Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика. Учебник для вузов

• Название: Учебник для вузов
• Анкор: Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 6.47 Mb.
• Имя файла: Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика.doc
• Тип: Учебник; #922
• страница: 44 из 65

Глава 14 БИОДИНАМИКА (БИОМЕХАНИКА) ДВИГАТЕЛЬНЫХ КАЧЕСТВ

Каждый человек владеет определенными двигательными навыками, например, может поднять определенный вес, пробежать или прыгнуть и т. п., но возможности у всех различны. Это связано и с возрастом, и наследственностью и, главное, с тренированностью. Двигательные качества отличаются друг от друга по форме и по затраченной энергии. Двигательные качества — это отдельные стороны моторики человека. Они проявляются в одинаковой форме движений и энергетического обеспечения и имеют аналогичные физиологические механизмы.

Поэтому методики совершенствования (тренировки) тех или иных качеств имеют общие черты независимо от конкретного вида движения. Например, выносливость марафонца во многом сходна с выносливостью лыжника-гонщика, велогонщика, конькобежца и т. п. Сила (F), скорость (V) и длительность (продолжительность) (t) движения находятся в определенных соотношениях друг с другом. Это соотношение различно в разных видах деятельности (в разных видах спорта).

При сокращении мышцы развивают большие усилия, которые зависят от поперечного сечения, начальной длины волокон и ряда других факторов. Сила мышцы на 1 см² ее поперечного сечения называется абсолютной мышечной силой. Для человека она равна от 50 до 100 Н.

Сила и мощность одних и тех же мышц зависят от ряда физиологических условий: возраста, пола, тренировки, температуры воздуха, исходного положения при выполнении упражнений, биоритмов и т. д..

Внешнее проявление сократительной активности мышцы (пучка волокон или волокна) состоит в том, что при ее фиксированной

длине развивается усилие, а при фиксированной нагрузке происходит укорочение. Эксперимент с мышцами проводится в двух режимах: изометрическом, когда длина мышцы фиксирована и изотоническом, когда мышца имеет возможность укорачиваться при постоянной нагрузке (рис. 14.1). На рисунке видно, что изометрическое усилие развивается очень быстро и достигает своей максимальной величины примерно через 170 мс после возбуждения. Начиная с 200 мс оно снова уменьшается с возрастающей скоростью. Интересно отметить, что даже через 900 мс в мышце еще сохраняется некоторое напряжение, что может быть обусловлено только активными физическими и химическими процессами.

Изотоническое одиночное сокращение существенно отличается от изометрического. Укорочение в процессе изотонического одиночного сокращения начинается только тогда, когда в мышце развивается достаточное усилие, равное по величине внешнему. В результате одиночное сокращение начинается тем позднее, чем больше нагрузка. Укорочение вначале почти линейно зависит от времени и достигает максимальных значений тем раньше, чем больше нагрузка. Затем наступает расслабление мышц с возрастающей скоростью, причем, так же как и укорочение, оно завершается тем раньше, чем больше груз. Если сделать нагрузку равной тому полному изометрическому усилию, которое мышца способна развить, то никакого внешнего укорочения не произойдет. При нулевой нагрузке скорость укорочения, очевидно, должна быть максимальной. Соотношение между нагрузкой и установившейся скоростью укорочения показано на рис. 14.2.


Рис. 14.1. Изометрическое и изотоническое одиночное сокращение. Портняжная мышца лягушки при 0°С (по В. Jewell, D. Wilkie, 1960)



Рис. 14.2. Зависимость скорости от нагрузки на различных стадиях изотонического одиночного сокращения портняжной мышцы лягушки при 0°С: 1 — фаза развития напряжения, 2—4 — фазы расслабления (0,46; 0,64; 0,83 с); напряжение составляет 0,6; 0,3 и 0,08 максимального


V== b(F₀-F)·(F + a)

или



где V — скорость укорочения; F — сила (нагрузка); F₀— максимальная изометрическая сила, которую может развить мышца; b — константа, имеющая размерность силы. Максимальная скорость, соответствующая условно F = О, из уравнения Хилла равна При раздражении мышцы серией импульсов, следующих с постоянной частотой, второй и последующие импульсы будут оказывать разное действие в зависимости и от того, на какой участок кривой «сила — время» они попадут. Например, для портняжной мышцы лягушки при 0°С (рефракторный период потенциала действия около 10 мс) второй импульс, отстоящий от первого на 5 мс, не вызывает никакой дополнительной механической реакции. При частоте возбуждения, равной 2 Гц, импульсы будут поступать в момент, когда фаза расслабления завершится на 2/3. Мышца отреагирует следующим одиночным сокращением, которое, в свою очередь, прервется, не завершившись, новым импульсом и т. д. В результате получается кривая, каждый максимум которой соответствует одиночному импульсу. При соответствующем выборе частоты раздражения одиночные сокращения буду иметь все большую тенденцию к слиянию. У портняжной мышцы при 0°С наступает полное слияние — тетанус — при частоте примерно 15 Гц. Эффект слияния проявляется в том, что активное усилие увеличивается в 1,2—1,8 раза по сравнению с максимальным усилием одиночного сокращения. Следует отметить, что при одиночном импульсе активность целой мышцы не успевает достичь своего тетанического максимума, так как полное растяжение системы последовательных упругих элементов требует времени, которое больше длительности одиночного сокращения.

