第六章骨骼肌生物力學 肌肉 骨骼肌 是人體運動系統重要的組成部分 是人體運動的動力來源 可以說肌肉在生物力學研究中是最具吸引力 最有挑戰性的研究領域 肌肉的力學性質十分復雜 它跟組成肌肉各種成份的力學特性有關 迄今為止人們仍然在不斷的研究和探索之中 6 1離體肌肉的生物力學基礎 肌肉的組織結構和生物學性質決定了肌肉的機能 肌肉機能的變化亦會對其結構產生影響 因此 對肌肉組織結構和生物學的研究是對肌肉生物力學特性的基礎研究之一 為反映肌肉的生物力學特性 建立用于描述肌肉力學特性的模型 肌肉的組織結構 肌肉的組織結構和生物學性質決定了肌肉的機能 肌肉機能的變化亦會對其結構產生影響 因此 對肌肉組織結構和生物學的研究是對肌肉生物力學特性的基礎研究之一 為反映肌肉的生物力學特性 建立用于描述肌肉力學特性的模型 肌纖維的顯微結構 1 肌肉結構力學模型 Hill 1950 提出一個由三個元素組成的肌肉結構力學模型 圖3 2 即收縮元 CC 串聯彈性元 SEC 和并聯彈性元 PEC 用此反映肌肉的功能 CC代表可以相對滑動的肌漿球蛋白和肌動蛋白纖維絲 其張力與它們的橫橋數目有關 SEC表示肌漿球蛋白和肌動蛋白纖維 橫橋 Z盤以及結締組織的固有彈性 設它為完全彈性體 PEC表示肌纖維膜 肌束膜等結締組織 表現松弛狀態下肌肉的力學性質 Hill三元素肌肉模型 Hill 1950 骨骼肌的結構模型肌動蛋白 細 收縮成分肌球蛋白 粗 骨骼肌的結構模型并聯彈性成分彈性成分串聯彈性成分 2 肌肉結構力學模型性質 1 肌肉力 F 長度 L 關系根據肌肉結構力學模型 肌肉力的構成是收縮元 CC 串聯彈性元 SEC 和并聯彈性元 PEC 疊加的結果 概念 肌肉平衡長度 自由長度 肌肉無被動張力時的最大長度 肌肉的凈息長度 收縮元 CC 表現出最大張力時的肌肉長度 約為平衡長度1 25倍 被動張力 是指肌肉工作時并聯彈性成分的張力 肌肉凈收縮力 指收約縮成分收縮時產生的張力 總張力 被動張力與凈收縮力之和 收縮元 CC 力 長度曲線 Gorden 1966 得到了肌肉精確數據 他對蛙單個肌纖維肌節長度在1 27 和3 65 為微米 之間變化與其產生力的變化關系進行調查 圖3 3 運用肌纖維 橫橋理論 Huxley1957 對這一關系進行解釋 肌肉在靜息長度下收縮元表現出的肌力最大 此時肌微絲之間的橫橋聯系數目最多 隨肌肉長度增加肌微絲被拉開 橫橋聯系數目減少 張力隨之下降 達到4 m時 橫橋無聯系 張力下降為零 當肌肉縮短小于靜息長度時 橫橋重疊產生干擾 使其聯系數目減少 導致張力下降 這一過程將一直繼續的全部重疊為止 雖然這一過程中肌肉張力明顯下降 但張力不可能降為零 圖3 3肌節長度與等長張力關系 Gordon1966 并聯彈性元 PEC 力 長度曲線肌肉總張力 長度曲線 A為平衡長度 B為凈息長度 2 肌肉力 F 速 V 關系 1938年Hill的經典工作奠定了肌肉力學基礎 他按照熱力學定律建立了反映肌肉收縮力 速度特性的方程 方程中F0為肌肉攣縮時的張力 F為松開肌肉一端后肌肉的張力 V為肌肉縮短速度 a為肌肉張力單位常量 b為肌肉收縮速度單位常量 Hill方程所描述出肌肉的F V關系與實測結果具有較好的一致性 圖3 5 圖3 5攣縮蛙縫匠肌快速釋放實測肌肉F V曲線與Hill方程比較 Hill1938 該曲線說明 在一定的范圍內 