Кости и значение тренировок для них

Бег

 

1) Скорость бега зависит от двух переменных – длины и частоты скачка (Voughan, 1984). Если длина скачка остается постоянной, то по мере того как длительность скачка уменьшается (возрастает частота скачков), скорость бега увеличивается. Если частота скачков остается постоянной, то скорость увелчивается с увеличением длины скачка.

 

 

 

 

2) Более того, антропометрические данные (конституция, длина ноги, масса сегмента конечности) не являются определяющими факторами при выборе подходящего для каждого спортсмена определенного сочетания длины и частоты скачков (Cavanagh Kram, 1989). Типичное объяснение того факта, что на начальном этапе повышения скорости бега увеличением длины скачков предшествует повышению их частоты и состоит в том, что для удлинения скачка в определенных разумных пределах требуется меньше энергии, чем при увеличении частоты скачков.

 

3) На рис. 2.16 показано изменение вертикальной составляющей (Fg, z) силы реакции земли при ходьбе и беге (более подробно отличия реакции земли при ходьбе и беге см. Alexander, 1984в). Fw – это вес тела.

 

 

4) Поскольку сила Fg, z — реакиия земли на воздействие ноги бегуна на опорную поверхность, анализ изменения этой силы позволяет выяснить существенные особенности его движения (ускорение ЦТ) (рис. 2.17). Бегун в безопорной фазе испытывает ускорение вниз (вследствие действия тяжести) равное 9,81 м.с^2, а в момент контакта ноги с землей вертикальная составляющая (Fg, z) направлена вверх, для противодействия давлению ноги на землю. Более того, когда нога касается земли, она первоначально находится впереди ЦТ бегуна, что заставляет землю реагировать направленной горизонтально (назад) тормозящей составляющей Fg, y. Когда ЦТ бегуна проходит над опорной ногой, горизонтальная составляющая изменяет свое направление и начинает действовать вперед (ускорение). Боковую составляющую (Fg, x) объяснить труднее, но она имеет меньшую величину и более вариабельна, чем Fg, z и Fg, y. Однако было показано, что Fg, x коррелирует (r =0,71) с положением ноги относительно средней линии движения во время контакта с землей (Williams, 1985).

 

 

 

5) Как кинематика движения, так и сила реакции земли могут быть изменены путем модификации обуви, носимой бегунами. Например, скорость сгибания колена (Frederick, 1986) и степень пронации (Zuetchi, Stacoff, 1987) увеличивают последующий толчок, если подошвы беговой обуви твердые. Хорошо сконструированная беговая обувь служит двойной цели — минимизировать удар при контакте ноги с землей (т.е. амортизировать) и обеспечить устойчивость голеностопного сустава во время опорной фазы. К сожалению, увеличение амортизирующей способности ведет к снижению устойчивости и наоборот.

6) бег в беговой обуви, очевидно, вызывает большую пронацию, чем бег босиком (Frederick, 1986). Laeshi, Stacoff (1987) показали, что плохо сконструированная обувь отрицательно влияет на устойчивость, увеличивая величину пронации во время опорной фазы примерно на 0,09 рад (5°). Этот эффект нежелателен, поскольку излишняя пронация может быть одной из наиболее важных причин беговых травм (Clement, Taunton, Smart, MacNicol, 1981).

Особенностями конструкции обуви, влияющими на устойчивость, являются твердость подошвы, высота пятки и подъема и угол расширения стопы (Frederick, 1986). Мягкая стелька допускает большую пронацию и больший диапазон движений задней части ноги. Высота пятки (расстояние от земли до пятки) и ее подъема(высота пятки над передней частью ноги), по мнению некоторых исследователей (Bates, Ostering, Mason, James, 1978; Stocoff, Kaelin,1983), уменьшают пронацию, но другие (Clarke, Frederick, Hamie, 1983) отрицают это. Увеличение наклона пятки до 0,26 рад (15°) приводит к значительному уменьшению пронации и снижению диапазона движения задней части ноги (Frederick, 1986).

 

 

 

7)

 

Спина

 

Еще одна сила, связанная с этой диаграммой свободного тела, вызвана жидкостями в брюшной полости (внутрибрюшное давление F i), которое создает силу, стремящуюся вызвать растяжение относительно бедренного сустава (Н) (Andersson, Ortegren, Nachemson, 1977; Eie, Wehn, 1962; Rab, Chao, Stauffer, 1977). Это рефлекторно контролируемое усилие действует как защитный механизм и играет важную роль в поднятии тяжестей (Marras, Joynt, King, 1985).

