Биомеханические 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: К_ж=D F /D l (Н/м).

Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости: К_п=D l /D F (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. Существованием мышц-антагонистов обеспечивается:

1. высокая точность двигательных действий;
2. снижение травматизма.

Лекция № 4
Механическая работа и энергия при движениях человека

Если на частицу подействовать силой F и переместить ее на расстояние s, то сила совершит работу A = Fs = F s cos(F; s) (угол (F; s) между направлением силы и перемещения рассматривается тогда, когда эти вектора не совпадают по направлению). Единицей измерения работы является Джоуль (в системе СИ) или киловатт-час.

Мощностью называется работа, совершаемая за единицу времени, или W = A/t =Fv. По последней формуле можно определить мощность коротких интенсивных движений (ударов по мячу, боксерских ударов и других ударных действий), когда механическую работу определить трудно, но можно измерить силу и скорость. Единица измерения мощности – ватт (Дж/с) (СИ) или лошадиная сила.

Если материальная точка находится в поле (гравитационном, электромагнитном), на нее действует сила F от этого поля, имеющая возможность совершать определенную работу. Этот запас работы, предопределяемый положением точки в поле, является ее потенциальной энергией. Принято считать, что если силы, действующие на материальную точку, совершают положительную работу, то ее потенциальная энергия убывает.

При рассмотрении деформируемого тела часто используют понятие «внутренней потенциальной энергии», которая равна работе деформации, взятой с обратным знаком.

Любое движущееся с поступательной скоростью v тело массой m обладает кинетической энергией, равной E_k=(1/2) mv ².

Аналогичную формулу можно записать для вращающегося с угловой скоростью w твердого тела с центром инерции J: E_k^вр=(1/2) J w ².

Полная энергия движущегося тела равна сумме его потенциальной энергии и кинетической энергии в поступательном и вращательном движениях:

.

Если мы рассматриваем замкнутую систему, т.е. систему, а которую не оказывают влияние внешние силы, то для такой системы справедливо первое начало термодинамики: энергия в заданной замкнутой механической системе сохраняется. Иначе – это закон сохранения энергии.

Если на систему действуют внешние силы и она переходит из одного состояния в другое, то изменение полной механической энергии при этом переходе равно работе внешних сил. В деформируемых телах полная энергия равна сумме внутренней и кинетической энергий.

Переход одного вида механической энергии в другой называется рекуперацией механической энергии. Простой пример – вращение гимнаста на перекладине, когда вращательная кинетическая энергия переходит целиком в потенциальную в верхней точке и наоборот – в нижней.

Оценка энергетических показателей деятельности спортсмена осуществляется с использованием различного рода датчиков и тестов. С их помощью можно оценить физическое состояние спортсмена и уровень его потенциальных возможностей.

Лекция № 5
Движения вокруг осей

Как мы уже знаем, тело человека можно разбить на 15 звеньев, которые имеют ме­жду собой сочленения и представляются рычагами или маятниками. Поэтому одним из основных является интерес биомеханики к движению звена в точке сочленения – суставе.

Рассмотрим рычаг первого рода. В этом случае его движение можно описать как вращательное движение вокруг точки, при котором одна его точка О (точка сочленения) остается неподвижной, а все другие точки движутся по поверхностям сфер, имеющих центр в точке О. При таком вращательном движении тела любое его элементарное перемещение представляет собой элементарный поворот вокруг некоторой оси, проходящей через точку О и называемой мгновенной осью вращения. Поскольку сочленение относится к телу спортсмена, то оно непрерывно изменяет свое положение в пространстве. В результате вращательное движение тела складывается из серии элементарных поворотов вокруг непрерывно меняющих свое направление мгновенных осей.

Подобно тому как причиной ускоренного движения материальной точки или ускоренного поступательного движения твердого тела может быть только приложенная к ним сила, причиной начала, изменения или прекращения вращательного движения твердого тела (при этом вращательное ускорение не равно нулю) относительно какой-либо оси является момент силы М относительно этой оси.

Пусть имеется тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси, и к нему в какой-то точке приложена сила F. Найдем проекцию F _nприложенной к телу силы F на плоскость, проходящую через точку приложения силы перпендикулярно к оси вращения, а также кратчайшее расстояние r от оси вращения до линии действия силы F _n, которое носит название плеча силы. Момент силы F относительно оси вращения определяется как физическая величина, численное значение которой равно произведению проекции F _n действующей на тело силы на длину плеча r: M = F _n r.

