133326-Текст статьи-286957-1-10-20180611. Наука в олимпийском спорте 2, 2017 45 Автор, 2017
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
МЫШЕЧНО"СУХОЖИЛЬНЫХ СТРУКТУР Одним из условий, от которого зависит быстрота движений человека, является растягивание участвующих в движении мышц перед их сокращением и, если сокращение мышцы следует сразу после ее удлинения, она способна сокращаться с большей силой и развивать бóльшую мощность [32, 33, 38, 47, 51, 57, 89]. Такой тип (режим) мышечной активности, когда сокращение следует сразу после удлинения, в биомеханике называют циклом растягивания–сокращения (РС) (англ. – streth-shortening cycle) или реверсивным режимом сокращения мышц англ. – reversible muscle action) [8, 56, 57, 59, 89]. Если сопротивление, приложенное к мышце, останется неизменным, скорость ее сокращения увеличится, что соответственно увеличит скорость движения звена, к которому мышца прикреплена. Величина силы и возможное ее увеличение в фазе концентрического сокращения в цикле РС определяется несколькими фак- торами. Первый фактор – максимальная изометрическая силам ы ш ц . В середине цикла РС, когда происходит переход от удлинения мышц к укорочению, от эксцентрического к концентрическому режиму работы, мышцы проявляют силу в изометрическом режиме. Величины силы и мощности, которые могут проявить мышцы в эксцентрическом или концентрическом режимах, зависят от их максимальной изометрической силы [87]. Однако поданным экспериментальных исследований [59, 84] доказано, что увеличение максимальной изометрической силы мышц в меньшей мере, чем тренировка, направленная на совершенствование действия в реверсивном режиме, может способствовать улучшению результатов в видах спорта, в которых спортсмену одновременно надо демонстрировать бόльшую силу и скорость. У тренированных людей максимальная изометрическая сила мышц (F mm ) и сила, которую мышцы могут продуцировать в быстром реверсивном движении (F m ), взаимно не коррелирует. Это различные проявления мышечной силы и каждую из них надо развивать своими методами, используя избирательно специальные упражнения [87, 91]. Второй фактор – зависимость сила длинам ы ш ц ы » . Многими экспериментами на мышцах животных и человека показано, что максимальная изометрическая сила, которую развивает мышца при сокращении в ответ на импульсацию, исходящую от мотонейронов, зависит от длины мышцы в момент ее стимулирования [9, 85, 89]. В естественной анатомической рабочей зоне мышц связь «сила–длина» носит почти линейный характер [37]. Длину, при которой мышца может развить максимальную силу, в физиологии называют длиной покоя мышцы, в биомеханике – оптимальной длиной мышцы (достигается при максимальном удалении друг от друга костных рычагов и точек прикрепления мышц) [85]. Ни одно упражнение, рассчитанное на мощную мышечную работу, не может быть выполнено эффективно, если не учитывается эта закономерность, отмечает Ю. Гавер- довский [2]. От величины деформации, от скорости деформирования, оттого, в каком состоянии мышца – расслабленная или возбужденная удлиняется и какие при этом нейральные механизмы задействованы, зависит качество выполненного движения. Третий фактор – ней р аль н ы ем е хан из мы. Впервой фазе цикла РС под действием силы тяжести и особенно сил инерции мышцы удлиняются. Резко возрастает сила, которую мышцы развивают во второй фазе цикла – фазе сокращения рис. При длине L 0 максимальная сила, проявляемая мышцей, равна F 0 . После удлинения до длины L 1 мышца способна развить силу F 1 , значительно превышающую F 0 . Увеличение силы происходит за счет растягивания мышцы и активизации миотатического рефлекса в ответ на растяжение мышцы. Миотатиче- ский рефлекс или рефлекс на растяжение проявляется в форме возбуждения мышцы в ответ на ее растяжение. Быстрое удлинение мышцы вызывает резкое увеличение частоты импульсации, обеспечивает активизацию дополнительных мышечных волокон, в том числе быстрых и мощных, синхронизирует активность двигательных единиц, повышает силу, с которой мышца противодействует ее растягиванию [9, 41]. В результате сила, приложенная мышцей к кости, значительно превышает то значение силы, что она может проявить без предварительного растягивания. Рефлекс на растяжение не только повышает силу мышц, но одновременно затормаживает (угнетает) активацию мышц-антагонистов, активность которых может