Określanie wartości sił zewnętrznych i wewnętrznych działających na człowieka.

Właściwości mechaniczne mięśnia szkieletowego.

1. Określanie wartości sił zewnętrznych i wewnętrznych działających na człowieka.

Na ciało człowieka działają dwa rodzaje sił, podział tych sił jest względny.

Wewnętrznymi siłami działającymi są siły generowane przez mięśnie (wykonywanie pracy mechanicznej), które stanowią czynną część układu ruchu człowieka oraz wywołane przez nie opory (np. opór ten stanowią więzadła, torebki stawowe, skóra, mięśnie antagonistyczne, bezwładność poruszanego segmentu).

Siłami zewnętrznymi są wszystkie siły działające na zewnątrz ciała człowieka, siła grawitacji, prąd wody, wiatr, reakcja podłoża, ciężarek, jak i również jakaś osoba będąca np. naszym partnerem w ćwiczeniach.

Z punktu widzenia mechaniki kości połączone ruchomo w stawach są dźwigniami, dzięki którym siła wyzwalana przez mięśnie jest przenoszona na obiekty zewnętrzne. Staw stanowi punkt podparcia dźwigni. Mięśnie są siłownikami. Do kości przyłożonych jest wiele sił a efektem ich działania jest ruch, w działaniu tych sił można wyodrębnić dwie przeciw- działające grupy - każda z grup stara się odwrócić dźwignię w przeciwnym kierunku. Do tej dźwigni w określonym miejscu przyłożona jest siła mięśnia, której położenie względem dźwigni wyznacza ramię siły. Siła jest wielkością wektorową, a więc trzeba określić jej punkt przyłożenia, kierunek, zwrot i wartość. Iloczynem wektorowym ramienia siły ( r ) i siły (F) jest moment siły ( M). przyłożony do dźwigni kostnej wypadkowy wektor siły mięśnia jest skierowany wzdłuż ścięgna, ponieważ to ścięgno przenosi siłę mięśnia na dźwignię kostną. Kierunek przebiegu ścięgna nie zawsze pokrywa się z położeniem brzuśca mięśniowego i osi długiej mięśnia. Np. wektor siły mięśnia czworogłowego uda, przyłożonego do kości piszczelowej i skierowanego wzdłuż więzadła rzepki - końcowego ścięgna mięśnia, nie pokrywa się z przebiegiem włókien mięśnia.

Na tę dźwignię działa wiele innych mięśni ( które są siłami wewnętrznymi) oraz momenty sił zewnętrznych . Ruch całej dźwigni, jej kierunek i prędkość jest efektem działania wspomnianych momentów sił. Jeżeli siły mięśniowe i siły oporu są sobie równe, żadna z grup nie uzyskuje przewagi i część ciała jako dźwignia pozostaje w równowadze, dochodzi do równowagi momentów sił mięśniowych i momentów sił zewnętrznych, ciało pozostaje w stanie równowagi. Stan równowagi występuje również w postawie stojącej, czy niektórych innych pozycjach, które są stabilizowane przez jakiś segment ciała poprzez utworzenie sztywnego punktu podparcia, dającego możliwość wykonania ruchu przez inny segment.

Dla zapoczątkowania ruchu niezbędne jest, aby jeden z momentów był większy od drugiego.

Wartość siły mięśni można ocenić za pomocą dwóch metod.

Metodami pośrednimi, oceniając wielkość i zmiany momentów sił mięśniowych na podstawie wyników testów ruchowych przeprowadzanych na badanych. Istnieje wiele testów oceny siły mięśniowej, badających poszczególne grupy mięśniowe (np. liczba podciągnięć w zwisie, liczba unoszeń w podporze, liczba przysiadów w określonym czasie, liczba siadów z leżenia w określonym czasie itd.).

Metody bezpośrednie sprowadzają się do pomiaru momentów sił mięśniowych przeprowadzanych w warunkach statyki (praca izometryczna mięśni). Dzieje się tak dlatego, że siła mięśni w czystej postaci jest niedostępna badaniu. Nie pozwala na to brak możliwości pomiaru na żywym osobniku wielkości ramienia siły mięśniowej, kąta pod jakim mięsień przyczepia się do kości, kierunku działania siły mięśnia. Wyniki wyraża się w jednostkach bezwzględnych, tj. niutonach - N(siła).