Если проекция приложенной к телу силы F на плоскость, перпендикулярную к оси вращения, равна нулю (F _n = 0), что возможно, когда сила F параллельна оси вращения, или если линия действия силы F пересекает ось вращения, то в этих случаях силы не смо­гут изменить вращательного движения тела, не смогут явиться причинами отличного от нуля углового ускорения.

Таким образом, сила не является величиной, достаточной для описания и расчета вращательного движения тела. Необходимо рассматривать также ее пространственное направление.

Условием равновесия твердого тела, которое может совершать вращательное движение вокруг какой-либо оси, является равенство сумм моментов сил, вращающих тело вокруг этой оси по направлению движения М_i и в противоположном направлении M_j: М₁ + М₂ + М₃ + … = M₁ + M₂ + M₃ + …

Таким образом, из вышесказанного можно сделать простой вывод: чтобы звено человеческого тела привести во вращательное движение, то направление действия силы не должно быть параллельно оси вращения этого звена или проходить через точку сочленения.

Другим важным понятием является центр тяжести тела или системы тел – единственная точка, относительно которой сумма моментов сил тяжести всех частиц тела или системы тел равна нулю. При этом нельзя забывать, что центр тяжести иногда находится вне геометрических пределов тела. Центр тяжести имеет большое значение при оценке вида равновесия тела. В зависимости от расположения точки опоры или опорной поверхности по отношению к центру тяжести различают устойчивое, неустойчивое и безразличное равновесие.

Опорной поверхностью будем называть поверхность того тела, равновесием которого мы интересуемся, а не поверхность какого-либо другого тела, с которым первое соприкасается. (Например, опорной поверхностью для тяжелоатлета будет поверхность подошв обуви, а не вся поверхность помоста.) Тело находится в устойчивом равновесии, если его центр тяжести располагается ниже точки опоры или ниже горизонтальной опорной поверхности, причем линия действия силы тяжести проходит через точку опоры или пересекает горизонтальную опорную поверхность; в неустойчивом равновесии, если центр тяжести находится выше горизонтальной опорной поверхности, причем линия действия силы тяжести не пересекает опорной поверхности, и в безразличном равновесии, если центр тяжести совпадает с точкой опоры. Равновесие тела будет устойчивым и в том случае, если центр тяжести находится выше горизонтальной опорной плоскости, но линия действия силы тяжести тела пересекает эту плоскость.

Таким образом, если спортсмен стоит, то равновесие его тела будет устойчивым, поскольку хотя центр тяжести и находится выше опорной плоскости, но линия действия силы тяжести проходит через центр тяжести спортсмена. При отклонении от вертикального положения, особенно с нагрузкой в руках, равновесие спортсмена из устойчивого переходит в неустойчивое из-за изменения линии действия силы тяжести относительно центра тяжести.

Для вращающегося твердого тела через центр тяжести (центр масс) можно провести сколь угодно много осей вращения. Однако, исходя из геометрической формы тела и распределения массы в нем, можно выделить две взаимно перпендикулярных оси с наибольшим и наименьшим моментами инерции. Устойчивое вращение незакрепленного тела возможно только вокруг этих осей. Устойчивое вращение тела вокруг оси, перпендикулярной двум первым, невозможно. Все три оси называются главными осями инерции данного тела.

Любой контакт с опорной поверхностью добавляет дополнительную точку или ось вращения, что сказывается на характер движения спортсмена.

Лекция № 6
Локомоторные движения

У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды. Среди передвижений относительно опоры (наземных передвижений) наибольшее распространение имеют шагательные. В водной среде применяется как отталкивание, так и притягивание. В некоторых видах спорта (спортивных играх, единоборствах, гимнастике и др.) локомоторные движения играют вспомогательную роль.

Отталкивание от опоры выполняется посредством:
а) собственно отталкивания ногами от опоры и
б) маховых движений свободными конечностями и другими звеньями.
Эти движения тесно взаимосвязаны в едином действии – отталкивании. От их согласования в значительной мере зависит совершенство отталкивания.

При отталкивании опорные звенья неподвижны относительно опоры, а подвижные звенья под действием силы тяги мышц передвигаются в общем направлении отталкивания. Во время отталкивания легкоатлета от опоры стопа зафиксирована на опоре неподвижно. Шипы туфель, погружаясь в покрытие дорожки или брусок, обеспечивают надежное соединение с опорой. На стопу как на опорное звено со стороны голени действует давление ускоряемых звеньев тела, направленное назад и вниз. Через стопу оно передается на опору. Противодействием этому давлению служит реакция опоры. Она приложена к стопе в направлении вперед и вверх.