уменьшить скорость движения. Рефлекс на растяжение действует автоматически, безучастия сознания человека. Поэтому прирост силы сокращения мышцы, вызванный рефлексом, может значительно превысить ту величину силы, которую человек может проявить произвольно [70]. Наряду с увеличением силы, под действием рефлекса на растяжение столь же значительно может увеличиться и скорость нарастания силы, что означает соответствующее увеличение и мощности мышечного сокращения. По мнению T. Иванкевич, рефлекс на растяжение лежит в основе большинства спортивных движений, от него зависит продуцированные спортсменом сила и скорость [53]. Особенно важное значение этот рефлекс имеет при выполнении двигательных действий, требующих проявления значительных по величине и быстрых мышечных усилий Одновременно с рефлексом на растяжение при удлинении мышечно-сухожильных НАУКА В ОЛИМПИЙСКОМ СПОРТЕ № 2, 2017 49 БИОМЕХАНИКА БИОМЕХАНИКА структур активируется и сухожильный рефлекс Гольджи. Если рефлекс на растяжение обеспечивает неизменную длину мышцы, несмотря на увеличение приложенной внешней силы, то задача сухожильного рефлекса – реагировать на изменение силы, проявляемой мышцей, предохранить сухожильно-мышеч- ный комплекс от перегрузки. В случае резкого нарастания силы мышцы (рис. 3, 4) рефлекс Гольджи уменьшает интенсивность эфферентной импульсации, идущей к мышце, а в результате и силу сокращения мышцы, что показано стрелкой, идущей, вниз на рисунке Экспериментально доказано, что влияние на проявляемые мышцами силу и мощность миотатического рефлекса и сухожильного рефлекса тренируемо. Удлинение на одну и туже величину тренированной мышцы дает больший прирост силы и мощности, чем мало тренированной [55]. Также экспериментально подтверждено, что под влиянием специальной тренировки уменьшается и угнетающая роль рефлекса Голь- джи [33, 89]. Хорошо тренированные спортсмены в фазах движений с эксцентрическим режимом работы мышц способны проявить значительно большие значения силы, чем недостаточно тренированные [91]. Четвертый фактору пру гость сухожильном ы ш е ч н ы х структур. Известно, что все биологические материалы и ткани обладают упругостью, те. при деформировании накапливают энергию упругой деформации и после освобождения восстанавливают начальную геометрическую форму [51, 78]. Впервой, эксцентрической фазе цикла РС в сухожиль- но-мышечных структурах происходит накапливание энергии упругой деформации в виде потенциальной, в концентрической фазе цикла энергия упругой деформации переходит в кинетическую энергию. Сила упругой деформации суммируется с силой сокращения мышцы и на конце мышцы в местах прикрепления сухожилий к кости) увеличивается сила и, соответственно, скорость движения звена тела [59]. Экспериментально доказано, что способность в фазе растягивания сухожильно-мышечных структур аккумулировать энергию упругой деформации и эффективно ее использовать в концентрической фазе цикла РС тренируема [39, 43, 58, 91]. Увеличение вклада упругой компоненты – это важный показатель тренированности спортсмена [33]. Количество энергии упругой деформации зависит от жесткости материала и величины его деформации. Так как мышца с сухожилием соединены последовательно, то при растягивании на них действует одинаковая по величине сила, и распределение количества накопленной энергии будет зависеть только от величины деформации. В свою очередь, величина деформации зависит от коэффициента жесткости мышцы и сухожилия. Жесткость сухожилия постоянная, мыщцы – изменчивая, зависящая от степени ее напряжения [41, 83]. Пассивная, расслабленная мышца легко растяжима. Жесткость активной мышцы увеличивается пропорционально степени напряжения, и у максимально возбужденной мышцы она враз больше, чему расслабленной. Это означает, что при удлинении расслабленной и возбужденной мышцы на одну и туже величину количество накопленной энергии упругой деформации будет отличаться в несколько раз. Установлено, что жесткость мышцы увеличивается на 30 % и больше, если повышается скорость ее удлинения. Скорость растягивания мышц, как отмечает известный тренер метателей копья В. Маззалитис [69], является важным показателем качества спортивной техники величина приложенной к копью силы зависит не только от скоростно-силовых возможностей мышц спортсмена, но и оттого, как быстро или медленно) произойдет растягивание этих мышц. Чем это время