальном направлении
3) медленное приведение к туловищу.
Дельтовидная мышца все время находится в состоянии напряжения, но работа ее неодинакова. В первом случае – преодолевающая, во втором случае – удерживающая, в третьем – уступающая работа.
Уступающая работа важна для спортсменов, так как позволяет увеличить силу и скорость движений, потому что при растягивании мышц происходит накапливание энергии, которая используется для последующего движения. В работе мышцы важна ее силовая характеристика. Представление о силе мышцы может дать количество мышечных волокон, точнее, суммарная площадь поперечного сечения всех мышечных волокон. Из механических условий: на силу мышц оказывает влияние площадь прикрепления мышцы к кости и угол, под которым она к ней подходит.
На прошлой лекции мы говорили о статическом и динамическом напряжении или работе мышц. Остановимся на этом вопросе более подробно, так как и то, и другое напряжение имеют разновидности. Разберем такой пример: дельтовидная мышца при отведении руки в сторону, при удерживании ее в горизонтальном положении и, наконец, во время медленного приведения ее к туловищу оказывается напряженной, но работа ее неодинакова. Так, в первом случае дельтовидная мышца сокращена, и длина ее уменьшается, ее напряжение преодолевает силу тяжести руки, и поэтому этот вид работы мышцы называется динамической преодолевающей. В третьем случае, наоборот, сокращенная дельтовидная мышца удлиняется, степень ее напряжения уменьшается, уступая действию силы тяжести – мышца работает динамической уступающей работой. И, наконец, во втором случае – работа дельтовидной мышцы носит статический характер, т.к. длина мышцы не изменяется, но работа ее направлена на уравновешивание действий силы тяжести, в результате чего движение отсутствует. Работа в данном случае называется статической удерживающей.
Однако здесь необходимо учитывать еще и то, что мышца при своем сокращении действует с одинаковой силой и на кость, от которой она начинается, и на ту кость, к которой она прикрепляется. Отсюда следует, что в нашем примере во всех трех случаях должна двигаться и лопатка. Но этого не происходит, потому что одновременно с дельтовидной мышцей сокращается и нижняя часть трапециевидной мышцы, которая тянет лопатку в противоположенном направлении тяги дельтовидной мышцы. Причем она при этом не изменяет своей длины и работает статической фиксирующей работой.
Разберем другой пример. Тяжелоатлет поднимает штангу весом, предположим, 150 кг. В момент отрыва штанги от опорной поверхности все суставы верхних конечностей испытывают большие нагрузки на растяжение. Лучезапястный, локтевой и, особенно, плечевой суставы имеют обширную, слабо натянутую капсулу и сравнительно слабый связочный аппарат, который не может выдержать таких нагрузок. Однако разрыв капсул и связок не происходит. Это объясняется тем, что все мышцы, окружающие эти суставы, в это время находятся в сокращенном состоянии, причем без изменения длины, т.е. они работают статической работой, но эта работа направлена на укрепление суставов. Вот поэтому они называются статической укрепляющей работой.
Под баллистической работой мышц подразумевают резкое, быстрое, преодолевающее сокращение, произведенное после предварительного растяжения мышц, как это наблюдается, например, на верхней конечности при метании. Движение данного звена, скажем, предплечья, при баллистической работе продолжается по инерции после того, как сама мышца или мышечная группа, вызвавшая данное движение, уже перешла в состояние расслабления.
Принято считать направлением тяги мышцы прямую, соединяющую центр места начала с центром места прикрепления. Однако в действительности лишь в редких случаях направление движения полностью совпадает с направлением тяги мышц. В связи с этим равнодействующую силу мышечной тяги мы можем разложить на две составляющие. Так, одна составляющая сила направлена от места приложения равнодействующей вдоль кости к оси сустава, в котором происходит движение. Эта составляющая есть часть силы мышцы, действующая на сжатие кости и прижатие ее к другой кости в суставе, т.е., укрепляющая сустав. Если построить параллелограмм сил, то мы получим вторую составляющую силу, называемую полезной составляющей. Эта последняя составляющая идет от точки приложения равнодействующей мышцы и показывает направление движения точки приложения мышечной силы при движении кости в суставе. Обращает на себя внимание тот факт, что полезная составляющая по своей величине всегда меньше равнодействующей мышцы.
Степень участия какой-либо мышцы в том или ином движении, равно как и степень ее тормозящего действия на движение в суставе, зависит не только от величины ее подъемной силы, но так же и от плеча силы, под которым, как известно, подразумевается величина перпендикуляра, опущенного из оси вращения на равнодействующую данной силы, в данном случае – равнодействующую мышцы. Следовательно, степень этого участия зависит от вращающего момента силы мышцы, который представляет собой произведение величины ее подъемной силы на плечо этой силы.
