Робота м'язів. Елементи біомеханіки
Основною властивістю скелетної посмугованої м'язової тканини є скоротливість. Скорочуючись під впливом нервових імпульсів, м'яз переміщує кісткові важелі, що з'єднуються між собою у суглобі – рухома точка наближається до точки фіксації. В одновісних суглобах (обертовий, блокоподібний) кісткові важелі виконують рух тільки навколо однієї осі. М'язи, що розташовуються з двох боків стосовно такого суглоба, діють на нього у двох напрямках, наприклад: згинання – розгинання, приведення – відведення, привертання – відвертання. М'язи, які виконують протилежну функцію (наприклад, згиначі і розгиначі), є антагоністами. На кожен суглоб діють в одному напрямку, як правило, два і більше
Рис. 129. Анатомічний (суцільна лінія) і фізіологічний (пунктирна лінія) поперечники м'язів різної форми
м'язів. Такі м'язи, що виконують однакову функцію, називаються сииергістами. Біля двохосьових суглобів (еліпсоподібний, двовиростковий, сідлоподібний) м'язи групуються відповідно до двох осей, навколо яких відбуваються рухи. Біля кулястого суглоба, наприклад, плечового, розміщені групи м'язів, що здійснюють рухи навколо трьох осей, а також колове обертання.
У групі м'язів, що виконують той чи інший рух, можна виділити основні м'язи, що забезпечують певний рух, і допоміжні м'язи, які доповнюють і моделюють цей рух.
Для функціональної характеристики м'язів використовують поняття їх анатомічного і фізіологічного поперечників (рис. 129). Анатомічний поперечник характеризує величину м'яза – його товщину, площу поперечного перерізу м'яза на рівні найширшої частини його черевця. Фізіологічний поперечник дорівнює сумарній площі поперечного перерізу всіх м'язових волокон, що входять до складу м'яза.
Оскільки сила м'яза, що скорочується, залежить від величини поперечного перерізу м'язових волокон, фізіологічний поперечник м'яза характеризує його силу. У м'язів веретеноподібної і стрічкоподібної форми з рівнобіжним розташуванням волоком анатомічний і фізіологічний поперечники збігаються. З двох рівновеликих м'язів, що мають однаковий анатомічний поперечник, у перистого м'яза фізіологічний поперечник буде більшим, ніж у веретеноподібного, але м'язові волокна коротші. Тому перисті м'язи мають більшу силу, але менший розмах рухів. Перисті м'язи розташовані там, де необхідна значна сила м'язових скорочень при порівняно невеликому розмаху рухів (м'язи гомілки, стопи, деякі м'язи стегна і передпліччя). Веретеноподібні і стрічкоподібні м'язи побудовані з довгих м'язових волокон, тому вони мають великий розмах рухів. Наприклад, кравецький м'яз, що складається з довгих м'язових волокон, при скороченні може перемістити стегно на велику відстань, хоча його сила невелика. Багатоперистий дельтоподібний м'яз, що складається з численних коротких м'язових волокон, переміщує плече на невелику відстань, але розвиває при цьому велику силу.
Для обчислення абсолютної сили м'язів необхідно масу максимального вантажу (кг), що може бути піднятий м'язом, поділити на площу його фізіологічного поперечника (см2). Цей показник у людини для різних м'язів коливається від 6,2 кг/см2 до 16,8 кг/см2. Наприклад, абсолютна сила триголового м'яза литки дорівнює 5,9 кг/см2, двоголового м'яза плеча – 11,4 кг/см2. Сила скорочення одного посмугованого м'язового волокна дорівнює 0,1-0,2 г, а м'яз із площею поперечного перерізу 1 мм2при скороченні розвиває силу 124 г.
Шляхом помноження сили м'яза на швидкість його скорочення можна обчислити потужність м'яза. Швидкість скорочення м'яза показує величину його вкорочення за одиницю часу. Ця швидкість залежить від навантаження (сили опору), що її долає м'яз при скороченні.
Скелетні м'язи передають силу свого скорочення через сухожилки до кісткових важелів. Оскільки сухожилки м'яза прикріплюються до кісток, то при скороченні м'яза його рухома точка наближається до точки фіксації, а сам м'яз мри цьому виконує певну роботу.
