РОЗДІЛ 1. МОРФО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА
ПОЛОЖЕНЬ І РУХІВ ТІЛА ЛЮДИНИ.
План лекції
- Характеристика дисципліни «Динамічна анатомія» та історія її розвитку.
- Сила м’яза, м’язи-синергісти, м’язи-антагоністи.
- Зміни в м’язах під впливом статичних і динамічних навантажень.
- Поступальна робота, робота на подолання, утримуюча робота.
- Важелі, механіка взаємодії між м’язами та кістковими важелями.
Динамічна анатомія (від греч. dynamіs - сила) - наука, що вивчає анатомічну основу рухів і положень тіла людини (співвідношення його частин, їх взаєморозміщення), що дає анатомічний аналіз роботи пасивної й активної частин опорно-рухового апарата й оцінююча при цьому стан всіх органів і систем тіла.
Динамічна морфологія розвиває основні принципи функціональної анатомії в їх доповненні до вивчення рухів тіла. Розглядаючи вікові, статеві, соматотипологічні особливості положень і рухів тіла, вона пов'язана з віковою і конституціональною морфологією, з вивченням морфологічних проявів статевого диморфізму.
Динамічна анатомія знаходиться в нерозривному зв'язку з біомеханікою, вирішуючи суміжні задачі. Динамічна морфологія у своєму загальному розділі виконує підготовчі (пропедевтичні) функції для біомеханіки. Разом з тим біомеханіка дає відомості, необхідні для удосконалювання відділу динамічної морфології. Динамічна морфологія тісно зв'язана зі спортивною морфологією, одна з задач якої - вивчення морфо-функціональних перебудов організму в умовах повторюваних положень і рухів тіла.
Класифікація динамічної анатомії. З урахуванням задач, розв'язуваних цією наукою, її підрозділяють на загальну, спеціалізовану і науку, пов`язану з біомеханікою.
Загальна динамічна анатомія - результат реалізації в навчальній і науковій анатомії кінезіологічного принципу (від грецького, kіnesіs - рух), тобто принципу вивчення органів і структур тіла в зв'язку з виконуваними рухами. Цей принцип має на увазі не стільки систематичне (за окремими системами органів) і не стільки топографічне (з урахуванням розташування цих органів), скільки діяльнісне (пронизане анатомічним тлумаченням особливостей рухової діяльності) вивчення будови тіла людини на різних структурних рівнях організації - від рівня організму в цілому (макроскопічного, організменного) до клітинного і внутрішньоклітинного рівнів (мікро- і ультрамікроскопічного).
При аналізі положень і рухів людини руховий апарат розглядається як цілісне утворення в зв'язку із системами його забезпечення і регулювання. Якщо при вивченні будови кісток, їх з'єднань, м'язів і інших органів основним являється метод аналізу, то в динамічній анатомії ведучу роль відіграє метод синтезу, узагальнення.
Спеціалізована динамічна анатомія розглядає анатомічну характеристику рухів і положень тіла в зв'язку з потребами спортивного, професійного, педагогічного, побутового й іншого видів практики. Ці дані необхідні для удосконалювання спортивної техніки, вирішення задач ергономіки (більш раціонального, з урахуванням можливостей людини планування робочих місць і пультів керування), ергономічного обґрунтування питань виробничої і побутової техніки, успішної розробки нових тренажерних пристроїв у спорті і т.п.
Розглядаючи з позицій анатомії будь-яке положення або рух тіла, необхідно добре знати техніку виконання і ясно уявляти собі цільову спрямованість даної вправи. Спеціалізована динамічна анатомія входить у кожну спортивно-педагогічну дисципліну, відкриваючи перспективи удосконалювання техніки і спортивної майстерності і пов`язана з біомеханікою, вивчає питання динамічної морфології, зв'язані з положенням центрів ваги (мас) і обсягу тіла, видами і умовами його рівноваги і т.п.
Історія розвитку науки «Динамічна анатомія». Історія цієї науки нерозривно зв'язана зі становленням анатомії, диференціальної і спортивної морфології, а також біомеханіки.
Рухи людини цікавили вчених з давніх часів. Ще К.Гален (130 - 201) експериментально довів, що рухи в суглобах відбуваються за допомогою м'язів, які напружуються під контролем свідомості людини. Він ввів поняття про тонус (мимовільну напругу м'язів), а також про антагоністичні групи м'язів.
Абу Алі Ібн-Сіна (Авіценна) (980 - 1037) багато уваги приділяв аналізу положень і рухів людини на основі даних анатомії і механіки. Він довів, що положення і рухи людини підкоряються законам механіки. Значна роль у вивченні рухів людини і тварин належить Бореллі (1608- 1779). Він створив класифікацію локомоторних рухів (від лат. locus - місце і motіo -і рух) - переміщень у просторі, виділивши три основних види:
- за способом відштовхування від опори (ходьба, біг, стрибки);
- за способом відштовхування від оточуючих предметів (плавання);
- за способом підтягування до опорної поверхні (лазання по канату).
Брати Вебер на початку ХІХ ст. експериментально і досить детально вивчили ходьбу, визначивши нахил і вертикальні коливання тулуба, довжину і частоту кроків, зменшення періоду подвійної опори при підвищенні швидкості ходьби. Е. Марей за допомогою запису рухів методом пневмографії (запису коливань повітря в повітряних камерах, вмонтованих у взуття) визначив найбільш економічні і швидкісні види ходьби. Він вивчав співвідношення періодів опори і маху в рухах кожної ноги при ходьбі і бігу, фази польоту при бігу й ін.
Браун і Фішер наприкінці XІ ст. експериментально на заморожених трупах визначили відносну масу частин тіла людини і положення їх центрів ваги. Цими даними користуються і в даний час при аналізі положень і рухів людини. І.М.Сєченов у книзі "Нарис робочих рухів" (1901) проаналізував "роботу" елементів рухового апарату: організацію кісткових важелів, розташування м'язових тяг, що приводять ці важелі в рух, інерцію м'язових тяг. Він вивчив складні робочі рухи руки як робочого органа, ноги як опори тіла. Розглянувши спільну роботу тулуба і кінцівок, він розробив методичні рекомендації з раціональної організації м'язової діяльності. Н. А. Бернштейн на основі удосконаленого ним і його учням методу циклографії одержав нові дані з біодинаміки локомоцій. Він розкрив вікові особливості локомоцій, зокрема ходьби.
У розробці наукових основ динамічної анатомії й обґрунтуванні необхідності цих знань для фахівців з фізичного виховання велика заслуга належить П.Ф. Лесгафту і його ученицям - А. А.Красускій і Е. А.Котиковій. У 1874 р. П. Ф. Лесгафт опублікував книгу "Теорія тілесних рухів", а в 1888 р. - "Посібник з фізичного виховання дітей шкільного віку", де показав, що фізичні вправи варто вибирати виходячи з будови організму людини. "Теорію тілесних рухів" П. Ф. Лесгафт і його послідовники читали поряд з анатомією слухачам Курсів з фізичного виховання.
У 1927 р. виник курс "Теорія рухів", а потім "Біомеханіка фізичних вправ". Його очолила Е. А. Котикова. У 1939 р. був опублікований навчальний посібник, де положення і руху людини вона розглядала не стільки з погляду механіки, положення і руху людини вона розглядала не стільки з погляду механіки, скільки з позицій анатомії. Велика робота в області анатомічного аналізу положень і рухів людини відповідно до задач теорії і практики спорту була проведена М.Ф. Іваницьким, що у 1928 р. опублікував "Записки по динамічній анатомії", а в 1938 р. - "Рухи людського тіла". Розроблені М. Ф. Іваницьким положення відбиті у всіх виданнях підручника з анатомії для інститутів і технікумів фізичної культури.
Кістки і їх з’єднання як пасивні органи опорно-рухового апарату знаходяться в тісному анатомічному і функціональному зв’язку з м’язами – активними органами опорно-рухового апарату. В організмі м’язи здійснюють функцію зовнішнього і внутрішнього руху . Вони побудовані з м’язової тканини, елементи якої здатні до скорочення, змінюючи при цьому свою довжину. Слід відзначити, що м’язи діють з певною силою на ті утворення, до яких вони прикріплюються, в першу чергу, на кістки (як важелі руху), а також на фасції, шкіру і деякі внутрішні органи.
У хребетних і людини існує два основні види м’язів: посмуговані та гладкі. Підвидом посмугованої м’язової тканини є м’язи серця – міокард.. Посмуговані м’язові волокна, або довільні, скелетні, скорочення яких залежить від нашої волі (за нашим бажанням ми можемо їх припиняти або посилювати на відміну від гладких м’язів, що працюють поза нашою свідомістю у автоматичному режимі) розвиваються там, де рухи здійснюються швидко і енергійно, тобто в межах, так званої, соми.
Завдяки функції посмугованих м’язів відбувається переміщення тіла у просторі, різноманітна робота верхніх кінцівок, розширення і звуження грудної клітки при акті дихання, екскурсії хребтового стовпа і голови, жування, ковтання, тобто всі рухи, які відбуваються між окремими частинами скелета. Крім того, від посмугованих м’язів залежать міміка обличчя, рухи ока, мова, а також ковтання і сечовиділення. З посмугованих волокон в людському організмі побудовані м’язи голови і шиї, тулуба, кінцівок, діафрагма, м’язи язика, піднебіння, глотки і верхньої частини стравоходу , гортані та промежини. Крім того, одним з результатів м’язового скорочення є продукція тепла.