Плечо силы мышцы, в отличие от самой силы мышцы, является переменной величиной, зависящей от положения данного костного звена по отношению к другому звену, с ним сочленяющемуся, т.е., от угла между ними. Так, например, по мере сгибания руки в локтевом суставе, сухожилия мышц, идущих спереди от него (двуглавой, плечевой и плечелучевой), отходят несколько вперед от сустава. Таким образом, плечо силы указанных мышц при сгибании в локтевом суставе приблизительно до прямого угла увеличивается, а затем уменьшается, и это, естественно, сказывается на вращающем моменте силы мышечной тяги.
В конкретном примере сгибания в локтевом суставе плечо силы двуглавой мышцы плеча изменяется следующим образом (данные Брауна и Фишера):
При угле локтевого сустава: 0о плечо силы равно 11,5 мм;
20˚ плечо силы равно 16,5 мм;
40˚ плечо силы равно 26,9 мм;
60˚ плечо силы равно 43,5 мм;
100˚ плечо силы равно 45,5 мм;
120˚ плечо силы равно 39,2 мм.
Из приведенных данных видно, что при сгибании в локте под углом 100˚ плечо силы бицепса в 4 раза больше, чем при 0˚. Это означает, что при постоянном моменте силы (т.е. для достижения одинакового двигательного эффекта) при угле 100˚ требуется в 4 раза меньшее напряжение мышцы.
Абсолютная величина силы мышц человека очень значительна, и мы не всегда представляем себе, какими резервами в этом отношении обладаем. Так, при сгибании в локте обычно развивается сила до 40 кг, а сама мышца-сгибатель тянет до 250 кг. И еще: действительная тяга трехглавой мышцы голени через ахиллово сухожилие на пяточную кость составляет свыше 500 кг. ( Франк). Все вышесказанное является следствием того, что наши звенья – кости, - есть рычаг, а тяга мышц является одной из сил, действующей на рычаг.
Позволим напомнить, что рычаг – твердое тело, которое может под действием приложенных сил вращаться вокруг опоры в двух противоположных направлениях, а также сохранять свое положение. Как простейший механизм, рычаг служит для передачи движения и силы на расстояние. Каждый рычаг должен иметь точку опоры и две точки приложения взаимно противодействующих сил. В механизме, как известно, принято различать рычаги двух родов – первого и второго. Если две силы расположены по обе стороны от точки опоры и действуют в одном направлении, то такое тело является рычагом первого рода, или иначе его называют рычагом равновесия. Если силы приложены по одну сторону от точки опоры и направлены в разные стороны, то рычаг именуется рычагом второго рода.
Роль рычагов в организме человека выполняют твердые основы - звенья, т.е., кости. В большей части случаев опора костного рычага представлена в суставе. Постоянной силой, действующей на рычаг вообще и, в частности, на костный рычаг, является сила притяжения земли, которая равна весу данного рычага, приложена в центре тяжести данного рычага и направлена всегда вертикально вниз. Вторая, противодействующая силе тяжести, - мышечная сила. Она всегда приложена к рычагу в центре места прикрепления ее к кости и направлена к центру места начала мышцы, обычно под некоторым углом к рычагу.
Примером рычага первого рода является голова при вертикальном положении человека. Опора данного рычага находится в атлантозатылочном суставе. Центр тяжести головы расположен в области спинки турецкого седла, а его вертикаль проходит спереди атлантозатылочного сустава. Это говорит о том, что голова у нас всегда стремится упасть на грудь. Однако этому препятствует напряжение задних мышц шеи, которые прикладывают свою силу в области затылочной кости, сзади опоры рычага. При равенстве моментов силы тяжести и силы мышц голова, как рычаг, будет находиться в состоянии равновесия.
В большинстве случаев в организме человека мышцы действуют на кости как рычаг второго рода. Известно, что рычаги второго рода, в зависимости от взаиморасположения точек приложения сил, подразделяются на рычаги скорости и силы. Рычаг силы характеризуется тем, что плечо силы мышцы больше плеча силы тяжести, а рычаг скорости наоборот – плечо силы мышцы меньше, т.е. точка приложения мышечной силы находится ближе к точке опоры, нежели точка приложения силы тяжести (центр тяжести).
