Механические свойства мышц

Упругость проявляется в возникновении напряжения в мышце при ее деформации под действием нагрузки. Вязкость— в замед­лении деформации внутренними силами (жидким трением, моле­кулярными силами).

На графике «длина — напряжение», полученном на изолированной мышце экспериментально (рис. 7, а), удобно рассмотретьупругостьмышцы. Здесь видно, как по мере увеличения нагрузки мышца удли­няется и как при этом растет ее напряжение. Отсюда следует:

1) нагрузка (Р) растягивает мышцу, удлиняя ее (на Dl), т. е. для растягивания мышцы необходимо приложить силу;

2) по мере удлинения мышцы (на Dl) ее напряжение увеличивается (на DF); следовательно, чтобы вызвать напряжение мышцы (без дополнительного возбуждения), необходимо ее растянуть;

3) приложенная нагрузка (Р) определяет величину напряжения мышцы (F); таким образом, чтобы получить большое напряжение, надо приложить большую наг­рузку (сопротивление тяге мышцы) — действие равно про­тиводействию;

Рис.7. Графики «длина—напряжение»мышцы:

а — проявление упругости (зависимость дефор­мации и напряжения от нагрузки); б — прояв­ление вязкости («петли гистерезиса») (ориг.)

4) упругость мышцы нели­нейна ( Dl₂ больше Dl₃ при рав­ных DF₂ и DF₃); следовательно, по мере значительно­го растягивания оди­наковые приращения длины мышцы дают все большие прира­щения напряжения;

5) при отсутствии нагрузки длина мышцы (l) является наи­меньшей («свободная длина» мышцы) — нерастянутая мышца не напряжена;

6) в условиях организма длина мышцы (/о) больше «сво­бодной длины» и мышца не­сколько напряжена, т. е. всегда обладает «тонусом» покоя (F₀).

Таковы особенности упругих свойств невозбужденной мышцы.

Вязкость мышцы как причину запаздывания деформации можно наблюдать по отклонению графика действительной деформации от линии зависимости «длина — напряжение» в установившемся состоя­нии (см. рис. 7, б— линия A). При меньшей вязкости (линии Б) изме­нение длины отстает от изменения напряжения как при растягивании мышцы (£i), так и при ее сокращении (Б_z). В этом случае мышца, хотя и не сразу, но все же возвратилась к исходному состоянию (точка l₃). При большей вязкости (линии В) замедление еще больше и мышца не возвратилась к прежнему состоянию (точка l₃) — обнаружилась остаточная деформация (расстояние l₃ — l₁).

Полученные кривые (Б, В) образуют так называемые «петли гисте­резиса», характеризующие запаздывание процесса деформации из-за тормозящего действия вязкости. При этом неизбежна потеря энергии. Она пропорциональна площади, ограниченной петлей гистерезиса (косая штриховка для Б₁—Б_z и вертикальная—для B₁—В_z)- Действительно, площадь, определяемая произведением си­лы (напряжение) и пути (изменение длины), равна работе, затраченной на преодоление вязкости.

Ползучесть — это свойство мышцы изменять с течением времени соотношение «длина — напряжение»: нагруженная (напряженная) мышца имеет соответствующую длину; через некоторое время при тех же нагрузках и напряжении эта длина уве­личивается.

Релаксациязаключается в том, что растяну­тая мышца, сохраняя длину, постепенно с те­чением времени уменьшает свое напряжение, рас­слабляется.

Совокупность этих ме­ханических свойств (упруговязких, ползучести и релаксации) во всевозмож­ных сочетаниях в различ­ных условиях, в сущности, и есть то, что называется эластичностью1мышцы.

Высокоэластичной мышце свойственны зна­чительная растяжимость, большая жесткость при большом растягивании (нелинейная уп­ругость) и малые потери энергии (небольшая вязкость) при деформациях. И хотя механизм, обеспечивающий названные свойства, еще неполностью объяснен, их прояв­ления очень важно учитывать при изучении способов повышения эффективности действия мышц в движениях.

Режимы работы мышц

Режим работы мышцы определяется изменением либо еедлины,либо ее напряжения, либо того и другого одновременно.

