《肌肉生物力學(xué)》PPT課件

第六章骨骼肌生物力學(xué) 肌肉 骨骼肌 是人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)重要的組成部分 是人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源 可以說肌肉在生物力學(xué)研究中是最具吸引力 最有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域 肌肉的力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜 它跟組成肌肉各種成份的力學(xué)特性有關(guān) 迄今為止人們?nèi)匀辉诓粩嗟难芯亢吞剿髦?6 1離體肌肉的生物力學(xué)基礎(chǔ) 肌肉的組織結(jié)構(gòu)和生物學(xué)性質(zhì)決定了肌肉的機(jī)能 肌肉機(jī)能的變化亦會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響 因此 對(duì)肌肉組織結(jié)構(gòu)和生物學(xué)的研究是對(duì)肌肉生物力學(xué)特性的基礎(chǔ)研究之一 為反映肌肉的生物力學(xué)特性 建立用于描述肌肉力學(xué)特性的模型 肌肉的組織結(jié)構(gòu) 肌肉的組織結(jié)構(gòu)和生物學(xué)性質(zhì)決定了肌肉的機(jī)能 肌肉機(jī)能的變化亦會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響 因此 對(duì)肌肉組織結(jié)構(gòu)和生物學(xué)的研究是對(duì)肌肉生物力學(xué)特性的基礎(chǔ)研究之一 為反映肌肉的生物力學(xué)特性 建立用于描述肌肉力學(xué)特性的模型 肌纖維的顯微結(jié)構(gòu) 1 肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型 Hill 1950 提出一個(gè)由三個(gè)元素組成的肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型 圖3 2 即收縮元 CC 串聯(lián)彈性元 SEC 和并聯(lián)彈性元 PEC 用此反映肌肉的功能 CC代表可以相對(duì)滑動(dòng)的肌漿球蛋白和肌動(dòng)蛋白纖維絲 其張力與它們的橫橋數(shù)目有關(guān) SEC表示肌漿球蛋白和肌動(dòng)蛋白纖維 橫橋 Z盤以及結(jié)締組織的固有彈性 設(shè)它為完全彈性體 PEC表示肌纖維膜 肌束膜等結(jié)締組織 表現(xiàn)松弛狀態(tài)下肌肉的力學(xué)性質(zhì) Hill三元素肌肉模型 Hill 1950 骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型肌動(dòng)蛋白 細(xì) 收縮成分肌球蛋白 粗 骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型并聯(lián)彈性成分彈性成分串聯(lián)彈性成分 2 肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型性質(zhì) 1 肌肉力 F 長度 L 關(guān)系根據(jù)肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型 肌肉力的構(gòu)成是收縮元 CC 串聯(lián)彈性元 SEC 和并聯(lián)彈性元 PEC 疊加的結(jié)果 概念 肌肉平衡長度 自由長度 肌肉無被動(dòng)張力時(shí)的最大長度 肌肉的凈息長度 收縮元 CC 表現(xiàn)出最大張力時(shí)的肌肉長度 約為平衡長度1 25倍 被動(dòng)張力 是指肌肉工作時(shí)并聯(lián)彈性成分的張力 肌肉凈收縮力 指收約縮成分收縮時(shí)產(chǎn)生的張力 總張力 被動(dòng)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(shù)據(jù) 他對(duì)蛙單個(gè)肌纖維肌節(jié)長度在1 27 和3 65 為微米 之間變化與其產(chǎn)生力的變化關(guān)系進(jìn)行調(diào)查 圖3 3 運(yùn)用肌纖維 橫橋理論 Huxley1957 對(duì)這一關(guān)系進(jìn)行解釋 肌肉在靜息長度下收縮元表現(xiàn)出的肌力最大 此時(shí)肌微絲之間的橫橋聯(lián)系數(shù)目最多 隨肌肉長度增加肌微絲被拉開 橫橋聯(lián)系數(shù)目減少 張力隨之下降 達(dá)到4 m時(shí) 橫橋無聯(lián)系 張力下降為零 當(dāng)肌肉縮短小于靜息長度時(shí) 橫橋重疊產(chǎn)生干擾 使其聯(lián)系數(shù)目減少 導(dǎo)致張力下降 這一過程將一直繼續(xù)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(jié)長度與等長張力關(guān)系 Gordon1966 并聯(lián)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(guān)系 1938年Hill的經(jīng)典工作奠定了肌肉力學(xué)基礎(chǔ) 