Биомедицинская инженерия и биомеханика. Курс лекций. Учебное пособие

Оценка силовой выносливости мышц

Это исследование проводится из исходного положения лежа вниз лицом на кушетке. Верхняя часть туловища, до уровня гребней подвздошных костей, находится на весу, руки на поясе. Время удержания туловища определяется по секундомеру, для детей 7–11 лет оно составляет примерно 1–2 мин, а для детей 12–16 лет – 1,5–2,6 мин. Для оценки силовой выносливости мышц туловища правой и левой стороны пациент укладывается так же, но на бок. Нормативное время 1– 1,5 мин и 1,5–2 мин. Асимметрия определяется при сравнении результатов обследования на левом и правом боку.

Оценка силовой выносливости мышц передней брюшной стенки производится из исходного положения лежа на спине с фиксированными ногами на кушетке. Определяется число переходов из положения лежа в положение сидя в медленном темпе (не чаще 16 раз в минуту). Дети 7–11 лет производят 15–20 движений, а дети 12–16 лет – 25–30 движений.

Измерение силы мышц

Динамометрическое исследование проводится с целью:

1)определения силы сжатия кисти;

2)измерения становой силы;

3)определения силы, развиваемой отдельными группами мышц (мышц сгибателей предплечья, голени, пальцев).

Для этого используются различные динамометры. Принцип их действияосновываетсянаупругихсвойствахпружиныилиобоймы. Возникающая под действием силы деформация посредством рычагов передается к движущейся по измерительной шкале стрелке. Следует отметить, чторазвиваемаясилазависитотуглаприложениясилы, т. е. отугласгибания в том или ином суставе.

51

движенийотсрединнойточкитела. Отсюдаследует, чтодвижения, осуществляемые выпрямленной рукой, менее точны, чем полусогнутой. Наиболее высока точность в зоне 15–35 см от срединной точки тела.

Скоростные характеристики двигательного акта

Диапазон скоростей, развиваемых при движении рук человека, очень широк: от 0,01 см/с при точной плавной регулировке до 8000 см/с при метании. Наиболее часто используются скорости порядка 5–800 см/с, при этом максимальная точность достигается при скоростях 20–25 см/с. Скорость зависит от направления движения: движение к себе совершается быстрее, чем от себя; вертикальные движения рукой осуществляются быстрее горизонтальных; вращательные быстрее поступательных.

На развиваемую скорость оказывает влияние величина нагрузки. С увеличением нагрузки пропорционально уменьшается темп, длительность и количество движений.

Со скоростными характеристиками тесно связаны и характеристики переключаемости, т. е. количество сменыдвиженийвединицу времени. Наиболее общим показателем переключаемости является темп. Так, темпдвиженийвмежфаланговомсочлененииможетбыть300–400 вминуту, в пястно-фаланговом – 480–500, в кисти – 690, в предплечье – 530, в плече – 310, в стопе – 60–70 в минуту. Однако эти величины могут значительно меняться под воздействием тренировок. Имеется определенная связь темпа с нагрузкой. Так, темп для нажимных движений пальцадляусилия25 гравен6,7 всекунду, адляусилия400 г– 6,1 в минуту.

Большое внимание в эргономике уделяется изучению времени реакции, т. е. времениотмоментаподачи сигналадо моментадвигательного ответа. Этовремяопределяетсяхарактеристикамивосприятияипереработки информации, оно может меняться под воздействием различных факторов и в зависимости от тренировок. Время самого движения является относительно более устойчивым.

5.1. БИОМЕХАНИКА МЫШЦ

Особенностью движений человека является то, что звенья его тела перемещаются под действием мышц, активность которых вызвана протекающими внутри них биохимическими реакциями. Звенья скелета

53

двигаются под воздействием скелетных мышц, которые называются по- перечно-полосатыми. Поперечная исчерченность этих мышц связана с филаментами (толстыми и тонкими сократительными белками), объединенными в миофибриллы. Филаменты образуют периодический рисунок вдоль миофибрилл, его регулярный повторяющийся элемент называется саркомером. Саркомер – это основная сократительная единица мышцы, его длина в покоящейся мышце составляет в среднем 2,5 мкм. Основу тонкого миофиламента составляют два пучка актиновых молекул. Толстые миофиламенты почти целиком состоят из миозина.

Двигательная единица – это соматическая клетка и дендриты двигательного нейрона, многочисленные ответвления его аксона и мышечные волокна, которые он иннервирует. В мышце их обычно бывает до нескольких сотен.

Двигательные единицы человека можно разделить на три группы:

1)медленносокращающиесяневосприимчивыекутомлению(типS);

2)быстросокращающиесяневосприимчивыекутомлению(типFR);

3)быстросокращающиеся восприимчивые к утомлению (тип FF). Двигательные единицы типа S образуют наименьшую величину

силы, тогда как типа FF – наибольшую.