Возбудимость мышцы проявляется в изменении как ее напряжения, так и механических свойств — упругости, вязкости и др. В результате возбуждения химическая энергия в мышце превращается в механи­ческую. Возбужденная мышца при той же нагрузке и напряжении имеет мень­шую длину — не меняя своего напря­жения, она сокращается.

Мышца не возбуждена Мышца не возбуждена

Рис. 9. Работа мышцы:

а — проявление возбуждения: режи­мы — изотонический (1—2), изомет­рический (1—3), ауксотонический (1—4); б — проявление вязкости мышцы (орг.)

Свойство сократимостиудобно разо­брать на графиках «длина — напряже­ние» невозбужденной и максимально возбужденной мышц (рис. 9, а). Вся кривая, относящаяся к максимально возбужденной мышце, расположена вы­ше, чем кривая покоющейся.

Следовательно, при равной ве­личине напряжения длина возбужденной мышцы меньше.

Кривые, полученные при разных степенях возбуждения мышц, занимают промежуточное положение между упо­мянутыми крайними случаями. Можно этот же график разобрать иначе: точки кривой максимально возбужденной мыш­цы расположены правее (например, точ­ки1и 3) точек графика покоющейся мышцы, имеющей ту же длину.

Значит, при одной и той же длине мышца, будучи воз­бужденной, напряжена боль­ше, чем в состоянии покоя.

Если в подготовительном движении (например, замах, подседание) мышца перед сокращением растягивается, то она тормозит движение; кинетическая энергия тормозимого звена переходит в потенциальную энергию упругой деформации мышцы. Теперь растянутая мышца напря­жена; в ней накоплена потенциальная энергия упругой деформации. С началом активного движения при возбуждении мышцы в ней обра­зуется механическая энергия напряжения, освобождаемая при биохи­мической реакции.

Вся биопотенциальная энергия мышцы состоит из превра­щенной биохимической и упругой механиче­ской.

Преобразование всей биопотенциальной энергии мышцы в механи­ческую (кинетическую) по-разному проявляется в различных условиях работы мышцы. Линия перехода па графике от точки 1 к точке 2 изоб­ражает сокращение мышцы в изотоническом режиме (без изменения напряжения — см. рис. 9, а). В реальных движениях в живом орга­низме такой режим вряд ли может встретиться. При движениях изме­няются моменты сил мышечной тяги, а также других сил, поскольку изменяются углы их приложения, а у мышц — и их длина. Сохра­нять величину напряжения мышцы в этих условиях практически не­возможно, да это и не нужно.

Линия перехода на графике от точки 1 к точке 3 изображает увели­чение напряжения мышцы при ее работе в изометрическом режиме. Например, при непреодолимых препятствиях длина мышцы не изме­няется, однако напряжение ее вследствие возбуждения увеличивается. Это случай «статической работы» мышц при сохранении положения тела (см. гл. VI).

Для работы мышц человека при движениях обычен так называемый ауксотонический режим1(например, линия перехода на графиках от точки 1 к точке 4), связанный с изменением и длины, и напряжения мышцы. Этот режим правильнее было бы называть «ауксоническим», учитывая, что изменяется не только напряжение, но и длина мышцы.

На графиках реальных движений все рассмотренные переходы про­исходят не по прямым линиям, так как вязкость замедляет деформа­цию. На рис. 9, б представлены петли гистерезиса при возбуждении ранее нагруженной мышцы (/—2), при дополнительной нагрузке воз­бужденной мышцы {2—3) и после снятия возбуждения при ее разгрузке {4—I}. Заштрихованные участки соответствуют потерям энергии на преодоление вязкости. Считают, что вязкость мышц увели­чивается при быстрых движениях и при зна­чительном возбуждении, т. е. как раз в условиях сорев­новательной борьбы спортсмена. Однако разогревание мышц при разминке снижает вязкость, уменьшает торможение при сокращении и растягивании мышц. Следовательно, на соревнованиях и тренировках важно для снижения вязкости сохранять в разогретых мышцах тепло.