Вместе с тем кратковременное увеличение ВБД способствует снижению нагрузки на элементы поясничного отдела позвоночного столба в процессе поднятия и удержания тяжестей [1, 4]. Данный эффект может быть достигнут при сокращении мышц передней стенки брюшной полости. Давление в полости живота при этом может достичь экстремально высоких значений (например, в момент поднятия штанги внутрибрюшное давление у профессиональных спортсменов может подниматься свыше 300 мм рт. ст.). Однако патологические явления в организме человека не наблюдаются ввиду малой длительности периода повышения внутрибрюшного давления.

1. Туктамышев В.С., Безматерных В.В. Моделирование влияния внутрибрюшного давления на нагружение позвоночного столба // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3. – С. 704.

4. Туктамышев В.С., Соломатина Н.В. Влияние внутрибрюшного давления на состояние поясничного отдела позвоночника // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8. – С. 77–81.

 

Поскольку в брюшной полости много жидкости и волокнистых веществ, ее можно рассматривать как несжимаемый элемент, который способен передавать усилия от мышц, охватывающих полость, на поддерживающие структуры торса.

Экспериментальное регулирование давления в брюшной полости называется процедурой Валсалва. Внутрибрюшное давление (Fi), измеряемое в паскалях (1 Па = 1 Н*м^2), может быть увеличено путем закрывания надгортанника и активизации различных мышц торса и брюшной полости (Cresswell, Grundstrom, Thorstensson, 1992). При активации мышц торса, кроме внутрибрюшного, возрастает и внутригрудное давление. Во время поднятия тяжестей и прыжков внутригрудное и внутрибрюшное давление имеют тенденцию изменяться однонаправленно: внутрибрюшное давление при этом обычно больше (Harman, Frykman, Clagett, Kraemer, 1988). Увеличение внутрибрюшного давления как механизма для уменьшения нагрузки на мышцы спины во время упражнений по поднятию тяжестей было описано в работах (Bartelink, 1957; Kresswell, 1993; McGill, Norman, 1993).

Например, высказывалось мнение, что единственным эффектом внутрибрюшного давления является уменьшение сжимающих усилий, которые действуют на межпозвоночные диски. Однако Nachemson, Andersson, Schulz (1986) показали, что хотя маневр Валсалвы повышает внутрибрюшное давление, он может также в некоторых умеренных упражнениях увеличить давление на ядро диска L3. Тем не менее при более тяжелом упражнении, когда спортсмены наклонялись вперед до 0,53 рад, держа на вытянутых руках груз 8 кг, маневр Валсалвы увеличивал внугрибрюшное давление с 4,35 до 8,25 кПа, уменьшая давление между дисками с 1,625 до 1,488 кПа.

Усилие, которое внутрибрюшное давление оказывает на торс, обычно оценивается как произведение внутрибрюшного давления и площади поверхности диафрагмы, которая составляет, по оценке Morris et al. (1961), около 0,0465 м^2 для взрослого человека. Если сопоставить это значение с пиковым внутрибрюшным давлением 25 кПа, показанным на рис. 2.29, то усилие на диафрагму вследствие внутрибрюшного давления составит во время приседания с грузом около 1,163 кH.

 

Плавание

        

В принципе, лобовое сопротивление препятствует движению объекта вперед, тогда как подъемная сила создает вертикальное перемещение (вверх или вниз). Однако так бывает не всегда; в плавании подъемная сила, создаваемая руками и ногами, способствует движению вперед. Фактически для успешного продвижения в плавании необходимо перемещать руки в воде таким образом, чтобы обе составляющие — лобовое сопротивление и подъемная сила — способствовали движению пловца вперед (Schleichauf, 1979). Как видно из рис. 2.32, ориентация руки пловца (показанной в виде крыла) непрерывно изменяется так, чтобы результирующая сила сопротивления жидкости (Ff) была направлена вперед в течение всего гребка. И лобовое сопротивление (Fd), и подъемная сила (Fl) способствуют этому.