В описанных экспериментах (исследованиях) изотоническое укорочение или изометрическое усилие измерялось на мышцах, длина которых была близка к длине расслабленной мышцы или несколько превосходила ее.

Исходя из термодинамики, химии и механики процесса сокращения и связи их с распространением возбуждения, П.И. Усиком, С.А. Ригерера (1973) сделаны предпосылки модели: а) мышца производит работу за счет прямого преобразования энергии, освобождающейся при механохимических реакциях; б) механохимические реакции протекают в большом числе малых, но конечных областей, распределенных по всему объему мышцы; в) источники исходных химических реагентов также распределены по всему объему мышцы; г) мышечная ткань анизотропна и обладает упругими и вязкими свойствами, причем вязкость обусловлена преимущественно миофибриллами, а упругость — соединительной тканью и другими структурами.
Характеристика двигательных (локомоторных) качеств
К основным двигательным качествам относятся: сила, быстрота, выносливость, гибкость и ловкость. А.А. Тер-Ованесян к названным качествам добавляет: устойчивость равновесия, способность к произвольному расслаблению мышц, ритмичность, прыгучесть, мягкость движений, координированность.

Механика мышечного сокращения. В покое мышечная ткань представляет собой вязкоупругий материал с самыми обычными свойствами (F. Buchthal, Е. Kaiser, 1951; P.M. Rack, 1966). Подлинно интересное свойство мышцы — это ее способность к сокращению. Максимальная сила, которую может развить мышца, при оптимальной ее длине составляет около 2 • 10⁶ дин на 1 см² поперечного сечения мышцы.

Если противодействующая сила невелика, мышца не только сильнее укорачивается, но и быстрее сокращается. Если сокращающаяся мышца имеет длину l в момент времени t, то скорость ее укорочения: («минус» означает уменьшение длины) определяется по формуле:



где F — сила, которую преодолевает мышца, F₁— максимальная сила мышцы при той длине, при которой измеряется скорость ее укорочения, d и b — константы. Константа d равна около 4 • 10⁵ дин на 1 см² поперечного сечения мышцы, а константа b для разных мышц различна (A.N. Hill, 1956). Заметим, что даже при отсутствии силы, противодействующей сокращению, мышца укорачивается с ограниченной скоростью: если F = 0, то

Если неподвижно закрепить концы мышцы и заставить ее сокращаться, то максимальная сила сокращения будет зависеть от расстояния между концами мышцы. Эта сила уменьшится, если расстояние будет меньше длины мышцы в покое. Сила сокращения уменьшается и в том случае, если расстояние между концами мышцы будет больше ее длины в покое. Под силой сокращения имеется в виду разность между общей силой, которую развивает мышца при ее раздражении, и упругой восстанавливающей силой, обусловленной растяжением мышцы сверх ее нормальной длины.

Зависимость силы от длины было показано на изолированных поперечнополосатых мышечных волокнах (Edman К., 1966; Gordon A.M. et at, 1966).

Поперечные полосы мышечного волокна раздвигаются при его растяжении и сближаются при сокращении. На рис. 14.3 приведен график зависимости между силой сокращения волокна и расстояниями между соседними полосами. В расслабленных волокнах эти расстояния равны 2,1 мк (1 мк = 10^-4 см). Сила сокращения достигает максимума при расстоянии 2,0—2,2 мк, и эта сила принята за 100%. При расстояниях 1,3 и 3,7 мк сила равна нулю. Это можно объяснить на основании «теории скользящих нитей».


Рис. 14.3. Зависимость силы сокращения поперечнополосатого

мышечного волокна от расстояния между соседними пластинками

(A.M. Gordon et al., 1966)
Поперечнополосатое мышечное волокно представляет собой клетку, содержащую многочисленные фибриллы, которые сами имеют поперечную исчерченность. На рис. 14.4 представлена схема строения фибриллы, основанная на электронных микрофотографиях. Фибрилла состоит из продольных нитей, построенных из белков актина и миозина; нити актина входят своими концами в промежутки между нитями миозина. Эти нити образуют структуру, которая повторяется на всем протяжении волокна и лежит в основе поперечной исчерченности, видимой в обычный микроскоп. Нити актина — более тонкие, они лежат на участке b(см. рис. 14.4). Они проходят сквозь поперечные перегородки, называемые пластинками.


Рис. 14.4. Схема расположения субмикроскопических нитей в поперечнополосатом мышечном волокне (A.M. Gordon et al., 1966)
Миозиновые нити (рис. 14.4, а) толще и снабжены боковыми выступами, которые прикрепляются к нитям актина, образуя мостики. Полагают, что именно благодаря этим мостикам мышцы развивают силу при сокращении. Посередине каждой нити миозина имеется участок (рис. 14,4, с), лишенный боковых выступов.