В організмі людини є біля 600 скелетних м’язів. Якщо скласти всі м’язи організму разом, то вони могли б розвинути напругу в 20 – 30 тон. У дорослої людини маса м’язової тканини становить приблизно 40% від маси тіла, у жінок дещо менше, у новонароджених - 20%, у старих людей – до 30%. М’язи вкривають скелет так, що лише деякі його частини розміщуються безпосередньо під шкірою. Тому особливості зовнішніх форм організму людини залежать в значній мірі від розміщення м’язів (атлетична гімнастика).
Посмугована м’язова тканина. Структурною і функціональною одиницею скелетної м’язової тканини є посмуговане м’язове волокно. Воно є багатоядерним утворенням – симпластом. Довжина посмугованих м’язових волокон становить від декількох міліметрів до 10,0-12,0 см, а діаметр – 12,0-100,0 мкм. Клітини поперечнопосмугованого м’язового волокна мають цитоплазму, яка називається саркоплазмою (від грец. sarkos – м’ясо); ззовні воно оточене тонкою цитоплазматичною мембраною – сарколемою. У саркоплазмі міститься велика кількість ядер, які, зазвичай, розташовуються відразу ж під сарколемою.
Поперечно посмуговане м’язове волокно містить повний набір органел загального значення, що забезпечують природні процеси живлення і синтезу білків. У мітохондріях, які у великій кількості містяться у м’язовому волокні, накопичується енергія, необхідна для його скорочення. Цитоплазматична сітка, особливо її гранулярна частина, бере участь в синтезі спеціальних білків, що забезпечують скорочення м’язового волокна.
На гістологічному поперечному зрізі м’язове волокно може мати різний колір. Він залежить від кількості м’язового пігменту – міоглобіну , який знаходиться в саркоплазмі м’язового волокна: якщо вміст міоглобіну великий, то волокно має червоно-бурий колір; якщо міоглобіну мало – блідо-червоний. Тому залежно від вмісту міоглобіну розрізняють білі і червоні м’язові волокна. Гістохімічний аналіз показав, що білі м’язові волокна характеризуються переважно анаеробним типом обміну речовин, а червоні – аеробним. Є думка, що волокна з анаеробним типом обміну скорочуються швидко, а волокна з аеробним – повільно. У людини майже в кожному м’язі містяться білі і червоні м’язові волокна, а також волокна слабко пігментовані. Кількісне співвідношення різних волокон залежить від того, які функціональні властивості має м’яз.
Окрім органел загального значення, поперечно посмуговані м’язові волокна містять також спеціальні органели-міофібрили. Вони складають скоротливий апарат м’язових волокон. Товщина міофібрил змінюється від 0,5 до 2,0 мкм. На поперечному розрізі міофібрили мають форму круга, овалу або багатокутника. Збираючись в пучки, вони тягнуться від одного кінця м’язового волокна до іншого і зумовлюють посмугованість волокон.
Посмугованість м’язового волокна визначається особливою будовою міофібрил, в яких є ділянки з різними фізико-хімічними і оптичними властивостями. Ділянки з однаковими властивостями розташовуються в м’язовому волокні на одному рівні, що і обумовлює поперечну посмугованість всього волокна. У міофібрилах розрізняють анізотропні диски (диски А), що володіють подвійним променезаломленням при розгляді їх в мікроскоп, і ізотропні диски (диск І). У поляризованому світлі диски І світлі, а диски А – темні. Використання електронної мікроскопії показало, що обидва диски мають складну внутрішню будову. Посередині диска І проходить темна смужка, яка називається телофрагмою (Т) або лінією Z. Ці лінії – найстійкіші елементи посмугованості міофібрил, що зберігаються при будь-якому функціональному стані останніх.
Сегмент міофібрили між двома сусідніми лініями Z називається саркоміром – це елементарний комплекс структур, який забезпечує скорочення міофібрил. Диск А також поділяється навпіл тонкою темною лінією, яка називається мезофрагмою або лінією М, по обидва боки від якої є світліші смужки Н. За допомогою електронного мікроскопа встановлено, що ізотропний і анізотропний диски побудовані з найтонших ниток – міофіламентів. Серед них розрізняють товсті і тонкі міофіламенти. У ділянках дисків І є лише тонкі міофіламенти, а у ділянках дисків А – тонкі та товсті. Є дані, які свідчать про те, що тонкі міофіламенти побудовані з білка актину, а товсті – з міозину. При взаємодії цих білків і відбувається укорочення міофібрил. На поперечному розрізі міофібрил видно, що кожна товста нитка межує з шістьма тонкими нитками, а кожна тонка нитка – лише з трьома товстими нитками. Тому тонких міофіламентів більше, ніж товстих.
Механізм скорочення м’язового волокна. М’язове волокно скорочу-ється внаслідок взаємодії білкових молекул актину і міозину, що морфологічно виражається в ковзанні товстих і тонких міофіламентів один відносно одного. При цьому смужка Н і диск І зменшуються за своїми розмірами аж до повного зникнення, а величина диска А практично не змінюється. Таким чином, укорочення міофібрил досягається внаслідок зменшення дисків І.
Розслаблення м’язового волокна супроводжується розширенням ізотропних дисків внаслідок того, що нитки актина висуваються з проміжків між нитками міозину. При розтягуванні м’язового волокна кінці ниток актина в міофібрилах знаходяться майже на рівні кінців ниток міозину. Їх зчеплення здійснюється лише голівками декількох молекул міозину, розташованих на кінцях ниток. При цьому ізотропний диск стає ширшим. Отже, смужка Н анізотропного диска, за допомогою ниток актина, що розташовуються між нитками міозину, також розширюється.
У розтягнутому м’язі щільність розташування ниток актина і міозину в міофібрилах невелика, оскільки при будь-якому стані м’яза об’єм її залишається постійним. Проникнення ниток актину між нитками міозину відбувається внаслідок звільнення енергії при розпаді речовини, що несе енергію, – аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) у присутності іонів Са.
Активізація взаємодії між актином і міозином відбувається під впливом нервового імпульсу , що передається з нервового волокна на м’язове. Спочатку активізуються АТФ-азні центри міозину, внаслідок чого виділяється аденозинтрифосфотаза. Вона розщеплює АТФ до аденозиндифосфорної кислоти. Енергія, що звільняється при цьому, використовується на розвиток напруги м’яза або на його скорочення. Що стосується розслаблення м’яза після скорочення і відновлення вихідного стану, то можна вважати, що воно відбувається завдяки еластичним властивостям сарколеми і внутрішньом’язової сполучної тканини.
Таким чином, в скоротливому акті м’язового волокна умовно розрізняють дві фази: перша – власне акт скорочення, який є процесом структурної взаємодії між актином і міозином, друга – стан скорочення, який полягає в перетворенні всього сарком еру на актоміозинову систему (після короткочасного існування вона розпадається на актин і міозин, і м’язове волокно повертається до вихідного стану).
М’яз – це орган, побудований з пучків посмугованих м’язових волокон, що зв’язані між собою пухкою сполучною тканиною, в якій проходять кровоносні судини і нерви. Кожний м’яз має відповідну величину, форму та здійснює ту чи іншу роботу. Багато м’язів мають веретеноподібну форму, що нагадує тіло миші, а з лат. (mus – миша, musculus – мишеня), ось чому в більшості м’язів розрізняють головні частини: середню потовщену частину – тіло або черевце, початковий відділ – голівку і протилежний кінець – хвіст.
Посмугований м’яз включає в себе м’язову і сухожилкову частини. Специфічними тканинними елементами скелетних м’язів є посмуговані м’язові волокна. Довжина волокон в різних м’язах неоднакова і може коливатися від кількох міліметрів до 10-15 см. Товщина волокон змінюється з віком і в різних м’язах також неоднакова, але, як правило, не перевищує 0,1 мм. Кожне м’язове волокно характеризується трьома фізіологічними властивостями:
- збудливістю, тобто здатністю відповідати на дію подразника генерацією потенціалу дії;
- здатністю проводити хвилю збудження вздовж всього волокна;
- здатністю до скорочення або зміни напруги при збудженні.
Таким чином, головною властивістю м’язових волокон, яка визначає рухову функцію м’яза, є здатність м’язового волокна під впливом нервових імпульсів змінювати свій еластичний стан і скорочуватися. Більшість м’язів закінчуються сухожилком.
Сухожилок – це щільний волокнистий сполучнотканинний тяж, за допомогою якого м’яз кріпиться до скелету. Сухожилки різноманітні за формою. У більшості м’язів кінцівок вони побудовані у вигляді подовжених циліндричних тяжів. Що стосується м’язів тулуба то вони закінчуються пластинчастими сухожилковими розтягненнями, які називаються апоневрозами. Перехід м’язової частини в сухожилкову має безперервний характер. Сухожилки характеризуються високим опором. Так, наприклад, п’ятковий (ахілов) сухожилок не розривається при навантаженні до 400 кг. Сухожилок чотириголового м’яза стегна витримує вагу до 600 кг. Складовими частинами м’яза є судини.
Усі м’язи мають рухові, чутливі і симпатичні нерви, які регулюють не тільки здатність до скорочення, але й обмінні процеси, трофіку м’язової тканини. М’яз, відокремлений від нервів, перероджується і гине. Сукупність волокон розглядається як функціональна одиниця м’яза і називається міоном. Крім рухових, в середині м’яза між волокнами знаходяться чутливі нервові закінчення. При скороченні м’язових волокон ці закінчення стискаються. Цей тиск перетворюється у чутливий нервовий імпульс, що йде в ЦНС. Чутливі нервові імпульси постійно несуть інформацію до ЦНС про стан м’яза. ЦНС не могла б керувати рухами, коли б в кожний момент не була інформована про те, в якому стані знаходяться робочі органи руху.
Таким чином, м’яз, як орган, має складну будову. До складу м’яза входить не тільки посмугована м’язова тканина, але й сполучна, яка утворює строму м’яза, сухожилок, кровоносні судини. М’язи підпорядковані нервовій системі через рухові та чутливі нерви.
Форма м’язів надзвичайно різноманітна. Прийнято розрізняти м’язи веретеноподібні, колові, трикутні, квадратні, зубчасті,прямі, хрестоподібні тощо. Найпростішу форму мають веретеноподібні м’язи. У них пучки м’язових волокон розміщуються поруч один з одним. Для м’яза такої форми характерно те, що його черевце біля початку і в місці прикріплення переходить у тонкий сухожилок. Там, де сухожилок короткий, знаходиться голівка м’яза. У веретеноподібного м’яза може бути не одна, а 2 – 4 голівки (дво-, три,- чотириголові м’язи). Напрям тяги м’яза при скороченні визначається лінією, яка з’єднує центр початку м’яза на одній кістці з центром прикріплення на другій.
М’язи з косим розміщенням волокон називають перими. Розрізняють однопері м’язи, у яких сухожилок розміщується з одного краю і до цього сухожилка під кутом підходять м’язові волокна; та двопері з центрально розміщеним сухожилком, м’язи підходять до сухожилка з обох боків. Багатопері, або віялоподібні м’язи, мають складну систему пучків, які йдуть у різних напрямках
За розмірами м’язи бувають довгі, короткі та широкі. У широких м’язів м’язові пучки розміщені поруч один з одним. Плоскі широкі м’язи нерідко починаються зубцями і отримали назви зубчастих. Широкі плоскі м’язи закінчуються широкими плоскими сухожилками, які називаються апоневрозами. Враховуючи те, що в організмі людини дуже багато м’язів, їх назва часто відповідає функції м’яза, напряму м’язових волокон, формі.
Більшість м’язів людини парні. У залежності від ділянок тіла м’язи поділяють на м’язи тулуба (спини, грудей, живота), кінцівок, голови та шиї.
Допоміжний апарат м’язів. До допоміжного апарату скелетних м’язів відносять: фасції, слизові та синовіальні сумки, фіброзні та синовіальні піхви сухожилків, м’язові блоки, сухожилкові дуги, сесамоподібні кістки.
Фасції (fascia – бинт, пов’язка) – являють собою оболонки, які покривають м’язи. Вони побудовані з пухкої або щільної волокнистої сполучної тканини і утворюють також оболонки для судин і нервів та оточують різні органи. Прийнято ділити фасції на поверхневі і глибокі або власні. Функції фасцій. Фасції розмежовують окремі м’язи та групи м’язів, забезпечуючи їм умови для незалежних скорочень, а також виконують важливу опорну функцію. Разом з клітковиною вони утворюють так званий м’який остов тіла. Фасціям приписують також захисну та живильну (трофічну) функції. Під впливом комбінованої дії сил тиску і розтягування відбувається ущільнення фасції, внаслідок чого утворюються апоневрози. Одним із фундаторів анатомії фасцій був вітчизняний вчений, хірург М.І. Пирогов. Його книга "Хирургическая анатомия сосудистых стволов и фасций", яка вийшла у 1837 році, розкрила значення фасцій для хірургів. З анатомією фасцій пов’язані закономірності розповсюдження ряду запальних процесів. В одних випадках фасції ізолюють вогнище запалення, зашкоджуючи розповсюдженню запалення на суміжні групи м’язів, в інших випадках, навпаки, міжфасціальні простори – це можливі шляхи розповсюдження запального процесу.
Сумки, які сполучаються з порожниною близько розташованих суглобів, вистелені синовіальною оболонкою, містять синовію і називаються синовіальними сумками. Піхви сухожилків бувають волокнистими та синовіальними. Волокнисті піхви добре виражені на кисті та стопі. Синовіальні піхви мають складнішу будову . Вони представляють муфти з подвійними стінками, які одягнуті на сухожилки. Синовіальні піхви – це захисні пристосування для сухожилків м’язів в місцях їх тісного прилягання до кістки; вони зменшують тертя; зменшують ризик пошкоджень частини сухожилків на межі їх з кісткою.
За функцією м’язи поділяють на згиначі, розгиначі, привідні, відвідні, привертачі, відвертачі, обертачі, стискачі, або сфінктери, підіймачі, опускачі, випрямлячі, напрягачі, суглобові, шкірні, жувальні, мімічні тощо. Як правило, м’язи розвиваються таким чином, що кожна вісь руху суглоба обслуговується мінімум двома м’язами протилежної дії або м’язами – антагоністами. В процесі координації функції згиначів і розгиначів, згинання і розгинання здійснюється погоджено.
