Робота м'язів. ЕЛЕМЕНТИ біомеханіки
Робота м'язів. ЕЛЕМЕНТИ біомеханіки
Основна властивість м'язової тканини, що утворює скелетні м'язи, - скоротність. Під впливом нервових імпульсів м'яз укора- чивается. М'язи діють на кісткові важелі, що з'єднуються за допомогою суглобів, і кожен м'яз діє на суглоб в одному напрямку. У одноосного суглоба (циліндричний, блоковідний) кісткові важелі здійснюють рух тільки навколо однієї осі. М'язи розташовуються з двох сторін по відношенню до такого суглобу і діють на нього в двох напрямках (згинання - розгинання, приведення - відведення, обертання всередину - пронація, назовні - супінація). М'язи, дей ствующие на суглоб в протилежних напрямках (згиначі і розгиначі), є антагоністами. На кожен суглоб в одному напрямку діють, як правило, два м'язи або більше. Такі содружественно діючі в одному напрямку м'язи називають синергистами. У двуосного суглоба (еліпсоїдні, мищелковий, сідлоподібний) м'язи групуються відповідно двом його осях, навколо яких відбуваються руху. До кулястих суглобу, має три
Мал. 126. Схема анатомічної (суцільна лінія) і фізіологічного (переривчаста лінія) діаметрів м'язів різної форми: I - стрічкоподібна м'яз; II - веретеноподібна м'яз; III - одноперістие м'яз
осі руху (багатовісної суглоб), м'язи прилягають з декількох сторін і діють на нього в різних напрямках. Так, наприклад, біля плечового суглоба є м'язи-згиначі і розгиначі, які здійснюють рух навколо фронтальної осі. Відводять і приводять м'язи виконують рух навколо сагітальної осі, м'язи-обертачі - навколо поздовжньої осі (всередину - пронатори і назовні - супінатори).
У групі м'язів, що виконують той чи інший рух, можна виділити основні, головні, що забезпечують даний рух, і допоміжні, про підсобної ролі яких говорить сама назва. Вони доповнюють, моделюють рух, надають йому індивідуальні особливості.
Для функціональної характеристики м'язів використовують їх анатомічний і фізіологічний поперечники (рис. 126). Анатомічний поперечник показує величину м'язи, її товщину, площа її поперечно го перетину, перпендикулярного довжині м'яза і проходить через черевце в найбільш широкій його частині. Фізіологічний поперечник являє собою сумарну площу поперечного перерізу всіх м'язових волокон, що входять до складу м'яза. Оскільки сила скорочується м'язи залежить від величини поперечного перерізу м'язових волокон, фізіологічний поперечник м'язи характеризує її силу. У м'язів веретеноподібної і лентовидной форми з паралельним розташуванням волокон анатомічний і фізіологічний поперечники збігаються. З двох рівновеликих м'язів, що мають однаковий анатомічний поперечник, у перистої м'язи фізіологічний поперечник буде більше, ніж у веретенообразной. Сумарне поперечний переріз м'язових волокон
у перистої м'язи більше, а самі волокна коротше, ніж у веретенообразной. У зв'язку з цим пір'яста м'яз має більшу силу, але розмах скорочення її коротких м'язових волокон буде менше, ніж у веретенообразной м'язи. Перисті м'язи є там, де необхідна зна ве сила м'язових скорочень при порівняно невеликому розмаху рухів (м'язи гомілки, стопи, деякі м'язи передпліччя). Веретеноподібні, стрічкоподібні м'язи, побудовані з довгих м'язових волокон, при скороченні коротшають на значну величину. Розмах рухів за участю таких довгих м'язів великий. Веретеноподібні, стрічкоподібні м'язи розвивають меншу силу, ніж перисті м'язи, які мають однаковий з ними анатомічний поперечник. Так, наприклад, кравецька м'яз людини має стрічкоподібними форму, вона складається з довгих м'язових волокон. При скороченні вона може перемістити стегно на велику відстань, хоча її сила невелика. Периста дельтоподібний м'яз, що складається з безлічі коротких волокон, перемістить плече на коротку відстань, розвиваючи при цьому велику підйомну силу
Для обчислення абсолютної сили м'язи масу максимального вантажу (кг), який може підняти м'яз, ділять на площу її фізіологічного поперечника (см2). Цей показник у людини для різних м'язів становить від 6,24 до 16,8 кг / см2. Так, наприклад, абсолютна сила литкового м'яза - 5,9 кг / см2, триголовий м'язи плеча - 11,4 кг / см2. І.М. Сєченов визначив середню підйомну силу м'язи людини, яка дорівнює 8 кг / см2. Відомо також, що напруга, що розвивається одним м'язовим волокном, коливається в межах від 0,1 до 0,2 м
Шляхом множення м'язової сили на швидкість укорочення м'яза можна обчислити потужність м'язового скорочення. Швидкість сокра- щення м'язи показує величину її укорочення в одиницю часу. Ця швидкість залежить від навантаження (сили опору), яку м'яз долає при скороченні.
Скелетний м'яз передає кістках силу свого скорочення через сухожилля. Нервовий імпульс викликає м'язове скорочення, кото рої в м'язі проявляється укороченням і розвитком напруги. Скорочення м'язи веде до напруги сухожиль, що прикріплюються до кісткових важелів.
