Биомеханика мышц

Аппарат движения представляет систему взаимосвязанных, подвижных кинематиче-

ских звеньев, которые образуют кинематические цепи; последние могут быть замкну-

тыми и открытыми. Роль мышц заключается в перемещении кинематических звеньев

относительно друг друга или в их удержании в определенном положении. В зависимо-

сти от этого различают динамическую и статическую работу мышц.

Работа мышц подчиняется законам рычага. В аппарате движения имеются три рода

рычагов.

1. Рычаг первого рода называют «рычагом равновесия» (Рис. 25). В этом рычаге точка

опоры располагается между точкой приложения силы и точкой сопротивления,

причем обе силы действуют в одном направлении. Примером является удержива-

ние головы в равновесном состоянии в атлантозатылочном суставе.

2. Рычаг второго рода является «рычагом силы» (Рис. 26). Точка сопротивления нахо-

дится между точкой опоры и точкой приложения силы. Примером такого рычага

может служить стопа при подъеме на полупальцы.

3. Рычаг третьего рода, или «рычаг скорости», имеет наибольшее распространение

при движениях (Рис. 27). Точка приложения мышечной тяги располагается вблизи

точки опоры и имеет значительно меньшее плечо, чем противодействующая ей

сила сопротивления. Примером такого рычага является действие сгибателей пред-

плечья при поднимании или удерживании в кисти какой-либо тяжести. Плечо рав-

нодействующей мышц равно в этом случае 2 см, а плеча удерживаемой кистью

тяжести равно 20 см. Поэтому при обычной подъемной силе сгибателей предпле-

чья, равной 160 кг, нетренированный человек может удержать при согнутом пред-

плечье примерно 16 кг.

В основе работы мышц лежит способность мышечных волокон к сокращению. Попе-

речно-полосатые волокна при сокращении укорачиваются в среднем на 30-40% своей

первоначальной длины. При этом одиночное мышечное волокно развивает напряже-

ние равное 0.1-0.2 г. Все скелетные мышцы человека содержат около 300 млн. воло-

кон. Следовательно, суммарная сила всех мышц составила бы 30000 кг. В действитель-

ности мускулатура развивает лишь небольшую часть этой громадной силы, так как

обычно сокращаются не все мышцы и в каждой сократившейся мышце бывает актив-

ной лишь часть мионов. Соответственно числу сократившихся мионов различают пар-

циальное и тотальное сокращение мышцы. Разницу между тем и другим можно пока-

зать на примере большой грудной мышцы. При сгибании в плечевом суставе ненагру-

женной руки сокращается лишь часть мионов ключичной части мышцы, при боксер-

ском ударе происходит тотальное сокращение большой грудной мышцы. При некото-

рых заболеваниях, сопровождающихся судорогами (столбняк), мышцы развивают мак-

симальное напряжение, и это может приводить даже к переломам костей.

Сила скелетной мышцы определяется следующими факторами:

1. Физиологический поперечник мышцы, под которым понимают сумму площадей

поперечного сечения всех поперечнополосатых мышечных волокон. Следует отме-

тить, что физиологический поперечник не совпадает с анатомическим поперечни-

ком. Анатомический поперечник включает площадь поперечного сечения мышеч-

ных волокон, сосудов, нервов и соединительной ткани. Он соответствует площади

поперечного сечения собственно мышечной части мышцы.

2. Величина площади опоры на костях, хрящах или фасциях.

3. Способ проявления силы (какого рода рычаг действует на кости – рычаг равнове-

сия, рычаг силы или рычаг скорости).

4. Степень нервного возбуждения.

5. Адекватность кровоснабжения и т. д.

Сравним сокращения мышц с параллельным и косым расположением волокон. При

сокращении мышца с параллельными волокнами (портняжная мышца) укорачивается

на 40% своей длины, но развивает небольшую силу. Косое расположение волокон

имеют перистые мышцы. Они содержат больше волокон, чем мышцы с параллельны-

ми пучками, и волокна в них короче. При сокращении изменяется угол, под которым

волокна подходят к сухожилию, само сухожилие перемещается на меньшее расстоя-

ние, но мышца развивает большую силу. Но работа, совершаемая мышцами обоих ви-

дов, одинакова, так как проигрыш в силе у мышц с параллельными волокнами компен-

сируется выигрышем в расстоянии. Сила, приходящаяся на 1 см2 поперечного сечения,

составляет у разных мышц от 6 до 16 кг, в среднем около 10 кг/см2. Считается, что

подъемная сила мышц предплечья составляет примерно 160 кг, а сила задних мышц

бедра – до 480 кг. В действительности человек может поднять и удержать гораздо

меньший груз. Таким образом, мышечная система обладает значительным резервом

силы. Это – один из факторов, определяющих надежность аппарата движения.