Когда мышца сокращается или подвергается растяжению, нити актина и миозина скользят друг относительно друга, так что область их перекрывания становится длиннее или короче.

На рис. 14.5, показано, как изменяются пространственные отношения нитей при различных расстояниях между соседними пластинками Z (т. е. при различной плотности расположения поперечных полос). Эти расстояния для представленных здесь случаев I—VI указаны также стрелками с соответствующими цифрами на рис. 14.3. При расстоянии 3,65 мк (положение Г) нити актина и миозина уже не накладываются друг на друга и можно ожидать, что волокно не будет способно развивать силу; и действительно, примерно при таком растяжении сила сокращения падает до нуля. По мере сближения пластинок Z нити актина все глубже проникают в промежутки между нитями миозина, и, наконец, при расстоянии 2,2 мк (положение II) все боковые выступы на миозиновой нити приходят в контакт с нитью актина, образуя поперечные мостики. Если именно эти мостики ответственны за возникновение силы, то следует ожидать, что в диапазоне от положения I до положения II сила будет пропорциональная степени перекрывания нитей, и это подтверждается в исследованиях. При дальнейшем укорочении волокна число мостиков, которые могут образоваться, не изменяется, и сила остается постоянной, пока расстояние между пластинками Z не уменьшится до 2,05 мк (положение III). В этот момент нити актина сходятся своими концами и сила начинает убывать. Она продолжает медленно убывать, пока расстояние не достигает 1,65 мк (положение V), когда концы миозиновых нитей приходят в соприкосновение с пластинками Z. При дальнейшем сокращении нити миозина должны сминаться; сила начинает убывать быстрее и, наконец, совсем исчезает.


Рис. 14.5. Схема, показывающая степень перекрывания нитей миозина

и актина в поперечнополосатом мышечном волокне при различных расстояниях между соседними пластинками Z (A.M. Gordon et al., 1966)
Сила. Силовые качества
Силойназывается физическая величина, характеризующая взаимодействие тел; она определяет изменение движения тела, или изменение формы тела, или то и другое вместе.

Сила, развиваемая мышцей или пучком мышечных волокон, соответствует сумме сил отдельных волокон. Чем толще мышца и больше «физиологическая» площадь ее поперечного сечения (сумма площадей поперечных сечений отдельных волокон), тем она сильнее. Например, при мышечной гипертрофии ее сила и толщина волокон возрастают в одинаковой степени.

Мышечная сила зависит не только от активирующего влияния ЦНС, но и в очень высокой степени от внешних механических условий работы мышцы.

В организме человека скелетные мышцы передают силу частям скелета посредством упругих, отчасти растяжимых структур — сухожилий. Во время развития силы у мышцы есть тенденция укоротиться, а следовательно, растянуть и напрячь упругие структуры, прикрепляющие ее к скелету.



Рис. 14.6. Саркоплазматический ретикулум и Т-трубки.

Миозиновые (толстые) и актиновые (тонкие) нити в состоянии покоя (А), сокращения (Б) и растяжения (S). Укорочение мышцы при ее сокращении связано со скольжением актиновых нитей (Г). Прикрепление поперечных миозиновых мостиков к нитям актина. Благодаря этим мостикам, большинство которых участвует в процессе сокращения, активные нити скользят по направлению к центру саркомера, что приводит к укорочению мышцы (2 и 3). Д — поперечный разрез через A- и I-диски (электронная микроскопия); видна толстая миозиновая нить, окруженная шестью тонкими актиновыми
Мышечное сокращение, при котором длина мышцы уменьшается по мере увеличения развиваемой ею силы, называемой ауксотоническим (изотоническим). Максимальная сила в ауксотонических экспериментальных условиях (с растяжимой упругой связью между мышцей и датчиком силы) называется максимумом ауксотонического сокращения. Она гораздо меньше силы, развиваемой мышцей при постоянной длине, т. е. при изометрическом сокращении. Для его экспериментального исследования мышцу в расслабленном состоянии (в покое) закрепляют с обоих концов, чтобы во время активации и измерения напряжения она не могла укорачиваться. Однако даже в этих условиях сократительные элементы мышечных волокон (миозиновые головки) передают силу сухожилиям или регистрирующему устройству только через упругие внутримышечные структуры. Они входят в состав поперечных мостиков (рис. 14.6) активных нитей, Z- пластинок и сухожильно-мышечных соединений.

Сила — величина векторная. Две силы, действующие на тело, складываются по правилу параллелограмма (векторно).

Сила мышц измеряется тем максимальным напряжением, которое она способна развить в условиях изометрического сокращения.

Максимальная сила будет зависеть прежде всего от количества и толщины мышечных волокон, образующих мышцу. Количество и толщина мышечных волокон обычно определяются по физиологическому поперечнику мышцы, под которым понимается площадь поперечного разреза мышцы (см²), проходящего через все мышечные волокна. Толщина мышцы не всегда совпадает с ее физиологическим поперечником. Например, при равной толщине, мышцы с параллельным и перистым расположением волокон значительно отличаются по физиологическому поперечнику. Перистые мышцы имеют больший поперечник и обладают большей силой сокращения. Чем толще мышца, тем она сильнее.

