Физиологические механизмы регуляции мышечной силы

Развитие силы происходит в процессе жизнедеятельности человека. Сила также может развиваться в процессе выполнения специальных физических упражнений.

Сила зависит от многих биологических факторов: физиологического поперечника мышц и соотношения медленных и быстрых волокон, степени возбуждения соответствующих нервных центров, сократительных свойств мышц и их химической активности, запасов АТФ в мышцах, мощности и емкости креатинфосфатного и гликолитического механизмов энергообеспечения. Важное значение в проявлении силы принадлежит координационным способностям и технике овладения движениями.

Единственным прямым источником энергии для мышечного сокращения служит АТФ. Ресинтез этого высокоэнергетического соединения осуществляется тремя путями: креатинфосфатным, гликолитическим, окислительным.

Креатинфосфатный механизм (КрФ) обеспечивает мгновенный ресинтез АТФ за счет энергии КрФ и обладает наибольшей мощностью, которая примерно в 3 раза превышает максимальную мощность гликолитического и в 4–10 раз окислительного механизмов ресинтеза АТФ. Поскольку запасы АТФ и КрФ в мышцах ограничены, емкость КрФ механизма восстановления АТФ невелика и работа с предельной мощностью, обеспечиваемая этим механизмом, может продолжаться 6–10 сек (например, стартовый разгон в спринтерском беге, кратковременные мышечные усилия «взрывного» характера).

Гликолитический механизм обеспечивает ресинтез АТФ и КрФ за счет анаэробного расщепления углеводов – гликогена и глюкозы с образованием молочной кислоты (лактата). Мощность гликолитического механизма в 1,5 раза выше, чем окислительного, а энергетическая емкость в 2,5 раза больше, чем креатинфосфатного. Этот механизм обеспечивает упражнения силовой динамической выносливости продолжительностью (у нетренированного человека) до 2-х мин.

Повышение силы преимущественно связано с адаптивными перестройками на корковом уровне. Эти перестройки выражаются в способности ЦНС рекрутировать (при необходимости) большее число мотонейронов и лучше осуществлять межмышечную координацию. На исполнительском уровне в мышечном аппарате повышается уровень кровоснабжения, улучшаются процессы обмена, увеличиваются запасы энергетических веществ. В результате этих преобразований в мышечном волокне интенсифицируется процесс образования белковых структур по саркоплазматическому или миофибриллярному типу^[80].

Средствами развития силы являются упражнения с повышенным сопротивлением. Они делятся на 2 группы^[81]:

1. Упражнения с внешним сопротивлением. Обычно используют: а) вес предметов; б) противодействие партнера; в) сопротивление упругих предметов; г) сопротивление внешней среды (бег по воде, глубокому снегу, песку).

2. Упражнения с весом собственного тела.

Для развития способности к проявлению силы используют в основном три метода:

1) повторных усилий до отказа;

2) динамических усилий;

3) максимальных усилий^[82].

Эти методы различаются между собой механизмами физиологического и энергетического обеспечения, величиной и специфичностью оперативного и пролонгированного тренировочного эффекта.

Для первого метода характерна длительная (15–25 повторений в одном подходе) мышечная работа в гликолитическом или смешанном режиме энергообеспечения. Метод является оптимальным для нетренированных людей. У этого контингента упражнения с отягощениями 40–50% максимального веса дают почти такой же эффект как и тренировка с субмаксимальными нагрузками.

Метод динамических усилий предполагает кратковременную (в течение 1–2 сек) работу по перемещению предметов небольшого веса с высокой скоростью. Естественно, столь кратковременная работа предопределяет и такое же кратковременное напряжение нервно-мышечного аппарата. Типичным примером такой работы являются различные виды метаний, ударных движений и прыжков.

