ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.12.2021
Просмотров: 436
Скачиваний: 3
Основи біофізики і біомеханіки
131
Залежність
σ = f(ε)
для поперечно-волокнистих м’язів є нелінійною
(
рис. 6.3.1.5.
):
Рис. 6.3.1.5.
Залежність між деформацією і напругою для поперечно-
волокнистих м’язів:
σ –
напруга,
ε –
деформація
Обидві моделі відображують пружні властивості м’язу, тобто його
здатність відновлювати початкову довжину після припинення дії
деформуючої сили.
Існування пружних властивостей пояснюється тим, що при розтягуванні
в м’язах (за рахунок актин-міозинової системи) виникає
енергія пружної
деформації
. Тут м’яз можна порівняти з пружиною або з резиновим
джгутом: чим сильніше розтягнутий м’яз, тим запас енергії у ньому є
більшим. Це явище широко використовується у спортивній практиці:
наприклад, при метанні чи штовханні важкого предмета попереднє
розтягування м’язів призводить до розтягування і паралельної, і послідовної
пружної компоненти. В останніх запасається енергія пружної деформації,
яка у фінальній частині переходить в енергію руху (кінетичну енергію).
Таким чином, актин-міозинова система представляє собою важливий
приклад
біологічної перебудови хімічної енергії в механічну роботу
.
6.3.2. Пружність, в’язкість, повзучість та релаксація м’язів
Пружна деформація виникає у м’язі під дією навантаження і зникає
при його знятті. При цьому у м’язі виникають пружні сили. Від цих
сил, сил тяги збуджених м’язів і величини їхнього скорочення залежить
рухова діяльність людини. Робота, що витрачається на деформацію,
переходить у потенційну енергію пружної деформації. Пружні сили,
при підвищенні деформуючого навантаження, зростають і, наприкінці,
зупиняють деформацію. Після зняття навантаження вони ж і поновлюють
ε
σ
f(ε)
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
132
початкову форму деформованого (розтягнутого) м’язу. Кожній величині
деформації (довжині розтягнутого м’яза) відповідає відповідна напруга.
І властивість
м’язу –
пружність
. Напруга м’яза залежить лише від
пружної деформації. З підвищенням навантаження (
F
) збільшується і
довжина м’язу (
l
) (
рис. 6.3.2.1
.). Щоб розтягнути м’яз, необхідно
прикласти до нього силу. М’яз, подовжуючись під дією навантаження,
підвищує свою напругу. Отже, підвищити напругу м’яза (без його
збудження) можна тільки при підвищенні навантаження на нього.
Рис. 6.3.2.1.
Прояв пружності м’язу
З графіку видно, що при розтягуванні м’язу одну й ту саму добавку
напруги
(∆F
1
=∆F
2
=∆F
3
) викликають усе менші добавки її довжини
(∆l
1
>∆l
2
>∆l
3
) – що вказує на те, що
пружність м’яза є нелінійною.
Нелінійність подовження м’яза від значення розтягуючої сили
зумовлюється залежністю Гука (
рис. 6.3.2.2.
). Ця крива (її називають
«сила – довжина») є однією з характеристичних залежностей, що
описують закономірності м’язового скорочення.
IІ властивість
м’язу –
в’язкість
. Для цієї механічної властивості
м’язів характерним є те, що в’язкість м’яза проявляється у запізненні
деформації м’яза при зміні навантаження. На
рис. 6.3.2.3.
жирною
лінією (
А
) зображено співвідношення «довжина – напруга» в ідеальному
випадку, коли нема опору внутрішнього тертя у незбудженому м’язі.
Преривчаста лінія (
Б
) показує, як при наявності в’язкості для кожного
напруження м’язу її довжина відстає від «ідеального». Штрихова лінія
(
В
) характеризує м’яз з ще більшою в’язкістю: запізнення деформації є
ще більшим, ніж у випадку (
Б
). Більш того, м’яз з великою в’язкістю
після зняття навантаження може не зразу повернутися до вихідної
Основи біофізики і біомеханіки
133
довжини (
l
1
) – у ньому залишається залишкова деформація:
∆l
1
=l
2
–l
1
.
Криві (
Б
і
В
) утворюють так звані «петлі гістерезісу». Вони
характеризують, по-перше, запізнення деформації і при розтягуванні, і
при скорочені (
Б
2
і
В
2
). Крім того, вони показують, яка робота
витрачається на перемагання в’язкості. Ця робота відповідає втраті
енергії у цьому циклі, що числено дорівнює площині, яку обмежує
петля гістерезісу.
Рис. 6.3.2.2.