Важным в проявлении силы мышцы имеет характер прикрепления ее к костям и точка приложения силы в механических рычагах, образуемых мышцами, суставами и костями. Сила мышцы в значительной степени зависит от ее функционального состояния — возбудимости, лабильности и питания. Внутримышечная координация связана со степенью синхронности сокращения двигательных единиц мышцы, а межмышечная — со степенью координированности участвующих в работе мышц. Чем выше степень внутри- и межмышечной координации, тем больше максимальная

сила человека. Спортивные тренировки значительно способствуют совершенствованию этих координационных механизмов, поэтому тренированный человек обладает большей максимальной и относительной силой, т. е. силой мышц, отнесенной на 1 кг массы тела.

В этой связи в спорте имеются весовые категории (тяжелая атлетика, борьба, бокс и др.).

Регуляция мышечной силы в организме человека. Двигательная единица состоит из одного мотонейрона и группы иннервируемых им мышечных волокон (рис. 14.7). Размеры таких единиц широко варьируют. Поскольку каждое волокно подчиняется закону «все или ничего», сила, развиваемая двигательной единицей при одиночном сокращении, варьирует слабо; либо все ее волокна возбуждаются и сокращаются, либо все расслаблены. Однако развиваемая сила зависит от частоты стимуляции.



Рис. 14.7. Схема строения нейромоторной единицы:

а — тело двигательной нервной клетки; б — двигательное нервное волокно, в — его разветвление, г— нервно-мышечное окончание, д — мышечные волокна, иннервируемые данной нервной клеткой, е — мышечные волокна, иннервируемые другими нервными клетками
Сила и скорость сокращения мышцы увеличиваются также по мере активации (вовлечения) все большего количества двигательных единиц. При этом чем меньше размеры (а, следовательно, и сила) каждой из них, тем тоньше регулировка общего усилия.

Соотношение между скоростью сокращения мышцы и силой (нагрузкой). При изотоническом сокращении мышца укорачивается тем медленнее, чем больше нагрузка.

Ненагруженная мышца укорачивается с максимальной скоростью, зависящей от типа мышечных волокон. Например, портняжная мышца лягушки сокращается со скоростью всего лишь 0,2 м/с (примерно, 10 длин мышцы в 1с). Мышцы руки человека, которые гораздо длиннее, укорачиваются со скоростью 8 м/с. Быстро укорачиваясь, мышца развивает меньшую силу, чем при медленном укорочении или после предварительного растяжения. Этим объясняется тот общеизвестный факт, что быстрые движения возможны, если не требуется большая сила, т. е. когда мышцы не нагружены (свободно двигаются) и, наоборот, максимальная мышечная сила требует медленных движений, например, при передвигании крупных предметов или подъеме штанги. Большой вес можно поднять или столкнуть с места только очень медленно. Это вполне совместимо со способностью человека произвольно менять скорость мышечного сокращения.

Мощность мышцы равна произведению развиваемой ею силы на скорость укорочения. Например, максимальная мощность (200 Вт) мышцы нашей руки будет достигнута при скорости сокращения 2,5 м/с. Исследования показывают, что мощность выше при умеренных нагрузках и скоростях сокращения, чем в экстремальных условиях.
Развитие силы и ее измерение
Сила — это способность человека преодолевать внешнее сопротивление или противодействовать ему за счет мышечных усилий. Под силой мышц подразумевают способность развивать в них (при максимальном усилии) напряжение той или иной величины. Силу мышц измеряют с помощью различных приборов (динамометры и др.). А. Беком определена «удельная сила мышцы» (табл. 14.1).

Для сравнения силы у людей разного веса и пола введено понятие «относительная сила» (отношение максимальной силы к весу).

Таблица 14.1

Удельная сила различных мышц

Наименование	Сила мышцы (кг) на 1 см2 физиологического поперечника
Икроножная с камбаловидной	6,24
Разгибатели шеи	9,0
Жевательная	10,0
Двуглавая мышца плеча	11,4
Трехглавая мышца плеча	16,8

Сила мышц зависит от многих факторов. При прочих равных условиях она пропорциональна поперечному сечению мышц (принцип Вебера). Максимально возможное ее сокращение (укорочение) при прочих равных условиях пропорционально длине мышечных волокон (принцип Бернулли).

В зависимости от вида спорта, спортсмены отдают предпочтение развитию тех мышечных групп, от которых в значительной мере зависит эффективность выполнения упражнений.

Например, у тяжелоатлетов высокий уровень развития силы мышц-сгибателей. У квалифицированных тяжелоатлетов отношение силы мышц-разгибателей к силе мышц-сгибателей выражается следующими величинами: для плеча (локтевой сустав) — 1,6: 1, туловища (тазобедренный и поясничный суставы) — 4,3 : 1, голени (голеностопный сустав) — 5,4 : 1, бедра (коленный сустав) — 4,3 : 1. Именно в этом заключается своеобразие топографии и гармонии развития атлетов.

В тяжелой атлетике силу мышц измеряют в позах, которые спортсмены принимают при подъеме штанги.

Наиболее значительные усилия атлеты затрачивают в фазе подрыва, когда углы в коленных суставах равны 130—140°, а в тазобедренных — около 60—70° и гриф штанги находится у середины бедра. В данном положении спортсмены способны развивать усилие до 500 кг и более (А.Н. Воробьев, 1988).

В спортивной физиологии и педагогике широко распространен термин «взрывная сила», характеризующий предельную быстроту развития напряжения мышц.

Взрывную силу мышц рассчитывают по следующей формуле:

где I — скоростно-силовой индекс; F_max— максимальное значение силы мышцы в данном движении; t — время достижения максимальной силы мышц.

Косвенным показателем взрывной силы может служить высота и длина прыжка с места при отталкивании двумя ногами.
Методика развития (тренировка) силы мышц
Сила мышц снижается после продолжительной интенсивной мышечной работы, на нее влияет характер выполняемой работы, уровень тренированности мышц.

Развитие силы мышц достигается при тренировке с применением различных режимов работы мышц.

До 50-х годов для развития силы мышц в методике тренировок рассматривались частота занятий, интервалы отдыха, количество упражнений со штангой и их последовательность.

Современная спортивная методика тренировок наряду с преодолевающим режимом мышечной работы предусматривает удерживающий, уступающий, а также смешанный режим.

Миометрический метод (работа в преодолевающем режиме двигательной деятельности) представляет собой работу мышц в миометрическом режиме, т. е. их напряжение в режиме укорочения.

Изометрический метод получил широкое распространение для развития силы. Для увеличения силы мышц и их массы Т. Хеттингел (1966) считает оптимальной величину усилия, равную 40— 50% от максимума. При усилии, равном 20—30% от максимума, сила мышц не изменяется.

В практике спорта применяется напряжение 55—100% от максимума в течение 5—10 с. С увеличением напряжения уменьшается время удержания позы.

Необходимо учитывать индивидуальные особенности штангиста, а именно: количество подходов, времени, в течение которого упражняемая мышца должна напрягаться; величину напряжения в тренировке; количество тренировок в неделю для развития силы.

В спорте для развития силы часто используют метод комбинированного режима. Полученные данные говорят о высокой эффективности тренировки при сочетании уступающего, удерживающего (изометрического) и преодолевающего режимов мышечной деятельности. В процентном отношении тренировки выглядели следующим образом: 75% — преодолевающая работа, 15% — уступающая и 10% — удерживающая (А.Н. Воробьев, 1988). Построение тренировок выглядит следующим образом: 1) упражнения в уступающем режиме работы мышц должны применяться с весом 80— 120% от максимального результата в аналогичных упражнениях в преодолевающем режиме; 2) при работе с весом 80—100% от максимума упражнения следует выполнять 1—2 раза по 6—8 с, а с весом 100—120% — 1 раз в подходе; длительность опускания снаряда — 4—6 с; 3) интервалы отдыха между подходами должны быть 3—4 мин.

Упражнения в уступающем и удерживающем режимах целесообразно выполнять в конце тренировки.

Для развития силы мышц используется и статико-динамический метод. Подняв штангу до уровня колен, штангист удерживает ее в этом положении в течение 5—6 с, затем продолжают тягу; точно так же выполняются и приседания.

Все виды приседаний связаны с уступающей работой. На приседания тяжелоатлеты отводят около 10—25% всей тренировочной нагрузки. Обычно уступающую работу высококвалифицированные тяжелоатлеты выполняют с весом 110—120% от лучшего результата при преодолевающей работе, но не чаще одного раза в 7—10 дней.

Помимо описанных, существуют нетрадиционные методы развития силы. А.Н. Воробьевым разработан метод принудительного растяжения мышц. В регуляции напряжения мышц следует придерживаться такого правила: чем интенсивнее растяжение, тем меньше должно быть время воздействия. При очень сильных растяжениях достаточно 30 с. В системе тренировок каждый атлет должен применять упражнения с принудительным растяжением мышц; они наиболее целесообразны после серии подходов в каком-либо упражнении. Регулярное включение в тренировки принудительного растяжения «рабочих» мышц ведет к большому увеличению силы мышц.

Таким образом, принудительное растяжение мышц может служить одним из эффективных методов повышения работоспособности.

«Безнагрузочный» метод развития силы мышц был разработан А.Н. Анохиным (1909). Он заключается в «волевом» согласованном напряжении мышц-антагонистов без внешней нагрузки. Рекомендуется пятнадцать простых упражнений, при которых «волевым» напряжением развивается сила мышц.

«Безнагрузочный» метод развития силы мышц можно применять во время утренней зарядки.

Влияние различных факторов на проявление силы мышц. Сила сокращения мышц зависит от многих причин, в частности, от анатомического строения мышц (перистые, веретенообразные и мышцы с параллельными продольными волокнами); возбудимости ЦНС; гуморальных механизмов; оксигенации тканей и т. д.

При динамической работе максимальной интенсивности организм обеспечивается кислородом всего лишь на 10%.

