Работа и сила мышц

Основное свойство мышечной ткани, образующей скелетные мышцы, - сократимость приводит к изменению длины мышцы под влиянием нервных импульсов. Мышцы действуют на кости рычагов, соединяющихся при помощи суставов. При этом каждая мышца действует на сустав только в одном направлении. У одноосного сустава (цилиндрического, блоковидного) движение костных рычагов совершается только вокруг одной оси, поэтому мышцы располагаются по отношению к такому суставу с двух сторон и действуют на него в двух направлениях (сгибание - разгибание; приведение - отведение, вращение). Например, у локтевого сустава одни мышцы - сгибатели, другие - разгибатели. Друг по отношению к другу эти мышцы, действующие на сустав в противоположных направлениях, являются антагонистами. Как правило, на каждый сустав в одном направлении действуют две или более мышц. Такие содружественные по направлению действия мышцы называют синергистами. У двуосного сустава (эллипсоидный, мыщелковый, седловидный) мышцы группируются соответственно двум его осям, вокруг которых совершаются движения. К шаровидному суставу, имеющему три оси движения (многоосный сустав), мышцы прилежат с нескольких сторон и действуют на него в разных направлениях. Так, например, у плечевого сустава имеются мышцы - сгибатели и разгибатели, осуществляющие движение вокруг фронтальной оси, отводящие и приводящие - вокруг сагиттальной оси и вращатели - вокруг продольной оси (вовнутрь - пронаторы и кнаружи - супинаторы).

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

Для функциональной характеристики мышц используются такие показатели, как их анатомический и физиологический поперечник. Анатомический поперечник - это величина (площадь) поперечного сечения, перпендикулярного длиннику мышцы и проходящего через брюшко в наиболее широкой его части. Этот показатель характеризует величину мышцы, ее толщину. Физиологический поперечник мышцы представляет собой суммарную площадь поперечного сечения всех мышечных волокон, входящих в состав исследуемой мышцы. Поскольку сила сокращающейся мышцы зависит от количества мышечных волокон, величины поперечного сечения, то физиологический поперечник мышцы характеризует ее силу. У мышц веретенообразной, лентовидной формы с параллельным расположением волокон анатомический и физиологический поперечники совпадают. Иная картина у перистных мышц, имеющих большое количество коротких мышечных пучков. Из двух равновеликих мышц, имеющих одинаковый анатомический поперечник, у перистой мышцы физиологический поперечник 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 по сравнению с последней обладает большей силой, однако размах сокращения ее коротких мышечных волокон меньше. Перистые мышцы имеются там, где необходима значительная сила мышечных сокращений при сравнительно небольшом размахе движений (мышцы голени, стопы, некоторые мышцы предплечья). Мышцы веретенообразной, лентовидной формы, построенные из длинных мышечных волокон, при сокращении укорачиваются на большую величину. В то же время они развивают меньшую силу, чем перистые мышцы, имеющие одинаковый с ними анатомический поперечник.

Работа мышц. Поскольку концы мышцы прикреплены на костях, то точки ее начала и прикрепления при сокращении приближаются друг к другу, а сами мышцы при этом выполняют определенную работу. Таким образом, тело человека или его части при сокращении соответствующих мышц изменяют свое положение, приходят в движение, преодолевают сопротивление силы тяжести или, наоборот, уступают этой силе. В других случаях при сокращении мышц тело удерживается в определенном положении без выполнения движения. Исходя из этого, различают преодолевающую, уступающую и удерживающую работу мышц.

Преодолевающая работа мышц выполняется в том случае, если сила сокращения мышцы изменяет положение части тела, конечности или ее звена, с грузом или без него, преодолевая силу сопротивления.

Уступающей называют работу, при которой сила мышцы уступает действию силы тяжести части тела (конечности) и удерживаемого ею груза. Мышца работает, однако она не укорачивается при этом, а, наоборот, удлиняется; например, когда невозможно поднять или удержать на весу предмет, имеющий большую массу. При большом усилии мышц приходится опустить это тело на пол или на другую поверхность.

Удерживающая работа выполняется, если силой мышечных сокращений тело или груз удерживается в определенном положении без перемещения в пространстве. Например, человек стоит или сидит, не двигаясь, или держит груз в одном и том же положении. Сила мышечных сокращений уравновешивает массу тела или груза. При этом мышцы сокращаются без изменения их длины (изометрическое сокращение).

Преодолевающую и уступающую работу, когда сила мышечных сокращений перемещает тело или его части в пространстве, можно рассматривать как динамическую работу. Удерживающая работа, при которой движения всего тела или части тела не происходит, является работой статической.

Кости, соединенные суставами, при сокращении мышц действуют как рычаги. В биомеханике выделяют рычаг первого рода, когда точки сопротивления и приложения мышечной силы находятся по разные стороны от точки опоры, и рычаг второго рода, в котором обе силы прилагаются по одну сторону от точки опоры, на разном расстоянии от нее.

Рычаг первого рода двуплечий носит название «рычаг равновесия». Точка опоры располагается между точкой приложения силы (сила мышечного сокращения) и точкой сопротивления (сила тяжести, масса органа). Примером такого рычага может служить соединение позвоночника с черепом. Равновесие достигается при условии, если вращающий момент прилагаемой силы (произведение силы, действующей на затылочную кость, на длину плеча, которая равна расстоянию от точки опоры до точки приложения силы) равен вращающему моменту силы тяжести (произведение силы тяжести на длину плеча, равную расстоянию от точки опоры до точки приложения силы тяжести).

Рычаг второго рода одноплечий. В биомеханике (в отличие от механики) он бывает двух видов. Вид такого рычага зависит от места расположения точки приложения силы и точки действия силы тяжести, которые и в том, и в другом случае находятся по одну сторону от точки опоры. Первый вид рычага второго рода (рычаг силы) имеет место в том случае, если плечо приложения мышечной силы длиннее плеча сопротивления (силы тяжести). Рассматривая в качестве примера стопу, можно видеть, что точкой опоры (ось вращения) служат головки костей плюсны, а точкой приложения мышечной силы (трехглавой мышцы голени) является пяточная кость. Точка сопротивления (тяжесть тела) приходится на место сочленения костей голени со стопой (голеностопный сустав). В этом рычаге отмечаются выигрыш в силе (плечо приложения силы длиннее) и проигрыш в скорости перемещения точки сопротивления (ее плечо короче). У второго вида одноплечевого рычага (рычага скорости) плечо приложения мышечной силы короче, чем плечо сопротивления, где приложена противодействующая сила, сила тяжести. Для преодоления силы тяжести, точка приложения которой отстоит на значительном расстоянии от точки вращения в локтевом суставе (точка опоры), необходима значительно большая сила мышц-сгибателей, прикрепляющихся вблизи от локтевого сустава (в точке приложения силы). При этом наблюдаются выигрыш в скорости и размахе движения более длинного рычага (точка сопротивления) и проигрыш в силе, действующей в точке приложения этой силы.