Wobec tego w układzie par biokinetycznych( które tworzą dwa człony, czyli elementy, które nie zmieniają swoich wymiarów geometrycznych pod wpływem siły) pomiar „bezpośredni” siły mięśniowej polega na pomiarze momentu siły na zasadzie zrównoważenia momentów siły mięśni (nieznanych) poprzez momenty oporu (znane).

Warunkiem niezbędnym przeprowadzenia pomiaru jest zapewnienie równowagi pomiędzy momentami sił zewnętrznych - oporu (
) i mięśniowych (
).

Ponieważ nie możemy zmierzyć ani siły mięśniowej (F) ani jej ramienia (r) zatem o wielkości momentu siły mięśniowej wnioskujemy na podstawie momentu siły zewnętrznej (
), ponieważ zarówno wielkość siły oporu (R) jak też jej ramię możemy nie tylko zmierzyć, ale również ustalić. Wolno nam to uczynić jedynie pod warunkiem zachowania statyki, co pozwala nam na utożsamienie wartości obu momentów (I zasada dynamiki Newtona).

Czynność mięśnia jest zależna od relacji między siłą przez niego wyzwoloną a siłą zewnętrzną.

Często zdarza się, że siły mięśni i siły oporu przyłożone są do kości pod różnymi kątami i w różnej odległości od osi stawu. Ramię siły największe jest wtedy, gdy kąt przyłożenia siły wynosi 90°. Wtedy ramię siły i ramię dźwigni pokrywają się. W przypadku przyłożenia siły pod kątem ostrym bądź rozwartym, ramię siły jest mniejsze od ramienia dźwigni, co oznacza, że moment siły się zmniejsza. Moment siły zewnętrznej, związany jest z masą ciała i ma swój punkt przyłożenia do samego segmentu ciała, czyli do jego środka ciężkości.

Siła mięśniowa przejawia się w ścisłej zależności od innych sił przyłożonych do danych części ciała jako dźwigni:

• w przypadku, kiedy moment siły mięśnia jest większy od przeciwstawiających mu się sił zewnętrznych, mięsień wykonuje pracę koncentryczną (pokonującą). Mięsień pracuje w zakresie wewnętrznym skracając się;

• gdy moment sił oporu (zewnętrznych) jest większy niż moment siły mięśnia, dana część ciała porusza się w stronę przeciwną, zaś mięsień rozciągając się wykonuje pracę ekscentryczną (ustępującą);

• wreszcie, gdy moment sił mięśniowych i zewnętrznych równoważą się wzajemnie, miesień nie zmienia długości, a pracę wykonywaną w takich warunkach nazywamy utrzymującą (statyczną)

Wszystkie mięśnie nie przejawiają swojej siły w izolowanych stawach, ale w całych łańcuchach kinematycznych ( stanowią go przynajmniej 3 człony). Działanie zespołowe może wywołać nowe ruchy, które pozornie nie mają nic wspólnego z pracą danego mięśnia. Do takich sił należą siła ciężkości oraz napięcia mięśni antagonistycznych. Dzięki tym siłom mięśnie jednostawowe mogą przejawiać przekazujące działanie, wywołując pośrednio ruch w oddalonych stawach.

Więc w wyniku działania mięśni dwustawowych np. w wyniku aktywnej pracy zginaczy stawu biodrowego powstają towarzyszące ruchy w stawach kolanowym i skokowym. W ruchach towarzyszących długość mięśni dwustawowych wywołujących te ruchy zmienia się w bardzo niewielkim stopniu.

Istotnym składnikiem biernej siły mięśniowej jest powiązanie z własnościami fizycznymi mięśni. Do odkształcenia mięśnia, jego np. rozciągnięcia konieczne jest użycie pewnej siły. Po ustąpieniu działania tej siły mięsień powróci do pierwotnego stanu długości ( dla mięśnia nie pobudzonego będzie to długość spoczynkowa). Oznacza to, że tego rodzaju odkształcenia mięśni mają charakter odkształcenia sprężystego.