Мышечная работа существенно изменяет гормональный фон. Так, после средней и тяжелой тренировки содержание норадреналина в крови может увеличиться в два раза, значительно возрастает содержание гормона роста. Уровень кортизола повышается только после тяжелых тренировок, тогда как содержание инсулина уменьшается.

На работоспособность существенно влияют глюкокортикоиды и андрогены.

Взаимосвязь силы мышц и ее массы. Известно, что чем больше мышечная масса, тем больше сила. Эту зависимость можно выразить формулой: F = а • Р • 2/3, где F — сила; а — некоторая постоянная величина, характеризующая физическую подготовленность атлета; Р — вес атлета.

У ведущих тяжелоатлетов мышечная масса составляет 55— 57% веса тела (А.Н. Воробьев, Э.И. Воробьева, 1975—1979).

Значение положения тела при выполнении силовых упражнений. Сила, которую может проявить человек, зависит от положения его тела. Для каждого движения существуют такие положения тела, в которых проявляются наибольшие и наименьшие величины силы (рис. 14.8). Например, во время сгибания в локтевом суставе максимум силы достигается при угле 90°; при разгибании в локтевом и коленном суставах оптимальный угол около 120°; при измерении становой силы максимальные показатели проявляются, когда угол около 155°, и т. п.

Возникает вопрос: какие положения надо выбирать при выполнении силовых упражнений? Нередко используют положения, когда собственная сила активных мышц максимальна, т. е. когда мышцы напрягаются в растянутом состоянии. Вследствие усиления потока проприоцептивных импульсов такое положение тела вызовет увеличение рефлекторной стимуляции и тем усилит воздействие упражнений.





Рис. 14.8. Зависимость силовых показателей от суставных углов (по Уильямсу и Штуцману, 1959).

Сплошная линия — данные мужчин; пунктирная — данные женщин. По горизонтали — суставной угол; по вертикали — сила (в фунтах)

Энергетика мышцы. Энергия мышечного сокращения. Во время активации мышцы повышение внутриклеточной концентрации Са ведет к сокращению и к усиленному расщеплению АТФ; при этом интенсивность метаболизма мышцы возрастает в 100— 1000 раз. Согласно первому закону термодинамики (закону сохранения энергии), химическая энергия, высвобождаемая в мышце, должна быть равна сумме механической энергии (мышечной работы) и теплообразования.

Даже изометрическое сокращение сопровождается непрерывной циклической активностью поперечных миозиновых мостиков и «внутренняя» работа, связанная с расщеплением АТФ и теплообразованием при этом значительна. Недаром даже такая «пассивная деятельность», как стойка «смирно», утомительна. Когда мышца поднимает груз, совершая «внешнюю» работу, расщепляется дополнительное количество АТФ. При этом усилие интенсивности метаболизма пропорционально выполняемой работе (эффект Фенна).

Обычно первоисточником энергии для мышечного сокращения служит гликоген или жирные кислоты. В процессе расщепления этих субстратов вырабатывается АТФ, гидролиз которого доставляет энергию непосредственно для самого сокращения: АТФ → АДФ + Ф_н + энергия.

Мышцы, сокращаясь, превращают весьма значительную часть(1/4—1/3) химической энергии в механическую работу, выделяя при этом теплоту; это — один из главных источников образования ее в организме.

Гидролиз одного моля АТФ дает примерно 48 кДж энергии. Однако лишь около 40—50% ее превращается в механическую энергию работы, а остальные 50—60% рассеиваются в виде тепла при запуске (начальная теплота) и во время сокращения мышцы, температура которой при этом несколько повышается. Таким образом, КПД элементарного преобразования АТФ в миофибриллах составляет примерно 40—50%. Однако в естественных условиях механический КПД мышц обычно гораздо ниже — около 20—30%, так как во время сокращения и после него процессы, требующие затрат энергии, идут и вне миофибрилл. Эти процессы, например, работа ионных насосов и окислительная регенерация АТФ, сопровождаются значительным теплообразованием (теплота восстановления). Чем больше совершенная работа, тем больше образуется тепла и расходуется энергоресурсов (углеводов, жиров) "и кислорода.

Такая закономерность, кстати, объясняет усталость, усиленное потоотделение и одышку при подъеме в гору, но не при спуске.

Мышцы способны производить механическую работу, обеспечивая перемещение человека, движение воздуха в дыхательных путях, движение крови и многие другие жизненно важные процессы.

Коэффициент полезного действия (КПД) мышцы. Когда мышцы совершают работу, в них освобождается химическая энергия, накопленная в процессе метаболизма; она частично превращается в механическую работу, а частично теряется в виде тепла.

