Биомеханические свойства мышц

Сократимость – это способность мышцы укорачиваться при возбуждении, в результате чего возникает сила тяги. Свойство сократимости принадлежит собственно сократительным (контрактильным) элементам мышцы. Первичным сократительным элементом мышечной ткани является саркомер. Релаксация (расслабление) – свойство мышцы, проявляющееся в уменьшении с течением времени силы тяги при постоянной длине мышцы. Пример: перед выпрыгиванием вверх мы приседаем. Этим мы предварительно растягиваем мышцы (ягодичные, четырехглавую бедра, трехглавую голени), которые будут выполнять рабочую функцию в фазу отталкивания. Чем продолжительней пауза между приседанием и отталкиванием, тем больше релаксируются растянутые мышцы. С увеличением паузы сила тяги этих мышц будет уменьшаться, следовательно, будет уменьшаться и высота выпрыгивания, из-за рассеивания энергии упругой деформации, накопленной в фазе приседания. Вязкость определяется наличием внутреннего трения всократительном компоненте мышцы. Это свойство вызывает потери энергии мышечного сокращения, идущие на преодоление вязкого трения, обусловленного силами внутреннего взаимодействия между актино-миозиновыми нитями саркомера. В диапазоне укорочения мышцы потери на преодоление сил внутреннего трения больше, чем в диапазоне ее растягивания.

Мембрана Z Мембрана М Мембрана Z Рис. 2. Строение саркомера Саркомер состоит из тонких белковых нитей актина и толстых белковых нитей миозина. Темные нити миозина пересекаются посередине мышц мембраной, светлые полосы тоже разделены промежуточной Z мембраной. Повторяющийся период от Z, до Z мембраны называется саркомером. Тонкие актиновые нити расположены с обеих сторон наподобие гребенки между толстыми миозиновыми нитями.

При возбуждении мышц тонкие нити актина вдвигаются с обеих сторон между толстыми нитями миозина. Происходит сокращение мышцы, уменьшение ее длины. Поскольку каждая миофибрилла состоит из большего числа (п) последовательно расположенных саркомеров, то величина и скорость изменения длины мышцы в п раз больше, чем у одного саркомера. Сила тяги, развиваемая миофибриллой, состоящей из п последовательно расположенных саркомеров, равна силе тяги одного саркомера. При параллельном расположении n саркомеров мы получим п кратное увеличение силы тяги, но, скорость сокращения всей мышцы будет такой же, как и у одного саркомера.

Сила тяги сократительных компонентов мышцы зависит от длины мышцы (рис. 3). Сила тяги максимальная при так называемой длине покоя мышцы, когда имеет место наибольшее перекрытие актиномиозиновых мостиков. При растяжении или активном укорочении мышцы перекрытия актиномиозиновых мостиков уменьшаются и уменьшается сила тяги сократительного компонента. В сократительном компоненте мышцы под влиянием нервного импульса происходит превращение химической энергии энергетически богатых структур в механическую энергию мышечного сокращения и теплоту (это уже потери подводимой энергии). Таким образом, работа сократительного компонента происходит с поглощением энергии от организма.

Упругость – это способность восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Носителями упругих свойств мышцы являются соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышечного волокна, сухожилия мышц, места перехода миофибрилл в соединительную ткань. При растягивании упругих компонентов мышцы возникают упругие силы. Кроме того, миофибриллы способны накапливаеть (аккумулировать) энергию упругой деформации. После снятия деформирующих нагрузок мышцы отдают эту накопленную энергию на совершение механической работы по перемещению биокинематических звеньев. Эта работа упругих сил производится без потребления запасов химической энергии организмом, то есть она "бесплатна" для организма. Жесткость материала или конструкции – это способность противодействовать прикладываемым силам. Чем больше жесткость, тем большую силу нужно приложить к упругому телу, чтобы растянуть его на заданную величину. Жесткость линейной (идеальной) упругой системы есть величина постоянная на всем участке деформации. Мышца – это нелинейное упругое образование. Упругие силы в мышце по мере растяжения растут нелинейно (рис. 4, кривая 2).

Зависимость упругой силы Р от величины деформации Δl для линейной (1) и нелинейной (2) упругих систем Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы (в пересчете на 1 мм 2 ее поперечного сечения), составляет от 0,1 до 0,3 Н/мм. Предел прочности сухожилия составляет около 50 Н/мм 2, а фасций – около 14 Н/мм 2.