короче, тем с большей силой мышцы сократятся. От жесткости мышц зависит не только количество накопленной энергии впервой фазе цикла РС, но и количество потерянной (диссипированной) энергии при переходе потенциальной энергии в кинетическую во второй фазе. Процесс перехода энергии проходит более эффективно, если жесткость мыщцы выше [60], однако при одном важном ив реальных движениях трудновыполнимом требовании – максимально сократить интервал времени между фазой растягивания и сокращения. Упругие свойства мышц зависят от многих факторов. Масса мышц, расположение волокон, соотношение медленных и быстрых волокон, количество соединительнотканных образований, соотношение площади поперечного сечения мышцы и сухожилия, температура, усталость – каждый фактор в отдельности и все вместе определяют механические свойства сухожильно-мышечного комплекса. Свойство мышц накапливать энергию упругой деформации и утилизировать ее, те. превращать из потенциальной в кинетическую, тренируема [38, 43, 60]. Вклад так называемой упругой компоненты в спортив- РИСУНОК 3 – Механизмы, определяющие увеличение силовых возможностей при предварительном растягивании мышц [цит. по 91]. При удлинении мышцы от L 0 до L 1 сила увеличивается с F 0 до F 1 . Возрастание силы происходит в результате действия трех функциональных компонентов – компонент мышцы – сила мышцы при ее удлинении увеличивается за счет упругости мы- шечно-сухожильного комплекса 2 – сила мышцы увеличивается за счет действия миотатиче- ского рефлекса 3 – нарастание силы ограничивает действие рефлекса Гольджи; 4 – под действием рефлекса на растяжение увеличивается жесткость мышцы, рефлекс Гольджи ее снижает. Суммарное действие двигательных рефлексов отражает линия от 1 до 3. Наклон этой линии – жесткость мышечно-сухожильных структур НАУКА В ОЛИМПИЙСКОМ СПОРТЕ № 2, 2017 БИОМЕХАНИКА БИОМЕХАНИКА ный результату спортсменов экстракласса значительно выше, чему атлетов более низкой подготовленности [25]. Мышцы спортсменов высокого класса хорошо тренированы, способны сокращаться с большой силой. Жесткость таких мышц, когда они максимально напряжены, может превышать жесткость сухожилий [89]. Это означает, что под действием растягивающей силы сухожилие деформируется наб льшую величину, чем мышца ив сухожилиях может аккумулироваться больше энергии упругой деформации, чем в самой мышце (рис. 4). При таком варианте сухожилия из пассивных структурных элементов превращаются в активные, способные накапливать и отдавать упругую энергию, суммировать силу упругой деформации с силой сокращения мышцы. По мнению специалистов [15, 40, 91], в упражнениях, направленных на развитие максимальной мощности, упругость сухожилий по некоторым показателям может оказаться важнее упругости мышц. Количество аккумулированной в сухожилиях энергии враз может превысить количество энергии, накопленной в мышце. Растянутые сухожилия после освобождения от внешней силы укорачиваются со значительно большей скоростью, чем способны сокращаться мышцы в концентрическом режиме. Это приводит к тому, что даже в очень быстрых движениях мышечные волокна сокращаются с меньшей скоростью, те, близко к изометрическому режиму, и таким образом снижается степень влияния зависимости «сила–скорость» на проявляемую мышцей силу. Девяносто три процента накопленной энергии упругой деформации в сухожилиях и других соединительнотканных структурах превращается в механическую работу и только 7 % – в тепло [27, В мышцах это соотношение намного ниже. Количество механической работы не зависит от скорости укорочения. Чем длиннее сухожилия, тем больше энергии упругой деформации в них может аккумулироваться. Поэтому важно отношение длина сухожилия длина мышечного волокна». Обобщая результаты исследований, проведенных по изучению цикла РС и путях повышения его эффективности, можно выделить три главные условия выполнения реверсивных движений [58]: • краткосрочная и быстрая эксцентрическая фаза (жесткость мыщц зависит от скорости растягивания в нужный момент времени перед началом эксцентрической фазы должна быть проведена преактивация мышц (жесткость увеличивается пропорционально степени возбуждения мышц мгновенный переход от эксцентрической фазы к концентрической. При появлении интервала времени между фазами цикла часть накопленной энергии упругой деформации успевает превратится в тепло. Специальные исследования в