Для тренировки абсолютной силы используют суб- и максимальные нагрузки (85–100%) с числом повторений от 1 до 3-х в одном подходе и достаточными (5–6 мин) для полного восстановления интервалами отдыха. Механизм энергообеспечения такого тренировочного режима – КрФ. Метод является основным для лиц, регулярно занимающихся силовыми упражнениями. Некоторая схожесть механизмов мышечного сокращения при предельных статических и медленных динамических усилиях создает предпосылки для развития максимальной силы посредством изометрических упражнений. Для этого достаточно принять определенную позу и в обратной зависимости от величины прилагаемого усилия в течение 5–8 сек развивать напряжение определенной группы мышц. В одно тренировочное занятие включают 6–7 упражнений с повторением каждого из них 2–3 раза подряд. Изометрическая тренировка не требует специального оборудования и помещения. Время занятий может ограничиваться 15–20 мин. Существует возможность избирательного воздействия на отдельные мышечные группы за счет изменения положения тела. В частности, изометрические упражнения развивают силу в основном в том положении, в котором проводилась тренировка и уже через 6–8 недель перестают давать положительный эффект; не имеют существенного «переноса» на динамическую силу из-за различий в нейрофизиологическом, морфологическом и биохимическом обеспечении^[83].

Динамическая сила связана с выполнением работы субмаксимальной мощности в течение 8–15 сек по перемещению собственного тела или отягощений равных 60–80% абсолютной силы. В этом случае мышцы работают либо в преодолевающем режиме, либо в уступающем. Преодолевающий режим имеет место при поднимании предметов различного веса и преодолении внешнего сопротивления. К движениям такого рода относят: преодоление сопротивления амортизаторов, поднимание штанги, партнера, подтягивание, разгибание рук и ног и т.п. Уступающий режим характерен для таких движений, как приседание, наклоны туловища назад в положении сидя, сгибание рук в упоре, медленное опускание снарядов и т.п. Упражнения, характерные для преодолевающего режима, могут быть выполнены и в уступающем (разгибание-сгибание рук, подтягивание-опускание) режиме.

Средства развития динамической силы подразделяют на упражнения с внешним сопротивлением, в качестве которого используют предметы различного веса, противодействие партнера, амортизаторы, условия внешней среды и упражнения с отягощением, равным весу собственного тела.

Разновидностью динамической силы является «взрывная» сила. Уровень этой силы определяет успех в таких движениях, как прыжки, бег на короткие дистанции, метания. «Взрывная» сила – это способность нервно-мышечного аппарата к мобилизации силовых возможностей в короткий временной отрезок. Поэтому доминирующим методом ее развития будет метод динамических усилий с использованием различных прыжков, спринтерского бега, метания снарядов. Отличное средство для развития «взрывной» силы – метание набивных мячей и прыжки вверх после приземления.

При всем многообразии описанных выше средств важной методической особенностью их применения является оценка по срочному результату. Например, снижение результатов в прыжках в длину с места, метании набивного мяча, толкании ядра, беге на 30 м должно стать сигналом к прекращению работы, ибо дальнейшее выполнение этих упражнений будет развивать другие силовые способности.

Дифференцирование силовых способностей по динамическим и статическим характеристикам выражается и в таких свойствах мышечного аппарата как динамическая и статическая силовая выносливость. Эти способности детерминированы различными нейрофизиологическими, морфологическими и энергетическими механизмами и поэтому практически не коррелируют между собой.

Динамическая силовая выносливость характеризует способность нетренированного человека выполнять работу умеренной мощности по перемещению отягощений (преодолению сопротивлений) равных 20–40% собственной массы, в диапазоне до 2-х мин. Время работы находится в обратной зависимости от ее мощности. Движения в режиме динамической силовой выносливости выполняются в среднем темпе: увеличение их скорости (темпа) будет приводить к развитию «взрывной» силы, а увеличение веса снаряда (величины сопротивления) − к приросту абсолютной силы. Средства совершенствования этой способности те же, что и для развития других форм силы. Важны не средства, а эргофизиологические режимы их использования. При соответствии этих режимов цели занятия и достигается необходимый тренировочный эффект. Систематическая тренировка в режиме динамической силовой выносливости совершенствует механизмы потребления, транспорта и утилизации кислорода, увеличивает метаболический резерв мышц и способствует значительному приросту мышечной массы. Эту цель преследуют занятия культуризмом и отчасти атлетической гимнастикой.