Якщо при порушенні функції рухового аналізатору – кори великих півкуль – координована робота м’язів – антагоністів порушується, рухи втрачають плавність та точність. Хворий, який страждає порушенням м’язової координації, хватає стакан, судомним рухом підносить його до рота, але, ударяючи себе по зубах, або проносить стакан мимо рота, або п’є, розплескуючи воду. М’язи, які виконують одну й ту саму функцію, однаково діють на ось руху суглоба, називаються синергістами. М’язи – синергісти можуть мати різний напрям м’язових тяг, але при їх сумісній дії рух відбувається по рівнодіючій цих тяг. Більшість навіть самих простих рухів здійснюється комбінованими скороченнями декількох або навіть багатьох м’язів. Необхідно розрізняти м’язи, які обов’язково беруть участь у даному русі, та м’язи, які мають допоміжне, факультативне значення. Дія факультативних м’язів відображає індивідуальні особливості рухів даної людини в даний момент її життя, при відповідному стані її вищої нервової діяльності. Усі люди ходять, але кожний по-своєму. Мало того, кожна людина йде по-різному при різних умовах (наприклад, студент після іспиту).
Основою роботи м’язів є здатність їх до скорочення. При скороченні м’яз коротшає, внаслідок чого дві кістки, до яких він прикріплюється, зближуються. Діючи таким чином, м’яз створює тягу з певною силою і, пересуваючи вантаж, здійснює певну механічну роботу. Ця робота чисельно виражається в кілограмометрах і визначається як добуток сили м’яза на відстань переміщення вантажу.
Сила м’яза характеризується величиною максимального напруження, яку він здатен розвинути при збудженні. Сила м’яза залежить від:
- скоротливої сили окремих м’язових волокон, які входять до його складу;
- його вихідної довжини;
- характеру іннервації;\
- механічних умов його дії на кістки скелета.
На силу м’яза впливає міра тренованості, стомлення і стану нервової сис-
теми людини. Оскільки сила м’язів залежить від площі їх поперечного перетину, то варто зважати на особливості внутрішньої будови м’яза. У веретеноподібних м’язів напрям волокон паралельний довжині м’яза. Площа поперечного перетину всіх волокон проходить перпендикулярно до довжини м’яза. Пір’ястий м’яз має особливості – його сухожилки йдуть посередині (двопір’ястих) або з краю (одно пір’ястих) м’язів, площа поперечного перетину кожного волокна проходить навскоси відносно довжини м’яза.
Підсумовуючи перетини окремих волокон, неважко переконатися, що загальна їх площа значно перевищує площу поперечного перетину веретеноподібного м’яза, що має однаковий з пір’ястим м’язом об’єм. Таким чином, пір’ясті м’язи порівняно з веретеноподібними при однаковому діаметрі їх черевця, мають значно більшу силу.
З іншого боку, в пір’ястих м’язів менша величина укорочення. Таким чином, у веретеноподібного м’яза анатомічний поперечник, тобто площа поперечного перетину всіх м’язових волокон, збігається з його фізіологічним поперечником, перпендикулярним ходу його волокон, тоді як в пір’ястих м’язів фізіологічний поперечник більший від анатомічного. Пір’ясті м’язи мають значні прошарки щільної сполучної тканини. Вони важко растягуються і можуть виконувати більшу роботу статичного характеру, ніж веретеноподібні м’язи. У веретеноподібних м’язів прошарків щільної сполучної тканини майже немає. В них легко чергуються скорочення і розтягування.
Сила м’яза, що має площу поперечного перетину 1-2 см, неоднакова у різних м’язах різних тварин . Орієнтовно можна вважати, що вона складає 10 кг. Якщо при визначенні сили м’язів виходити з цієї цифри, то для згиначів передпліччя вона складає близько 160 кг, для згиначів гомілки – 480 кг. Ці цифри на перший погляд можуть здатися перебільшеними, оскільки вага, яку може підняти людина, згинаючи передпліччя або гомілку , значно менша. Проте, не варто забувати, що вага, яка піднімається, знаходиться зазвичай на значній відстані від того суглоба, в якому відбувається рух, тоді як м’язи, що виконують даний рух, проходять поблизу суглоба і здебільшого прикріплюються безпосередньо поруч з ним.
Долаюча робота – це така робота, при якій м’яз долає тягар даної ланки тіла або інший опір. Поступлива робота – це робота, при якій м’яз, залишаючись напруженим, поступово розслаблюється, поступаючись дії сили тяжіння або дії того чи іншого опору. Під утримуючою роботою м’язів розуміють таку роботу, при якій відбувається урівноваження дії опору, внаслідок чого рух відсутній. Так, наприклад, дельтоподібний м’яз при відведенні руки, утримуванні її в горизонтальному положенні і під час повільного приведення її, залишається напруженим, але робота його неоднакова: у першому випадку вона долаюча, у другому – утримуюча, а в третьому – поступлива.
Розмежування видів роботи м’язів надзвичайно важливе для розуміння участі їх під час певних рухів. Можна вважати, що робота м’язів-антагоністів є одним з випадків поступливої роботи. Наприклад, якщо відбувається згинання передпліччя в результаті долаючої роботи м’язів, розташованих на передній поверхні плеча і частково передпліччя, то розгиначі передпліччя одночасно розтягуються, незважаючи на природний тонус. Дана поступлива робота антагоністів надзвичайно важлива, тому що дозволяє виконувати рухи плавно і регулює роботу м’язів-синергістів.
Зустрічаються й інші види роботи м’язів, наприклад балістична робота, яка полягає у різкому , швидкому долаючому скороченні м’язів після попереднього їх розтягання (наприклад, м’язів верхньої кінцівки під час метання). Рух даної ланки (скажімо, передпліччя) при балістичній роботі продовжується за інерцією після того, як сам м’яз або м’язова група, що викликала даний рух, вже перейшли в стан розслаблення.
Вивчаючи будову і функції людського тіла, не можна обійтися без знання законів механіки, оскільки людське тіло і його окремі ланки володіють певною масою, вагою і об’ємом. Проте при цьому потрібно пам’ятати, що м’язи, які є активними виробниками силової тяги, є живими утвореннями, стан яких залежить від багатьох моментів: міри тренованості, стомлення, живлення, стану центральної нервової системи та ін.
Механіка взаємодії між м’язами і кістковими важелями значною мірою визначається способом і місцем прикріплення м’язів до кісток. Коли йдеться про поняття "місце початку" або "місце опори" і "місце прикріплення" м’яза, або ж, як інколи кажуть, про"нерухому" або "рухому" точки м’яза, то це слід розуміти умовно. Така умовність пов’язана з уявленням про зазвичай виконувані рухи внаслідок скорочення даного м’яза. Наприклад, плечовий м’яз, який проходить спереду від ліктьового суглоба, зазвичай описується як згинач передпліччя. Місцем його початку (нерухомою точкою) вважають плечову кістку , а місцем прикріплення (рухомою точкою) – ліктьову кістку . Дійсно, здебільшого цей м’яз працює як згинач передпліччя. Але якщо передпліччя або кисть фіксовані, як це буває, наприклад, при підтягуванні на щаблині, то плечовий м’яз згинає плече. Таким чином, місце початку м’яза і місце його прикріплення залежить від того, які ланки тіла в даному випадку рухливіші і можуть взаємно мінятися своїм положенням.
Здебільшого та ланка, яка знаходиться далі від тіла (дистальна), рухливіша, ніж та, що розташована ближче до тіла (проксимальна). Проте, у всіх випадках сила, з якою даний м’яз притягує проксимальну ланку дистальніше і одночасно дистальну проксимальніше завжди залишається однаковою, згідно закону Ньютона про рівність дії і протидії.
Рівнодійна сила м’яза. Напрямом рівнодійної сили м’яза є пряма, що сполучає центри місця початку та місця його прикріплення. У цьому напрямі можуть зближуватися місця прикріплення даного м’яза. Насправді лише в окремих випадках напрям руху повністю збігається з напрямом тяги м’яза (це відноситься до таких м’язів, як прямий м’яз живота, довгий і короткий променеві розгиначі зап’ястка та ін.). Для більшості м’язів такий збіг неможливий. Це пояснюється тим, що м’язова сила, зазвичай, діє на кісткову ланку під кутом і, значить, її завжди можна розкласти на складові сили, причому одна з них буде спрямована за довжиною важеля, а інша – перпендикулярно до нього.
Сила, що діє за довжиною важеля, викликає стискування важеля, а також укріплює з’єднання кісток по мірі збільшення зовнішніх силових дій на суглоб. Ця сила безпосередньої участі в механіці руху не бере. Друга сила, направлена перпендикулярно до кісткового важеля, є корисною складовою силою тяги м’яза. Вона і виконує рух кісткової ланки. Корисна складова тим більша, чим під прямішим кутом м’яз підходить до важеля. Коли рівнодійна м’яза утворює з важелем прямий кут, то сила м’язової тяги використовується для руху повністю.
Якщо ж ця сила утворює з віссю важеля кут менший, ніж прямій, то корисну складову можна розглядати як катет прямокутного трикутника, гіпотенузою якого є рівнодійна сила. Оскільки катет прямокутного трикутника може бути визначений у вигляді добутку гіпотенузи на синус кута або косинус прилеглого кута, то зв’язок між корисною складовою і підіймальною силою м’яза може бути легко встановлений. Необхідно мати на увазі, що на будь-яку кісткову ланку діє декілька м’язів, кожен з яких має свою рівнодійну . Значить, рух кісткової ланки в цьому випадку є результатом поєднаної дії м’язів, рівнодійні яких або складаються, або віднімаються.
