Учебное пособие "Биомеханика мышц"

Учебное пособие "Биомеханика мышц"

Учебное пособие  "Биомеханика мышц" посвящено теоретическим и практическим аспектам биомеханики мышечной деятельности: классификации скелетных мышц, макро- и микроструктуре мышц, теории скользящих нитей, механике мышечного сокращения, механическим свойствам мышц, типам мышечных волокон, зависимости силы и скорости сокращения мышц  от анатомических, физиологических и биомеханических факторов, результирующему действию мышц в организме человека. Отдельная глава посвящена функционированию рецепторного аппарата мышц и суставов. Пособие содержит большой фактический материал из практики спорта о морфометрических характеристиках скелетных мышц и будет полезно всем, кто интересуется вопросами биомеханики мышечной деятельности.

Учебное пособие продается в официальном магазине издательства "Кинетика".  С условиями покупки и доставки можно ознакомиться на сайте издательства.

Купить

Самсонова, А.В. Биомеханика мышц [Текст]: учебно-методическое пособие / А.В.Самсонова, Е.Н. Комисарова; Под ред. А.В.Самсоновой; СПбГУФК им. П.Ф.Лесгафта. – СПб.: [б.и.], 2008. – 127 с.

Самсонова А.В., Комиссарова Е.Н.

БИОМЕХАНИКА МЫШЦ

В учебно-методическом пособии рассмотрены теоретические и практические аспекты биомеханики мышечной деятельности: строение мышц с точки зрения биомеханики; механика мышечного сокращения; зависимость силы и скорости сокращения мышц от анатомических, физиологических и биомеханических факторов; результирующее действие мышц в организме. Пособие содержит большой фактический материал из практики спорта.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по специальности: 032100 – «Физическая культура»; 050104 – «Безопасность жизнедеятельности»

Самсонова А.В. – главы: 2, 3, 4, 5, 6

Комиссарова Е.Н. – глава 1, глоссарий

УДК 621.76:796

ISBN5-8075-0020-2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

3

Глава 1. Архитектура скелетных мышц

4

1.1. Классификация мышц

4

1.2. Макроструктура мышцы

8

1.3. Микроструктура мышцы

12

1.4. Строение саркомера

15

1.5. Теория скользящих нитей

18

1.6. Состояние мышцы

19

1.7. Типы скелетных мышечных волокон и их морфофункциональная характеристика

21

1.8. Влияние различных факторов на состав мышечных волокон

26

1.9. Контрольные вопросы

30

Глава 2. Функционирование рецепторного аппарата мышц и суставов

31

2.1. Рецепторы опорно-двигательного аппарата человека

31

2.1.1. Мышечные веретена

31

2.1.2. Рецепторы Гольджи

32

2.1.3. Рецепторы суставов

32

2.2. Зависимость частоты импульсации рецепторов от длины, скорости и напряжения мышцы

33

2.2.1. Зависимость «длина мышцы – частота импульсации веретенных афферентов»

33

2.2.2. Зависимость «скорость растяжения мышцы – частота импульсации веретенных афферентов»

34

2.2.3. Зависимость частоты импульсации рецепторов Гольджи от степени напряжения мышцы

34

2.3. Способы оценки афферентного притока, поступающего от рецепторов мышц

35

2.4. Уровни построения движений и рецепторы опорно-двигательного аппарата

38

2.5. Контрольные вопросы

39

Глава 3. Механика мышечного сокращения

40

3.1. Биомеханические свойства мышц

40

3.1.1. Сократимость

40

3.1.2. Жесткость

43

3.1.3. Вязкость

45

3.1.4. Прочность

47

3.1.5. Релаксация

49

3.2. Трехкомпонентная модель мышцы

49

3.3. Функционирование биомеханической модели мышцы в простейших двигательных задачах

