運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)第六章 骨骼肌生物力學(xué)精

第六章骨骼肌生物力學(xué)肌肉（骨骼?。┦侨梭w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(lái)源?？梢哉f(shuō)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小?/p>

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)2、

肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型性質(zhì)1.

肌肉力（F）—

長(zhǎng)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(zhǎng)度（自由長(zhǎng)度）：肌肉無(wú)被動(dòng)張力時(shí)的最大長(zhǎng)度。

肌肉的凈息長(zhǎng)度：收縮元（CC）表現(xiàn)出最大張力時(shí)的肌肉長(zhǎng)度。約為平衡長(zhǎng)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?？倧埩?被動(dòng)張力與凈收縮力之和。收縮元（CC）力——長(zhǎng)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(zhǎng)度在1.27μ和3.65μ（μ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(zhǎng)度下收縮元表現(xiàn)出的肌力最大（③-④），此時(shí)肌微絲之間的橫橋聯(lián)系數(shù)目最多。隨肌肉長(zhǎng)度增加肌微絲被拉開(kāi)，橫橋聯(lián)系數(shù)目減少，張力隨之下降（④-⑤）。達(dá)到4μm時(shí)，橫橋無(wú)聯(lián)系，張力下降為零。當(dāng)肌肉縮短小于靜息長(zhǎng)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（③-②-①），這一過(guò)程將一直繼續(xù)的全部重疊為止。雖然這一過(guò)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(zhǎng)度與等長(zhǎng)張力關(guān)系（Gordon1966）并聯(lián)彈性元（PEC）力——長(zhǎng)度曲線

肌肉總張力——長(zhǎng)度曲線

（A為平衡長(zhǎng)度；B為凈息長(zhǎng)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(xiàn)為松開(kāi)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(cè)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(cè)肌肉F-V曲線與Hill方程比較（Hill1938）該曲線說(shuō)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(zhǎng)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(zhǎng)的肌肉，其張力有隨時(shí)間的延長(zhǎng)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(zhǎng)：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?。杭∪饬α坎蛔恪Ｊ湛s速度下降：Hill方程。動(dòng)作的潛伏期延長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)收縮”時(shí)，克服阻力，外部負(fù)荷不產(chǎn)生位移，沒(méi)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(cè)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(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)收縮變?yōu)殡x心收縮，此時(shí)肌肉開(kāi)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(lái)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(zhǎng)度變化來(lái)確定肌肉收縮形式：

等長(zhǎng)收縮：肌肉長(zhǎng)度不變，但有內(nèi)部收