肌肉收縮產生的張力和速度大致呈反比關系 當后負荷增加到某一數值時 張力可達到最大 但收縮速度為零 肌肉只能作等長收縮 當后負荷為零時 張力在理論上為零 肌肉收縮速度達到最大 肌肉收縮的張力 速度關系提示 要獲得收縮的較大速度 負荷必須相應減少 要克服較大阻力 即產生較大的張力 收縮速度必須緩慢 6 2在體肌肉收縮的生物力學 1 肌肉的激活狀態在神經脈沖影響下 肌肉的收縮成分出現激活狀態 把肌肉興奮時其收縮成分力學狀態的變化稱為肌肉的激活狀態 我們把肌肉從肌肉激活到肌肉產生收縮的時間叫肌肉收縮的潛伏期 2 肌肉的松弛肌肉松弛 被拉長的肌肉 其張力有隨時間的延長而下降的特性 這一特性稱為肌肉松弛 它是由肌肉串聯和并聯彈性元屬于粘彈性體的特性決定的 3 負荷對肌肉收縮力學特性的影響動作的潛伏期延長 表現在串聯彈性元和并聯彈性元的 粘滯性 和克服阻力的時間增加 肌肉收縮幅度減小 肌肉力量不足 收縮速度下降 Hill方程 動作的潛伏期延長 肌肉收縮幅度減小 收縮速度下降 4 肌肉的收縮功和功率肌肉可以把化學能轉變為機械能 在能量轉換過程中肌肉克服阻力使物體發生位移 肌肉做了功 肌肉 等長收縮 時 克服阻力 外部負荷不產生位移 沒有做機械功 但消耗了能量 這時肌肉做了 生理功 肌肉做功時所克服的阻力 包括肌肉的內部阻力和外部阻力 因此 肌肉做功相應分為內功與外功 通常所講的肌肉做功是指肌肉做外功 即機械功 肌肉做功與載荷及收縮速度大小有關 載荷大時做功大 載荷小時做功小 而載荷大小決定了肌肉收縮速度 所以肌肉做功與其收縮速度有關 肌肉做功 圖3 6不同載荷肌肉做功與收縮速度的關系 圖3 6是受試者伸膝關節肌群的測試結果 肌肉收縮速度大時做功減小是由于肌肉收縮力量下降而造成 肌肉功率 肌肉收縮的功率等于肌肉收縮力與其該瞬時的收縮速度的乘積 離體肌肉在收縮時的功率可從肌肉的 F V 曲線得到 在此曲線上每一點的功率等于以該點和坐標原點為頂點所構成的矩形面積 圖3 7中的陰影部分 假定肌肉收縮時力和速度同時達到最大值 這時功率應是最大 但這是不可能的 根據Hill方程可知實際上功率最大值大約只有這種理想值的1 10左右 即肌肉最大等長收縮力 Fm 的1 3與最大收縮速度 Vm 1 3的乘積 體育運動訓練中 爆發力 的概念指的就是肌肉功率 它是指保證肌肉處于最合理的工作狀態下 在最短時間內快速地將化學能轉換為機械功的能力 功率曲線圖反映了功率與肌肉收縮力及收縮速度的關系 當載荷為零時 肌肉表現出最大收縮速度 此時功率很小 隨載荷的增加 肌肉收縮速度隨之下降 當處于1 3最大收縮力與速度位置時 功率最大 Nm 隨著力與速度的進一步變化 功率開始減小 當阻力增大到肌肉不能縮短時 速度為零 不做功 功率為零 如果載荷繼續增加 肌肉由等長收縮變為離心收縮 此時肌肉開始做負功 但肌肉的負功率隨離心收縮速度的增加而增大 這是由于肌力隨速度增大而增大的結果 肌肉功率的性別 項目差異專項素質訓練的原則從生物力學觀點來看 專項練習必須遵從動態適應性原則 據維爾霍山斯基 即在以下五個方面都與比賽相適應 運動幅度和方向 運動有效幅度的重點區間 作用力 或肌力 的大小 最大作用力發揮的速率 肌肉工作的狀態 5 肌肉與肌腱的生物力學特性對運動的影響 增加動作的力和速度提高動作的經濟性 利用彈性能緩沖作用 6 肌肉的收縮形式 以肌肉外部長度變化來確定肌肉收縮形式 等長收縮 肌