Меню

Механические модели мышц это

Мышца, ее биомеханическая модель, свойства отдельных компонентов

Активной частью двигательного аппарата является скелетная мышца. Мышцы составляют от 1/3 до ½ веса тела человека, а выполнение двигательной функции в основном принадлежит поперечно-полосатой скелетной мускулатуре.

На разных этапах изучения мышцы предпринимались попытки предложить механической модели. Для Вебера такой моделью мышцы была витая стальная пружина, другими учеными была предложена модель: пружина, погруженная в вязкую жидкость (демпфер – вязкий компонент).

В 1924 г. Хилл предложили новую модель мышцы, состоящей из пружины, закрепленной с одного конца, соединенная с диском с другого конца, погруженного в вязкую жидкость. Хилл утверждал, что мышца содержит недемпфированный и демпфированный элементы.

На современном этапе скелетная мышца рассматривается как система, состоящая из трех элементов:

1 – собственно сократительный (контрактильный), состоит из актино-миозинового комплекса. Модель сокращения основана на теории скользящих нитей (Дещеревский, 1968). Взаимодействие между актином и миозином осуществляется посредством мостиков. Мостики находятся в трех состояниях: замкнутые мостики, развивающие тянущую силу; замкнутые мостики, тормозящие скольжение нитей; разомкнутые мостики.

2 – последовательно-упругий компонент (ПОУК), соединенный последовательно с контрактильным.

3 – параллельно-упругий компонент (ПАУК), параллельно соединенный с контрактильным.

Свойства контрактильного компонента мышцы подразделяются на:

1) биологические свойства;

2) собственно механические свойства;

3) квазимеханические свойства (немеханической природы), связанные с образованием и разрывом актин-миозиновых мостиков, зависят от степени возбуждения мышцы.

К биологическим свойствам мышечного волокна относят:

Возбудимость – способность под действием нервного импульса изменять свои свойства.

Сократимость – способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги.

Релаксация – свойство мышцы, проявляющееся в уменьшении их напряжения во времени при равной длине. Оно оценивается временем релаксации, уменьшение натяжения за определенный промежуток времени. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во время глубокого приседа спортсмен делает паузу.

К механическим свойствам, а также при изменении состояния мышцы, и к квазимеханическим, относят:

Жесткость – способность противостоять прикладываемым силам. Жесткость определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы, характеризуется коэффициентом жесткости: Кж = ΔF / Δl (Н/м). Величина жесткости мышцы от 0,5 до 3,73 10 4 Н/м.

Жесткость мышцы зависит и от спортивной специализации: больше коэффициенты жесткости у представителей скоростно-силовых и силовых видов спорта, наименьшая – специализирующихся в проявлении выносливости.

Твердость мышц – свойство оказывать сопротивление при местных контактных воздействиях, направленных на вдавливание.

К свойствам мышцы необходимо добавить пластичность – которая обуславливает необратимые изменения в мышечной ткани.

Читайте также:  Подтягивание на турнике программа тренировок для роста мышц

Вязкость мышечного волокна обусловлена наличием вязкой среду внутри мышечной клетки – саркоплазмы. С повышением температуры вязкость саркоплазмы уменьшается.

Демпфирование – свойство материала гасить колебания, или рассеивать энергию (за счет наличия внетримышечного трения и наличия вязкой среды). Методы определения рассеивания энергии подразделяются на прямые и косвенные. Прямыми являются методы, основанные на законе сохранения энергии, косвенные основаны на изучения затухающих колебаний.

Механический импеданс – отношение амплитуды гармонической вынуждающей силы к комплексной амплитуде скорости при гармонических вынужденных колебаниях исследуемой системы.

Мышца обладает упруго-вязкими свойствами. Вследствие этого во взаимосвязи «сила-длина» при циклической нагрузке наблюдается такое явление, как гистерезис: сила, образуемая во время увеличения длины, больше силы, образуемой при такой же длине мышцы при сокращении длины.

Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 1484 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Продолжение лекции по мышцам

Рис. 5. Трехкомпонентная модель мышцы.

Выделяют три компонента: мышечные волокна, соединительно-тканные образования, расположенные параллельно мышечным волокнам, и сухожилия. Биомеханические свойства этих компонентов различны.

1) Мышечные волокна характеризуются высокой вязкостью, поэтому в модели их имитируют демпфером. Вязкая жидкость характеризуется прямой пропорциональностью между напряжением и скоростью деформации. Этот элемент в модели носит название сократительного компонента (СокК).

2) Второй компонент – фасция, которой окружена мышца, а также соединительно-тканные образования, окружающие мышечные пучки, мышечные волокна, миофибриллы и т.д. В этом компоненте наиболее выражены упругие свойства мышц. Так как этот компонент расположен параллельно мышечным волокнам, он получил название параллельный упругий компонент (ПаУК). В модели он имитируется пружиной с нелинейной зависимостью между силой и удлинением.

3) Третий компонент – сухожилие. В этом компоненте также преобладают упругие свойства, однако, жесткость этого компонента больше, чем у параллельного упругого компонента (напоминаем, что жесткость – это коэффициент пропорциональности между силой и удлинением пружины). Чем выше жесткость, тем больше сила упругости, возникающая при растяжении (деформации тела). Мышечные волокна переходят в сухожилия, то есть этот компонент расположен последовательно относительно сократительного компонента, поэтому он называется последовательным упругим компонентом (ПоУК). В модели он также имитируется пружиной с нелинейной зависимостью между силой и удлинением.

Используя данную модель и несколько ее упрощая (для некоторых начальных условий) можно с помощью нескольких дифференциальных уравнений вычислить характерную зависимость деформации мышцы во времени при приложении к ней воздействия:

Читайте также:  Как расслабить прямые мышцы спины

Такая зависимость достаточно хорошо описывает процесс нарастания деформации ε (t), полученный в эксперименте.

