Зависимость «сила-скорость» сокращения мышц

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

Установка для измерения силы и скорости сокращения мышц

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:

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.

Зависимость силы тяги мышцы от скорости сокращения
Рис.1. Зависимость силы тяги m. sartorius лягушки от скорости сокращения, 144 мг, t=18,5 С (W.O. Fenn, B.S. March, 1935)

Нобелевский лауреат Арчибальд Хилл (1938) посвятил много времени изучению энергетических процессов, протекающих в 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) (Vм+b) = (P0+ a) b = const.

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

Зависимость "сила-скорость" сокращения мышц
Рис.2. Зависимость скорости сокращения мышцы m. sartorius лягушки от массы груза (A.V.Hill, 1938) Представленный график соответствует следующей зависимости (P+14,35)(Vм+1,03)=87,6, где: а=14,35 гр, b = 1,03 см/с

 

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 мышцы, тем ниже скорость сокращения мышцы. Также было установлено и обратное: чем больше скорость укорочения мышцы, тем меньшую силу способна развить мышца (рис.3).

Зависимость силы m.biceps brachii от скорости сокращения
Рис.3. Зависимость силы m.biceps bracii от скорости сокращения (E. Pertuson, S. Bouisset, 1973)

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).

Зависимость силы от скорости быстрых и медленных мышечных волокон
Рис.4. Зависимость силы от скорости быстрых и медленных мышечных волокон МС — медленносокращающиесмя мышечные волокна; БС — быстросокращающиеся мышечные волокна

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).

Зависимость силы мышцы от скорости сокращения в различных режимах работы
Рис.5. Зависимость силы мышцы от скорости сокращения в различных режимах работы

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).

Зависимость "сила-скорость" сокращения мышц
Рис.6. Зависимость силы от скорости сокращения мышцы (P.V. Komi, 1973) Концентрический режим соответсвует отрицательным значениям скорости; эксцентрический — положительным

 

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

Похожие записи:


Скалярные и векторные величины
Даны определения и приведены примеры скалярных и векторных величин. Описаны математические операции над векторными величинами. Скалярные и…

Координаты тела
Описаны координаты тела, декартова и полярная системы координат. Приведены примеры записи координат тела на плоскости. Дана характеристика использования…

Характеристики механического движения
Характеристики механического движения тела человека можно разделить на кинематические (пространственные, временные, пространственно-временные) и динамические (инерционные, силовые и энергетические).

Биомеханический анализ
Даны определения: анализ, биомеханический анализ статического положения  и движения человека, спортивных снарядов и др. Приведены этапы биомеханического анализа…

Факторы, определяющие силу скелетных мышц человека
Описаны факторы, определяющие силу скелетных мышц человека: анатомические, физиологические и биомеханические. Это разделение условное и…

Зависимость «сила-длина» мышцы
Описаны: история исследования зависимости «сила-длина мышцы», компоненты мышцы, зависимость «сила-длина» расслабленной (пассивной) и активной мышцы; «сила-длина»…

Соматотипы человека по В.П. Чтецову
Описана схема количественной оценки соматотипов, предложенная Владимиром Павловичем Чтецовым. Схема предназначена для оценки соматотипов взрослых мужчин…

Метод «до отказа» для развития силовых способностей человека
В статье рассмотрено применение низко- средне- и высокоинтенсивного метода «до отказа» для развития силы, силовой выносливости и…

Саркоплазматическая гипертрофия мышц
Дано определение и описаны механизмы саркоплазматической гипертрофии скелетных мышц. Показано, что этот вид гипертрофии мышц широко…