При скороченні м'язи можуть виконувати такі види роботи:
- – долаюча робота м'яза. Наприклад, при скороченні дельтоподібного м'яза плече відводиться, при цьому м'яз долає силу протидії – вагу кінцівки або вантажу, що утримується кистю. При такій роботі кінцівка або інша частина тіла переміщується в просторі, тобто виконується динамічна робота;
- – утримуюча робота м'яза виконується тоді, коли силою м'язового скорочення вантаж утримується у визначеному положенні без переміщення в просторі. Наприклад, людина нерухомо сидить чи стоїть, або відведена верхня кінцівка тримає вантаж. При такій роботі сила м'язового скорочення врівноважує масу частини тіла або вантажу. При цьому м'яз скорочується без зміни своєї довжини (ізомеричне скорочення), тобто виконується статична робота;
- – уступаюча робота м'яза виконується тоді, коли сила м'яза уступає силі маси тіла чи його частини, або утримуваного вантажу. М'яз працює, але не коротшає, а навпаки, подовжується. Наприклад, відведена верхня кінцівка з вантажем поступово приводиться. Або людина, що утримує вантаж в обох верхніх кінцівках, опускає його на землю. Уступаюча робота м'язів також є динамічною.
Кістки, що з'єднані між собою суглобами, при скороченні м'язів діють як важелі. Якщо иа важіль (кістку) діють із двох боків дві сили, то одна з них буде діючою, інша протидіючою. В організмі людини діючою силою є сила м'язового скорочення, а протидіюча – сила ваги тіла, або сила скорочення інших м'язів – антагоністів. Плечем сили є частина тіла, його сегмент, на кінець якого діє ця сила. Чим довше плече важеля, на який діє сила, тим ефективніша робота важеля. Розташування точки опори стосовно точок прикладання діючої і протидіючої сил визначає тин важеля (рис. 130).
Скелетні посмуговані м'язи людини виконують рухову функцію за законами механіки, за якими сила, що прикладається до одного плеча важеля, не-
Рис. 130. Дія м'язів на кісткові важелі. 1 – точка опори; 2 – точка прикладання сили; 3 – точка опору
редасться через вісь обертання на інше плече важеля. У такій біомеханічній системі м'язи розвивають силу, кістки служать важелями, а суглоби є точками опори. тобто осями обертання (руху) частин тіла.
Виділяють важелі першого і другого роду. Важіль першого роду двоплечовий, він є важелем рівноваги і працює за принципом гойдалки, де вісь обертання (точка опори) розміщена між точкою прикладання сили (сила м'яза) і точкою ваги опору (вага тіла або його частин, чи сила інших м'язів). Прикладом важеля першого роду є з'єднання хребтового стовпа з черепом. Точні опори відповідає вісь обертання – лобова вісь, яка проходить через обидва атланто-потиличні суглоби. Точкою прикладання сили є місце прикріплення на потиличній кістці м'язів-розгиначів голови задньої ділянки шиї. Протидіючою силою (силою опору) є сила ваги голови. У даному випадку рівновага досягається відповідністю моменту обертання діючої сили м'язів і моменту обертання протилежної сили ваги голови. Величина прикладання сили дорівнює добутку величини м'язової сили, що діє на потиличну кістку, на довжину важеля від точки опори до точки прикладання сили. Величина сили ваги голови дорівнює добутку сили ваги на довжину важеля, від точки опори до точки опору – крайньої передньої точки обличчя.
Важіль другого роду одноплечовий, у ньому точка прикладання сили і точка опору розміщені по один бік від точки опори. Залежно від місця прикладання сили м'язів і сили опору важіль другого роду поділяють на важіль сили та важіль швидкості.
У важелі сили плече прикладання м'язової сили довше від плеча сили опору (сили ваги певної частини тіла), тобто точка опору розміщена між точкою опори (віссю обертання) і точкою прикладання сили. Прикладом такої системи є піднімання п'яти над землею. Віссю обертання (точкою опори) в цій системі є лобова вісь, яка проходить через усі плесно- фалангові суглоби. Більша частина стопи утворює важіль сили. Точкою прикладання сили, яку розвиває триголовий м'яз литки, є п'ятковий горб, а точкою опору (вага тіла) – надп'ятково-гомілковий суглоб. Завдяки цьому велика вага тіла людини урівноважується скороченням триголового м'яза литки, але швидкість пересування невелика.
У важелі швидкості плече прикладання м'язової сили значно коротше від плеча сили опору – сили протидії, тобто у даному випадку точка прикладання сили розташована між точкою опори (віссю обертання) і точкою опору. Прикладом важеля швидкості є згинання передпліччя в ліктьовому суглобі. У цьому важелі точкою опори (віссю обертання) є лобова вісь, що проходить через ліктьовий суглоб.
Точкою прикладання сили м'язів-згиначів передпліччя є горбистості на променевій і ліктьовій кістках, що розташовані поблизу ліктьового суглоба (коротке плече прикладання сили). Плече сили опору (протидії) значно довше, бо точка опору, наприклад, кисть, розміщена на значній відстані від осі обертання. При цьому швидкість і розмах руху найбільші.