Gdy pobudzony mięsień jest rozciągany bezpośrednio przed skurczem, to wykona on większą pracę mechaniczną w fazie skracania, niż gdyby skracanie rozpoczynał z pozycji statycznej. Ta zwiększona praca mięśnia związana jest ze sprężystością tkanek, następujące w cyklu rozciągnięcie-skurcz. Wykorzystywana jest zdolność mięśnia do gromadzenia i odzyskiwania energii sprężystości, która jest dodawana do energii skurczu. Łącznie efekt zwiększonej pracy w czasie skurczu przypisuje się następującym mechanizmom:

1. Uwolnieniu dodatkowej energii, czyli wspomnianej energii sprężystości

2. Pobudzeniu wrzecionek mięśniowych, stanowiących receptory czułe na rozciąganie

Przykładem może być np. skok pionowo w górę z miejsca. Skok ten można wykonać na dwa sposoby:

Z półprzysiadu, akcentując silne odbicie od podłoża ruchem w górę lub wykonać skok z pozycji obniżonej w formie „zamachu” odbić się w górę.

W chwili rozpoczęcia obu skoków wartość początkowa Siły będzie równa. W skoku z półprzysiadu zaczyna się od wartości równej ciężarowi ciała, w skoku z zamachem siła początkowa będzie większa. Zatem różnica popędu siły jest na korzyść skoku z zamachem i skok ten będzie wyższy. W skoku z zamachem ma zastosowanie działanie mięśni w cyklu rozciągnięcie- skurcz. W skoku z półprzysiadu mięśnie zadziałały koncentryczne (najpierw nastąpił ich skurcz) z pewnego stanu ich długości. W odbiciu z zamachem przed skurczem nastąpiło ich gwałtowne rozciągnięcie, co oznacza zadziałanie cyklu rozciągnięcie-skurcz, co w efekcie zapewnia większą siłę początkową.

Poznanie struktury ruchów ciała ludzkiego i wywieranych na ten ruch sił , pozwala na ich optymalizację w trakcie np. ćwiczeń fizjoterapeutycznych.

2. Właściwości mechaniczne mięśnia szkieletowego.

Mięśnie stanowią czynną część układu ruchu człowieka. Mięśnie szkieletowe charakteryzują się poprzecznym prążkowaniem, ich działanie jest zależne od woli człowieka.

Pracujące mięśnie przetwarzają energię chemiczną w mechaniczną i ciepło. Mają zdolność wytwarzania energii mechanicznej, oraz stanowią swego rodzaju napędy w stosunku do układu szkieletowego. Każdy mięsień zbudowany jest ze ścięgien, czyli przyczepów początkowych i końcowych, oraz z brzuśca (lub kilku brzuśców). Ze względu na przebieg włókien mięśniowych wyróżnia się mięśnie: pierzaste, półpierzaste, wrzecionowate i płaskie: z uwagi na ilość brzuśców (głów) mówi się o mięśniach jedno-, dwu-, lub wielobrzuścowych.

Jednostką funkcjonalną mięśnia z punktu widzenia biomechaniki jest akton mięśniowy. Jest to część, całość lub zespół mięśni o jednakowym lub bardzo zbliżonym przebiegu włókien co w efekcie daje mu możliwość wykonywania samodzielnej jednakowej funkcji względem osi stawu, nad którym przebiega. Zwykle posiada swoją nazwę - np. część obojczykowa mięśnia naramiennego.

Jeżeli wiele mięśni wykonuje ten sam ruch, mówi się o zespole aktonów współpracujących (synergistycznych). Możliwa jest także sytuacja odwrotna, kiedy jeden mięsień posiada wiele głów wykonujących wiele funkcji (jak np. m naramienny), co daje wiele aktonów w jednym mięśniu.

Każdy akton może aktywnie działać tylko w jednym kierunku (w tym którym się kurczy). Wobec tego, każda para biokinematyczna (staw) o jednym stopniu swobody (kierunku ruchu) potrzebuje dwóch aktonów: jednego, który będzie zginał (przywodził, odwracał), oraz drugiego, rozwijającego przeciwny moment siły, który będzie prostował (odpowiednio), odwodził nawracał. Zatem , skoro w przybliżeniu określa się liczbę stopni swobody w połączeniach kostnych człowieka na 240 potrzebnych jest 480 aktonów do ich obsługiwania. Ponieważ aktony rozwijają zwykle więcej niż jedną funkcję, stąd ich suma jest o wiele większa.