теннисе показывают, что за счет действия цикла РС скорость ракетки возрастает примерно на 10–20 % [36]. Эффективность цикла главным образом зависела оттого, какой интервал времени был между фазами замаха и разгона ракетки. Почти 50 % накопленной в фазе замаха упругой энергии было потеряно, если интервал составлял 1 с. При интервале 2 с потеря составляла 80 %, а в течение 4 с вся накопленная энергия была рассеяна. Поданным Б. Эллиота [37], пауза в 1 сдает всего 10 % прироста скорости ракетки, что в 2 раза меньше, если разгон ракетки следует сразу же после замаха. Использование энергии упругой деформации в теннисном ударе особенно важно 1) вначале разгона ракетки, когда сила сокращения мыщц еще мала 2) для новичков, силовые возможности мышц которых недостаточны для быстрого разгона ракетки [37]. Известно, что сила сокращения мышц увеличивается не экс- плозивно, а сравнительно медленно. Даже спортсменам, хорошо тренированным на достижение максимальных силовых показателей, требуется 300–400 мс [7, 41]. Роль скорости нарастания силы (градиент силы) и использования силы упругой деформации особо повышается в кратковременных, быстрых движениях, время выполнения которых не превышает 200 мс [76 ]. Действие цикла РС в многозвенной кинематической цепи человека обеспечивается выполнением отведения, сгибания, скручивания, замаха и т.п. перед главной фазой движения резким ускорением в определенном направлении проксимального сустава, вызывающим ускоренное вращение присоединенного звена в противоположную сторону [2, 21]. Угол в суставе, в котором звенья соединены, изменяется. Соответственно изменяется длина мышц, сухожилий, связок, те. тех анатомических структурных элементов, которые обслуживает и укрепляет данный сустав. Перед ударом или выбрасыванием снаряда особо важно обеспечить растягивание мышц туловища и плечевого пояса, что достигается отклонением в сторону, противоположную направлению главного движения, и поворотом верхней части тела и плечевого пояса относительно тазобедренной области, скручиванием тела относительно его вертикальной оси и отведением руки (рис. При выполнении удара одной рукой в теннисе у квалифицированных спортсменов величина этого угла в среднем достигает 30° [36], у толкателей ядра – 20–25° [10]. Механический импульс волнообразно перемещается от звеньев, расположенных ближе к опоре, к периферическим, расположенным ближе к рабочему звену, обгоняет во вращении вышележащие звенья, обеспечивая активное растягивание соответствующих мышц. Подобная организация движений особо важна в подготовке мышц к последующей эффективной работе и по обеспечению передачи механической энергии от нижележащих звеньев к вышележащим [2]. Нижележащие звенья в данном случае это те звенья, которые первыми включаются в движение. Особую роль в переходе меха- РИСУНОК 4 – Жесткость мышцы и сухожилия Мышцы спортсменов высокого класса могут развить большие силы и жесткость этих мышц, пока они активны, может превысить жесткость сухожилий. При растягивании мы- шечно-сухожильных структур сухожилия деформируются больше мышц ив них может накапливаться больше энергии упругой деформации, чем в мышцах РИСУНОК 5 – Обгон звеньев»: а – при выполнении удара в теннисе. Угол Q – угол скручивания или натяжения, угол между осями таза и плечевого пояса б – угол натяжения при метании диска [13] НАУКА В ОЛИМПИЙСКОМ СПОРТЕ № 2, 2017 51 БИОМЕХАНИКА БИОМЕХАНИКА нической энергии от звена к другим звеньям в многозвенневой системе играют двусу- ставные мышцы Особенно активно эффект обгона звеньев происходит в плечевом поясе ив руке со снарядом. В движениях, выполненных технически целесообразно, плечевой пояс отстает от движения таза, верхняя конечность от движения плеча, кисть со снарядом от предплечья, тесно связывая звено со звеном и обеспечивая активное растяжение сухожильно-мышечных структур. Важно, чтобы отставание дистальных звеньев от проксимальных достигало реальных морфологических пределов подвижности. Только тогда создаются условия для эффективного приложения усилия к разгоняемому снаряду ПРИНЦИП ТРАНСМИССИИ ИМПУЛЬСА В СИСТЕМЕ ЗВЕНЬЕВ В исследованиях техники спортивных движений особое место занимает изучение положения и взаимодействия разных звеньев тела при выполнении физического упражнения. Известно, что результирующая сила воздействия спортсмена на снаряд зависит от величины и направления сил, продуцируемых