Меню

Механические свойства и механическая модель мышцы

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.

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.

Читайте также:  Все базовые упражнения для дельтовидных мышц

Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 1485 ; Нарушение авторских прав?

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

Источник

Биомеханические свойства скелетных мышц человека

В третьей лекции по дисциплине «Биомеханика мышц» для студентов НГУ им. П.Ф.Лесгафта рассматриваются биомеханические свойства скелетных мышц человека: сократимость, жесткость, вязкость, прочность, релаксация. Рассмотрена трехкомпонентная модель мышцы.

Лекция 3

Биомеханические свойства скелетных мышц человека

Анализируя предмет биомеханики, А.А. Ухтомский (1927) указывал: «Биомеханика изучает ту же систему нервно-мышечных приборов как рабочую машину, то есть задается вопросом, каким образом полученная механическая энергия движения и напряжения может приобрести определенное рабочее применение» (С. 141). Начиная с этой лекции, мы будем рассматривать именно этот аспект деятельности мышц.

3.1. Биомеханические свойства мышц

Биомеханические свойства скелетных мышц – это характеристики, которые регистрируют при механическом воздействии на мышцу.

Следует отметить, что в условиях живого организма изучение биомеханических свойств мышц крайне затруднено. В этой лекции, кроме биомеханических свойств мышц, приводятся данные о свойствах сухожилий и связок.

К биомеханическим свойствам мышц относятся:

Сократимость

Сократимость – способность мышцы укорачиваться при возбуждении, в результате чего возникает сила тяги.

В первой лекции было подробно рассмотрено строение первичного сократительного элемента мышцы – саркомера. В 1966 году А. Гордон, А. Хаксли и Ф. Джулиан провели специальные исследования, позволившие установить зависимость силы, развиваемой саркомером, от его длины. Одно из предположений, касающихся механизма скольжения филаментов, заключалось в том, что каждый поперечный мостик (миозиновая головка) действует подобно независимому генератору силы. Поэтому уровень силы, развиваемой во время сокращения, должен зависеть от количества одновременных взаимодействий между толстыми и тонкими филаментами. Это предположение подтвердилось. Действительно, существуют критические значения длины саркомера, при которых развиваемая им сила падает до нуля (рис.3.1).

Рис. 3.1. Схема, иллюстрирующая зависимость между степенью перекрытия толстых и тонких филаментов и силой, развиваемой саркомером (по: A.M. Gordon, A.F. Huxley. F.J. Julian, 1966)

Первое критическое значение длины саркомера равно 1,27 мкм. Оно соответствует максимальному укорочению мышцы. В этом состоянии мышцы регулярность расположения толстого и тонкого филаментов нарушается, они искривляются. Поэтому количество одновременных взаимодействий между филаментами резко уменьшается. Сила падает до нуля. Второе критическое значение длины саркомера равно 3,65 мкм. Оно соответствует максимальному удлинению мышцы. При максимальном растяжении саркомера перекрытия толстых и тонких филаментов нет, поэтому сила уменьшается до нуля. Если длина саркомера находится в интервале от 1,27 мкм до 3,65 мкм, значение силы отличается от нуля. Максимальная сила, которую способен развить саркомер, соответствует значениям его длины – от 1,67 до 2,25 мкм.

Жесткость

Жесткость материала – характеристика тела, отражающая его сопротивление изменению формы при деформирующих воздействиях (В.Б. Коренберг, 2004). Чем больше жесткость тела, тем меньше оно деформируется под воздействием силы. Закон Гука гласит, что сила упругости, возникающая при растяжении или сжатии тела, пропорциональна его удлинению.

Читайте также:  За какое время можно накачать грудные мышцы на брусьях

Жесткость материала характеризуется коэффициентом жесткости (k). Единица измерения жесткости тела – Н/м. Жесткость линейной упругой системы, например, пружины, есть величина постоянная на всем участке деформации.

В отличие от пружины, мышца представляет собой систему с нелинейными свойствами. Это связано с тем, что структура мышцы очень сложна. Поэтому для мышцы зависимость силы от удлинения будет отлична от закона Гука. Возникающая в мышце сила упругости не пропорциональна удлинению. Вначале мышца растягивается легко, а затем даже для небольшого ее растяжения необходимо прикладывать все большую силу. Поэтому часто мышцу сравнивают с трикотажным шарфом, который вначале легко растягивается, а затем становится практически нерастяжимым. Иными словами, жесткость мышцы с ее удлинением возрастает. Из этого следует, что мышца представляет собой систему, обладающую переменной жесткостью. В этом случае коэффициент жесткости k равен первой производной силы по деформации материала. Установлено, что жесткость активной мышцы в 4-5 раз больше жесткости пассивной мышцы. В табл. 3.1. представлены значения коэффициентов жесткости мышц-сгибателей стопы у представителей разных видов спорта.

Таблица 3.1 Значения коэффициента жесткости мышц-сгибателей стопы у представителей различных видов спорта

(по: А.С. Аруину, В.М. Зациорскому, Л.М. Райцину, 1977)

Вязкость

Вязкость – свойство жидкостей, газов и «пластических» тел оказывать неинерционное сопротивление перемещению одной их части относительно другой (смещение смежных слоев). При этом часть механической энергии переходит в другие виды, главным образом в тепло (В.Б. Коренберг, 1999).

Это свойство сократительного аппарата мышцы вызывает потери энергии при мышечном сокращении, идущие на преодоление вязкого трения. Предполагается, что трение возникает между толстыми и тонкими филаментами при сокращении мышцы. Кроме того, трение возникает между возбужденными и невозбужденными мышечными волокнами. Это связано с тем, что соседние мышечные волокна «связаны» посредством эндомизия. Поэтому, если возбуждены все мышечные волокна, трение должно быть меньше. Показано, что при сильном возбуждении мышцы, ее вязкость резко уменьшается (Г.В. Васюков,1967).

Если абсолютно упругое тело (например, пружину) вначале растянуть, а затем – снять деформирующую нагрузку, то кривая «удлинение – сила» будет идентичной во время обеих фаз. Если же мы имеем дело с упруговязким материалом (мышцей), кривые окажутся неидентичными. При нагрузке (растягивании мышцы) зависимость «удлинение – сила» соответствует кривой 1. Рис.3.2.

Рис. 3.2. Зависимость «удлинение – сила» при растягивании (кривая 1) и укорочении мышцы (кривая 2)

При укорочении мышцы зависимость «удлинение – сила» соответствует кривой 2. Кривые 1 и 2 образуют «петлю гистерезиса». Площадь фигуры, заключенной между кривыми 1 и 2, отражает потери энергии на трение. Мышца, обладающая большей вязкостью, будет характеризоваться большей площадью «петли гистерезиса». Вы знаете, что при выполнении физических упражнений температура мышц повышается. Повышение температуры мышц связано с наличием у мышц вязкости. Результатом наличия вязкости происходят потери энергии мышечного сокращения на трение. Разогрев мышц (разминка) приводит к тому, что вязкость мышц уменьшается.

Прочность

Прочностью материала называют его способность сопротивляться разрушению под действием внешних сил (И.Ф. Образцов с соавт., 1988).

Значительно снижает прочность связок и сухожилий иммобилизация. И, наоборот, при исследовании животных была найдена связь между уровнем физической активности и прочностью сухожилий и связок. Показано, что в подавляющем большинстве случаев прочность сухожилий более высока, чем прочность их прикрепления к костям. Поэтому при травмах сухожилий они не разрываются, а отрываются от места прикрепления. Следует учитывать также, что в процессе тренировок прочность сухожилий и связок увеличивается сравнительно медленно. При форсированном развитии скоростно-силовых качеств мышц может возникнуть несоответствие между возросшими скоростно-силовыми возможностями мышечного аппарата и недостаточной прочностью сухожилий и связок. Это грозит потенциальными травмами (А.С. Аруин, В.М. Зациорский, В.Н. Селуянов, 1981).

Читайте также:  Примеры мышц как антогонисты так и синергисты

Релаксация

Релаксация мышц – свойство, проявляющееся в уменьшении с течением времени силы тяги при постоянной длине.

Для оценки релаксации используют показатель – время релаксации, то есть отрезок времени, в течение которого натяжение мышцы уменьшается в е раз от первоначального значения. Многочисленными исследованиями установлено, что высота выпрыгивания вверх с места зависит от длительности паузы между приседанием и отталкиванием. Чем больше эта пауза (изометрический режим работы мышц), тем меньше сила их тяги и, как следствие, высота выпрыгивания, табл. 3.2. Таким образом, релаксация мышц приводит к уменьшению высоты выпрыгивания.

Таблица 3.2 Влияние паузы на высоту прыжка с места (n = 31) (по: А.С. Аруин, В.М. Зациорский, Л.М. Райцин, 1977)

Источник

Механические свойства мышц

Биодинамика мышц.

Основное назначение мышцы- преобразование химической энергии в механическую работу, которая необходима для перемещения звеньев тела.

Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышц,

Физиологически мышца может находиться в пассивном и активном состояниях.

Мышца не является ни чисто упругим, ни чисто вязким элементом. Мышца вязко –упру-

гий элемент, вязко- уругая среда, для которой справедливы законы классической механики. Фундаментальными понятиями механики сплошных сред являются: упругость,

Рассмотрим некоторые из них.

1. Упругость-свойство тел менять свои размеры и форму под действием внешних сил и

Самопроизвольно их восстанавливать при прекращении внешних воздействий. Упругость тел обусловлена силами взаимодействия атомов и молекул.

2. Вязкость-внутреннее трение среды.

3. Деформация-относительное изменение длины.

Упругая деформация возникает и исчезает одновременно с нагрузкой и не сопровождается рассеянием энергии.

Для упругой деформации справедлив закон Гука :

Значения Е для различных материалов приведены в таблице 1.

Эластин- упругий белок; находится преимущественно в стенках артерий. Коллаге- волокнистый белок; в мышцах примерно 20% всех белков приходится на коллаген.

В случае вязкой среды напряжение ( ) определяется скоростью деформации

Для вязко- упругой деформации характерна явная зависимость от скорости деформации. При снятии нагрузки деформация с течением времени самопроизвольно стремится к нулю.

Следовательно, значительные напряжения в мышце, близкие к пределу ее прочности, могут возникать только по причине высокой скорости растяжения.при умеренных величинах деформации.

6. Жесткость- это способность мышцы противодействовать прикладываемым силам. Определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы.

7.Релаксация- свойство мышцы, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы.

Рис 1 Кривая Хилла. Рис 2 Гистерезис взаимосвязи

Источник

Adblock
detector