Разберем такой пример: рычаг – предплечье с кистью, его опора – локтевой сустав; точка приложения силы тяжести – центр тяжести – находится, примерно, в дистальной трети предплечья; мышечная сила – плечевая сила, которая приложена к бугристости и венечному отростку локтевой кости вблизи от локтевого сустава. Здесь налицо рычаг скорости, так как плечо силы мышцы меньше плеча силы тяжести. Таким образом, у этой разновидности рычага имеется проигрыш в подъемной силе за счет значительной амплитуды и скорости движения рычага. Однако если в данном примере мы возьмем другую мышцу, а именно – плечелучевую, прикрепляющуюся несколько выше шиловидного отростка лучевой кости, мы будем иметь также рычаг второго вида, но уже так называемый рычаг силы. Почему? Да потому, что плечо мышечной силы больше плеча силы тяжести. В этом случае имеется выигрыш в силе за счет проигрыша в амплитуде и в скорости движения. Стоит только нагрузить свободной конец рычага каким-либо грузом, как данный рычаг, с учетом и той, и другой мышц, станет рычагом скорости, т.к. точка приложения силы тяжести (центр тяжести предплечья и кисти плюс вес нагрузки) в данном случае переместится в область кисти, тем самым увеличив плечо силы тяжести.
Увеличение массы скелетных мышц регулируется работой желез внутренней секреции: гормоном роста, выделяемым передней долей гипофиза, гормоном щитовидной железы и половым гормоном, андрогеном, который у женщин вырабатывается в коре надпочечников, а у мужчин – в коре надпочечников и в яичках.
В течение жизни человека можно выделить несколько этапов увеличения массы скелетных мышц. Первый приходится на 6 – 7-летний возраст, когда начинается торможение функций эпифиза, сдерживающего половое развитие. Второй наблюдается между 11 – 15 годами в момент активизации функций половых желез. У женщин в большинстве случаев в этом периоде масса мышечной ткани стабилизируется, у мужчин прирост мышечной ткани продолжается. У спортсменов содержание гормонов, влияющих на рост мышечной массы, выше, чем у лиц, не занимающихся спортом. Это и обеспечивает спортсменам увеличение массы мускулатуры. Установлено, что степень развития мускулатуры зависит также от характера питания. Так, при кормлении мясом быстро возрастает масса скелетных мышц, однако их выносливость к статическим нагрузкам уменьшается. При растительной диете мышцы имеют меньший объем, но повышается при этом их выносливость к статическим нагрузкам.
Сила мышц – величина непостоянная. Она зависит от пола и возраста. Установлено, что до 4 – 5 лет показатели силы различных мышечных групп мало различаются. В дальнейшем они увеличиваются неодинаково – больше всего возрастает сила мышц-разгибателей позвоночника, бедра и голени. Максимальное увеличение силы мышц наблюдается от 20 до 40 – 50 лет. Регулярные тренировки увеличивают силу мышц на 40 – 60 % от исходной величины. Нерегулярные тренировки со снижением нагрузки на 15 – 40 % от максимальной уже через 2 – 3 месяца ведут к снижению силы на 5 – 7 %.
Современные исследования в области кинезиологии, которые позволили по-новому взглянуть на возможную зависимость мышечной силы от функции внутренних органов (прикладная кинезиология, базирующаяся на наличии эмбрионально установленных связей между отдельной мышцей, функцией определённого органа, активностью конкретного канала меридианной системы, подвижностью в определённом позвоночном двигательном сегменте, состоянием психо-эмоциональной сферы.
В заключение данной лекции необходимо сказать, что так называемая функциональная гипертрофия мышц заключается в том, что по мере упражнений объем мышц увеличивается, их волокна утолщаются и становятся более эластичными, заметного увеличения количества мышечных волокон при этом многими авторами не отмечается. Однако последние исследования П.З. Гудзь показывают, что у животных в эксперименте на тренажере происходит продольное разделение мышечных волокон.
При работе мышц статического характера, связанной с длительными напряжениями, не сопровождающимися движениями, возможно изменение строения мышц, заключающееся в некотором укорочении мышечных волокон и удлинении сухожильной части мышцы. При работе динамического характера, наоборот, может происходить некоторое увеличение мышечной части за счет уменьшения сухожильной.
Вопросы для самоконтроля и коррекции знаний:
1. В чем отличие поперечнополосатой мышечной ткани от сердечной?
2. В чем отличие “быстрых” скелетных мышечных волокон от “медленных”?
3. Какие мышцы бывают по форме и по направлению мышечных волокон?
4. Какие образования относятся к вспомогательному аппарату мышц?
5. В чем проявляется структурная перестройка мышц под влиянием физических нагрузок?
6. Привести примеры преодолевающей, уступающей и удерживающей работы из спортивной практики.
7. Что такое тонус мышц?
8. Привести примеры рычагов 1 и 2 родов в двигательном аппарате человека.
9. Понятие о мышечной силе.
10.Роль спорта в развитии мышц.
Лекция № 7