S. Dickinson (1929) измеряла КПД превращения химической энергии в механическую работу у спортсмена, работающего на так называемом велоэргометре, где человек приводит во вращение колесо, нажимая ногами на педали. Через колесо переброшен матерчатый привод, который действует как тормоз. К одному концу этого привода подвешен груз, а другой конец прикреплен к пружинным весам (рис. 14.9). Если груз имеет массу m, то он будет тянуть привод с силой mg. На другой конец привода действует меньшая сила F, измеряемая пружинными весами. Таким образом, сила трения тормоза, приложенная к ободу колеса, равна mgF. Если колесо имеет радиус r и совершает n оборотов в единицу времени, то скорость движения его обода составляет 2πrn. Мощность, необходимая для того, чтобы вращать колесо с такой скоростью, преодолевая силу трения, равна 2πrn·(mg — F), и ее можно вычислить. Хотя описанная работа может показаться бессмысленной, эта мощность служит мерой «полезной работы» в том смысле, в каком это понятие входит в определение КПД.



Рис. 14.9. Принцип действия велоэргометра

С помощью велоэргометра можно измерять КПД мускулатуры ног, а также и максимальную мощность, которую она способна развить.

D.A. Parry (1949) показал, что мощность мускулатуры ног достигает 40 Вт на 1 кг мышечной ткани. На таком уровне она может оставаться лишь короткое время, так как мышцы не могут получать кислород с необходимой для этого скоростью.

Затрату химической энергии в единицу времени можно измерить косвенным путем, собирая выдыхаемый воздух испытуемого и исследуя его. На каждый мл О₂, использованного в процессе дыхания, освобождается около 5 кал химической энергии. Более точно эту величину можно определить, если известно относительное содержание жиров и углеводов в пище, но скорость освобождения химической энергии можно вычислить вполне точно, если определять содержание в выдыхаемом воздухе не только кислорода, но и углекислоты.

S. Dickinson измеряла у испытуемых использование химической энергии в покое и во время работы на велоэргометре. Разность между этими величинами в каждом случае показывала, какое количество химической энергии расходовалось в единицу времени на создание механической мощности, необходимой для вращения колеса. Она нашла, что КПД варьирует в зависимости от скорости вращения педалей (рис. 14.10) и достигает максимальной величины — 22% — при нажимании ногой на педаль через каждые 0,9 с (т. е. при одном обороте педалей за 1,8 с).



Рис. 14.10. Превращение химической энергии в механическую работу у человека, приводящего в движение велоэргометр, на протяжении полуоборота

педалей (S. Dickinson, 1929). Прерывистая линия — теоретическая кривая (в тексте не упоминается)
Физическая работоспособность. Сокращаясь и напрягаясь мышца производит механическую работу, которая в простейшем случае (варианте) может быть определена по формуле А = РН, где А — механическая работа (кгм), Р — вес груза (кг), Н — высота подъема груза (м).

Таким образом, работа мышц измеряется произведением величины веса поднятого груза на величину укорочения мышцы. Из формулы легко вывести так называемое правило средних нагрузок, согласно которому максимальная работа может быть произведена при средних нагрузках. Действительно, если Р = 0, т. е. мышца сокращается без нагрузки, то и А = 0. При H = 0, что можно наблюдать, когда мышца не способна поднять слишком тяжелый груз, работа также будет равна 0.

Движения человека весьма разнообразны. В процессе этих движений мышцы, сокращаясь, совершают работу, которая сопровождается как их укорочением, так и их изометрическим напряжением. В этой связи различают динамическую и статическую работу мышц. Динамическая работа связана с мышечной работой, в процессе которой сокращения мышц всегда сочетаются с их укорочением. Статическая работа связана с напряжением мышц без их укорочения. В обычных условиях мышцы человека никогда не совершают динамическую или статическую работу в строго изолированном виде. Работа мышц всегда является смешанной. Тем не менее, в локомоциях может преобладать либо динамический, либо статический характер мышечной работы. Поэтому характеризуя мышечную деятельность в целом, говорят о ее статическом или динамическом характере. Бег, игры, плавание являются динамической работой, а удерживание на весу штанги, гири или гантелей — статическая работа.

Величина механической работы, совершаемой сокращающейся мышцей выражается в килограммометрах (кг/м), как произведение веса груза, поднимаемого мускулом, на высоту поднятия. Сила, проявляемая мышцей, зависит от числа составляющих ее мускульных волокон.

Длина мышечного брюшка обусловливает высоту поднятия груза; в среднем, мускулы при полном сокращении укорачиваются приблизительно на половину своей длины (длина сухожилия, разумеется, не изменяется — оно только передает движение на определенный пункт).

Найдено, что наибольший груз, который в состоянии удерживать мускул с поперечником в 1 см², в среднем равняется 10 кг —так называемая абсолютная мышечная сила. Зная это, не трудно определить силу той или другой мышцы⁴.

Конечно, вычисленная таким путем величина лишь в большей или меньшей степени приближается к истинной, так как не у всех людей и даже не у всех мускулов одного и того же субъекта мышечная сила одинакова.

Развитие быстроты. Под быстротой понимаются двигательные действия, выполняемые в минимальный отрезок времени.

Быстрота зависит от скорости мышечного сокращения, мощности мобилизации химической энергии в мышечном волокне и в превращении ее в механическую энергию сокращения.

Наибольший эффект в развитии быстроты можно достичь в возрасте от 8 до 15—16 лет.