Статическая силовая выносливость определяется временем поддержания заданного усилия, выражается через импульс силы (кг×сек) и зависит от многих наследственных и средовых факторов. Например, значения этого показателя у всех людей достигает своего максимума в зимний сезон и снижается до минимума в летний. Развитие данного качества в процессе онтогенеза носит поступательный и неравномерный характер. В частности, у женщин наиболее высокие темпы прироста статической силовой выносливости от 8 лет до пика своего естественного развития отмечаются у мышц брюшного пресса (+109,5%), далее у мышц, сгибающих кисть (+36,0%), у мышц − разгибателей ног (+29,3%) и, наконец, у мышц спины (+27,7%). При этом наибольшей выносливостью обладают мышцы спины, разгибатели туловища и ног, меньшей – мышцы, сгибающие кисть, самой низкой – мышцы брюшного пресса. В период существенных инволюционных преобразований сила мышц значительно снижается, в то время как выносливость к статическим нагрузкам на уровне 1/2 и 1/3 максимальной силы достигает у женщин своего пика к возрасту 60–65 лет^[84]. Однако, при сильном напряжении крупных мышечных структур сразу же обнаруживается низкая статическая выносливость мышц спины, брюшного пресса, разгибателей туловища и ног. С увеличением мощности нагрузок требования к сократительным свойствам мышц изменяются, мощность и емкость этого механизма у пожилых людей ограничена. Следовательно, если способность поддерживать субмаксимальное усилие тесно коррелирует с величиной абсолютной силы, то время удержания усилия на уровне приблизительно 50% находится в обратной и нелинейной зависимости от его величины. Лимитируется это время функциональными возможностями ЦНС, мышечного аппарата, кислороднотранспортной и других систем организма.

Статическая силовая выносливость, так же как и статическая сила связана с изометрическим режимом работы мышц. При коррекции этих способностей принципиальное различие состоит в интенсивности и времени воздействия тренировочных нагрузок. Кратковременные (5–10 сек) максимальные усилия совершенствуют статическую силу, более длительные (15–50 сек) – статическую силовую выносливость. К таким упражнениям относят: удержание ног в положении «угла», висы на прямых или согнутых руках, упоры на брусьях и (или) полу, удержание различных отягощений в руках или на плечах в определенной позе и т.п. Каждое упражнение повторяют последовательно 2–5 раз.

Для развития силовой динамической силовой выносливости мышц плечевого пояса, спины и брюшного пресса полезны (в порядке снижения их значимости) занятия атлетической гимнастикой, культуризмом, гиревым и гребным спортом, плаванием и греко-римской борьбой.

Для организма детей в возрасте от 7 до 11–12 лет характерно плавное развитие морфофункциональных систем с некоторым преобладанием темпов роста тела относительно массы. В этом возрасте продолжается окостенение скелета, хотя он еще содержит значительное количество хрящевой ткани; формируется шейная и грудная кривизна; связочный аппарат обладает высокой эластичностью; мышцы-сгибатели превалируют над разгибателями, мышцы туловища − над мышцами конечностей; относительная сила конечностей приближается к показателю взрослых.

Дети способны выполнять очень большой объем работы умеренной и большой мощности. За год тренировки первоклассники могут повысить аэробную выносливость вдвое, причем без существенных морфологических перестроек, только за счет синхронизации систем энергообеспечения^[85]. Для стимулирования естественного роста аэробной функции в период от 7–8 до 10–11 лет применяют нагрузки умеренной мощности циклического характера в диапазоне 4–6 мин и пульсовом режиме не ниже 160 уд./мин. Такие нагрузки эффективны, но недостаточно эмоциональны, поэтому аэробную выносливость у детей младшего школьного возраста тренируют с помощью подвижных и спортивных игр низкой и средней интенсивности.

В этом возрасте сила и уравновешенность нервных процессов относительно невелики, преобладает возбуждение. Это вызывает сравнительно быструю утомляемость, повышенную возбудимость и кратковременность концентрации внимания. Вместе с тем, высокая реактивность и пластичность нервных процессов создают физиологический базис необходимый для быстрого и точного освоения двигательных навыков.

Способности к проявлению силы развивают акцентируя основное внимание на повышении уровня «взрывной» силы с помощью метаний снарядов небольшого веса, прыжков, стартов и т.п. Реализация этих упражнений предполагает максимум усилий в минимум времени. Только в этом случае достигается необходимый эффект. Другие силовые характеристики – абсолютную силу, динамическую и статическую силовую выносливость тренируют в значительно меньшем объеме и направляют в основном на формирование хорошей осанки, укрепление дыхательной мускулатуры и мышц, которые без применения силовых упражнений развиваются медленно. У ребят – это мышцы живота, косые мышцы туловища, отводящие мышцы верхних конечностей, задней поверхности бедра и стопы, а у девочек – мышцы верхних конечностей и плечевого пояса. Силовые нагрузки сочетают с упражнениями на гибкость.