Приведенная классификация основана на физиологических показателях: коэффициенте иннервации и размере отдельного мышечного волокна (т. е. на количестве сократительных белков на мышечное волокно). Существует и другая классификация двигательных единиц, основанная на гистохимическом и химическом анализе.

Поскольку мышечные волокна, принадлежащие двигательной единице одного типа, обладают одинаковыми свойствами, они гомогенны.

Каждая мышца человека содержит совокупность всех трех типов мышечных волокон, что позволяет одним и тем же мышцам осуществлять движения, резко отличающиеся друг от друга по кинематическим, динамическим и энергетическим характеристикам.

Во многих мышцах двигательные единицы ориентированы под угломкосимышцы– этотуголназываетсяугломперистости(пеннации). Преимущество перистости состоит в том, что в имеющемся объеме может уместиться большее количество параллельно расположенных волокон, а при изменении длины всей мышцы ее размер будет определяться изменением длины волокон и их перемещением вследствие изменения угла перистости.

54

Механические свойства мышц

Основное назначение мышцы – преобразование химической энергии в механическую работу, которая необходима для перемещения звеньев тела. Поэтому мышцу рассматривают как механическую систему, обладающую определенными механическими свойствами: сократимостью, жесткостью, прочностью, релаксацией и гистерезисом, упругостью.

Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуждении; в результате мышца укорачивается и возникает сила тяги.

Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Жесткость определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы:

Кж AF / AI (Н/м).

Прочность оценивается величиной растягивающей силы, при которой мышца разрывается. Предельное значение растягивающей силы определяют по кривой Хилла, названной так в честь изучавшего ее известного английского физиолога. Предел прочности, при котором

мышца разрывается (в пересчете на 1 мм2 ее поперечного сечения), составляет от 0,1 до 0,3 Н/мм2. Для сравнения: предел прочности сухожи-

лия около 50 Н/мм2 , а фасций – около 14 Н/ мм2 . Возникает вопрос:

почему иногда рвется сухожилие, а мышца остается целой? По-види- мому, это может происходить при очень быстрых движениях: мышца успевает самортизировать, а сухожилие – нет.

Релаксация – свойство мышцы, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. Например, при спрыгивании и прыжке вверх, если во время глубокого приседа человек делает паузу. Чем пауза больше, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.

Мышца обладает упруго вязкими свойствами. Вследствие этого во взаимосвязи «сила – длина» при циклической нагрузке наблюдается такое явление, как гистерезис: сила, образуемая при определенной длине мышцы во время увеличения длины, больше силы, образуемой при такой же длине мышцы при сокращении длины.

Рассмотрим механическую модель мышцы с сосредоточенными параметрами. Она состоит из сократительного элемента (СЭ), ответственного

55

за развитие усилия, последовательного упругого компонента мышечных волокон параллельного упругого компонента (ПАУК) и демпфирующего элемента (ДЭ).

Сократительный элемент составляют актиновые и миозиновые филаменты, которые способны двигаться относительно друг друга за счет сцепления поперечных мостиков. Сила тяги, развиваемая при этом, определяется длиной мышцы (степенью перекрытия миофиламентов), скоростью относительного движения миофиламентов и степенью возбуждения мышцы. Зависимость силы СЭ от скорости его укорочения при максимальном возбуждении описывается уравнением Хилла. Параметры зависимости силы СЭ от его длины и скорости связаны со степенью возбуждения мышцы, композицией и температурой – это иллюстрирует известный факт, что перед выполнением упражнения мышцы необходимо разогревать. Возбуждение мышцы определяется процессами активации каждого волокна и их рекрутированием (вовлечением в активное состояние).

Развиваемая мышцей сила нелинейно зависит от величины удлинения. Эта кривая (ее называют «сила – длина») является одной из характеристических зависимостей, описывающих закономерности мышечного сокращения.

Разновидности работы мышц

Типы мышечных сокращений

По способу укорочения мышц различают три типа мышечного сокращения:

1)изотоническое, при котором волокна мышцы укорачиваются при постоянной внешней нагрузке. В реальных движениях проявляется редко;

2)изометрическое – это тип активации, при котором мышца развивает напряжение без изменения своей длины. На этом построено статическое напряжение мышцы и так называемая статическая работа двигательного аппарата человека. Например, в режиме изометрического сокращения работают мышцы человека, который подтянулся и удерживает свое тело в этом положении;

3)анизотоническое – это режим, при котором мышца развивает напряжение и укорачивается, именно оно обеспечивает выполнение двигательных действий человека.

56

Изотоническое и анизотоническое сокращения лежат в основе динамической работы двигательного аппарата человека.

У анизометрического сокращения есть две разновидности. В преодолевающем (концентрическом) режиме мышца укорачивается в результатесокращения. Вуступающем(эксцентрическом) режимемышца растягивается под воздействием внешней силы. Например, икроножная мышца спринтера функционирует в уступающем режиме при взаимодействии ноги с опорой в фазе амортизации, а в преодолевающем –

вфазе отталкивания.