Aktony można scharakteryzować pod względem wykonywanych przez nie funkcji oraz pod względem ilości stawów, w których rozwijają swoje funkcje.

Pierwsze kryterium- funkcji aktonu, która zależy od kierunku przebiegu włókien aktonu nad osią stawu - wyróżnia następujące ich rodzaje:

W obrębie kończyny:

- zginacze i prostowniki

- przywodziciele i odwodziciele

- nawracacze (pronatory) i odwracacze (supinatory)

W obrębie tułowia i głowy:

- skłaniające w przód (zginacze) i w tył (prostowniki)

- skłaniające w lewo i w prawo
- skręcające w lewo i w prawo

Drugie kryterium - liczby stawów w których akton może rozwijać swoje funkcje określone pojęciem: KLASY AKTONU pozwala na wyróżnienie następujących klas:

• Klasa1 - akton przebiega tylko nad jednym stawem (np. m. podkolanowy)

• Klasa2 - akton rozwija swoje funkcje w dwóch stawach - np. głowa długa m. czworogłowego uda)

• Klasa3 - akton przebiega nad co najmniej trzema stawami i w nich przejawia swoje funkcje - np. m. prostownik długi palców.

Liczba funkcji jakie może przejawiać akton zależy zarówno od ilości stawów nad którymi akton przebiega (np. głowa długa m. czworogłowego uda zgina staw biodrowy zaś prostuje staw kolanowy), jak też od kierunku przebiegu jego włókien nad osią stawu. Zazwyczaj mięśnie przebiegają skośnie w stosunku do osi stawu co daje im dodatkową funkcję, np. część przednia m. naramiennego może zginać ramię przywodzić je oraz nawracać, a w szczególnym przypadku wykonywać funkcję antagonistyczną tj. współdziałać w odwodzeniu ramienia powyżej poziomu.

Zgodnie z powyższym, mięśnie mogą być jedno-, dwu- lub wielofunkcyjne.

Funkcją antagonistyczną nazywamy funkcję przeciwną do głównej, rozwijaną przez akton w tym samym stawie, w specyficznych warunkach.

Każdy akton mięśniowy pracuje zgodnie z prawem wszystko albo nic, co oznacza, że kurczą się wszystkie jego włókna jednocześnie i wykonują wszystkie swoje funkcje.

Wyjątkiem są tutaj funkcje antagonistyczne aktonu.

Statyczne napięcie mięśni można podzielić na trzy podstawowe grupy:

• gdy mięśnie działają swoim momentem przeciwko momentowi siły ciężkości mówimy o sile utrzymującej - np. mieśnie antygrawitacyjne.

• Jeżeli siła ciężkości działa na staw pionowo wzdłuż osi ciała i mięśnie sią narażone na rozerwanie, to swoim napięciem wykonują one pracę WZMACNIAJĄCĄ - np. zwisy, zwisy podparte.

• W wielu przypadkach mięśnie posiadają napięcie oporowe, przeciwdziałające grupie antagonistycznej, taka praca nazywa się ustalającą, np. przyjęcie i utrzymanie statycznej pozycji gimnastycznej.

Za skurcze mięśni odpowiadają białka kurczliwe znajdujące się w każdym mięśniu ( miozyna i aktyna).

Wyróżniamy następujące rodzaje skurczu mięśnia:

• Skurcz pojedynczy - występuje, gdy w postaci fali depolaryzacyjnej dotrze do mięśnia impuls pojedynczy. U ssaków skurcz taki trwa 7 - 100 ms w zależności od rodzaju mięśnia i włókien. Powstawanie licznych skurczów pojedynczych wymaga, żeby odstępy pomiędzy pobudzającymi je impulsami były większe od czasu trwania pojedynczego skurczu.

• Skurcz tężcowy niezupełny - mamy z nim poczynienia, gdy w trakcie rozkurczania mięśnia dotrze do niego kolejny, wywołujący skurcz impuls a potem ponownie w fazie jego rozkurczu przesłany zostanie następny impuls elektryczny i tak dalej. Wymagane jest, aby seria tych impulsów działała z częstotliwością minimalnie większą niż maksymalny czas skurczu pojedynczego. Wtedy kolejne impulsy przypadają na fazę rozkurczu.