 

 

Являясь соединительными элементами, сухожилия соединяют мышцы и кости, а связки обеспечивают соединения между костями. Главное различие между ними состоит в организации коллагеновых фибрилл, которая обусловлена их функциями. Поскольку функция сухожилия заключается в сообщении мышечной силы кости или хрящу, структура сухожилия обеспечивает его наименьшую подверженность деформации вследствие растягивающих усилий, производимых мышцей. Наоборот, очень незначительное продольносжимающее и смещающее усилие может деформировать сухожилие. Хотя на связки действуют главным образом растягивающие силы, их главная функция — стабилизация сустава, поэтому они устроены так, чтобы обеспечивать многонаправленную стабильность сустава, и приспособлены к действию растягивающих, сжимающих и смещающих усилий (Fu, Harner, Johnson et al., 1993).

Сухожилия и связки представляют собой плотную соединительную ткань, содержащую коллаген, эластин, протеогликаны, воду и клетки (фибробласты). Протеиновые коллаген и эластин синтезируются и выделяются фибробластами. Приблизительно 70—80% сырой массы сухожилия и связки составляет коллаген типа 1 — волокнистый белок, характеризующийся значительной механической устойчивостью (Burgeson, Nimni, 1992).

 Коллагеновая фибрилла (рис. 4.3) — основная несущая нагрузку единица как сухожилия, так и связки. Структура фибриллы от альфа-цепочек тройной спирали до скопления молекул коллагена в микрофибрилле одинаковая у сухожилия и связки. Главное различие между этими двумя соединительными элементами состоит в расположении фибрилл. В сухожилии они расположены продольно и параллельно друг другу, что обеспечивает максимальное сопротивление растягивающим усилиям. В связке фибриллы, как правило, располагаются параллельно, а также косо и спиралевилно, что обеспечивает сопротивление силам, действующим в различных направлениях.

Каждая молекула коллагена состоит из трех взаимопереплетенных полипептидных цепочек. Каждая цепочка включает последовательность из около 1000 аминокислот (главным образом пролин, гидроксипролин и глицин) и называется альфа-цепочкой. Молекулы коллагена располагаются конец к концу (рядами) и пять таких рядов, расположенных параллельно (бок о бок), образуют микрофибриллу. Коллагеновая фибрилла, являющаяся основной несушей нагрузку единицей сухожилия и связки, состоит из пучков микрофибрилл соединенных биохимическими связями (поперечными сцеплениями) между молекулами коллагена; эти поперечные сцепления находятся как в пределах, так и между рядами молекул коллагена в микрофибрилле (рис. 4.3).

Поскольку поперечные сцепления удерживют микрофибриллы вместе, существует мнение, что их количество и состояние значительно влияют на силу соединительной ткани (Bailey, Robins, Balian, 1974). Таким образом, функциональной основой сухожилия и связки является фибрилла — ряд единиц (микрофибрилл), соединенных друг с другом благодаря поперечным сцеплениям. От последних зависит сила фибриллы. Считают, что количество и состояние поперечных сцеплений оределяются такими факторами, как возраст, пол и уровень физической активности.

Кроме коллагена и эластина, внеклеточный матрикс сухожилия и связки включает протеогликаны и воду. Вода соединяется с протеогликанами, образуя гель, вязкость которого понижается с повышением уровня физической активности. Это свойство называется тиксотропией. Сопротивление ткани удлинению при данной скорости зависит от ее вязкости: чем выше вязкость, тем больше сопротивление растяжению. При снижении вязкости ткань приспосабливается к растяжению с более высокой скоростью. Вязкость тиксотропической ткани изменяется в результате предшествующей деятельности, например, разминки или продолжительного периода бездеятельности.

Биомеханические свойства сухожилия и связки часто характеризуют взаимосвязью нагрузка—деформация в ответ на растягивающую нагрузку (рис. 4.4). Как показывают клинические наблюдения, соединительная ткань чаще разрывается, чем отрывается от кости.

На основании взаимосвязи стресса—растяжения можно определить предельный стресс (  пр), критическое растяжение ( кр), модуль упругости и абсорбируемую энергию ткани (площадь под кривой стресса—растяжения). Эти свойства снижаются вследствие уменьшенного использования (например, иммобилизации), свозрастом, а также при употреблении стероидов и повышаются при постоянных физических нагрузках (Butter, Grood, Noyes, Zernicke, 1978; Noyes, 1977). Кроме того, свойства cyxoжилия изменяются в зависимости от функции мышцы (Shadwick, 1990).