Силы мышечных тяг толчковой ноги выпрямляют ее. Поскольку стопа фиксирована на опоре, голень и бедро передают ускоряющее воздействие отталкивания через таз остальным звеньям тела. При ускоренном движении подвижных звеньев на них воздействуют тормозящие силы (тяжести и инерции) других звеньев, а также силы сопротивления мышц-антагонистов. Реакция опоры при отталкивании является той внешней силой, которая обеспечивает ускорение телу спортсмена и передвижение его центра масс.

Однако, тело человека – это самодвижущаяся система. В такой системе силы тяги мышц приложены к подвижным звеньям. Относительно каждого звена сила тяги мышцы, приложенная к нему извне, служит внешней силой. Следовательно, ускорения центров масс подвижных звеньев обусловлены соответствующими внешними для них силами, т.е. тягой мышц.

Реакция опоры не является источником работы. По закону сохранения кинетической энергии изменение кинетической энергии равно сумме работ внешних и внутренних сил. Поскольку работа внешних сил (опоры) равна нулю, то кинетическую энергию спортсмена изменяет только работа внутренних сил (мышц).

Реакция опоры при отталкивании под углом, отличающегося от прямого (не перпендикулярно к опорной поверхности), наклонены к опорной поверхности и имеют вертикальные и горизонтальные составляющие. Вертикальные составляющие обусловлены динамическим весом, т.е. суммой веса и сил инерции подвижных звеньев, имеющих ускорение (или его составляющую), направленное вертикально вверх от опоры. Горизонтальные составляющие реакций опоры обусловлены горизонтальными составляющими сил инерции подвижных звеньев. Контакт опорных звеньев с опорой не точечный, поэтому могут появиться и вращательные усилия, что усложнит схему реакции опоры.

Маховые движения при отталкивании – это быстрые движения свободных звеньев тела в основном по направлению с отталкиванием ногой от опоры. При маховых движениях перемещаются центры масс соответствующих звеньев тела, что ведет к перемещению общего центра масс (ОЦМ) всего тела. Так, при прыжках в высоту в результате маховых движений руками и свободной ногой ОЦМ к моменту отрыва от опоры поднимается выше, чем без маховых движений. Если ускорение звеньев тела, выполняющих маховые движения, увеличивается, то и ускорение ОЦМ увеличивается. Таким образом, маховые движения, как и отталкивание ногой, осуществляют перемещение и ускорение ОЦМ.

В маховых движениях в фазе разгона скорость звеньев увеличивается до максимума. С нарастанием ее нарастает и скорость ЦМ всего тела. Следовательно, чем выше скорость маховых звеньев, тем она больше сказывается на скорости ОЦМ. В фазе торможения мышцы-антагонисты, растягиваясь, напрягаются и этим замедляют движения маховых звеньев, совершая отрицательную работу (в уступающем режиме), скорость их уменьшается до нуля.

Мышечные тяги перераспределяют скорости звеньев тела; движение внутри системы передается от одних звеньев к другим. Поэтому для достижения более высокой скорости ОЦМ нужно стараться продлить фазу разгона на большей части пути матового перемещения.

Когда ускорения маховых звеньев направлены от опоры, возникают силы инерции этих звеньев, направленные к опоре. Совместно с весом тела они на­гружают мышцы опорной ноги и этим увеличивают их напряжение. Дополнительная нагрузка замедляет сокращение мышц и увеличивает их силу тяги, в результате чего мышцы толчковой ноги напрягаются больше и сокращаются относительно дольше. В связи с этим увеличивается и импульс силы, равный произведению силы на время ее действия, а больший импульс силы дает больший прирост количества движения, т. е. больше увеличивает скорость.

В фазе торможения маховых звеньев их ускорения направлены к опоре, а силы инерции – от нее. Следовательно, нагрузка на мышцы толчковой ноги в это время уменьшается, их сила тяги падает, но быстрота сокращения увеличивается. Сокращаясь быстрее, они могут добавлять скорость в последние моменты отталкивания.

Так, маховые движения способствуют продвижению ОЦМ тела при отталкивании, увеличивают скорость ЦМ, увеличивают силу и удлиняют время отталкивания ногой и, наконец, создают условия для быстрого завершающего отталкивания.

Угол наклона динамической опорной реакции дает представление о некоторых особенностях направления отталкивания от опоры в данный момент времени.

При выпрямлении ноги во время отталкивания от опоры происходит сложение вращательных движений звеньев тела.

По координатам ОЦМ тела человека за время отталкивания можно рассчитать линейное ускорение ОЦМ в каждый момент времени. Однако сопутствующие движения, в том числе маховые, обусловливают кроме линейного ускорения ОЦМ еще и угловые ускорения многих звеньев.