51

3.4. Контрольные вопросы

52

Глава 4. Факторы, определяющие силу и скорость сокращения мышцы

54

4.1. Основные понятия

54

4.2. Анатомические факторы, определяющие силу и скорость сокращения мышц

55

4.2.1. Сила и скорость сократительного компонента мышцы

55

4.2.2. Сила и скорость сокращения мышцы в целом

62

4.3. Физиологические факторы, определяющие силу и скорость сокращения мышц

64

4.3.1. Физиологические механизмы регуляции силы и скорости сокращения мышцы

64

4.3.2. Время сокращения мышцы

67

4.4. Биомеханические факторы, определяющие силу и скорость сокращения мышц

69

4.4.1. Длина мышцы

70

4.4.2. Характер работы мышц

71

4.4.3. Значение внешней силы

72

4.5. Контрольные вопросы

75

Глава 5. Результирующее действие мышц в организме

77

5.1. Звенья тела как рычаги

77

5.2. Методы определения морфометрических характеристик мышц нижних конечностей человека

82

5.2.1. Моделирование ОДА человека и мышц нижних конечностей

82

5.2.2. Рентгенографический метод определения морфометрических характеристик мышц

86

5.2.3. Анатомический метод определения морфометрических характеристик мышц

87

5.2.4. Биомеханический метод определения морфометрических характеристик мышц

88

5.3. Фазовые траектории мышц &? способ представления результатов, характеризующих моторную функцию мышц

90

5.4. Программа расчета морфометрических характеристик мышц MORFOMETR

92

5.5. Контрольные вопросы

93

Глава 6. Функционирование мышц в спортивных движениях

94

6.1. Биомеханический анализ физических упражнений

94

6.2. Обучение двигательным действиям

97

6.3. Классификация физических упражнений

100

6.4. Сравнение основного и специальных упражнений

104

6.5. Оценка функциональной подготовленности спортсменов на основе анализа фазовых портретов мышц

115

6.6. Контрольные вопросы

119

Глоссарий

120

Рекомендуемая литература

122

ВЫДЕРЖКИ ИЗ КНИГИ

ВВЕДЕНИЕ

Учебно-методическое пособие «Биомеханика мышц» предназначено для студентов дневного и заочного отделений. Однако оно может быть использовано также магистрантами, аспирантами, преподавателями и тренерами. Это пособие может рассматриваться как дополнительное по курсу «Биомеханика» и основное по спецкурсу «Биомеханика мышц». Пособие содержит сведения о строении мышц на макро-, мезо- и микроуровнях, а также о рецепторах опорно-двигательного аппарата. В пособии подробно рассмотрены биомеханические свойства мышц и механика мышечного сокращения. Большое внимание в учебно-методическом пособии уделено факторам, обеспечивающим проявление силы и скорости сокращения мышц при выполнении двигательных действий. Так как учебно-методическое пособие предназначено для специалистов, работающих в области физической культуры, в нем приведено много сведений из практики спорта. В связи с тем, что учебно-методическое пособие предназначено для студентов как младших, так и старших курсов, мы попытались увязать новые для них факты с уже имеющимся «теоретическим багажом» студентов, который они получили при изучении таких дисциплин, как: «Анатомия», «Биохимия», «Физиология», «Математика», «Физика» а также «Теория и практика физической культуры». В этом аспекте учебно-методическое пособие «Биомеханика мышц» может рассматриваться как междисциплинарное.

Авторы стремились изложить материал предельно просто и доступно. В связи с этим, пособие содержит большое количество иллюстраций, а в конце пособия помещен глоссарий. Отзывы об учебно-методическом пособии просим отправлять по адресу:

spb_biomechanics@rambler.ru (кафедра биомеханики СПбГУФК им. П.Ф.Лесгафта).

А.В.Самсонова, Е.Н.Комиссарова

ГЛАВА 2

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ РЕЦЕПТОРНОГО АПППАРАТА МЫШЦ И СУСТАВОВ

2.1. Рецепторы опорно-двигательного аппарата человека

При изучении анатомии и физиологии (А.С. Солодков, Е.Б. Сологуб, 2001) вы изучали двигательную сенсорную систему. Одним из отделов этой системы являются проприорецепторы, расположенные в мышцах, сухожилиях и суставных сумках. В мышцах расположены мышечные веретена, в сухожилиях – сухожильные органы Гольджи. В суставных сумках расположены рецепторы суставов.