 

 

Поверхность костей, образующих сустав, выстлана суставным хряшем — плотной соединительной тканью белого цвета, не имеющей кровеносных сосудов, лимфатических протоков и нервов. Суставной хрящ содержит хондроциты — клетки, обеспечивающие органический компонент внеклеточного матрикса, и плотную сеть тонких коллагеновых фибриля в концентрированном растворе протеогликанов. Основным компонентом суставного хряща является вода, большая часть которой находится вблизи поверхности. Коллагеновые фибриллы, протеогликаны и вода определяют биомеханическое поведение суставного хряша.

Смазочная жидкость, очевидно, служит для обеспечения хондроцитов питательными веществами.

Функция суставного хряща — обеспечение относительного движения поверхностей противоположных суставов с минимальным трением и изнашиванием, а также видоизменение формы кости, направленное на обеспечение лучшего контакта с соседней костью (Armstrong, Moy, 1980; Askew, Moy 1978). В этой связи суставной хрящ действует подобно губке, впитывающей воду. Суставной хрящ представляет собой вязкопластичный материал. Это значит, что при постоянной нагрузке или деформации ero реакция (механическое поведение) изменяется со временем. Этот процесс может включать изменение толщины хряща вследствие поступления жидкости, обусловленного нагрузкой. У более физически активных людей толщина суставного хряща больше; она увеличивается при переходе от состояния покоя к активному состоянию.

 

 

Мышцы и их тренировка

 

1) Роль мышц заключается в создании силы, которая передается через связки, кости и вызывает поворот сегмента тела. Однако общее понятие силы (т.е. действия, изменяющего состояние или движение объекта) может быть распространено на мышцу с учетом ее способности создавать только растягивающее усилие. При этом комбинация растягивающих усилий, создаваемых мышцей, может передаваться вдоль сегмента и вызывать в результате сжимающее усилие.

Вследствие способности мышцы создавать однонаправленное усилие движение относительно сустава контролируется двумя различными группами мышц со взаимнопротивоположным направлением действия. Например, при отсутствии других сил движение сгибания — разгибания локтя контролируется двумя мышечными группами: вызывающей разгибание локтя (разтибатели локтя) и управляющей сгибанием (сгибатели локтя). Однако когда на систему действуют другие силы, такие, как сила тяжести, сгибатели локтя могут управлять разгибанием, а разгибатели — сгибанием. Таким образом, функция мышцы сушественно зависит от условий, в которых она работает. Тем не менее управление движением человека требует, как минимум, одной пары противоположно действующих мыши для управления каждым анатомически возможным движением (т.е. сгибание - разгибание, отведение — приведение).

Поскольку сила — это вектор, мышечное усилие схематически может быть представлено в виде стрелки, имеющей величину и направление. В этом контексте имеются четыре общепринятых допущения, которые относятся к анализу движения человека.

Во-первых, большинство мышц скелета создают усилия поперек суставов и могут вызвать поворот сегментов тела, что позволяет рассматривать многие функции тела человека с позиций теории неодушевленных машин. Crowninschield, Braund (1981) приписывают это допущение Леонардо да Винчи.

Во-вторых, тело человека можно рассматривать как последовательность жестких сегментов тела; деформации мягких тканей и движение жидкостей внугри тела имеют пренебрежимо малое влияние на движение (Braune, Fischer,1889)

В-третьих, направление вектора мышечнойсилы является прямой линией между проксимальным и дистальным прикреплениями, причем сила считается приложенной в точках прикрепления (Braund et. al., 1982). Фактически мышца прикрепляется не к точке, прикрепление распределено по площадке конечных размеров. Однако если размеры площади пренебрежимо малы по сравнению с другими размерами системы, то усилие можно рассматривать приложенным в точке, если плошаль прикрепления мышцы значительна (например, у трапециевидной, большой грудной мышцы), то мышечное усилие может представлено несколькими линиями действия (van der Helm, Veenbaas, 1991).

Четвёртое допущение состоит в том, что движение в гравитационном поле вызывается несбалансированностью приложенных к системе сил (закон инерции). Механический анализ действия нескольких мышц, пересекающих сустав, в большинстве случаев позволяет нам определять скорее результирующее мышечное усилие, чем силу, оказываемую отдельными мышцами.