Поэтому угол отталкивания как угол наклона динамической составляющей реакции опоры характеризует не полностью общее направление отталкивания в каждый данный момент времени. Если бы существовала внешняя движущая сила отталкивания, то угол ее наклона к горизонту можно было бы считать углом отталкивания. Однако в самодвижущейся системе к каждому звену приложены силы, которые в совокупности определяют движения именно данного звена. Заменить всю систему множества сил, приложенных к разным звеньям, равнодействующей движущей силой в этом случае невозможно.

При движении по повороту в наземных локомоциях спортсмен находится в наклоне внутрь поворота. Прижимающая сила D, приложенная к опоре под острым углом (a), может быть разложена на вертикальную составляющую (D_y) и горизонтальную составляющую (D_x), направленную по радиусу от центра поворота (рисунок). Противодействие последней и есть центростремительная сила (F _цс), вызывающая центростремительное ускорение и искривляющая траекторию в движении по повороту. В инерциальной системе отсчета (Земля) центробежная сила – реальная сила инерции (F _цб) – и есть уже названная составляющая прижимающей силы, приложенная к опоре. В неинерциальной системе отсчета (тело спортсмена) центробежная сила – фиктивная сила инерции (F _ин) – приложена к ОЦМ. Она образует относительно опоры момент силы (F _ин h), который уравновешивает момент силы тяжести (Gd). Угол наклона тела (a) зависит от соотношения силы тяжести (G=mg) и центробежной силы (F _цб = ):

,

где r – радиус кривизны поворота, v – линейная скорость тела.

Рассмотрим также стартовые действия с точки зрения локомоторики. Стартовые действия обычно направлены на то, чтобы начать передвижение и быстро увеличить скорость. Стартовыми действиями начинается преодоление всех дистанций, а также передвижения в единоборствах, спортивных играх и других группах видов спорта.

Стартовые положения – это исходные позы для последующего передвижения, которые обеспечивают лучшие условия развития стартового ускорения. Стартовые действия (при старте с места) начинают из стартового положения. Оно обычно определено правилами соревнований и соответствует биомеханическим требованиям, вытекающим из задач старта.

Стартовое положение обеспечивает возникновение с первым движением ускорения ОЦМ тела в заданном направлении. Для этого проекция ОЦМ тела на горизонтальную поверхность приближена к передней границе площади опоры. При прочих равных условиях выдвижение ОЦМ тела вперед и более низкое его положение увеличивают горизонтальную составляющую начальной скорости. Так, в низком старте для бега угол начальной скорости ОЦМ тела меньше, чем в высоком.

Суставные углы в стартовом положении должны отвечать индивидуальным особенностям соотношения рычагов, силовой подготовленности спортсмена и условиям стартового действия. Расположение всех звеньев тела зависит от условия стартового действия.

Стартовые движения – это первые движения из стартового положения, которые обеспечивают прирост скорости и переход к последующему стартовому разгону. При старте ОЦМ тела спортсмена имеет ускорение, обусловленное мышечными усилиями. Как внутренние силы направлены в противоположные стороны: вперед – ускоряя подвижные звенья, назад – прижимая опорные звенья к опоре. Это можно сделать лишь допустив условно, что биомеханическая система тела человека отвердела, а реакция опоры играет роль внешней движущей силы (рисунок). Перенесенная сила здесь условно рассматривается как стартовая сила (S), вызывающая стартовое ускорение ОЦМ. По правилу приведения силы к заданной точке надо при переносе силы в ОЦМ прибавить пару сил (R и S'), которая создает стартовый момент. Его действие направлено на уменьшение наклона тела (например, у спринтера в стартовом разгоне). Уже говорилось, что сама опорная реакция, как и реакция связи, положительной работы не совершает. Стартовая сила и момент – это только условные меры воздействия, которое вызывает сложное движение всей биомеханической системы.

Стартовый разгон обеспечивает увеличение скорости до такой, какая требуется для передвижения по дистанции. В спринтерских дистанциях за время стартового разгона скорость увеличивают до максимальной. В связи с этим разгон в спринте осуществляется дольше и на большем расстоянии, чем на более длинных дистанциях, где задача разгона – достижение только оптимальной для данной дистанции скорости, и поэтому необходимая скорость достигается на первых же шагах. В стартовом разгоне от цикла к циклу происходит изменение системы движений от стартовых до оптимальных для заданной скорости. В беге, например, это проявляется в увеличении длины шагов и уменьшении общего наклона тела. Все стартовые действия отличаются частными особенностями движений, за­висящими от вида локомоций.

Поиск по сайту: