Rozwój siły mięśniowej w świetle biomechaniki Piotr Stachera Fiz2z1

Mięśnie z punktu widzenia mechaniki czy biomechaniki są siłownikami - efektorami zdolnymi do wykonania pracy. To dzięki nim możemy wprowadzić w ruch nasze ciało, chodzić, biegać, poruszać rękoma, głową, robić skłony tułowia, wykonywać bardzo precyzyjne ruchy dłońmi. Aby możliwe stało się poruszenie dowolną częścią ciała, mięśnie muszą mieć odpowiednią siłę, która jest w stanie przełamać opory wewnętrzne i zewnętrzne oraz pokonać siłę grawitacji. Dopiero bowiem po ich pokonaniu można zacząć rozwijać szybkość, która jest nieodłącznym elementem każdego ruchu. Dopiero wtedy , gdy ruch staje się faktem, wiemy o możliwościach kinetycznych organizmu człowieka.

Jednakże, żaden mięsień nie wprawi żadnej części ciała w ruch bez pobudzenia odpowiedniego  mięśnia lub grupy mięśni, a to pobudzenie odbywa się za sprawą układu nerwowego. Pobudzone impulsem nerwowym nasze siłowniki czyli mięśnie w bezpośredni sposób oddziałują na układ kostny człowieka. Kości, którymi poruszają stanowią ramiona dźwigni, z którymi związany jest ruch. To właśnie za ich sprawą obserwujemy ruch ciała człowieka. To jakie są te ruchy człowieka zależy m.in. od siły mięśni. Właśnie biomechaniczne spojrzenie na siłę mięśni jest przedmiotem tego opracowania.

W mięśniach siła…

Każdy człowiek ma około 440 mięśni, przy czym w ruchach kompleksowych angażuje jednocześnie około 140. Zaznaczyć trzeba, że siła mięśnia jest tą wartością, której nie możemy zmierzyć w sposób bezpośredni. Przeszkodą jest to, że pomiary przeprowadzane w laboratoriach i na salach ćwiczeń pozwalają na zarejestrowanie wartości pochodnych siły np. prędkości, odległości na którą udało się dorzucić piłkę lekarską, ale w tych pomiarach nie jesteśmy w stanie zbadać i określić samej siły. Często wartość, którą mierzymy nazywamy momentem siły.

Siła mięśni zależy od ich masy

Człowiek rodzi się z wytworzonymi już włóknami mięśniowymi, ich liczba nie zwiększy się już do końca życia. Jednak w okresie wzrostu i rozwoju człowieka włókna mięśniowe zmieniają swoją długość i objętość. Zwiększa się masa mięśni i właśnie od tej masy zależy siła, mięśni. Poszczególne włókna mięśniowe tworzą pęczki mięśniowe. Pęczek mięśniowy składa się z kilkudziesięciu do kilkuset włókien mięśniowych. Duży mięsień może mieć do  1 ml. pęczków. Na przykład w mięśniu dwugłowym uda liczba włókien wynosi średnio 260 000 i może być podobna u kulturystów i osób fizycznie mało aktywnych.

Co nam daje siłę

Na potrzeby biomechaniki wyróżniono czynniki, od których zależy siła mięśniowa

1. Wewnętrzne - biologiczne związane z samym mięśniem

- powierzchnia przekroju fizjologicznego - jest to powierzchnia przekroju w najszerszym miejscu brzuśca mięśnia wyznaczona płaszczyzną prostopadłą do przebiegu włókiem mięśniowych  - im większa powierzchnia przekroju fizjologicznego tym większa jest siła mięśnia

Patrząc na powyższy rysunek możemy stwierdzić że, fizjologiczny przekrój poprzeczny w mięśniu pierzastym będzie większy niż w mięśniu obłym o zbliżonych wymiarach geometrycznych.

-budowa mięśnia (przebieg włókien mięśniowych, kąt pierzastości), fizjologiczny przekrój wewnętrzny wzrasta wraz ze wzrostem kąta pierzastości, który rzadko osiąga 450 nachylenia względem osi długiej mięśni.

Siła właściwa w mięśniu obłym jest w całości skierowana wzdłuż jego osi długiej, natomiast w mięśniu pierzastym siła ta jest skierowana wzdłuż włókien, czyli działa pod pewnym kątem do jego osi długiej. W tym drugim przykładzie (np. prostownik palucha długi)  gdzie kąt pierzastości wynosi 30o, trzeba dokonać rozkładu tej siły na siły składowe: efektywną działającą wzdłuż osi długiej i prostopadłą do osi długiej czyli traconą.

Z dwóch mięśni pierzastego i obłego, o tym samym obwodzie, mięsień pierzasty będzie rozwijał większą siłę niż mięsień obły.Jednakże siła użyteczna mięśnia pierzastego jest odwrotnie proporcjonalna do kąta pierzastości, a zatem w takim mięśniu będzie mniejsza składowa użyteczna.

- długość mięśnia - siła mięśnia jest funkcją jego długości - zakres skracania i wydłużania włókna mięśniowego względem długości wyjściowej sarkomeru wynoszącej 2,25 µm jest ograniczony - Pojedyncze włókienko wyzwala maksymalną siłę przy długości sarkomeru 2-2,25 µm czyli wówczas kiedy wszystkie połączenia między mostkami miozynowymi i nitkami aktyny są związane - mamy do czynienia wówczas z tzw. gęstym mięśniem. Siła ta maleje wraz z jego rozciągnięciem co tłumaczy się tym, że maleje wówczas liczba połączeń mostkowych. Maleje ona również, gdy ta odległość się skraca.

- długość ramienia siły mięśniowej - układy kości połączonych stawami z punktu widzenia biomechaniki są dźwigniami, do których przyczepione są mięśnie czyli siłowniki - im dłuższe jest ramię na które działa siła mięśnia, tym większy opór możemy pokonać.

- Mięsień posiadający brzusiec jest zdolny do wyzwolenia większej siły, gdy jest rozciągnięty niż, gdy jest skrócony. Dlatego w wielu ćwiczeniach tak pomocne jest np. wspięcie na palce powodujące rozciąganie mięśni np. łydki. Wartość siły rozwijanej przez mięsień jest zależna od prędkości jego skracania się, zależność ta w przybliżeniu jest odwrotnie proporcjonalna.

- długość mięśnia (kąt w stawie) podczas pomiaru, - z największą siłą mamy do czynienia gdy kąt przyłożenia siły wynosi 900 - Często zdarza się, że siły mięśni i siły oporu przyłożone są do kości pod różnymi kątami i w różnej odległości od osi stawu. Pamiętać należy, że 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 zmniejsza.

Siła człowieka jest zwykle przyłożona do kości pod kątem różnym od prostego, dodatkowo w czasie ruchu kąt ten ulega zmianom. Oznacza to również zmiany momentu siły i najczęściej jest on mniejszy od maksymalnego.

- rodzaj czynności mięśnia podczas pomiaru: dynamiczna - skurcz koncentryczny: izoinercyjny, izokinetyczny, izotoniczny; statyczna - tzw. skurcz izometryczny; tzw. ekscentryczny,  wykorzystanie - lub nie wykorzystanie - efektu CR-S, która ma wpływ na siłę i prędkość ruchu podczas pomiaru.

2. Zewnętrzne(umownie - tzw. środowiskowe)

- systematyczny trening (lepsze wykorzystanie „bazy strukturalnej”),

-staż treningowy (doświadczenie i radzenie sobie ze stresem „pomiarowym”) - im dłużej i systematycznie odbywają się treningi tym większy moment siły mięśniowej można osiągnąć

-cykle biologiczne (głównie dobowy) - są godziny, których osiąga się najlepsze wyniki np. między godz. 9 a 10 rano i między godz. 17 a 18 po południu.

- temperatura mięśnia (znaczenie rozgrzewki przed pomiarem), rozgrzany mięsień osiągnie wyższy poziom siły

-motywacja badanego - im wyższa motywacja ćwiczącego tym lepsze efekty można uzyskać,- stan fizyczny podczas pomiaru - ważne jest aby pomiarów dokonywa wtedy, gdy ćwiczący jest wypoczęty, rozgrzany i posiada potencjał do osiągnięcia najlepszych wyników

Pomiar siły maksymalnej będzie dokonany prawidłowo jeśli w czasie badania zapewnimy warunki statyczne, zmierzymy (bezpośrednio - Mz  lub pośrednio - Fz i rz) maksymalny moment zewnętrzny, w czasie pomiarów zachowany będzie kąt prosty między kierunkiem działania siły a jej ramieniem. Jest to bardzo trudnie do osiągnięcie, bowiem podczas zginania w stawie łokciowym wartość podnoszonego ciężaru (W) jest stała, ale zmienia się jego ramię (D), to powoduje, że wartość momentu siły oporu (W *D) zmienia się i jest największa wówczas, gdy kąt w stawie łokciowym wynosi ok. 90 st.

Generowanie dużych wartości mocy maksymalnej zależy od siły mięśniowej, która wraz z tzw. masą mięśniową (przekrój poprzeczny mięśni) stanowią „bazę strukturalną” człowieka .

Siła mięśnia zależy od:

1. budowy mięśnia (mikroskopowej i makroskopowej) - zawartości elementów czynnych oraz zanieczyszczeń, czyli elementów biernych: naczynia krwionośne, komórki nerwowe, elementy tkanki łącznej jak ścięgna, namięsna, omięsna wewnętrzna

2. przekroju poprzecznego fizjologicznego (PPF) - różnica między mięśniem obłym
   a pierzastym

Fm=P(lub S lub A) * σ [N=cm²*N/cm²]

Fm - siła mięśnia

P, S, A - pole przekroju poprzecznego (fizjologicznego)

σ - naprężenie jednostkowe (bezwględna siła mięśniowa, siła jednostkowa mięśnia, siła właściwa mięśnia) - ok. 30N/cm²

- wartości powierzchni przekroju fizjologicznego dla różnych mięśni (PPF)

- szacowanie przekroju fizjologicznego (PPF) dla mięśnia wrzecionowatego i pierzastego

Porównanie powierzchni przekroju poprzecznego anatomicznego (PPA - S_A)
do powierzchni przekroju poprzecznego fizjologicnzego (PPF - S_F)

Najczęściej kąt przebiegu włókien w mięśniu pierzastym wynosi 30°.

Przekrój anatomiczny danego mięśnia jest tylko jeden, natomiast przekrojów fizjologicznych tego samego mięśnia może być kilka.

3. masy ciała - siła bezwględna, siła względna ›› moment maksymalny, moment względny

Im większa masa ciała tym większa bezwględna siła mięśnia (siła bezwględna
w kwadracie wymiarów liniowych, jak powierzchnia mięśnia)

Im większa masa ciała tym mniejsza siła względna mięśnia (siła liczona względem masy w sześcianie wymiarów liniowych, jak objętość ciała)

Wpływ na siłę ma masa i wzrost (!).

4. długości mięśnia (stopnia jego skrócenia)

Budowa mięśni:

- nie pobudzonych (określanie różnych właściwości)

- pobudzonych (statyka lub dynamika) - bodziec nerwowy, drażnienie, bodziec elektryczny (najczęściej)

- izolowanych

- całych (lub grup mięśniowych)

Zależność siła-długość dla mięśnia izolowanego (tylko elementy aktywne)

- Hill, 1926 (wykres teoretyczny)

długość spoczynkowa (l₀) - długość mięśnia, który nie jest skrócony ani rozciągnięty

W żywym ciele występuje wstępne rozciągnięcie mięśnia - powstaje siła bierna, która dąży do skrócenia mięśnia rozciągniętego o ok. 20% długości spoczynkowej.

Po odizolowaniu mięśnia (wypreparowaniu) jego długość ulega skróceniu o ok. 20%.

Mięsień w czasie skracania osiąga długość spoczynkową (l₀) w ok. połowie zakresu ruchomości w stawie (np. staw łokciowy).

Zakres ruchomości w stawie łokciowym

Zależność siła-długość dla mięśnia izolowanego (tylko elementy aktywne)

Parabola w zakresie 44% - 162% (-56%/l₀/+62%)

Maksymalne skrócenie - błony graniczne Z

Maksymalne rozciągnięcie - nie powstają mostki aktynowo-miozynowe

Siła maksymalna dla mięśnia izolowanego osiągana jest przy długości spoczynkowej (l₀), ponieważ umożliwia tworzenie największej liczby mostków aktyny i miozyny
(w rzeczywistości nieco wcześniej),

Zależność siła-długość dla mięśnia całego (elementy aktywne i pasywne)

Dwie składowe siły wypadkowej:

- aktywna (od elementów kurczliwych - efekt przemian energetycznych występujących pod wpływem pobudzenia)

- pasywna (od elementów biernych), tzw. opór bierny - wynik rozciągania mięśnia,
a nie pobudzenia

Podobnie jak rozciąganie ekspandera (im bardziej rozciągnięty, tym większy opór stawia).

Składową pasywną można wyznaczyć przez rozciąganie niepobudzonego mięśnia.

Aby wypadkowa siła była duża, dążymy do zakresu, w którym składowa pasywna jest duża - musimy mocno rozciągnąć mięsień (jak u tyczkarza czy skoczka - CMJ, SJ).

5. stopnia pobudzenia mięśnia (skurcz tężcowy) - osiągany przed odpowiednie napięcie prądu stymulującego z określoną częstotliwością.

Komórki mięśniowe mają różny próg pobudzenia, stąd sygnały elektryczne pochodzące
z zakończeń komórek nerwowych włączają coraz większą ich liczbę, w zależności
od stopnia pobudzenia.

Zależność siła-długość dla mięśnia izolowanego (od stanu pobudzenia)

6. prędkości skracania mięśnia

Prędkość skracania sarkomeru mięśni człowieka jest stała i wynosi średnio 6μm/s.

- obliczana prędkość skracania mięśnia w zależności od jego długości i kąta pierzastości

Im większa długość mięśnia tym większa prędkość skracania, im większy kąt pierzastości mięśnia tym mniejsza prędkość skracania (większe `straty' prędkości skracania).

Zależność siła-prędkość skracania dla mięśnia całego (w warunkach naturalnych)

Małe obciążenie - możliwa duża prędkość skracania mięśnia

Duże obciążenie - możliwa mała prędkość skracania mięśnia

Przy nieobciążonych kończynach możemy mieć duże prędkości, ale nie możemy wtedy nadać dużej siły.

Zależność siła-prędkość - w miarę zmniejszania siły oporu możemy zwiększyć prędkość ruchu.

Równanie charakterystyczne Willa (1938)

F * V = const.

P = const.

(Fm + a) x V = (Fmax - Fm) x b

(Fm + a) x (V + b) = (Fmax + a) x b = const.

Fm - siła rozwijana przez mięsień

V - prędkość skracania mięśnia

a - stała charakterystyczna dla mięśnia (zależy od tzw. ciepła skracania mięśnia, związanego z oporami wewnętrznymi)

b - stała charakterystyczna dla mięśnia (zależy od długości mięśnia i jego temperatury)

Fmax - maksymalna wartość siły rozwijanej przez mięsień (przy V=0)

F x V = F x Δs/Δt = ΔW/Δt = P [W=J/s] moc

W = F x Δs [J] praca

lub

W = F x Δs x cosα (gdy siła działa pod kątem)

7. temperatury, wilgotności, stanu ukrwienia mięśnia, zmęczenia mięśnia

8) liczby pobudzonych jednostek motorycznych

Włókna mięśniowe człowieka działają w pewnych zespołach » jednostki motoryczne (jednostki ruchowe) - motor unit

Jednostka motoryczna - komórka nerwowa oraz unerwiane przez nią włókna mięśniowe.

W obrębie danej jednostki motorycznej wszystkie włókna działają tak samo.

Budowa komórki nerwowej: neurocyt + neuryt

Początek: dendryty - rogi przednie istoty szarej rdzenia kręgowego

Koniec: akson - synapsy nerwowo-mięśniowe

Jako ciekawostkę dodam że:

Jedna komórka nerwowa unerwia od kilku do kilku tysięcy włókien mięśniowych nie sąsiadujących ze sobą (przemieszanych z włóknami mięśniowymi unerwianymi przez inne komórki nerwowe).

Mięśnie wykonujące ruchy precyzyjne (krtani, gałki ocznej) mają małą liczbę włókien przypadających na 1 komórkę nerwową (kilka <10), natomiast duże mięśnie szkieletowe wykonujące proste zadania ruchowe mają dużą liczbę włókien mięśniowych przypadających na 1 komórkę nerwową (kilka tysięcy <5000).

1-2 włókna mięśniowe - mięśnie w obrębie krtani (najmniejsza jednostka motoryczna)

6-12 włókien mięśniowych - mięśnie gałki ocznej

ok. 100 włókien mięśniowych - zginacz dłoni

200-300 włókien mięśniowych - mięśnie ramienia, przedramienia

400-5000 włókien mięśniowych - duże mięśnie szkieletowe (np. m. brzuchaty łydki - 2000 włókien).

Jednostki motoryczne działają na zasadzie „wszystko, albo nic” - jeśli impuls docierający do układu nerwowego ma wartość ponad progową to wszystkie włókna mięśnia się kurczą, a jeśli podprogową to nie dzieje się nic.

Podsumowanie

Siła mięśniowa lub ściślej - sprawność siłowa człowieka - to zdolność do pokonywania oporu zewnętrznego lub przeciwstawiania się mu, realizowana kosztem wysiłku mięśniowego i zależna jest od wykonywanego ruchu.

Istnieją bardzo wyraźne związki między masą ciała, siłą względną a siłą bezwzględną Wartość siły mięśni, która jest proporcjonalna do powierzchni przekroju fizjologicznego, wobec wymiarów liniowych, jak np. wysokości ciała należy rozpatrywać w postępie kwadratowym (bowiem powierzchnie przekrojów są proporcjonalne do kwadratu wymiarów liniowych). Wobec tego cięższy zawodnik, o większej masie, ma większą siłę.

Potencjalne możliwości motoryczne żywych organizmów pozostają w ścisłym związku z ich wymiarami. Wzrost masy mięśniowej powoduje wzrost przekroju poprzecznego mięśnia a za razem zwiększenie siły. Zatem siła mięśniowa zależna jest od łatwo mierzalnego parametru, jakim jest masa ciała. Rezultaty badań potwierdzają tę regułę.

11

---