Быстрота сокращений мышц зависит от преобладания в их составе красных или белых

волокон. У ряда животных довольно отчетливо различаются «красные» и «белые»

мышцы. Первые состоят преимущественно из более темных и медленно сокращаю-

щихся волокон, в состав вторых входят в основном светлые, быстро сокращающиеся

волокна. В соответствии с этим П.Ф.Лесгафт делил мышцы на два типа – сильные и ловкие. Дальнейшие исследования показали, что в большей части мышц светлые волокна перемешаны с темными. Например, передняя большеберцовая мышца содержит около 70% светлых и 30% темных волокон. Отмечается тенденция темных волокон концентрироваться в глубоко лежащих частях мышц, способных к длительному сокращению, связанному с поддержанием позы.

Такие функциональные особенности мышц, как амплитуда и направление производи-

мых движений, тесно связаны с их формой и строением. Длинные и тонкие мышцы,

имеющие небольшую площадь прикрепления к костям, как например длинный сгиба-

тель пальцев, дают большую амплитуду движений. Короткие и толстые мышцы, напротив, осуществляют движения, имеющие небольшой размах (квадратная мышца поясницы). Мышцы с параллельным ходом волокон производят тягу в одном направлении. Перистые мышцы осуществляют более разнообразные движения. Веерообразные и широкие мышцы, сокращаясь отдельными частями, могут осуществлять тягу в нескольких направлениях.

Все крупные мышцы состоят из относительно самостоятельных в функциональном от-

ношении частей. Так, трапециевидная, большая грудная, дельтовидная, передняя зуб-

чатая мышцы обычно сокращаются отдельными пучками, которые производят различ-

ное действие. Лишь сравнительно мелкие мышцы, перекидывающиеся через один сус-

тав, представляют собой анатомически и функционально единое целое.

Живая мышца характеризуется состоянием некоторого непроизвольного напряжения.

Это напряжение называется тонусом мышцы. Тонус мышц регулируется ЦНС и от него зависит поза человека, его осанка.

Кинематическим действием мышц называют эффект, производимый ее неограничен-

ным сокращением. Мак-Конейл с соавторами выделяют два общих закона кинематики

мышц – закон сближения и закон раскручивания.

Закон сближения выражает тот известный факт, что при сокращении мышцы происхо-

дит взаимное сближение обоих ее концов – начала и прикрепления. В большинстве

случаев один конец мышцы остается неподвижным, а другой перемещается в про-

странстве вместе с той костью, к которой он прикрепляется. Один и тот же конец мыш-

цы в зависимости от характера движения является то фиксированным, то подвижным.

Так, плечевая мышца обычно работает как сгибатель предплечья, ее фиксированная

точка находится на плечевой кости, а подвижная точка – на локтевой кости. Но если

предплечье и кисть стабилизированы, как это бывает при подтягивании на переклади-

не, то плечевая, мышца производит сгибание плеча. Фиксированная и подвижная точ-

ки теперь меняются местами. Таким образом, подвижная точка может соответствовать

то прикреплению, то началу мышцы, в зависимости от взаимной подвижности звеньев

кинематической цепи.

Закон раскручивания заключается в том, что мышца при своем сокращении стремится привести в одну плоскость линию своего начала и линию прикрепления. Этот закон относится только к тем мышцам, которые в начале своего сокращения являются скрученными. Сюда относятся, в частности, мышцы с перекрещивающимися пучками. Эффект раскручивания можно показать на ключичной части большой грудной мышцы. Линия начала этой мышцы на ключице проходит горизонтально, а линия прикрепления на плечевой кости имеет вертикальное направление. Сгибанием плеча обе линии приво дятся в одну плоскость. Отсюда следует, что большая грудная мышца является сгибателем плеча. Рассмотрим некоторые положения, касающиеся отношений между мышцами и суставами. Мышцы могут перекидываться через один, два и более суставов. В зависимости от этого различают мышцы одно-, дву- и многосуставные (Рис. 28). Мышцы не только производят движения в тех суставах, мимо которых они проходят, но и тормозят их. Например, если производить сгибание бедра при разогнутом колене, то задние мышцы бедра, натягиваясь, тормозят его сгибание.

Расположение мышц вокруг суставов связано с характером движений в суставах. Вра-

щение вокруг одной оси требует, по крайней мере, пары противоположно направлен-

ных сил. Можно показать, что при наличии N степеней свободы достаточно иметь N+1

мышц. Обычно число мышц, проводящих в движение сустав, бывает больше. Этим достигается более экономное использование мышц и возможно лучшее управление кинематическими звеньями. Мышцы располагаются или перпендикулярно к осям движения, или под некоторым углом к ним, но этот угол не может быть слишком малым, иначе будет происходить большая потеря силы.

Для анализа действия сил необходимо учитывать направление тяги мышц. Произво-

дить сложение сил, направленных в одну сторону, и вычитание сил, имеющих проти-

воположное направление. Вращательные движения во всех суставах можно рассмат-

ривать как результат действия пары сил.

Одни 0л1084 мышцы начинаются вдали от сустава и прикрепляются поблизости от него. У других мышц начало находится вблизи сустава, а прикрепление удалено от сустава. Имеются существенные различия в действии мышц первого и второго рода. Чтобы установить их, необходимо произвести разложение мышечной тяги на три составляющие: