Робота і сила м'язів

Основною властивістю м'язової тканини, що утворює скелетні м'язи, є скоротність, яка призводить до зміни довжини м'яза під впливом нервових імпульсів. М'язи діють на кістки важелів, які з'єднані суглобами. У цьому випадку кожен м'яз діє на суглоб лише в одному напрямку. В одноосьовому суглобі (циліндричний, блокоподібний) рух кісткових важелів відбувається лише навколо однієї осі, тому м'язи розташовані по відношенню до такого суглоба з обох боків і діють на нього у двох напрямках (згинання - розгинання; приведення - відведення, обертання). Наприклад, у ліктьовому суглобі одні м'язи є згиначами, інші - розгиначами. По відношенню один до одного ці м'язи, діючи на суглоб у протилежних напрямках, є антагоністами. Як правило, два або більше м'язів діють на кожен суглоб в одному напрямку. Такі м'язи, дружні за напрямком дії, називаються синергістами. У двоосьовому суглобі (еліпсоїдний, мищелковий, сідлоподібний) м'язи групуються відповідно до його двох осей, навколо яких виконуються рухи. У кульовому суглобі, який має три осі руху (багатоосьовий суглоб), м'язи прилягають один до одного з кількох боків і діють на нього в різних напрямках. Наприклад, плечовий суглоб має м'язи - згиначі та розгиначі, які здійснюють рух навколо фронтальної осі, відвідні та привідні м'язи - навколо сагітальної осі, а ротатори - навколо поздовжньої осі (досередини - пронатори та назовні - супінатори).

У групі м'язів, що виконують певний рух, можна виділити основні м'язи, що забезпечують даний рух, та допоміжні м'язи, допоміжна роль яких вказує сама назва. Допоміжні м'язи моделюють рух, надаючи йому індивідуальних характеристик.

Для функціональної характеристики м'язів використовуються такі показники, як їх анатомічний та фізіологічний поперечний переріз. Анатомічний поперечний переріз - це розмір (площа) поперечного перерізу, перпендикулярного до довгої осі м'яза та проходить через черевце в його найширшій частині. Цей показник характеризує розмір м'яза, його товщину. Фізіологічний поперечний переріз м'яза - це загальна площа поперечного перерізу всіх м'язових волокон, що складають досліджуваний м'яз. Оскільки сила м'яза, що скорочується, залежить від кількості м'язових волокон та розміру поперечного перерізу, фізіологічний поперечний переріз м'яза характеризує його силу. У веретеноподібних, стрічкоподібних м'язах з паралельним розташуванням волокон анатомічний та фізіологічний поперечні перерізи збігаються. Інша картина у пір'ястих м'язах, які мають велику кількість коротких м'язових пучків. З двох рівних м'язів з однаковим анатомічним поперечним перерізом пір'ястий м'яз має більший фізіологічний поперечний переріз, ніж веретеноподібний. Загальний поперечний переріз м'язових волокон у пір'ястому м'язі більший, а самі волокна коротші, ніж у веретеноподібному м'язі. У цьому відношенні пір'ястий м'яз має більшу силу, ніж останній, але діапазон скорочення його коротких м'язових волокон менший. Пір'ясті м'язи зустрічаються там, де потрібна значна сила м'язового скорочення при відносно невеликому діапазоні рухів (м'язи гомілки, стопи, деякі м'язи передпліччя). Веретеноподібні, стрічкоподібні м'язи, побудовані з довгих м'язових волокон, під час скорочення скорочуються на більшу величину. Водночас вони розвивають меншу силу, ніж пір'ясті м'язи, які мають такий самий анатомічний поперечний переріз.