Зв’язок між силою тяги і довжиною м’язів
Рис. 6.3.2.3.
Прояв в’язкості м’язу
ІII властивість
м’язу –
повзучість
. Повзучість м’язу проявляється
у подовженні м’язу з часом при незмінній напрузі. Ця властивість
характеризує мінливість співвідношення «довжина – напруга» м’язу,
l
F
Л. І. Григор’єва, Ю. А. Томілін
134
що не залежить безпосередньо від його збудження, тобто від управління
м’язом як живим органом. Так, залишкова деформація теж може бути
розглянута як прояв повзучості.
ІV властивість
м’язу –
релаксація.
Релаксація проявляється у
зменшенні його напруги, хоча довжина його не змінюється. Вона
проявляється, наприклад, при зістрибуванні і стрибках людини догори,
якщо під час глибокого присідання людина робить паузу. Чим пауза є
довшою, тим сила відштовхування і висота вистрибування є меншими.
Взагалі, прояви повзучості і релаксації м’язу розглядаються не в
прямій залежності від його збудження. Для живого організму такий
підхід є чисто умовним. Зміст його заключається в тому, що навіть з
позицій механіки не потрібно розуміти зв’язок між напругою і
довжиною м’язу як постійні співвідношення. Пружні сили, які
виникають у м’язі можуть складати переважну частину сили тяги
м’язу, тому на використання пружних властивостей м’язу при аналізі
рухів потрібно приділяти особливу увагу.
V властивість
м’язу –
жорсткість.
Жорсткість – це здатність
протидіяти прикладеним силам. Коефіцієнт жорсткості визначається
як відношення приросту відновлюючої сили до приросту довжини
м’язу під дією зовнішньої сили:
K
ж
=
∆
F/
∆
l
(Н/м). Величина, що є
зворотною до жорсткості, має назву
податливості
м’яза. Коефіцієнт
податливості:
K
п
=
∆
l/
∆
F
(м/н) вказує, як збільшиться довжина м’яза при
зміні зовнішньої сили на 1 Н. Наприклад, податливість згинача
передпліччя є близькою до 1 мм/Н.
VI властивість
м’язу –
міцність.
Міцність м’язу оцінюється величиною
розтягуючої сили, при якій відбувається розривання м’язу. Сила, при
якій відбувається розривання м’язу (в перерахунку на 1 мм
2
його
поперечного перетину) складає від 0,1 до 0,3 H/мм
2
. Для порівняння –
границя міцності сухожилля біля 50 H/мм
2
, а фасцій – від 0,1 до 0,3
H/мм
2
. Однак при дуже швидких рухах можливе розривання
сухожилля, а м’яз залишається цілим. Це відбувається через те, що
м’яз встигає амортизувати, а сухожилля – ні.
§ 6.4. РЕЖИМИ РОБОТИ М’ЯЗІВ ТА ККД ЇХ РОБОТИ
6.4.1. Режими роботи м’язів
Розрізняють 3 основних види таких режимів:
–
ізометричний;
–
ізотонічний (анізометричний);
–
ауксотонічний.
Основи біофізики і біомеханіки
135
При ізометричному (підтримуючому) режимі довжина м’язу не
змінюється, при ізотонічному скороченні м’яз скорочується до деякої
довжини, а потім розслаблюється, подовжується. Наприклад, у режимі
ізометричного скорочення працюють м’язи людини у випадках:
якщо людина підтягнулася і утримує своє тіло в цьому положенні;
при утримуванні штанги;
жувальні м’язи при стиснутих щелепах;
скорочення міокарду шлуночків при зачинених клапанах.
У цьому режимі функціонують м’язи бігуна, плавця, гребця,
велосипедиста тощо (скорочення біцепсу плеча). При цьому скороченні
кут тяги м’язу змінюється => змінюється момент сили м’язу і момент
сили опору (навантаження). У цих умовах зберегти напругу м’язів
постійною дуже важко, та і необхідності в цьому теж немає. При цьому
режимі маємо наступне: чим більшим є навантаження
F
, тим меншим є
скорочення м’язу і коротшим є час, наприклад, утримання якогось
вантажу при його підйомі. При деякому навантаженні
F=F
о
м’яз
зовсім перестає піднімати об’єкт. Це значення є
максимальною силою
ізометричного скорочення
для певного м’язу. На кривій Хілла
(
рис .6.4.1.1.
) ізометричному режиму відповідає величина статичної
сили (
F
0
), при якій скорочення м’язу дорівнює 0.
Рис. 6.4.1.1.
Взаємозв’язок між силою
F
і швидкістю скорочення
V
м’язу (крива Хілла)