2.1.1. Мышечные веретена

Еще в XIX веке В. Кюне обнаружил в скелетных мышцах структуры, напоминающие веретено. Затем, в начале XX века Нобелевский лауреат Чарльз Скотт Шеррингтон показал, что эти структуры служат чувствительными рецепторами. Мышечные веретена рассеяны по всем скелетным мышцам. Концы их обычно прикрепляются к мышечным волокнам параллельно. Каждое веретено покрыто капсулой, которая расширятся в центре и образует ядерную сумку. Внутри веретена содержатся интрафузальные мышечные волокна. Эти волокна в 2-3 раза тоньше обычных (экстрафузальных) волокон скелетных мышц.

Интрафузальные волокна подразделяются на два типа:

  1. Длинные и толстые (диаметр 20-25 мкм), которые информируют ЦНС о динамическом компоненте движенияскорости изменения длины мышцы. Таких волокон в мышечном веретене не более двух.
  2. Короткие и тонкие (диаметр 10–12 мкм), которые информируют ЦНС о статическом компоненте движения – текущей длине мышцы. Таких волокон в мышечном веретене от 2 до 12.

2.1.2. Рецепторы Гольджи

Нервно-сухожильные веретена (рецепторы Гольджи) открыл в 1903 году Камилло Гольджи. Впоследствии за эти исследования ему была присуждена Нобелевская премия. Рецепторы Гольджи располагаются в месте перехода мышечных волокон в сухожилия. Их длина составляет 0,5-1,0 мм, а диаметр – 0,1- 0,2 мм. Отдельный нервный аксон несет афферентные импульсы в спинной мозг и называется аксоном Ib. Он начинается в виде веточек, проходящих между коллагеновыми волокнами сухожилия (рис. 2.1а). Когда мышечные волокна сокращаются, коллагеновые волокна натягиваются и сжимают нервные веточки, которые начинают импульсировать (рис. 2.1б). Таким образом, в результате последовательного крепления сухожильных органов к мышечным волокнам они возбуждаются при укорочении возбужденной мышцы. Сухожильные рецепторы возбуждаются в 1,5 – 8 раз более эффективно при мышечном сокращении, нежели при пассивном растяжении.

Учебное пособие "Биомеханика мышц"

Рис. 2.1. Строение сухожильного органа Гольджи (А.Дж. Мак-Комас, 2001)

2.1.3. Рецепторы суставов

Суставные рецепторы подразделяются на несколько типов в зависимости от их реакции на амплитуду, скорость и направление движения в суставе.

Тельца Руффини находятся в капсуле сустава и воспринимают направление и скорость изменения межзвенного угла. Частота их импульсации возрастает с увеличением скорости изменения суставного угла.

Тельца Паччини посылают в ЦНС информацию о положении отдельных частей тела в пространстве и относительно друг друга. Эти рецепторы посылают в ЦНС информацию о значениях межзвенных углов, то есть о положении сустава. Их импульсация продолжается в течение всего периода сохранения межзвенного угла, и она тем больше, чем больше изменения угла.

2.2. Зависимость частоты импульсации рецепторов от длины, скорости и напряжения мышцы

2.2.1. Зависимость «длина мышцы – частота импульсации веретенных афферентов»

Реакция мышечных веретен на активное или пассивное укорочение мышцы была предсказана в 1928 году Дж. Фултоном и Дж. Писуньери на основе анатомического анализа. Поскольку веретена располагаются параллельно мышечным волокнам, частота разрядов веретенных афферентов при любом укорочении мышцы должна снижаться. В последующем это предположение полностью подтвердилось. Исследования свойств изолированных мышечных веретен, проведенные лауреатом Нобелевской премии Бернардом Катцем (B. Katz, 1950) продемонстрировали, что их растяжение приводит к деполяризации окончаний афферентных волокон. Величина деполяризации при растяжении увеличивается. При этом зависимость частоты импульсации веретенных афферентов от растяжения мышцы близка к линейной. Эту зависимость принято называть статическим ответом веретенного афферента на пассивное растяжение мышцы.

2.2.2. Зависимость «скорость растяжения мышцы – частота импульсации веретенных афферентов»

Исследования свойств мышечных веретен свидетельствуют о том, что активность первичных окончаний чувствительного нерва зависит не только от длины, но и от скорости растяжения мышцы. Способность менять частоту своей импульсации в зависимости от скорости удлинения мышцы была названа динамической чувствительностью веретенных афферентов. Зависимость между скоростью растяжения мышц и частотой импульсации первичного афферента также близка к линейной.

Преобладание статического или динамического ответов у веретенных афферентов зависит от соотношения скорости растяжения и длины мышц. При малых скоростях растяжения (менее 5 мм/с) мгновенная частота импульсации первичных веретенных афферентов отражает в основном мгновенную длину мышцы. При скоростях растяжения выше 5 мм/с импульсация первичных веретенных афферентов определяется в основном скоростью растяжения мышцы. Частота импульсации вторичных афферентов зависит в основном от степени удлинения мышцы.

2.2.3. Зависимость частоты импульсации рецепторов Гольджи от степени напряжения мышцы

Исследования, проведенные на свободно перемещающихся животных в условиях стационарного режима локомоции, показали, что кривая, отражающая изменение частоты импульсации рецепторов Гольджи во времени полностью соответствует огибающей электромиограммы (рис. 2.2). При этом частота импульсации не превышает 200 имп/с.

Учебное пособие "Биомеханика мышц"

Рис. 2.2. Зависимость частоты импульсации рецепторов Гольджи от степени напряжения мышцы при локомоции свободно перемещающейся кошки

Таким образом, рецепторы мышц адекватно реагируют на изменение длины и скорости растяжения мышцы. Связь между этими характеристиками и частотой импульсации афферентов мышечных веретен близка к линейной. Рецепторы Гольджи адекватно отражают развитие напряжения мышцы. Рецепторы суставов реагируют на положение и угловую скорость звеньев опорно-двигательного аппарата.

2.3. Способы оценки афферентного притока, поступающего от рецепторов мышц

С начала XX века и до настоящего времени накоплен богатый материал о свойствах мышечных рецепторов. В основном эти данные были получены на наркотизированных или другим способом обездвиженных животных. Затем исследования были продолжены на децеребрированных животных. Последующие эксперименты, проведенные с помощью вживленных электродов и телеметрической передачи сигналов, убедительно доказали, что у свободно перемещающегося животного разряды первичных афферентов проявляют высокую активность в фазе пассивного растяжения и очень низкую – в фазе активного укорочения.

Одновременно с проведением экспериментов на животных импульсация рецепторов мышц стала изучаться на человеке. С этой целью была разработана методика микронейрографии, суть которой заключается в регистрации афферентной активности мышц посредством тонкого игольчатого электрода, введенного в нерв. Это позволило регистрировать потенциалы действия в нерве у человека при выполнении изометрических напряжений и даже произвольных движений. Было отмечено, что непрерывная афферентная активность возникала при пассивном растяжении мышцы. При быстром движении афферентная активность уменьшалась на время укорочения мышцы. Следует, однако, отметить, что использование этой методики невозможно при исследовании быстрых, мощных высокоамплитудных движений, какими являются движения спортсменов. В настоящее время разработана методика оценки афферентной активности мышц посредством регистрации ВПСМ (вызванных потенциалов спинного мозга). Однако ее особенности также не позволяют использовать этот способ для регистрации афферентного притока при спортивных движениях. Это связано с тем, что помехи, возникающие со стороны других органов тела (сердца, мышц спины), на несколько порядков выше, чем проявляемый сигнал.

Наряду с разработкой методик, позволяющих напрямую регистрировать разряды рецепторов мышц, существуют исследования, моделирующие работу рецепторного аппарата мышц. W.Z. Rymer, J.С. Houk, P.E. Crago (1977) предложили формулу для описания зависимости частоты разрядов мышечных афферентов от степени удлинения и скорости сокращения мышц. В модели, предложенной S.S. Schafer и S. Schafer, (1969) частота разрядов мышечных афферентов зависит не только от удлинения и скорости сокращения мышцы, но и от ускорения.

Методика, позволяющая косвенно судить о функционировании рецепторного аппарата мышц и суставов при выполнении спортивных движений, разработана А.В. Самсоновой (1997). При выполнении двигательных действий можно зарегистрировать изменение межзвенных углов и электрическую активность мышц. Предлагаемая методика дает возможность в каждый момент времени иметь информацию об изменении длины мышцы и скорости ее сокращения. Кроме того, методика позволяет рассчитать значения межзвенных углов и угловое ускорение.

Выше указывалось, что мышечные веретена информируют ЦНС о длине и скорости сокращения мышц. График, у которого по оси абсцисс будет отложено значение «текущей» длины мышцы, а по оси ординат – скорости сокращения мышцы (фазовая траектория), будет нести информацию о функционировании мышечных веретен. Так, например, во время барьерного бега фазовая траектория длинной головки двуглавой м. бедра имеет следующий вид (рис. 2.3). Следует учесть, что эта мышца – двусуставная, то есть она обеспечивает движения в тазобедренном и коленном суставах.

Учебное пособие "Биомеханика мышц"

Рис. 2.3. Фазовая траектория двуглавой м. бедра при преодолении барьера спортсменкой высокой квалификации

Электрическая активность мышц будет информировать, в какую фазу движения функционируют рецепторы Гольджи. Выше указывалось, что суставные рецепторы несут в ЦНС информацию о значениях межзвенных углов и скорости их изменения (угловой скорости). Следовательно, график, у которого по оси абсцисс будет отложены значения межзвенного угла, а по оси ординат – угловой скорости (фазовая траектория), будет нести информацию о функционировании суставных рецепторов. На рис. 2.4 представлена фазовая траектория «угол – угловая скорость» для тазобедренного и коленного суставов маховой ноги спортсменки высокого класса в барьерном беге.

Учебное пособие "Биомеханика мышц"

Рис. 2.4. Фазовые траектории «угол-угловая скорость» при преодолении барьера

2.4. Уровни построения движений и рецепторы опорно-двигательного аппарата

В br /1947 году была опубликована книга русского ученого Н.А. Бернштейна «О построении движений». В этой книге он изложил оригинальную теорию управления двигательными действиями. В основе этой теории лежало понятие уровней построения движений. Он писал: «Каждая двигательная задача находит себе в зависимости от своего содержания и смысловой структуры тот или иной уровень. Иначе говоря, тот или иной сензорный синтез, который наиболее адекватен по качеству и составу образующих его афферентаций и по принципу их синтетического объединения требующемуся решению этой задачи. Этот уровень и определяется как ведущий уровень для данног о движения» (Н.А.Бернштейн, 1991, С.41). По концепции Н.А. Бернштейна ни одно движение не обслуживается только одним уровнем, но осознается только ведущий уровень. По классификации Н.А.Бернштейна, при управлении движениями может быть задействовано пять уровней.  Зависимость между скоростью растяжения мышц и частотой импульсации первичного афферента также близка к линейной.

Афферентация уровня А основана на импульсации мышечных веретен (длина и скорость сокращения мышцы) и рецепторов Гольджи (уровень возбуждения мышцы при ее укорочении). Эта информация очень слабо осознается ЦНС, то есть, по гипотезе Н.А.Бернштейна, этот уровень почти никогда не бывает ведущим.

Афферентация уровня В опирается на информацию, поступающую от суставных рецепторов. Это уровень выступает как ведущий в ряде физических упражнений, таких как наклоны тела вперед и назад, а также циклические движения. Сигналы от суставных рецепторов хорошо осознаются.