 

 

2) Способность мышцы генерировать силу связана с плошадью поперечного сечения мышцы константой порядка 30 Н*см^2. Эта константа называется удельным натяжением, ее численное значение установлено и составляет при тщательных измерениях от 16 до 40 Н*см^2. (Edgerton, Apor, Roy, 1990; Kanda, Haschisume, 1992; McDonash, Devis, 1984; Hydaard, Houston, ‘Suzuki et al., 1983; Roy, Edgerton, 1995). Удельное натяжение, таким образом, характеризует способность мышцы генерировать усилие и не зависит от её размера. Соотношение для оценки мышечного усилия (Fm) определяется формулой

Fm = удельное натяжение .

3) Чем объясняется разброс константы удельного натяжения, которая изменяется в диапазоне от 16 до 40 Н-см^-2. Факторами, влияющими на удельное натяжение, могут быть тип волокна, пол и строение мышцы. Некоторые данные (Schantz, Fox, Norgren, Tydén, 1981) позволяют предположить, что способность мышцы генерировать усилие зависит от количества быстро сокращающихся волокон, но было обнаружено, что удельное натяжение быстросокращающихся волокон (25,4 Н*см^-2) ненамного отличается от соответствующего показателя мед ленносокращающихся волокон (23,8 Н*см^-2) (Lucas, Ruff, Binder, 1987). Данные о величинах удельного натяжения для различных мышц и разных типов волокон основываются, главным образом, на косвенных оценках при исследованиях на моторных блоках (Во dine, Rоу, Eldred, Edgerton, 1987).

4) Антигравитационные мышцы — те, которые участвуют в поддержании вертикального положения (например, выпрямители колена) — примерно в два раза сильнее противодействующих им мышц, но это скорее всего вызвано различиями в размерах, чем в удельном натяжении. Подобным образом тот факт, что мужчины обычно сильнее женщин (если сила определяется как способность генерировать усилие при изометрическом сокращении), обусловлен различиями в мышечной массе (рис. 2.24).

Причина этих различий гормональная: тестостерон (мужской гормон) эффективнее, чем эстроген (женский гормон), стимулирует синтез протеина, что ведет к росту мышц. Для популяции, показанной на рис. 2.24, Ikai, Fukunaga (1968) определили, что среднее значение константы удельного натяжения для сгибателей локтя равно 61,1 Н*см^-2. Это значение завышено, поскольку измерялась только площадь поперечного сечения бицепс брахии. Если учесть площадь поперечного сечения всех мышц сгибателей локтя, то удельное натяжение составит от 30 до 37 Н*см^-2 (Е dgerton еt а1., 1990).

Эги наблюдения позволяют предположить, что величина мышечной силы не зависит от типа мышечных волокон или пола, а изменяется прямо пропорционально площади поперечного сечения при относительно постоянном удельном натяжении. Фактором, который может повлиять на это соотношение, является строение мышцы.

5) Рассмотрим влияние изменения плеча сил для некоторых движений. Допустим, спортсмен выполняет отжимание до изнеможения. При этом основным источником энергии является мышца разгибателя локтя трицепс брахии. Допустим, что мышца максимально активна при приближении к состоянию изнеможения и, учитывая приведенные ранее данные о поперечном сечении (табл. 2.6), создает усилие 550 Н. В соответствии с данными табл. 2.7, плечо для трицепс брахии составляет примерно 2,81 см при разогнутом локте (рис. 2.44, а) и около 2,04 см, когда локоть согнут под

углом 1,75 рад (рис. 2.44, б). Это плечо силы представлено отрезком 4 на рис. 2.44, в. При этом вращающие моменты составляют примерно 14,1 и 10,2 Нм для разогнутого и согнутого положений соответственно. Это означает, что, в согнутом положении вращающий момент благодаря усилию трицепс брахии — основной действующей силе в упражнении — меньше, чем в выпрямленном положении. Невозможность продолжать отжимания дальше скорее возникнет в согнутом положении, при котором вращающий момент минимален. В этом случае невозможность продолжать упражнение связано с неспособностью поднимать вес тела (постоянную нагрузку) вверх и вниз.