М'язова робота. Оскільки кінці м'яза кріпляться до кісток, точки його початку та прикріплення під час скорочення зближуються одна до одної, а самі м'язи виконують певний обсяг роботи. Таким чином, тіло людини або його частини змінюють своє положення, коли відповідні м'язи скорочуються, рухаються, долають опір сили тяжіння або, навпаки, поступаються цій силі. В інших випадках, коли м'язи скорочуються, тіло утримується в певному положенні, не виконуючи руху. Виходячи з цього, розрізняють подолання, поступку та утримання м'язової роботи.

Подолання м'язової роботи здійснюється, коли сила м'язового скорочення змінює положення частини тіла, кінцівки або її ланки, з навантаженням або без нього, долаючи силу опору.

Нижча робота – це робота, при якій сила м’язів поступається силі тяжіння частини тіла (кінцівки) та вантажу, який вона утримує. М’яз працює, але не скорочується, а навпаки видовжується; наприклад, коли неможливо підняти або утримати предмет великої маси. При великому зусиллі м’язів тіло необхідно опустити на підлогу або іншу поверхню.

Утримувальна робота виконується, якщо сила м'язових скорочень утримує тіло або вантаж у певному положенні, не рухаючись у просторі. Наприклад, людина стоїть або сидить нерухомо, або утримує вантаж у тому самому положенні. Сила м'язових скорочень врівноважує масу тіла або вантажу. У цьому випадку м'язи скорочуються, не змінюючи своєї довжини (ізометричне скорочення).

Подолання та поступка роботою, коли сила м'язових скорочень переміщує тіло або його частини в просторі, можна розглядати як динамічну роботу. Утримувальна робота, при якій рух усього тіла або частини тіла не відбувається, є статичною роботою.

Кістки, з'єднані суглобами, діють як важелі під час скорочення м'язів. У біомеханіці розрізняють важіль першого роду, коли точки опору та прикладання м'язової сили знаходяться по різні боки від точки опори, та важіль другого роду, у якому обидві сили прикладаються по один бік від точки опори, на різній відстані від неї.

Перший тип дворукого важеля називається «важелем рівноваги». Точка опори розташована між точкою прикладання сили (силою скорочення м'язів) і точкою опору (силою тяжіння, масою органу). Прикладом такого важеля є з'єднання хребта з черепом. Рівновага досягається за умови, що крутний момент прикладеної сили (добуток сили, що діє на потиличну кістку, на довжину плеча, яка дорівнює відстані від точки опори до точки прикладання сили) дорівнює крутному моменту сили тяжіння (добутку сили тяжіння на довжину плеча, що дорівнює відстані від точки опори до точки прикладання сили).

Важіль другого роду є одноплечим. У біомеханіці (на відміну від механіки) він буває двох типів. Тип такого важеля залежить від розташування точки прикладання сили та точки дії сили тяжіння, які в обох випадках знаходяться по одну сторону від точки опори. Перший тип важеля другого роду (важіль сили) виникає, коли плече прикладання м'язової сили довше за плече опору (сили тяжіння). Розглядаючи стопу як приклад, ми можемо бачити, що точкою опори (вісь обертання) є головка плеснових кісток, а точкою прикладання м'язової сили (триголовий м'яз грудної клітки) - п'яткова кістка. Точка опору (сили тяжіння тіла) знаходиться на стику кісток гомілки зі стопою (гомілковостопний суглоб). У цьому важелі спостерігається виграш у силі (плече прикладання сили довше) і втрата швидкості руху точки опору (її плече коротше). У другому типі одноплечого важеля (швидкісного важеля) плече прикладання м'язової сили коротше за плече опору, куди прикладається протидіюча сила — сила тяжіння. Для подолання сили тяжіння, точка прикладання якої знаходиться на значній відстані від точки обертання в ліктьовому суглобі (точки опори), потрібна значно більша сила м'язів-згиначів, що прикріплюються поблизу ліктьового суглоба (у точці прикладання сили). У цьому випадку спостерігається виграш у швидкості та діапазоні руху довшого важеля (точки опору) та втрата сили, що діє в точці прикладання цієї сили.