• Skurcz tężcowy zupełny - mamy z nim do czynienia, kiedy częstotliwość impulsów pobudzających uniemożliwia mięśniowi nawet częściowe rozkurczenie się. Pozostaje on wtedy w stanie stałego skurczu, którego wykres przypomina kształtem bardzo wydłużony skurcz pojedynczy.

Typy skurczu w zależności od sposobu zmiany lub nie położenia przyczepów mięśnia:

• Skurcz izotoniczny, - gdy jeden z przyczepów jest przymocowany a drugi nie ma żadnego mocowania, czyli mięsień niczego nie ciągnie. Stan napięcia pozostaje pomimo skurczu bez zmian.

• Skurcz izometryczny, - w którym długość mięśnia nie zmienia się, natomiast napięcie rośnie.

• Skurcz auksotoniczny, - w tym typie skurczu początkowo mięsień będzie angażował kolejne elementy kurczliwe, tak że napięcie będzie wzrastało pomimo braku zmiany długości. W momencie, gdy moc pozwoli na pokonanie ciężaru, do którego ten miesień jest przyczepiony zacznie się on skracać, pomimo że napięcie nie będzie już rosło. Ten typ skurczu najbardziej przypomina warunki naturalne.

Podział mięśni szkieletowych:

Wszystkie mięśnie poprzecznie prążkowane z racji swoich funkcji jakie kiedyś i obecnie pełnią możemy podzielić na 3 grupy:

• Mięśnie toniczne - inaczej nazywane posturalnymi zawierają dużo mioglobiny i sarkoplazmy, posiadają w przeważającej części włókna czerwone. Składają sie głównie z włókien wolno reagujących, które trudniej ulegają zmęczeniu. Mięśnie te mogą podlegać dużym i długim obciążeniom po których szybko wypoczywają. Mięśnie te wykazują tendencją do skracania, a w dalszej kolejności ulegają przykurczeniu.

• Mięsnie fazowe - inaczej zwane białymi zbudowane są w przeważającej części z włókien szybko reagujących. Posiadają one mało sarkoplazmy i mało mioglobiny. Mięśnie te biorą udział w szybkich dynamicznych ruchach. Męczą się szybciej oraz wolniej i dłużej wypoczywają niż mięśnie toniczne. W przypadku dysfunkcji narządu ruchu wykazują tendencje do rozciągnięcia, osłabienia a następnie ulegają zanikowi. Tonus spoczynkowy mięśni fazowych jest niższy niż mięśni tonicznych - posturalnych.

• Mięśnie mieszane - posiadają w zbliżonej ilości włókna o charakterze tonicznym jak i fazowym. U człowieka nie występują w czystej formie mięśnie toniczne lub fazowe, to jednak ze względu na swoją strukturę i funkcje określone grupy mięśniowe wykazują bardziej toniczny lub fazowy charakter działania. Topografia tych mięśni stawia je najczęściej w roli antagonistów. Ze stanem równowagi czynnościowej pomiędzy tymi dwoma grupami mięśniowymi mamy do czynienia tak długo dopóki mięśnie fazowe są w stanie przeciwdziałać tendencji do skracania swojej długości przez mięśnie toniczne.

