Меню

Механические свойства пассивной мышцы

Механические свойства мышц

Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий.

К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию.

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

Упругость мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации. При этом мышцу можно сравнить с пружиной: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явление широко используется в спорте. Например, в хлесте предварительно растягиваются и параллельный, и последовательный упругий компонент мышц, чем накапливается энергия. Запасенная таким образом энергия в финальной части движения (толкания, метания и т.д.) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию).

Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, согласно которому удлинение пружины нелинейно зависит от величины растягивающей силы. Кривую поведения мышцы в этом случае называют «сила-длина». Зависимость между силой и скоростью мышечного сокращения («сила-скорость») называют кривой Хилла.

Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: Кж=DF/Dl (Н/м).

Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости: Кп=Dl /DF (м/Н) – показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н.

Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0.1 до 0.3 Н/мм2. Предел прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм2. Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать.

Релаксация – свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во время глубокого приседа спортсмен делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.

Существует два вида группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.

Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, при сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.

Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая – уступающую.

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.

Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16–18 кН.

Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.

Читайте также:  Дыхательные движения осуществляют мышцы и ответы

Очень часто для того, чтобы понять механизм работы объекта, его заменяют адекватной моделью. Модель – образ объекта, который содержит его характерные черты. Вначале предполагали, что мышца может моделироваться системой, состоящей из двух компонентов: активного и пассивного. Сократительный (активный) элемент уподоблялся демпфирующему компоненту. Пассивный элемент представлялся упругим компонентом. В последующем А. Хилл предложил модель мышцы, состоящую из трех компонентов (рис. 3.3), которая в настоящее время является общепринятой.

Изложенный процесс сокращения элементарного блока миофибриллы представляет собой энергетический процесс, в котором химическая энергия превращается в механическую работу. Взаимодействие сократительных и эластичных компонентов мышцы наглядно изображено на механической модели мышцы (рис. 39).

Сократительный компонент мышцы (СК) состоит из миофибрилл. Эластичный компонент подразделяется на последовательно включаемый эластичный компонент (Пoc) и параллельно-эластичный компонент (Пар). В состав первого входят сухожилия и другие элементы соединительной ткани мышцы, второй образуется, в частности, из соединительно-тканных оболочек мышечных волокон и их пучков.

Если укорачивается сократительный компонент, то сначала растягивается Пос (рис.39, b). Лишь после того, как развиваемая в Пос сила напряжения превысит величину внешней силы (например, сопротивление соперника или поднимаемого с земли отягощения), сократится вся мышца. Напряжение Пос во время укорачивания мышцы остается постоянным (рис. 39, с). Пар помогает сначала укоротить сократительный компонент, а затем вернуть его к длине покоя. Если мышца растягивается, то внешняя сила настолько сильно удлиняет Пос, что в конце концов за ним приходится следовать и сократительному компоненту (СК) ( рис. 39, d).

Существуют два случая группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.

Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, в сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плечелучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. Но этим значение синергизма мышц не исчерпывается. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия. Мышцы-антагонисты (в противоположность мышцам-синергистам) имеют разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая — уступающую. Мышцы-антагонисты обеспечивают: 1) высокую точность двигательных действий; 2) снижение травматизма.

Одно и многосуставные мышцы. По отношению к суставам, через которые (один, два или несколько) перекидываются мышцы называют одно-, дву-, или многосуставными. Многосуставные мышцы выполняют сложные движения в двух или трех суставах одновременно.

Примером двусуставной мышцы является двуглавая мышца плеча

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.

Читайте также:  Жжет в мышцах спины и ног

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

Биодинамика мышц. Механические свойства мышц

Основные понятия теоретической (общей) механики

Теоретическая механика это наука об общих законах движения и равновесия материальных тел и возникающих при этом взаимодействиях между телами.

Для наиболее полного и простого описания движения общая механика прибегает к схематизации явлений, выделяя их наиболее существенные стороны. Поэтому она рассматривает движение не реальных тел, а некоторых абстрактных моделей, отражающих наиболее значимые их свойства. К числу такого рода моделей относятся: материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело, рычаг, кинематическая цепь и др.

Материальной точкой называется тело, определенной массы, размерами которой можно пренебречь в данных условиях. Например, за материальную точку можно принять молот, ядро, мяч при изучении полета. Когда размерами тела пренебречь нельзя, можно мысленно разделить на части принять их за материальные точки. В этом случае само тело следует рассматривать как систему материальных точек.

Все физические тела под влиянием внешних сил деформируются. Если деформация тела незначительна и ею можно пренебречь, считая расстояния между его частицами неизменными, то такое тело называют абсолютно твердым.

В общей биомеханике изучаются движения абсолютно твердых тел, с которыми в природе мы не встречаемся. Однако практика подтверждает правильность следствий, вытекающих из законов теоретической механики.

Скалярные и векторные величины

Существует два рода физических величин. Такие величины как температура, время, масса, и т. п. характеризуются числом и называются скалярными величинами. Для характеристики таких величин как сила, скорость, ускорение численного значения недостаточно, нужно задать и их направление в пространстве. Такие величины называются векторами.

Всякая векторная величина графически изображается прямолинейным отрезком АВ длина которого в выбранном масштабе соответствует численному значению вектора, а направление совпадает с направлением действия силы, движением и т.п. и указывается стрелкой. Точка А и точка В отрезка АВ называются соответственно началом и концом

Для обозначения векторных величин часто применяют жирные буквы, а для скалярных — обычные. Иногда с целью подчеркнуть, что интерес представляет только модуль, букву, обозначающую вектор, ставят в прямые скобки. Так, например I F I — модуль вектора F, I АВ I —модуль вектора АВ.

Различают три типа векторов:

1. Векторы связанные, имеющие определенную точку приложения.

2. Векторы скользящие, за начало которых может быть принята любая точка, лежащая на линии их действия. Скользящие векторы можно переносить вдоль этой линии,

3. Векторы свободные, за начало которых может быть принята любая точка пространства.

Два свободных вектора называются равными, если они имеют одинаковые модули и одинаковое направление (т. е. параллельны и направлены в одну сторону). Так, например, векторы А и В (рис. 2) — равные векторы. Векторы же А и С, хотя и имеют одинаковые модули, не равны, так как направления их различно

Биодинамика мышц. Механические свойства мышц

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

Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышц, являются:

а) сила, регистрируемая на ее конце (сила тяги)

б) скорость изменения ее длины (скорость сокращения, укорочения).

Физиологически мышца может находиться в пассивном и активном состояниях.

Пассивную мышцу по своим физико-механическим свойствам можно рассматривать как физическое тело, которое одновременно обладает свойствами упругости и вязкости.

Мышца не является ни чисто упругим, ни чисто вязким элементом. Мышца вязко–упругий элемент, вязко-упругая среда, для которой справедливы законы классической механики. Фундаментальными понятиями механики сплошных сред являются: упругость,

вязкость, деформация, напряжение,жесткость, прочность, релаксация, гистерезис и др.

Рассмотрим некоторые из них.

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:

начения Е для различных материалов приведены в таблице 1.

Материал Модуль Юнга,Па
Коллаген 10
Кость 10
Дуб 10
Сталь 2 10
Эластин 6 10
Резина 10

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

Величина механического напряжения в мышце, подвергающейся деформации, зависит как от величины деформации, так и скорости растяжения т.е. является суммой величин::

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

5. Прочность- оценивается величиной растягивающей силы, при которой мышца разрывается. Предельное значение растягивающей силы определяют по кривой Хилла. Предел прочности для мышцы составляет 0,1- 0.3 н.\ мм. Предел прочности фасций- около 14 н.\мм; сухожилия- 50 н.\мм.

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.

8. Гистерезис- это следствие вязко- упругих свойств мышцы. Проявляется это в том, что сила, возникающая при определенной длине мышцы во время ее удлинения (растяжения),больше силы,образуемой при такой же длине мышцы на фазе ее сокращения.

Рис 1 Кривая Хилла. Рис 2 Гистерезис взаимосвязи «сила-длина»

Механическая модель мышцы со средоточенными параметрами

Рассматриваемая модель является модифицированным вариантом модели мышцы.

Впервые предложенной Хиллом.Данная модель вкючает в себя:

СЭ –сократительный (контрактильный) элемент, ответственный за развитие силы тяги.

ПОУК-последовательный упругий компонент мышечных волокон.

ПАУК – параллельный упругий компонент.

ДЭ – демпфирующий элемент.

Последовательный и параллельный упругие компоненты представляют собой анатомически обособленные эластичные структуры, названные так в соответстствии с их расположением относительно контрактильного элемента СЭ.

ПОУК- передает силу, развиваемую СЭ, на рычаг. Определяется упругостью Актинмиозинового комплекса, обусловленного местами прикрепления актина к Z-дискам и местами соединения мостиков с активными центрами тонких нитей, а также сухожилиями Основная доля ПОУК сосредоточена в сухожилии. Так как жесткость сухожилия не зависит от активности контрактильного элемента, ее можно классифицировать как пассивную жесткость. Активная жесткость обусловлена количеством замкнутых мостиков, способны слегка растягиваться под нагрузкой.

Мышечная сила и активная часть ПОУК зависят от количества замкнутых мостиков. Следовательно, активная жесткость увеличивается с ростом напряжения мышцы. Рост

Жесткости с увеличением силы тяги практически линеен и не зависит от длины мышцы. Уровня утомления и возбуждения. Если мышца пассивна, то ее напряжение поддержи-

вается только за счет ПАУК. Зависимость удлинения ПАУК от развиваемой силы является экспоненциальной. Его максимальное удлинение, достигаемое при максимальном изометрическом напряжении мышцы, составляет от 2% до 7% от длины покоя мышцы.

ПАУК-параллельный упругий компонент. В него входят соединительно- тканные образования, составляющие оболочку мышечных волокон и пучков, а также механические свойства Т- ситемы и саркоплазматического ретикулума. Следовательно, основную роль играют фасции и сарколеммы. Определенное влияние оказывают остаточные соединения актин- миозиновых мостиков. Механические свойства ПАУК проявляются при растягивании мышцы в расслабленном состоянии. Демпфирующеие свойства ПАУК не оказывают заметного влияния на силутяги,а упругие начинают проявляться с равновесной длинымышцы, которая близка к длине покоя, при которой сократительный компонент развивает максимальную силу.

Источник

Adblock
detector