Быстрота развивается при повторном выполнении скоростных упражнений. Выполнение скоростной работы с сокращенными интервалами отдыха ведет к развитию скоростной выносливости.

Биохимические процессы, происходящие в мышцах при скоростных и силовых нагрузках, очень похожи, поэтому развитие быстроты положительно влияет на развитие силы.

Быстрота развивается с помощью упражнений, выполняемых в максимально быстром темпе. К таким упражнениям можно отнести:

1) бег на короткие дистанции (20—30—50 м);

2) прыжки в длину, высоту, прыжки с места, прыжки-подскоки на ровном месте и в гору, прыжки на тумбу, на гимнастического козла и т. д.

3) метание;

4) быстро выполняемые упражнения с блином (от штанги), с грифом или со штангой, имеющей небольшой вес;

5) «боксирование» с гантелями в руках в течение 5—10 с. Тренироваться надо чаще, повторять нагрузку при полном восстановлении скоростных качеств.

Развитие ловкости. Ловкость — это способность быстро овладевать новыми движениями и перестраивать двигательную деятельность в соответствии с требованиями внезапно меняющейся обстановки. Критериями ловкости служат координация и точность движений.

Для развития ловкости используют спортивные игры, элементы акробатики и спортивной гимнастики, борьбу и т. д.

Развитие ловкости связано с возрастом, полом, телосложением и т. д.

Развитие выносливости. Выносливость — способность человека выполнять работу длительное время без снижения работоспособности.

Основным фактором, лимитирующим продолжение работы, является утомление. Раннее наступление утомления свидетельствует о недостаточном уровне развития выносливости. Более позднее наступление утомления — следствие повышения уровня развития выносливости. Степень выносливости у спортсменов определяется по физиологическим показателям: кардиореспираторная система, биохимические показатели и т. д.

Выносливость можно рассматривать как способность преодолевать утомление, ее следует считать основным фактором, определяющим развитие выносливости. Только работа до утомления (до «не могу») и преодоление наступающего утомления способствует повышению выносливости организма.

Выносливость лучше вырабатывается, если работа выполняется в среднем темпе.

Различают общую и специальную выносливость. Общая выносливость приобретается при разносторонней физической подготовке, но обязательно должны включаться тренировки (бег по пересеченной местности, ходьба на лыжах, академическая гребля и т. д.).

Выносливость имеет специфические особенности в том или ином виде спорта. Например, легкоатлеты-стайеры (или лыжники-гонщики) обладают значительно большей выносливостью в беге на длинные дистанции, чем тяжелоатлеты (или борцы); в то же время легкоатлеты в подъеме тяжестей менее выносливы, чем тяжелоатлеты. Мышечная деятельность у легкоатлетов-стайеров происходит в аэробном режиме, а у тяжелоатлетов — в близких к анаэробным условиям. Исследования показывают, что работа на выносливость (например, бег на длинные дистанции, кросс и пр.) отрицательно сказывается на развитии силы, и наоборот, тренировки «на силу» (подъем штанги, гирь и др.) отрицательно сказываются на развитии выносливости у бегунов-стайеров.

Специальная выносливость в разных видах спорта вырабатывается различными способами (методами). Например, специальная выносливость тяжелоатлета развивается за счет увеличения количества подъемов штанги на тренировке.

Выносливость возрастает под влиянием регулярных тренировок в большей мере, чем сила и особенно быстрота.

Развитие гибкости. Гибкость, или подвижность в суставах — важный компонент физической подготовленности во многих видах спорта и особенно в спортивной гимнастике, акробатике и других видах спорта. Гибкость определяют как способность человека выполнять движения с большей или меньшей по величине предельной амплитудой (рис. 14.11).

Плохая подвижность в суставах во многих случаях затрудняет сильное, быстрое сокращение мускулатуры. Если доступна большая амплитуда движений, значит мышцы-антагонисты легко растягиваются и оказывают меньшее сопротивление мощным агонистам, сокращение которых обеспечивает выполнение упражнения. Развитие гибкости, как и других физических качеств, имеет свои особенности в соответствии с требованиями вида спорта, возраста, пола и телосложения.

На рис. 14.12 показаны амплитуды движений в различных суставах.

В каждом виде спорта для развития гибкости спортсмен регулярно выполняет комплекс специальных упражнений.

Отмечено, что с ростом мышечной силы значительно уменьшается подвижность в суставах.

У молодых атлетов обычно более высокие показатели гибкости. С возрастом гибкость снижается, особенно у тяжелоатлетов, в связи с сильнейшей компрессионной нагрузкой на позвоночник.


Рис. 14.11. Гибкость, подвижность в суставах





Рис. 14.12. Амплитуды движений в суставах: а — верхней конечности; б — нижней



Кроме того, на гибкость оказывает существенное влияние генетическая (наследственная) предрасположенность к гибкости, к ее развитию. Не у всех можно развить гибкость. В этой связи при отборе в спортивные секции (гимнастика, акробатика и др.), и в балет используют тест на гибкость. Не всегда удается развить гибкость, а при силовом варианте ее развития возникают различные заболевания суставов.