Динамика развития силы у мальчиков характеризуется ускоренными темпами на этапе от 14 до 15 лет. У девочек этот процесс носит более плавный характер и к 15 годам завершается. Естественный прирост силы обусловливается различными физиологическими механизмами: от 8 до 14 лет превалирует механизм увеличения физиологического поперечника мышц, а на этапе от 15 до 17 лет прирост силы связан с увеличением богатых энергией фосфатных соединений^[86]. Прогресс скоростно-силовых качеств также носит дискретный характер, имеет свои «пики» и «провалы». Так, судя по результатам в беге на 30 м со старта, метанию набивного мяча и прыжков в длину с места, «взрывная» сила ног у мальчиков начинает заметно прогрессировать к 13 годам. У девочек в этом возрасте отмечается один из наибольших пиков прироста силы ног. К 14 годам темпы прироста «взрывной» силы мышц ног и туловища замедляются, а к 15 – вновь нарастают как у девочек, так и у мальчиков.

Учитывая отставание силы мышц в этом возрасте от прироста мышечной массы, для тренировки динамической силы используют метод повторных усилий до отказа, но с увеличением веса отягощений, позволяющим выполнить упражнение не более 7–3 раз.

Периодически применяют и метод максимальных усилий. Оптимальное сочетание этих методов исключает интенсивное наращивание мышечной массы и тем самым способствует росту относительной силы. Функциональным возможностям 14–15-летних адекватны и такие упражнения, как метание набивных мячей весом 1–3 кг, кратковременные усилия с небольшими (20–30% от собственного веса) отягощениями, способствующие росту «взрывной» силы. Полезно эпизодически включать в учебно-тренировочный процесс кратковременные (до 5 сек) статические напряжения. Для развития статической и динамической силовой выносливости используют снаряды различного веса, эспандеры, вес партнера и т.п. Тренировка различных форм силы связана с режимами средней и отчасти высокой интенсивности.

На этом этапе жизни подростка можно приобщать практически к любым видам спорта. Для повышения их скоростно-силовой подготовленности оптимальными будут занятия спринтом, легкоатлетическими прыжками и метаниями, тяжелой атлетикой.

При совершенствовании динамической силовой выносливости школьников старшего возраста акцент делают на упражнения по преодолению веса собственного тела: подтягивание, разгибания рук в упоре, приседания на одной ноге и т.п. Динамические и статические упражнения с субмаксимальными усилиями способствуют приросту абсолютной силы. Учебно-тренировочный процесс девушек базируется на совершенствовании «взрывной» силы. Кратковременные упражнения прыжкового характера и метание набивных мячей весом 1–3 кг из различных исходных положений – основные средства развития этого физического качества. Длительные упражнения в сопротивлении, близкие по характеру к изометрическим, развивают статическую силовую выносливость^[87].

Регресс функций организма в молодом и зрелом возрасте не затрагивает силовые способности. Тенденция к снижению уровня «взрывной» и относительной силы к 25–30 годам связана с увеличением массы тела. Силовые способности женщин развивают повышая уровень динамической силы и выносливости мышц живота, разгибателей рук и ног; мужчин – силы и силовой выносливости сгибателей и разгибателей рук. Методом динамических усилий поддерживают уровень «взрывной» силы, а максимальных усилий – абсолютной силы, повторных усилий «до отказа» – выносливости. Основные тренировочные средства – подтягивание, разгибание рук, наклоны туловища, приседание на одной ноге, преодоление сопротивления партнера, упражнения изометрического характера, с набивными мячами, резиновыми амортизаторами, гимнастическими скамейками. Для развития «взрывной» силы молодым людям рекомендуют тяжелую атлетику, спринтерские дистанции в циклических дисциплинах, легкоатлетические прыжки и метания, некоторые виды борьбы (греко-римская, вольная, самбо, дзюдо) и восточных единоборств (каратэ, кикбоксинг, киокушинкай, ушу, джиу-джитсу и т.п.). Гиревой спорт, культуризм, греко-римская борьба, академическая гребля и т.п. совершенствуют динамическую силовую выносливость. Адаптацию организма к статическим нагрузкам обеспечивают парусный и буерный спорт, различные виды стрельбы, фехтование, альпинизм и скалолазание.