Подобное рассуждение относится и к подтягиванию до изнеможения. Плечи сил для мышц сгибателей локтя минимальны при полном выпрямлении локтя, и если мышечная сила в процессе движений будет постоянной в разумных пределах, то именно в этой точке произойдет отказ от выполнения упражнения.

6) Рассмотрим основные двигательные навыки — ходьбу и бег. Хотя главная задача при этом состоит в перемещении ЦТ, она выполняется в результате согласованного углового смещения сегментов тела. Движение бегуна относительно оси винта можно представить в виде двухсегментной системы, включающей верхнюю и нижнюю части тела (рис.3.22, а). Когда ступня во время бега отталкивается от поверхности, на нее действует сила реакции поверхности, которая за время контакта создает вращательный импульс относительно оси винта. Бегун предотвращает угловое движение всего тела (отличный от нуля кинетический момент) относительно оси винта за счет вращательного импульса, обусловленного силой реакции поверхности, приложенной к нижней части тела в результате сокращения мышц туловища и образования противоположно направленного кинетического момента верхней части тела, т.е. руки и туловище вращаются в противоположном направлении относительно вращения ног. Это взаимодействие показано на рис.3.22, б: первые 40% шага левая ступня находится в контакте с поверхностью, создавая положительный кинетический момент Н, нижней части тела, тогда как верхняя часть тела вращается с отрицательным Н. Во второй части шага, в момент контакта правой ступни с поверхностью, все происходит наоборот. Таким образом, движение рук во время бега направлено на противодействие кинетическому моменту ног относительно оси винта (Hinrichs, 1987; Hinrichs, Cowanagh, Williams, 1987).

 

 

7) Например, если спортсмен поднимает штангу, используя силу мыши—сгибателей локтевого сустава, они сокращаются (концентрическое сокращение), производя работу относительно штанги, физиологи называют эту работу положительной. При опускании штанги мышцы —сгибатели локтевого сустава удлиняются (эксцентрическое сокращение), и штанга “выполняет” работу по отношению к мышцам. Такой перенос энергии называется отрицательной работой. При этом для выполнения отрицательной работы требуется намното меныше метаболической энергии, чем для положительной.

 

8) В биологических системах обмен энергии для выполнения работы не является абсолютно эффективным процессом, в результате чего не вся превращаемая энергия переходит в работу. Как видно из уравнения 3.20, часть энергии обменных процессов ( Em) преобразуется в тепло ( Еh). Производительность или эффективность мышц составляет около 25 % (de Haan, van Ingen Schenau, Ettema et al., 1989; van Ingen, Schemau, Cavanagh, 1990). Это означает, что только 25% высвобождаемой в результате обменных процессов энергии используется для выполнения работы, остальные 75 % преобразуются в тепло или используются во время восстановительных процессов.

 

 

9) Отношение выполненной работы к изменению количества энергии характеризует эффективность (производительность) процесса. Работа, выполненная с минимальными затратами энергии, представляет собой наиболее экономное выполнение задания.

Понятия эффективность и экономичность не являются синонимами. Различия между ними иллюстрируют рис.3.24: эффективность соответствует условию постоянной энергии, экономичность — постоянной работы. Максимальная эффективность (точка 2) — наблюдается при выполнении наибольшего количества работы для заданного изменения количества энергии. Максимальная экономичность (точка 3) наблюдается при выполнении работы с наименьшим изменением количества энергии.

10) Биологическая ткань выдерживает небольшую деформацию без изменения свойств и может при этом выполнять работу, возвращаясь к исходной длине. Если же деформация велика и превышает способность объекта или ткани восстанавливать исходную длину, то в структуре ткани происходят пластические изменения. На рис.3.25, б показано влияние увеличивающейся нагрузки на деформацию передней крестообразной связки; при продолжительности растяжения более 5 мин в связке происходят структурные изменения. Спортсмены, использующие упражнения на растягивание, стремятся вызвать пластические изменения в соединительной ткани для развития большей гибкости (Sареgа, Quedenfeld, Moyer, Butler, 1981).

Количество энергии растянутой пружины ( Еp,s) можно определить, вычислив работу силы F (см. уравнение (3.22) на перемещении x:

 

Еp,s = 1/2kx^2 (3.23)

 

Пружина, растянутая в допустимых для нее пределах упругости, сохраняет всю имеющуюся энергию, которая может быть использована для выполнения работы при восстановлении ее первоначальной длины, т.е. во время цикла нагрузки-разгрузки энергия не теряется (заштрихованный участок на рис.3.25, а).

