Transcript 肌肉力学特性
第三章 肌肉力学特性 肌肉力学特性 肌肉（骨骼肌）是人体运动系统重要的组成部分， 是人体运动的动力来源。可以说肌肉在生物力学 研究中是最具吸引力、最有挑战性的研究领域。 肌肉的力学性质十分复杂，它跟组成肌肉各种成 份的力学特性有关。 肌肉力学特性 对肌肉特性的研究早在一百年前就有。除了从解剖、生 理和生化的角度研究肌肉的结构、功能、代谢以及肌肉 的神经控制以外，对肌肉生物力学特性的研究越来越得 到重视。由于肌肉的力学特性比较复杂，研究方法、实 验条件的不同得到的结果也不尽相同，尤其在活体条件 下，涉及到影响肌肉特性的研究就更为困难，它在神经 冲动、体液循环及疲劳等影响下所具有的变异性较大， 因而研究肌肉的生物力学特性是极其复杂的任务 肌肉的结构 复习：肌纤维组成小肌束--大肌束--由 大的肌束合并形成整块肌肉。在肌肉和 肌束外有结缔组织包绕（肌纤维膜、肌 束膜等），肌肉两端还有肌腱附着有骨 骼上，肌肉收缩时则产生运动。对肌肉 结构与功能的研究大大促进了肌肉生物 力学特性的研究。包括肌纤维的组成及 其结构，红白肌纤维的比例等都已经证 实与相关运动能力有关 肌纤维的显微结构 当前普遍接受的肌肉收 缩和力产生的机制是微 丝滑动理论与横桥理论 的结合。 一、离体肌肉生物力学特性 肌肉结构力学模型 肌肉结构力学模型由三个部分组成，称为肌肉的三元素模型： 1 收缩元：它代表肌节中的肌动蛋白微丝和肌球蛋白微丝。兴 奋 时可产生张力，称主动张力。其张力与它们的横桥数目有关 2 并联弹性元：代表肌束膜 及肌纤维等结缔组织，即包 绕肌肉的结缔组织。表现松 弛状态下肌肉的力学性质 3 串联弹性元：代表肌纤维的 固有弹性。肌浆球蛋白和肌动 蛋白纤维、横桥、Z盘以及结 缔组织的固有弹性。 2 肌肉结构力学模型性质 • 1）肌肉张力---长度特性 • 2) 肌肉收缩力速度特性 肌肉张力---长度特性 （1）收缩元张力-长度曲线 • 收缩元的张力随长度而 变化，表现最大张力的 长度称肌肉静息长度 • 问题：为什么大于或小 于静息长度肌肉张力均 要小？ 肌节长度与等长张力关系 （Gordon 1966） 不同项目运动员间肌肉长度特性 活体肌肉的不 同特性 专项动作的肌 肉收缩条件 （2）并联弹性元被动张力--长度曲线 根据肌肉结构力学模型，肌肉力的构成是收缩元（CC）、 串联弹性元（SEC）和并联弹性元（PEC）叠加的结果。 肌肉的平衡长度是指肌肉被动张力为零时,肌肉所能达到的最大长度 并联弹性元代表结缔组织中的弹性纤维，当受拉时产生弹力，由于 肌肉是粘弹性体，被动张力与长度呈非线性的关系。 被动张力: 是指肌肉工作时并 联弹性成分的张力。 stack length （3）肌肉总张力长度曲线 根据肌肉力学模型推断，在体肌活动时，其主动张力与被动张 力同时存在，因此在体肌肉张力是主动张力与被动张力之和。 称为肌肉的总张力--长度曲线 肌肉平衡长度对肌肉总张力影响较大，如果肌肉结构中结缔 组织较多，则肌肉拉伸时，并联弹性元的被动张力能较早出 现，对肌肉总张力贡献较大 下肢一般是 羽状肌如A; 上肢肌如缝 匠肌B （3）体育运动中运用 肌肉的这种张力关系及最佳的初长 度的发现，在体育运动中有重要作 用，一般为使肌肉发挥出更大的力 量和速度，可通过该肌肉的放松和 对抗肌的先主动收缩，使主动肌肉 在收缩前适当拉长。另外，由于肌 肉肌腱能发挥更大的弹性能，要尽 量利用肌肉退让收缩储存的弹性能。 跳跃，投掷 举例投掷标枪时手的后撤动作 2、肌肉力（F）—速度（V）关系 • 1938年Hill的经典工作奠定 了肌肉力学基础，他按照热 力学定律建立了反映肌肉收 缩力－速度特性的Hill方 程： ( F a) (V b) ( F0 a) b 方程中F0为肌肉挛缩时的张力， F为松开肌肉一端后肌肉的张力， V为肌肉缩短速度，a为肌肉张力 单位常量，b为肌肉收缩速度单 位常量。Hill方程所描述出肌肉 的F—V关系与实测结果具有较好 的一致性（图3-5）。 图3-5 挛缩蛙缝匠肌快速释 放实测肌肉F-V 曲线与 Hill方 程比较（Hill 1938） 2、肌肉力（F）—速度（V）关系 • 在一定的范围内，肌肉收缩产生的张力和速度 大致呈反比关系；当后负荷增加到某一数值时， 张力可达到最大，但收缩速度为零，肌肉只能 作等长收缩；当后负荷为零时，张力在理论上 为零，肌肉收缩速度达到最大。肌肉收缩的张 力-速度关系提示，要获得收缩的较大速度， 负荷必须相应减少；要克服较大阻力，即产生 较大的张力，收缩速度必须缓慢。 