А.В. Коробковым^[88] при изучении особенностей мышечной силы у лиц 30–50 лет установлена определенная закономерность: топография силы различных мышечных групп, сформировавшаяся к концу периода полового созревания, сохраняется в основном до 40–50 лет, в то время как показатели относительной силы снижаются ранее, в 30–40 лет. Как правило, наиболее выражено это снижение при сгибании и разгибании туловища, сгибании бедра и приведении плеча. Этим мышечным группам и уделяют особое внимание при развитии «взрывной» и абсолютной силы. Прирост абсолютной силы связан с использованием снарядов предельного (субпредельного) веса в режиме максимальных усилий. Пригодны и упражнения изометрического характера. Для этого занимающиеся принимают определенную позу и в обратной зависимости от величины прилагаемого усилия (80–100% Fmax) в течение 5–10 сек развивают напряжение мышц. Ту же задачу решают статические нагрузки по удержанию максимальных (субмаксимальных) отягощений (например, штанги на плечах в положении полуприседа). В одно тренировочное занятие включают 6–7 таких заданий с повторением каждого из них 2–3 раза.

Метание набивных мячей, кратковременные прыжки, бег 30 м со старта обеспечат прирост «взрывной» силы. Основное внимание уделяют мышцам, наиболее подверженным процессам старения, и профессионально значимым мышцам. Метод повторных усилий пригоден на начальных стадиях тренировки силы, при изучении техники движений. Частое его использование приводит к увеличению мышечной массы, что биологически неоправданно. Этот метод будет основным для повышения силовой выносливости мышц брюшного пресса, разгибателей рук и ног у женщин и сгибателей рук у мужчин. В связи с большим собственным весом значительная часть женщин 29–34 лет вообще не способна выполнить некоторые силовые упражнения. Им создают облегченные условия, используют помощь партнера, варьируют вес отягощений и исходные положения, доводят количество повторений в одном подходе до 20 и более раз.

У мужчин с 40 до 49 лет и у женщин с 39 до 44 лет медленно, но неуклонно регрессирует мышечный аппарат, скоростно-силовые качества понижаются в среднем на 9%, а статическая и динамическая силовая выносливость – на 15%. Структуру двигательной подготовленности мужчин по-прежнему определяет фактор динамической силовой выносливости (40%) и в меньшей степени (25,4%) – скоростно-силовой подготовленности. Для изменения структуры и уровней физического состояния используют те же средства и методы, что и на предыдущем возрастном этапе. Ограничивают нагрузки лишь по параметрам мощности и координационной сложности упражнений при сохранении заданных физиологических режимов.

Инволюционные перестройки, ухудшающие скоростные свойства мышц, в старшем и пожилом возрасте лежат и в основе снижения силовых способностей. Особенно заметен этот регресс в отношении разгибателей туловища, сгибателей бедра и мышц приводящих плечо. Именно на эти мышцы рекомендуют воздействовать в первую очередь. Прирост относительной силы обеспечивается совершенствованием статической и динамической «взрывной» силы. Ограничивают упражнения изометрического характера, сопровождающиеся задержкой дыхания и натуживанием. Предпочтение отдают метанию набивных мячей, прыжкам, упражнениям в сопротивлении и преодолении массы собственного тела. После тщательного изучения техники движений рекомендовано применять отягощения 70–80% от максимума. Снижение веса снарядов с увеличением времени работы обеспечивает прирост динамической силовой выносливости. Силовые упражнения чередуют с упражнениями на гибкость. Увеличение подвижности в суставах ограничивает до некоторой степени развитие таких возрастных болезней, как остеохондроз и полиатрит.

В возрасте старше 60 лет у мужчин и 55 лет у женщин темпы инволюционных процессов нарастают на всех уровнях и охватывают практически все морфофункциональные системы. Активизация дегенеративно-дистрофических процессов в опорно-двигательном аппарате сопровождается ограничением подвижности в суставах, изменением осанки и снижением силы. Раньше и отчетливее деструктивные изменения происходят в икроножной и переднеберцовой мышцах, затем в мышцах спины и живота, и наконец, в мышцах рук^[89]. Изменение топографии силы мышц связано с их неодинаковой функциональной активностью. Более активные мышцы, такие как сгибатели рук и разгибатели ног, меньше подвержены процессам инволюции.