Вуступающем режиме наблюдается обратная картина: увеличение скорости растяжения мышцы сопровождается увеличением силы тяги, что является причиной многочисленных травм у спортсменов (например, разрыва ахиллова сухожилия у спринтеров и прыгунов в длину). При скорости, равной нулю, мышцы работают в изометрическом режиме.

Для движения звена в суставе под действием мышечных сил важны не сами силы, а создаваемые ими моменты сил, поскольку движение звена – это не что иное, как вращение относительно оси сустава. Поэтому разновидности работы мышц можно выразить в терминах моментов сил (по Р. Эноке, 1998): если отношение момента внутренних сил к моменту внешних равно единице, то режим сокращения будет изометрическим, если больше единицы – концентрическим, если меньше единицы – эксцентрическим.

Групповое взаимодействие мышц

Существует два вида группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.

Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, в сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плечелучевая мышцы. В результате синергетического взаимодействия мышц увеличивается результирующая сила. При травме, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.

Мышцы-антагонисты имеют разнонаправленное действие: если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая – уступающую. Совместная работа мышц-антагонистов обеспечивает высокую точность двигательных действий, так как звено необходимо не только привести в движение, но и затормозить в нужный момент.

57

Мощность и эффективность мышечного сокращения

По мере увеличения скорости мышечного сокращения сила тяги мышцы, функционирующей в преодолевающем режиме, снижается по гиперболическому закону. Известно, что механическая мощность равна произведению силы на скорость. Существуют сила и скорость, при которых мощность мышечного сокращения наибольшая; этот режим возникает, когда и сила, и скорость составляют примерно 30 % от максимально возможных величин.

Упругие свойства мышц и сухожилий

Упругие свойства мышечных волокон и сухожилий играют важную роль в двигательных актах человека. Сами по себе мышцы и сухожилия не являются пружинами хотя бы потому, что они развивают активное усилие только при сокращении. Однако эти биологические образования подобно пружинам способны накапливать энергию упругой деформации.

Упругие (жесткостные) свойства мышц и сухожилий in vivo нелинейны, вариативны. Для описания поведения мышц и сухожилий необходимо использовать модель, состоящую из комбинации упругих и демпфирующих элементов. Иными словами, жесткость активной части сократительного и последовательного упругого компонента будет влиять на суммарную жесткость мышечно-сухожильной структуры при малых нагрузках. При больших нагрузках суммарная жесткость будет стремиться к жесткости сухожилия.

5.2. КИНЕМАТИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

Ходьба является одной из разновидностей циклических локомоций (движений). Для их характеристики используют количественные показатели:

V – скорость передвижения; L – длина шага;

n – число шагов в минуту.

Эти параметры связаны между собой, их зависимость выражается формулой

V = Ln / 60.

58

В шагательных движениях каждая нога поочередно является то опорной, то переносимой.

Опорный период подразделяется на фазу амортизации и фазу отталкивания. Шаг начинается с постановки ноги на опору и заключается в торможении тела по направлению к опоре, т. е. вертикальное торможение препятствует падению тела. К концу этого периода скорость общего центра масс (ОЦМ) по вертикали уменьшается до нуля, а по горизонтали сохраняет свое минимальное значение. Эта фаза заканчивается (условно) в момент максимального сгибания опорной ноги в коленном суставе (голеностопный сустав также участвует). В опорный период происходит продольный и поперечный перекат стопы.

Начало фазы отталкивания условно считают от начала разгибания опорной ноги в коленном суставе. В этой фазе работает и стопа. Происходит разгибание в коленном суставе, что обеспечивает продвижение тела вперед к опорной конечности. Горизонтальная и вертикальная скорости нарастают.

Конец периода опоры и фазы отталкивания наступает с момента отрыва стопы от поверхности опоры. Если действующие силы в период опоры одинаковы при каждом шаге, то скорость перемещения постоянна.

Период переноса конечности разделяется на фазы разгона и торможения.

Фаза разгона начинается с момента отрыва стопы от опоры. При этом угол отклонения бедра от вертикали (угол разгибания в тазобедренном суставе) максимальный. В этой фазе происходит сгибание в тазобедренном суставе. При этом скорость перемещения центра массы ноги возрастает и в конце достигает максимума. Перемещение центра массы ноги приводит к перемещению общего центра массы туловища. Таким образом, маховые движения, как и отталкивание, способствуют ускорению ОЦМ тела человека. Чем выше угловая скорость маховых движений, тем больше скорость перемещения ОЦМ человека.

Фаза торможения характеризуется опусканием конечности.

При ходьбе возникает период двойной опоры. Если сокращать период опоры каждой конечности, то постепенно можно достигнуть исчезновенияпериодадвойнойопоры– появленияпериодаполета, чтосоответствует бегу (рис. 3).

59