В отличие от пружины мышца и соединительная ткань — упруговязкие элементы, т.е. обладают и упругими, и вязкими свойствами. Зависимость нагрузка-деформация упруговязкого элемента не является линейной, для нее характерно наличие петли гистерезиса (рис.3.25, б), свидетельствующей о том, что силы, генеризуемые элементом во время активной фазы (нагрузки) и пассивной (разгрузки), неодинаковы. Петля гистерезиса показывает, что в процессе нагрузки — разгрузки некоторое количество энергии теряется.

Следовательно, не все количество энергии, содержащейся в системе во время действия нагрузки (растяжения), сохраняется для выполнения работы во время снятия нагрузки (сокращения). Эта потеря энергии показана заштрихованным участком на рис.3.25, б. Тем неменее, будучи упроговязкими элементами, мышцы и соединительная ткань могут накапливать энергию во время растягивания и использовать ее для выполнения работы при возвращении к исходной длине (Cavagna, Citterio, 1974; Schorten, 1987).

Величина Еm (см. уравнение 3.19) используется для обозначения того количества энергии, которая обеспечивает реализацию биологических функций организма. Она обеспечивает энергию (АТФ), необходимую для сокращений мышц, энергию для поддержания физиологической активности сердечно-сосудистой и нервной систем, а также мышечной активности, направленнной на поддержание позы. Специалисты в области физиологии мышечной деятельности определяют эту энергию, измеряя количество кислорода, потребляемого во время физической деятельности (Daniels, 1985; di Prampero, 1986; Joyner, 1991), когда в работе принимают участие большие группы мышц и она длится, по крайней мере, несколько минут.

12)

 

Здесь схематически представлен процесс обмена энергии, который происходит во время бега на спринтерскую дистанцию (Ward- Smith, 1984). На схеме показано, что АТФ (химическая энергия) — источник энергии, обеспечивающий обменные процессы в организме для поддержания жизнедеятельности и выполнения необходимой мышечной работы. При этом часть АТФ превращается в тепло (Н1). Полез-ным результатом при таком виде деятельности является выполнение механической работы бегуном относительно окружающей среды за счет углового движения различных сегментов его тела. За счет работы (положительной и от-рицательной), выполненной мышцами, конечности получают кинетическую (энергию вращения и поступательного движения) и потен-циальную энергию. Во время этого процесса некоторое количество механической энергии превращается в тепло (H2) вследствие трения в суставах и мышцах. Механическая энергия (кинетическая и потенциальная), приобретенная конечностями, превращается в кинетическую и потенциальную энергию ЦТ бегуна и работу по преодолению сопротивления воздуха (W3). Изменение механической энергии центра тяжести в этом случае распределяется по двум направлениям. При этом кинетическая энергия Е добавляется к горизонтальной - W1 и вертикальной - W2 составляющей, обеспечивающей выполнение работы по преодолению силы тяжести. Кинетическая и потенциальная энергия конечностей и центра тяжести, направленная на преодоление силы тяжести (W2), в конечном итоге приводит в накоплению упругой (потенциальной энергии упруго деформированного тела) энергии в мышцах (включая сухожилия), которая может быть повторно использована. Это явление называется накоплением и использованием упругой энергии или циклом растяжения. При беге вертикальное перемещение ЦТ спортсмена незначительно и, следовательно, работа, направленная на преодоление силы тяжести, не выполняется. Таким образом, АТФ поступающая в мышцы, в конечном итоге превращается в тепло (H1+ Н2 +H3 +Н4) и используется для выполнения работы, связанной с перемещением в горизонтальном направлении и для преодоления силы сопротивления воздуха (W1 + W3). При этом соотношения между работой и энергией в процессе бега можно выразить с помощью уравнения (3.20).