2.5. Контрольные вопросы

  1. Какие рецепторы расположены в мышцах?
  2. Какие рецепторы расположены в суставах?
  3. Как называются мышечные волокна, расположенные в мышечных веретенах?
  4. Какую информацию несут в ЦНС мышечные веретена?
  5. Охарактеризуйте функционирование рецепторов Гольджи.
  6. Дайте характеристику рецепторам суставов. О каких изменениях они несут информацию в ЦНС?
  7. Информация каких рецепторов хорошо осознается ЦНС, а каких - плохо?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Дубровский, В.И. Биомеханика: [Текст] / В.И. Дубровский, В.Н. Федорова Биомеханика: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. – М.: ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. – 672 с.
  2. Кичайкина, Н.Б. Биомеханика: Учебное-методическое пособие [Текст] / Н.Б. Кичайкина, И.М. Козлов, А.В.Самсонова /Под ред. Н.Б.Кичайкиной.- СПб: СПбГУФК [б.и.], 2008.– 160 c.
  3. Попов, Г.И. Биомеханика: Учебник для студ. высш. учеб. заведений [Текст] / Г.И. Попов. – М.: Издательский центр "Академия", 2005. – 256 с.
  4. Самсонова А.В. Моторная и сенсорная функции мышц в биомеханике локомоций: монография [Текст] / А.В.Самсонова; Санкт-Петербургский гос. ун-т физ. культуры им. П.Ф.Лесгафта.– СПб: [б.и.], 2007.– 152 с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Бочаров, А.Ф. Биомеханика: Учебное пособие [Текст] / А.Ф. Бочаров, Г.П. Иванова, В.П. Муравьев. – СПб. [б.и.]: СПбГАФК им. П.Ф. Лесгафта, 2000. – 74 с.
  2. Донской, Д.Д. Биомеханика: Учеб. для ин-тов физ. культуры [Текст]/ Д.Д. Донской, В.М. Зациорский. – М.: Физкультура и спорт, 1979. – 264 с.
  3. Иваницкий, М.Ф. Анатомия человека (с основами динамической морфологии): Учеб. для ин-тов физ. культуры [Текст] / Под ред. Б.А. Никитюка, А.А. Гладышевой, Ф.В. Судзиловского. – М.: Физкультура и спорт, 1985. – 544 с.
  4. Козлов И.М. Биомеханические факторы организации спортивных движений: монография [Текст] /И.М.Козлов Санкт-Петербургская гос. академия физ. культуры им. П.Ф.Лесгафта – СПб, [б.и.], 1998.– 141 с.
  5. Коренберг, В.Б. Спортивная биомеханика. Словарь-справочник: Учебное пособие [Текст] / В.Б. Коренберг. – Малаховка [б.и.]: МГАФК, 1999. – 192 с.
  6. Мак-Комас Алан. Дж. Скелетные мышцы. Строение и функции [Текст] /Алан Дж. Мак-Комас.&? Киев: Олимпийская литература, 2001.– 407 с.
  7. Михайлов С.С. Спортивная биохимия: учебник для вузов и колледжей физической культуры [Текст] / С.С.Михайлов; СПбГУФК им. П.Ф.Лесгафта, СПб, [б.и.], 2006. – 230 с.
  8. Петров, В.А. Механика спортивных движений [Текст]./ Петров В.А., Гагин Ю.А. М.: Физкультура и спорт, 1974.– 232 с.
  9. Солодков А.С., Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная: Учебник [Текст]/ Солодков А.С., Сологуб Е.Б.– М.: Терра-Спорт, Олимпия пресс, 2001.– 520 с. ил.
  10. Теория и методика физической культуры [Текст] / Под ред. проф. Ю.Ф.Курамшина.– М.: Советский спорт, 2004.–463 с.
  11. Энока Р.М. Основы кинезиологии [Текст]. – Киев: Олимпийская литература, 1998.– 399 с.

Как приобрести

Купить