Оскільки кінці м'язи або їх сухожилля прикріплені до кісток, то точки її початку і прикріплення при скороченні м'яза наближаються одна до одної, а самі м'язи при цьому виконують певну роботу. Таким чином, тіло людини або його частини при скороченні з- відповідних м'язів змінюють своє становище, приходять в рух,
долають опір сили тяжіння або, навпаки, поступаються цій силі. У деяких випадках при скороченні м'язів тіло утримується в певному положенні без руху, як при сидінні, спокійному стоянні. Особливості скорочення і дію на кісткові важелі дозволяють розрізняти преодолевающую, поступається і утримує роботу м'язів.
Долає робота виконується тоді, коли сила скорочення м'яза змінює положення частини тіла, кінцівки або її ланки з вантажем або без нього. При цьому м'яз долає вага вантажу, тяжкість всього тіла, його частини.
Поступається роботою називають ту роботу, при якій сила м'язи поступається дії сили тяжіння частини тіла (кінцівки) або утримується нею вантажу. М'яз працює, але не коротшає, а навпаки, подовжується. Наприклад, коли тіло, що має велику масу, неможливо підняти або утримати на вазі. При великому зусиллі м'язів доводиться опустити такий вантаж.
Утримує робота виконується тоді, коли силою м'язових скорочень вантаж утримується в певному положенні без переміщення в просторі. Наприклад, людина сидить або стоїть, не рухаючись, або тримає вантаж. Сила м'язових скорочень врівноважує масу тіла або вантажу, при цьому м'язи скорочуються без зміни їх довжини (ізометричне скорочення м'язів).
Долають і поступається роботу, коли силою м'язових скорочень тіло або його частини переміщаються в просторі, виконуючи певні рухи, можна розглядати як динамічну роботу. Утримує робота, при якій руху всього тіла або частини тіла не відбувається, є роботою статичної.
Кістки, з'єднані суглобами, при скороченні м'язів діють як важелі. Якщо на важіль (кістка) діють з двох сторін дві сили, то одна з них буде чинною, інша протидіє. В орга низме людини діючою силою є сила м'язового скорочення, протидіє їй або сила тяжіння тіла, або сила скорочення інших м'язів-антагоністів. Пліч-о-сили є частина тіла, його сегмент, на кінець якого діє ця сила. Чим довше плече важеля, на яке діє сила, тим ефективніше робота важеля. Розташування точки опори по відношенню до точок докладання діючої і протидіє сил визначає тип важеля (рис. 127).
У біомеханіки виділяють важелі першого і другого роду. У важеля першого роду (важіль рівноваги) точки прикладання діючих на нього сил (опору і додатки м'язової сили) знаходяться по різні
Мал. 127. Схема дії м'язів на кісткові важелі: I - важіль рівноваги; II - важіль сили; III - важіль швидкості; А - точка опори; Б - точка прикладання сили; В - точка опору
боку від точки опори. Цей важіль двуплечий (важіль рівноваги). Прикладом може служити з'єднання хребта з черепом. Точка опори лежить на поперечної осі, що проходить через виростків потиличної кістки. Точкою прикладання сили є зона прикріплення м'язів-розгиначів до потиличної кістки. Протидіє (сила опору) є сила ваги голови. Скорочення м'язів-розгиначів запобігає згинання голови під впливом сили тяжіння. Цей важіль знаходиться в стані рівноваги, якщо момент обертання додається сили (твір величини м'язової сили, що діє на потиличну кістку, на довжину плеча - відстань від точки опори до точки прикладання сили) дорівнює моменту обертання сили тяжіння. Момент обертання сили тяжіння є твором величини сили тяжіння на довжину відповідного плеча (відстань від точки опори до точки прикладання сили тяжіння).
Важіль другого роду одноплечий, обидві сили додаються по одну сторону від точки опори. Залежно від місця докладання м'язової сили і протидії сили тяжіння (сила опору) розрізняють два види важеля другого роду. Перший - це важіль сили, коли плече додатка м'язової сили довше за плече опору (сили тяжіння). Наприклад, точкою опори і віссю обертання стопи служать головки кісток плесна. Точкою м'язової сили, на яку діє триголовий м'яз гомілки, є п'яткова кістка. Точкою з- спротиву (ваги тіла) є блок таранної кістки, через який проходить поперечна вісь гомілковостопного суглоба. Плече сили тяжіння, яка діє на стопу в гомілковостопному суглобі, коротке, плече додатка м'язової сили (скорочення литкового м'яза) - довге. Завдяки цьому велику вагу тіла людини врівноважується скороченням литкового м'яза. В важелі сили є виграш в силі, але швидкість пересування зменшена.
Другий різновид важеля другого роду - важіль швидкості, у якого плече додатка м'язової сили коротше, ніж плече опору. Прикладом важеля швидкості є ліктьовий суглоб і дей ствующие на що утворюють його кістки сили. У цьому важелі точкою опори (вісь обертання) є центр ліктьового суглоба, точкою прикладання сили м'язів-згиначів передпліччя є горбистість ліктьової кістки, яка знаходиться поблизу ліктьового суглоба (коротке плече прикладання сили). Точка опору, на яку діє протидіє сила тяжіння, знаходиться на видаленні від суглоба - це кисть і вантаж, який може на ній перебувати. Відстань від точки опори до точки опору ( «плече опору») в цьому випадку довге.
Для подолання сили тяжіння, яка діє на значній відстані від точки опори, необхідно дуже велике зусилля мишцсгібателей, що прикріплюються в точці прикладання сили, розташованої ної поблизу ліктьового суглоба. При цьому, на відміну від важеля сили, є виграш в швидкості і розмаху руху більше довгого важеля (передпліччя і кисть) і програш в силі, що діє в точці її застосування.