Ważną właściwością mięśnia jest jego sprężystość. Wiąże się ona z budową mięśnia oraz własnościami fizycznymi tkanek stanowiących budulec, dotyczy to głównie takich elementów mięśnia, jak: tkanka ścięgnista, powięzie, ścięgna i włókna mięśniowe. Odkształcenie, np. wydłużenie mięśnia, wymaga użycia pewnej siły. Odkształcenie to będzie się utrzymywać dopóki mięsień będzie poddawany działaniu siły, lecz po jej usunięciu powróci on do poprzedniego stanu długości. Tak więc odkształcenie, które nie ma charakteru trwałego, nazywamy odkształceniem sprężystym. Takie własności sprężyste wykazują nie tylko mięśnie, ale również i inne tkanki, takie jak ścięgna czy więzadła. Na przykład ścięgno poddane działaniom sił może się wydłużyć o ok. 4% długości początkowej. Rozciągnięte elementy sprężyste magazynują pewny rodzaj energii, którą oddają, wracając do pozycji wyjściowej z chwilą ustania działania siły odkształcającej. Miarą ilościową własności sprężystych ciał jest sztywność. Jest to stosunek wartości przyczyny wywołującej odkształcenie (siła, moment siły) do ilościowej miary odkształcenia (wydłużenie, ugięcie). Im większa jest sztywność mięśnia, tym trudniej go odkształcić, czyli aby spowodować jego wydłużenie, należy użyć większej siły. Przy dużym naprężeniu przyrost długości mięśnia na jednostkę siły jest mały. Przy małym naprężeniu osiąga się stosunkowo dużą zmianę długości mięśnia na jednostkę siły. Podatność mięśnia zależy od jego wydłużenia oraz aktualnego pobudzenia. Mięsień naprężony ma większą sztywność i zdolność do gromadzenia energii sprężystej, a mięsień rozluźniony - większą podatność. Natomiast sztywność ścięgna nie ma stałej wartości, lecz zależy od wydłużenia, rośnie wraz z jego wydłużeniem. Czyli zwiększanie siły rozciągającej ścięgno będzie powodowało coraz mniejsze przyrosty jego długości. Ścięgno stanowi główny składnik szeregowych elementów sprężystych i ma zdolność do zachowania nagromadzonej energii (sprężystości), którą oddaje, gdy siła wyzwalająca spada do zera.

Skurcz ekscentryczny ma miejsce wtedy, kiedy mięsień się wydłuża. Natomiast koncentryczny następuje w chwili skracania mięśnia. Rozciągnięcie ścięgna następuje np. w działaniu ekscentrycznym mięśnia, gdy siła zewnętrzna rozciąga układ mięsień-ścięgno do pewnej długości. W czynności ekscentrycznej mięsień jest zdolny do reakcji z większą siłą niż w czynności statycznej. Przykładem tego przypadku może być skok pionowy w górę z miejsca. Skok ten można wykonać z półprzysiadu, odbijając się wyłącznie w górę, albo wykonać najpierw obniżenie pozycji - jako formę zamachu - i z takiej pozycji odbić się w górę. W chwili rozpoczęcia skoku tymi dwoma sposobami wartość początkowa siły jest różna: w skoku z półprzysiadu zaczyna się od wartości równej ciężarowi ciała, w skoku z zamachem siła początkowa jest większa. W przypadku skoku z zamachem dzięki popędowi siły skok będzie wyższy. W tym skoku ma zastosowanie działanie mięśni w cyklu rozciągnięcie-skurcz. W skoku z półprzysiadu mięśnie: czworogłowy uda (prostownik kolana), pośladkowe (prostujące staw biodrowy) i tylne łydki (zginające podeszwowo stopę), rozpoczęły działanie koncentryczne z pewnego stanu ich długości. Natomiast w odbiciu z zamachem przed skurczem nastąpiło ich gwałtowne rozciągnięcie, co oznacza działanie w cyklu rozciągnięcie - skurcz, czyli działanie ekscentryczno -koncentryczne. Wydajniejsza praca mięśnia w skoku z zamachem jest związana ze zjawiskiem sprężystości tkanek, gromadzenia i odzyskiwania tej energii, która dodaje się do energii skurczu. Uzupełnieniem mechanicznej zdolności do gromadzenia i wykorzystania energii sprężystości mięśnia jest proces nerwowy, w którym jest wykorzystywany odruch na rozciąganie. Istotną role w tym odruchu spełniają receptory - wrzecionka mięśniowe - czułe na rozciąganie. Odbierają one informacje o rozciąganiu mięśnia w sposób powolny lub gwałtowny i przekazują sygnał do rdzenia kręgowego i dalej sygnały dochodzą do ośrodkowego układu nerwowego i pozwalają na świadome reagowanie na to rozciąganie. Neuron motoryczny pobudza część kurczliwą wrzecionka, a neuron motoryczny przesyła sygnał do włókna mięśniowego, pobudzając go do skurczu co spełnia istotną rolę w szybkim przejściu z rozciągnięcia do skurczu i wykorzystania nagromadzonej energii sprężystości. Ważne jest również to, że zdolność odzyskiwania energii sprężystości maleje z wydłużeniem przerwy w jej wykorzystaniu. Okres połowiczego rozpadu tej energii wynosi 0,85 s, a po 4s. dochodzi do całkowitego jej rozproszenia.

1

---