1肌张力与肌肉收缩速度的关系 向心收缩：肌肉收缩时肌肉缩短 离心收缩（退让式收缩）：肌肉张力小 于外部助力时的收缩 等长收缩：肌肉收缩时长度不变 肌张力与肌肉向心收缩速度的关系 (a T )(V b) b(T0 a) T0 T bT0 aV V0 V 或V b 及T a T a V b V b 肌张力与肌肉离心收缩速度的关系 实验表明：一般来讲，离心收缩力>等长收缩力>向心收 缩力 P201 肌肉力量增长后的收缩速度变化 二、在体肌肉收缩的生物力学 1、 肌肉的激活状态 • 在神经脉冲影响下，肌肉的收缩成分出现激活状态。 把肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变化称为肌肉的 激活状态。 我们把肌肉从肌肉激活到 肌肉产生收缩的时间叫肌 肉收缩的潜伏期。 在体肌肉收缩生物力学 短跑支撑腿着地时 肌肉电活动的表现 2、肌肉的松驰： 被拉长的肌肉，其张力有随着时间的延长而下降的特 性，这一特性称为肌肉松驰。 原因是由于肌肉的串联并联弹性元的粘弹性体的特性 所决定的。 例：下蹲停顿与不停顿对起跳高度的影响。 3、载荷对肌肉收缩力学特性的影响 1）动作潜伏期延长：表现在串联弹性元和并联弹性 元的“粘滞性”，和克服阻力的时间增加。 肌肉预伸的意义：（如起跑） P192 2）收缩幅度减小：肌肉力量不足。 3）收缩速度下降 4 肌肉收缩功、功率 肌肉可以把化学能转变为机械能，在能量转换过程中肌肉 克服阻力使物体发生位移，肌肉做了功。 肌肉“等长收缩”时，克服阻力，外部负荷不产生位移， 没有做机械功。但消耗了能量，这时肌肉做了“生理功”。肌肉 做功时所克服的阻力，包括肌肉的内部阻力和外部阻力。因此， 肌肉做功相应分为内功与外功。 收缩形式 张力与位移的方向 功 向心收缩 同向 正 离心收缩 反向 负 等长收缩 无位移 无 肌肉功率与载荷 肌肉收缩的功率等于肌肉收缩力与其该瞬时的收缩速度的乘积。 载荷大时做功大，载荷小时做功小 当载荷为零或很小时，或载荷很大时，肌肉功率很小，当载荷 与收缩速度达到一定程度时（速度与载荷都为最大值的1/3）， 功率最大p194， 问题：力量训练爆发力时选取重量的依据， 目的是什么? 体育运动训练中“爆发力”的概念指的就 是肌肉功率 肌肉功率存在着性别差异和专项差异 肌肉功率与专项运动素质练习 专项素质训练的原则 从生物力学观点来看，专项练习必须遵从动态适应性原则 （据维尔霍山斯基），即在以下五个方面都与比赛相适应动态 适应性原则： 1）动作的幅度与方向 2）运动的有效幅度与重点区 3）作用力的大小 4）最大作用力的发挥速率 5）肌肉工作形式 如膝关节进行从70°伸展到180°的力量训练，结果显示所有训 练角度下力量均获得有效的增长；从130°伸展到180°的力量 练习，力量仅在相邻的角度获得增长（Zatsiorsky，1995） 5、肌肉与肌腱的生物力学性能对 运动的影响 肌肉和肌腱，可以储存形变势能，完成动作前给予肌肉预张力， 可以使后续动作效果更佳。 SSC类动作：利用肌肉的弹性 牵张反射？ 肌腱中腱梭对张力的影响在人体一 般范围内，刺激能增加肌肉张力 过度的力---产生保护--发软（γ 回路） 震动、跳深等练习能降低人的保护 机能，提高起跳能力 肌肉收缩形式与其性质 以肌肉外部长度变化来确定肌肉收缩形式 向心收缩：肌肉主动收缩，长度缩短 退让性收缩：肌肉主动收缩，但主动力小于阻力而被拉 长的收缩 等长收缩：肌肉长度不变，但有内部收缩 力量训练方式的思考：讲解，注意听 肌电测量的仪器 肌电测量 肌电测量 肌电的优点 • 肌电能确定肌肉的活动状态 • 肌电能反映肌肉的激活程度 • 肌电能反映肌肉的力量状况 应用肌电时的注意点 • 肌电的量与肌肉力量有一定的关系，在等长收缩 情况下，肌电量与肌肉力量成正比关系，而在肌 肉向心收缩中，肌电量与肌肉收缩力量间并不成 线性关系，肌肉离心收缩情况下肌肉表现较高的 肌肉力量值时,肌电值反而变小。因此完全用肌 电值来反映肌肉力量还有很多工作要做，可以说 应肌电值来正确反映肌肉力量还不太可能。但肌 电图由于反映出肌肉兴奋的状况，因此也有很多 学者测量肌电用来研究环节运动的原动肌。 短跑下肢主要肌肉肌电 1.胫骨前肌 2.比目鱼肌 3 .腓肠肌 4.股内侧肌 5.股直肌 6.骨外侧肌 7.股二头肌 8.臀大肌 思考题 1、简述Hill肌肉三元素力学模型的组成。 2、简述负荷对肌肉收缩力学特性有那些影响？ 3、什么是肌肉的“松弛”现象？试结合体育运动中 的动作对其举例进行说明。 4、技术训练中延长肌肉的初长度有何意义。