13)

    Подобный анализ финальной фазы прыжка в высоту (рис.3.29) был проведен Н uijing (1992). Главное внимание ученый обратил на голеносroпный сустав и мощность, развиваемую мышцами, которые его пересекают. На рис.3.29 приведены результаты последних 300 мс прыжка, когда испытуемый перешел от положения минимального угла коленного сус-тава к фате отталкивания. При минимальном угле коленного сустава (-300 мс) результирующий вращающий момент мышц был порядка 100 Н • м, а угловая скорость - 0 рад • с-I; в этом положении голеностопные суставы не генерируют мощность. Начиная с этой исходной позиции, прыжок можно рассматривать как состоящий из трех фаз: в течение следующих 150 мс (от -300 до почти -150 мс) результирующий вращающий момент мышц увсличивается до максимальной величины (240 Н • м), а угловая скорость остается небольшой (менее 2 рад • с 1), что свидетельствует о незначительной величине развиваемой мощности (положительной) - около 200 Вт. Затем, несмотря на снижение результирующего вращающего момента мышц до 75 Н • м, угловая скорость составлял 15 раяд*с^-1 и развиваемая при этом мощность (1700 Вт) увеличивается до максимума. Наконец, угловая скорость, результирующий вращающий момент и мощность падают до нуля в момент отталкивания спортсмена. Из этого примера следует, что при максимальном вращающем моменте мышца не развивает максимальную мощность; последняя зависит от совместного влияния вращаюшего момента и скорости. Более подробно этот вопрос рассматривается в главе 6.

Кратковременные адаптации

 

Разминка

1) Часто, когда человек занимается физической деятельностью, она начинается с легких упражнений для подготовки тела к восприятию напряжения. Цель их — обеспечение эффекта разминки, включающего повышение внутренней температуры и разрушение временных связей соединительных тканей. Повышение внутренней температуры улучшает биомеханическую характеристику двигательной системы, а растягивание может уменьшить возможность деформирования мышц (Garret 1990; Stanish, Hubley- Kozey, 1984).

Разминка оказывает значительное влияние на зависящие от температуры физиологические процессы. Повышение внутренней температуры в результате разминки может увеличивать диссоциацию кислорода из гемоглобина и миоглобина, мышечный кровоток, интенсифицировать метаболические реакции, снижать вязкость мышц, увеличивать растяжимость соединительной ткани и повышать скорость передачи потенциалов действия (Shellock, Р rentice, 1985). Мы наиболее заинтересованы во влиянии разминки на механическую отдачу мышцы.

Как правило, высота, которая может быть достигнута человеком в прыжке в высоту, после разминки увеличивается. Это происходит потому, что разминка увеличивает максимальную энергию, которая может быть создана мышцей (рис.8.1), а высота прыжка зависит от количества создаваемой энергии. Улучшение показателя прыжка после разминки обусловливается влиянием температуры мышц на скорость сокращения. Так, Davies, Young (1983) установили, что повышение температуры мышц на 3,1 градусов цельсия уменышает продолжительность сокращения и время полурелаксации соответственно на 7 % и 22 %, но не влияет на одиночное или тетаническое напряжение. В противоположность этому снижение температуры мышц на 8,4°С (в результате погружения ноги в ледяную ванну) увеличивало как продолжительность сокращения (38 %), так и время полурелаксации (93 %). Наблюдения, подобные этим, показывают, что релаксация в большей степени зависит от температуры мышц, чем создание усилий. С точки зрения соотношения усилия и скорости изменение температуры в пределах физиологического диапазона, влияет на максимальную скорость сокращения (12 % * С^-1, но не влияет на максимальное изометрическое усилие (Binkhorst, Hoofd, Vissers, 1977).

Ingier, Stromme (1979) полагают, что наилучшей стратегией обеспечения изменений температуры мышц при измерении максимального усилия в серии опытов на “бегущей дорожке” в течение 4 мин является связанная с видом деятельности разминка (см.также Shellock, 1986; Shellock, Prentice, 1985). Активной является разминка, в процессе которой изменения температуры обусловливаются работой мышц, а не пассивным внешним источником тепла, например, теплой ванной. Ingier, Stromme могли поднять внутримышечную температуру боковой части quadriceps femoris от 35,9°С до примерно 38,4°С с использованием активной, так и пассивной методик, но они привели доводы в пользу активной разминки, подтвержденные превосходными результатами во время максимального аэробного пробега по “бегущей дорожке” в течение 4 мин. Короче говоря, большая часть общей затраты энергии обеспечивается аэробными процессами, если работе предшествует активная разминка. Кроме того, эти авторы полагают, что продолжительность разминки должна превышать 5 мин и разминка должна проводиться с интенсивностью, эквивалентной темпу 7,5 мин * миля 1 для тренированного спортсмена или достато