Зависимость «сила-скорость» сокращения мышц

Описаны зависимости силы тяги скелетных мышц животных и человека в зависимости от режимов работы: преодолевающий (концентрический) и уступающий (эксцентрический)

Биомеханические факторы, определяющие силу и скорость сокращения мышцы (зависимость силы мышцы от скорости сокращения и режима работы)

Как указывалось ранее, существует ряд биомеханических факторов, влияющих на проявление силы активной мышцы. К этим факторам относятся:

• длина мышцы;
• скорость сокращения мышцы;
• режим работы мышцы.

Теперь рассмотрим, как влияют скорость сокращения и режим работы мышцы на силу, которую мышца способна проявить.

Режимы сокращения мышцы

Напомню, что режим работы активной мышцы, при котором длина мышцы уменьшается называется преодолевающим или концентрическим. Режим работы активной мышцы при котором ее длина увеличивается называется уступающим или эксцентрическим. Если длина активной мышцы не изменяется, режим называется изометрическим.

Скорость сокращения мышцы

Преодолевающий режим работы мышцы (концентрический режим)

Исторически сложилось так, что вначале была изучена зависимость скорости сокращения мышцы от нагрузки в преодолевающем режиме работы мышцы и только затем — в уступающем.

Первыми зависимость силы m. sartorius лягушки от скорости сокращения (рис.1) получили В. Фенн и Б. Марч в 1935 году. Эта зависимость имела следующий вид:

F= 295e^-0,236V-1,8V, где F – сила тяги мышцы, V – скорость сокращения мышцы.

Нобелевский лауреат Арчибальд Хилл (1938) посвятил много времени изучению энергетических процессов, протекающих в скелетной мышце. Ему удалось установить фундаментальные закономерности, присущие мышечному сокращению. Он установил, что  мышца выделяет энергию в двух формах:  тепловой и механической.  Количество теплоты, выделяемое мышцей не зависит от нагрузки и скорости укорочения. А.Хилл находил, что активная мышца укорачивается медленнее при большей внешней нагрузке  обусловлено особенностью регуляции высвобождения энергии. Большая нагрузка вызывает низкую скорость передачи энергии, что приводит к низкой скорости сокращения мышцы.

В результате исследований, А.Хилл получил соотношение между скоростью сокращения мышцы и внешней нагрузкой, которое  теперь носит его имя и называется «характеристическое уравнение Хилла». Зависимость скорости сокращения мышц от внешней нагрузки описывается гиперболой:

(P+a) (V_м+b) = (P₀+ a) b = const.

где: P₀ – максимальная нагрузка, при которой не происходит укорочения мышцы; P – нагрузка; a,b – константы, рис.2.

Что это означает? Это означает, что чем больше внешняя нагрузка, тем ниже скорость сокращения мышцы. Мы все это прекрасно знаем из собственного опыта. Вставание со штангой большой массы всегда выполняется медленно. Скорость сокращения мышц небольшая из-за большой внешней нагрузки. И наоборот, мы легко можем быстро встать со штангой небольшой массы.

Проведенные впоследствии эксперименты на мышцах человека подтвердили данные, полученные А. Хиллом: чем больше внешняя сила, которой противодействует мышца, тем ниже скорость сокращения мышцы. Также было установлено и обратное: чем больше скорость укорочения мышцы, тем меньшую силу способна она развить (рис.3).

Следует отметить, что вид зависимости «сила-скорость» различен для быстрых и медленных мышц. Дж. Уэллс (J.B. Wells, 1965) показал, что быстрая передняя большеберцовая мышца (m. tibialis anterior) способна показывать более высокие значения силы при той же скорости сокращения, что и медленная камбаловидная мышца (m. soleus).  Это означает, что мощность, развиваемая быстрой мышцей будет в 2-3 раза выше, чем у медленной (рис.4).

Эксцентрический режим работы мышцы

Следует отметить, что изучение зависимости «сила-скорость» (концентрический режим работы мышцы) привлекало внимание многих исследователей, в то время как эксцентрический режим оставался менее исследованным. А. Хилл (1951) находил, что при работе в эксцентрическом режиме сила мышцы возрастает с увеличением скорости растяжения (рис.5).

П.В. Коми (1973) использовал специальный динамометр для регистрации усилий, развиваемых двуглавой мышцей плеча человека в концентрическом и эксцентрическом режимах сокращения мышцы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при работе двуглавой мышцы плеча в концентрическом режиме зависимость «сила–скорость» может быть описана уравнением гиперболы, рис.6 (левая часть графика). При работе мышцы в эксцентрическом режиме увеличение скорости растяжения мышцы приводит к увеличению силы, развиваемой мышцей, рис. 6 (правая часть графика).

Рекомендуемая литература

1. Зациорский, В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, А.С. Аруин, В.Н. Селуянов.- М.: Физкультура и спорт, 1981.- 143 с.
2. Кичайкина, Н.Б. Биомеханика двигательных действий /Н.Б. Кичайкина, А.В. Самсонова : учебно-методическое пособие /Под ред Н.Б. Кичайкиной.- СПб: НГУ им. П.Ф.Лесгафта, 2014.- 183 с.
3. Попов, Г.И. Биомеханика двигательной деятельности: учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования /Г.И.Попов, А.В. Самсонова.- М.: Издательский центр «Академия», 2011.- 320 с.
4. Самсонова, А.В. Биомеханика мышц: учебно-методическое пособие /А.В.Самсонова, Е.Н. Комиссарова / Под ред А.В.Самсоновой .- СПб., 2008.- 217 с.
5. Самсонова, А.В. Некоторые факторы, влияющие на площадь поперечного сечения мышц /А.В. Самсонова //Вестник Петровской академии, Санкт-Петербург, 2010.- 2(16).- С.52-55
6. Самсонова А.В. Гипертрофия скелетных мышц человека / А.В. Самсонова.- СПб: Кинетика, 2018.- 159 с. ил.

С уважением, А.В.Самсонова