他按照熱力學(xué)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(shí)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(guān)系與實(shí)測結(jié)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(shí)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(nèi) 肌肉收縮產(chǎn)生的張力和速度大致呈反比關(guān)系 當(dāng)后負(fù)荷增加到某一數(shù)值時(shí) 張力可達(dá)到最大 但收縮速度為零 肌肉只能作等長收縮 當(dāng)后負(fù)荷為零時(shí) 張力在理論上為零 肌肉收縮速度達(dá)到最大 肌肉收縮的張力 速度關(guān)系提示 要獲得收縮的較大速度 負(fù)荷必須相應(yīng)減少 要克服較大阻力 即產(chǎn)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(xué) 1 肌肉的激活狀態(tài)在神經(jīng)脈沖影響下 肌肉的收縮成分出現(xiàn)激活狀態(tài) 把肌肉興奮時(shí)其收縮成分力學(xué)狀態(tài)的變化稱為肌肉的激活狀態(tài) 我們把肌肉從肌肉激活到肌肉產(chǎn)生收縮的時(shí)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(shí)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(lián)和并聯(lián)彈性元屬于粘彈性體的特性決定的 3 負(fù)荷對(duì)肌肉收縮力學(xué)特性的影響動(dòng)作的潛伏期延長 表現(xiàn)在串聯(lián)彈性元和并聯(lián)彈性元的 粘滯性 和克服阻力的時(shí)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(dòng)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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 在能量轉(zhuǎn)換過程中肌肉克服阻力使物體發(fā)生位移 肌肉做了功 肌肉 等長收縮 時(shí) 克服阻力 外部負(fù)荷不產(chǎn)生位移 沒有做機(jī)械功 但消耗了能量 這時(shí)肌肉做了 生理功 肌肉做功時(shí)所克服的阻力 包括肌肉的內(nèi)部阻力和外部阻力 因此 肌肉做功相應(yīng)分為內(nèi)功與外功 通常所講的肌肉做功是指肌肉做外功 即機(jī)械功 肌肉做功與載荷及收縮速度大小有關(guān) 載荷大時(shí)做功大 載荷小時(shí)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(guān) 肌肉做功 圖3 6不同載荷肌肉做功與收縮速度的關(guān)系 圖3 6是受試者伸膝關(guān)節(jié)肌群的測試結(jié)果 肌肉收縮速度大時(shí)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(shí)的收縮速度的乘積 離體肌肉在收縮時(shí)的功率可從肌肉的 F V 曲線得到 在此曲線上每一點(diǎn)的功率等于以該點(diǎn)和坐標(biāo)原點(diǎn)為頂點(diǎn)所構(gòu)成的矩形面積 圖3 7中的陰影部分 假定肌肉收縮時(shí)力和速度同時(shí)達(dá)到最大值 這時(shí)功率應(yīng)是最大 但這是不可能的 根據(jù)Hill方程可知實(shí)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(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中 爆發(fā)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(tài)下 在最短時(shí)間內(nèi)快速地將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(guān)系 當(dāng)載荷為零時(shí) 肌肉表現(xiàn)出最大收縮速度 此時(shí)功率很小 隨載荷的增加 肌肉收縮速度隨之下降 當(dāng)處于1 3最大收縮力與速度位置時(shí) 功率最大 Nm 隨著力與速度的進(jìn)一步變化 功率開始減小 當(dāng)阻力增大到肌肉不能縮短時(shí) 速度為零 不做功 功率為零 如果載荷繼續(xù)增加 肌肉由等長收縮變?yōu)殡x心收縮 此時(shí)肌肉開始做負(fù)功 但肌肉的負(fù)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(jié)果 肌肉功率的性別 項(xiàng)目差異專項(xiàng)素質(zhì)訓(xùn)練的原則從生物力學(xué)觀點(diǎn)來看 專項(xiàng)練習(xí)必須遵從動(dòng)態(tài)適應(yīng)性原則 據(jù)維爾霍山斯基 即在以下五個(gè)方面都與比賽相適應(yīng) 運(yùn)動(dòng)幅度和方向 運(yùn)動(dòng)有效幅度的重點(diǎn)區(qū)間 作用力 或肌力 的大小 最大作用力發(fā)揮的速率 肌肉工作的狀態(tài) 5 肌肉與肌腱的生物力學(xué)特性對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響 增加動(dòng)作的力和速度提高動(dòng)作的經(jīng)濟(jì)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