каждым звеном. Следовательно, проявление наибольших усилий в оптимальном направлении зависит от согласования ускорений и замедлений движения разных звеньев тела и от последовательности их включения в работу, что является определяющим для достижения необходимой скорости рабочего звена тела спортсмена или снаряда. В зависимости от цели, которая решается посредством данного движения, можно выделить три вида взаимодействия звеньев тела [20, 22, 32, 35]: • если стоит задача развить максимальную силу, все звенья, исключая слабые, действуют одновременно если важна скорость снаряда или био- звена, звенья действуют последовательно, каждое следующее включается в действие в момент, когда предыдущее достигает максимальной скорости если происходит действие одного или нескольких звеньев, нижележащие звенья должны быть зафиксированы и создать базу опору) для более эффективного взаимодействия вышележащих звеньев. Задача оптимизации сложения сил отдельных звеньев осложняется тем, что метатель должен объединить все эти виды взаимодействия звеньев тела в определенной последовательности. Во-первых, он должен сообщить снаряду максимальную скорость вылета, во-вторых, для разгона снаряда необходимо проявить максимум усилий и, в-третьих, – бросок завершается одной рукой. Следовательно, все три вида взаимодействия звеньев тела необходимо так сочетать, чтобы за 0,12–0,15 св метании копья или за 0,25–0,30 св толкании ядра время финального усилия) наилучшим образом реализовать скоростно-силовые возможности спортсмена. Рассматривая последовательность включения в работу разных звеньев, необходимо учитывать, что для спортсмена возникает задача использовать силу разных звеньев тогда, когда мышцы, перемещающие эти звенья, способны сокращаться ста- кой скоростью, чтобы силовое воздействие на ускоряемые массы было максимальным. Самые сильные звенья тела наиболее массивны и, следовательно, обладают большeй инертностью. Поэтому начинать движение должны мощные мышцы тазовой области, а заканчивать – мышцы конечностей [35]. В основе передачи импульса по кинематической цепи лежит механизм последовательного включения звеньев тела, который в специальной литературе имеет несколько альтернативных названий принцип суммирования внутренних сил [20], принцип серийной организации движения [25], принцип суммирования скоростей [37], принцип (механизм) мышечной волны [2]. При реализации этого механизма важно как можно более точно координировать переключения с одного звена кинематической цепи на другое. По важности (степени влияния на спортивный результат) этот принцип организации движения специалисты приравнивают к принципу предварительного растягивания мышечно- сухожильного комплекса, отмечая, что особенно важно применение данного принципа в бросковых дисциплинах (метание копья и диска, толкание ядра, а также при выполнении ударных действий. Движение начинают большие и сильные группы мышц проксимальных сегментов, которые расположены вблизи ОЦМ тела. Это мышцы преимущественно с веерообразным расположением волокон, тес большим физиологическим поперечником, обладающие большой силой сокращения. Главная задача этих мышц – сообщить скорость всей системе спортсмен–снаряд, преодолеть инертность тела спортсмена и спортивного снаряда [22]. Продолжение движения (разгон рабочего звена и снаряда) обеспечивают сточки зрения проявления силы менее сильные, но более быстрые мышцы верхних конечностей. Их задача обеспечить не только быстрое движение звеньев тела, но и достаточную точность выполняемого движения. В этих мышцах число волокон меньше, нежели в более массивных и сильных мышцах, что сказывается на силе сокращения. Меньше и количество мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном. Это означает, что центральная нервная система может обеспечить более совершенное управление работой данных мышц, повышая не только скорость движения, но и точность его выполнения [21, Скорость рабочего звена в ударах, снаряда в бросках является результатом суммирования скоростей отдельных звеньев тела – ног, туловища, руки. Возникает вопрос о том, как должны сочетаться скорости отдельных звеньев тела во времени, чтобы скорости конечного звена и снаряда были максимальными. Теоретически существуют два способа взаимодействия звеньев тела для достижения максимальной скорости конечного звена. Первый характеризуется такой органи- РИСУНОК 6 – |