В терминах механической модели (трехкомпонентной) в применении к модели скользящих нитей:

Параллельный упругий элемент определяет механические свойства внешних мембран клеток (сарколеммы) и внутренних структур (Т-системы и саркоплазматического ретикулума).

Последовательный элемент определяет упругость актин-миозинового комплекса, обусловленную, прежде всего, местами прикрепления актина к Z-дискам и местами соединения мостиков с активными центрами тонких нитей.

Вязкий элемент η обусловлен скольжением нитей актина относительно миозина. Эта компонента резко возрастает при пассивном режиме мышцы, так как в этом случае мостики разомкнуты. Это проявляется в возможности сильного растяжения пассивной мышцы даже при незначительных нагрузках.

Активное сокращение мышцы.

Для исследования характеристик сокращающихся мышц используют два искусственных режима:

1. Изометрический режим, при котором длина мышцы l =const, а регистрируется развиваемая сила F(t).

2. Изотонический режим, при котором мышца поднимает постоянный груз Р=const, а регистрируется изменение ее длины во времени Δ l (t).

При изометрическом режиме с помощью фиксатора (рис. 6, а) предварительно устанавливают длину мышцы l. После установки длины на электроды Э подается электрический стимул и с помощью датчика регистрируется функция F(t). Вид функции F(t) в изометрическом режиме для двух различных длин представлен на рис. 7, а.

Максимальная сила Р, которую может развивать мышца, зависит от ее начальной длины и области перекрытия актиновых и миозиновых нитей, в которой могут замыкаться мостики: при начальной длине саркомера 2,2 мкм в сокращении участвуют все мостики. Поэтому максимальная сила генерируется тогда, когда мышца предварительно растянута на установке (рис. 6, а) так, чтобы длины ее саркомеров были близки к 2,2 мкм. На рис. 7, а это соответствует начальный длинам двух мышц 11 и 12. Но так как количество мостиков в мышце 11 больше, чем в 12 (11 > 12), то сила, генерируемая 11 больше.

При изотоническом режиме к незакрепленному концу мышцы подвешивают груз Р (рис.6, б). После этого подается стимул и регистрируется изменение длины мышцы во времени: Δ l (t). Вид этой функции в изотоническом режиме для двух различных нагрузок показан на рис.7, б.

Как следует из рис. 7.б, чем больше груз Р, тем меньше укорочение мышцы и короче время удержания груза. При некоторой нагрузке Р = Р мышца совсем перестает поднимать груз; это значение Р и будет максимальной силой изометрического сокращения для данной мышцы (рис. 7, а).

Источник

Трехкомпонентная модель мышцы

Понять механику мышечного сокращения помогает представление мышцы в виде механической модели, составленной из комбинации сократительных и упругих компонентов (рис.2.5). Упругие компоненты мышцы моделируем в виде пружин с нелинейными упругими свойствами. Представление о мышце как о трехкомпонентной системе является биомеханической моделью. Это не означает, что мышца реально (то есть материально, вещественно) состоит из трех этих компонентов, а лишь означает, что мышца обладает свойствами, характерными для тех элементов, которыми мы моделируем мышцу. Выявив в предыдущем параграфе свойства элементов, из которых мы моделируем мышцу, рассмотрим, как эта модель будет разгонять биокинематические звенья.

Читайте также:  Упражнения для подтяжки мышц внутренней стороны бедра

Если мышца не была предварительно растянута, то ее следует рассматривать как систему, состоящую из сократительного (саркомер) и последовательного упругого компонентов (сухожилия мышц, места перехода миофибрилл в соединительную ткань). При возбуждении нерастянутой мышцы начинается процесс укорочения контрактильного компонента. Сила тяги, развиваемая контрактильным элементом при его укорочении, будет растягивать последовательный упругий компонент, передавая через него усилие разгоняемому звену. Растягивание последовательного упругого компонента будет длиться до тех пор, пока скорость звена не уравняется со скоростью контрактильного компонента. С этого момента растянутая последовательная пружина освобождается от деформирующей нагрузки и начинает релаксировать (восстанавливать исходную длину). Высвобождаемая при релаксации пружины энергия упругой деформации переходит в кинетическую энергию перемещаемого звена, сообщая ему дополнительную скорость. Скорость звена становится больше скорости сократительного процесса, и дальнейшее его стимулирование с потреблением энергии от организма становится нецелесообразным.

Рис.2.5 Трехкомпонентная модель мышцы (по В.М.Зациорскому)

Таким образом, важнейшие свойства системы, составленной из сократительного и последовательно упругого элементов, является ее способность сообщать звену скорость, превышающую максимальную скорость сокращения мышцы.

При растягивании пассивной мышцы в параллельном упругом компоненте возникают силы упругой деформации. Зависимость между длиной пассивной мышцы и упругими силами показана на кривой 2, рис.2.6.

При возбуждении предварительно растянутой мышцы суммарная сила тяги активной мышцы (кривая 3, рис.2.6) равна сумме сил, которые проявляют: а) контрактильный компонент мышцы (кривая 1, рис.2.6), параллельный упругий компонент (кривая 2, рис.2.6).

Еще И.М.Сеченовым было замечено, что высокая скорость достигается тогда, когда мышцы посредством которых оно выполняется, сокращаются, находясь перед этим в сильно растянутом состоянии. Это явление получило в дальнейшем название баллистической работы.

Вывод о целесообразности баллистического эффекта не нов. Встает только вопрос, а как этого добиваться?

Дата добавления: 2015-05-09 ; Просмотров: 1527 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Adblock
detector