Важільний принцип роботи рухового апарату. Важелі в механіці розрізняють залежно від місця дії сил відносно точки опори (точки обертання) важеля. Якщо дві сили прикладені з обох сторін від точки опори важеля, навколо якої відбувається обертання, і які діють в одному напрямі, то тверде тіло є важелем першого роду. Коли сили прикладені лише з одного боку від точки опори важеля і направлені в різні боки – важіль другого роду.
Важіль першого роду. Відносно рухового апарату людини важіль першого роду називають ще "важелем рівноваги". З цієї точки зору можна пояснити рівновагу в положенні всіх ланок, розміщених вище відносно тих, що розміщені нижче, наприклад, голови відносно хребтового стовпа, таза відносно стегна та ін.
У першому прикладі основними силами, які сприяють нахилу голови наперед, є сила тяжіння і сила м’язової тяги. При прямому триманні голови вертикаль, опущена з її центру тяжіння, розташованого дещо ззаду турецького сідла, проходить спереду від поперечної осі атланто-потиличного суглоба. Рівнодійна м’язової сили прикладена до потиличної кістки, проходить ззаду цієї осі. Основою рівноваги є рівність моментів цих двох сил, що обертають. Момент обертання сили дорівнює добутку сили на довжину її плеча, тобто відстані від точки опори важеля до точки прикладення сили.
Важіль другого роду. У механіці, зазвичай, не зважають на якісну відмінність тих сил, які прикладені до важеля, і, як відомо, не прийнято важіль другого роду поділяти на різновиди. Проте, відносно живого організму необхідно розглядати, як уже згадувалося, дві сили: силу м’язової тяги і силу тяжіння. Тому залежно від місця додатка цих сил відносно точки опори можна розрізняти два різновиди важеля другого роду.
Один різновид часто називають "важелем сили". Він характеризується тим, що плече сили м’язової тяги більше плеча сили тяжіння. Прикладом такого важеля може бути стопа під час підйому на півпальцях. Місцем опори в даному випадку є голівки плеснових кісток, через які проходить вісь обертання всієї стопи. Сила м’язової тяги, якщо позначити її у вигляді прямої, що йде від п’яткової кістки у напрямі тяги тріцепса гомілки, як більш енергійний згинач стопи, має більше плече, ніж сила тяжіння. Остання передається через кістки гомілки на стопу і давить безпосередньо на таранну кістку, сприяючи опусканню стопи. Не варто змішувати вектор сили тяжіння з вертикаллю, опущеною із загального центру тяжіння, яка проходить в ділянці голівок плеснових кісток, тобто усередині площі опори, без чого неможливе збереження рівноваги тіла. Рухи важеля цього виду досить обмежені. Образно можна було б сказати, що тут є переваги в силі, але недоліки в амплітуді і в швидкості руху .
Інший різновид важеля другого роду називають "важелем швидкості". Цей різновид часто використовують для пояснення рухів людського тіла. Він характеризується тим, що одна сила –сила м’язової тяги – прикладена поблизу вісі обертання і має значно менше плече, ніж інша сила – протидіюча, сила тяжіння, або сила будь-якого іншого опору.
Наприклад, м’язами, що згинають передпліччя, є двоголовий м’яз плеча, плечовий, променевий, круглий пронатор і інші м’язи, що мають рівнодійну силу, яка проходить спереду поперечної вісі ліктьового суглоба. Плече рівнодійної цих м’язів складає близько 2 см. Сила ж тягаря має значно більше плече. Так, якщо людина утримує кистю при зігнутому передпліччі тягар в 16 кг, то плече сили тяжіння складає близько 20,0 см, тобто плече сили опору вдесятеро більше, ніж плече м’язової сили. Основою рівноваги є рівність моментів цих двох сил.
Тоді стає зрозумілим, чому при підіймальній силі м’язів-згиначів передпліччя, яка складає близько 160 кг, нетренована людина може утримати при зігнутому передпліччі лише 16 кг. Насправді, 160 х 0,02 = 16 х 0,2, тобто кожен момент обертання відповідає 3,2 кгм. Таким чином, в цього різновиду важеля є недоліки в підіймальній силі внаслідок значного збільшення амплітуди і швидкості руху . Дійсно, при згинанні в ліктьовому суглобі кистю, а тим більше кінцями пальців можна виконувати рухи із значно більшою амплітудою і швидкістю, ніж рухи п’ятою стопи при підйомі на пальці.
Піднімаючись на пальці, людина підводить тягар всього тіла, який до того ж може бути збільшений будь-яким іншим додатковим вантажем, кистю ж можна підняти тягар значно менший. При різноманітних рухах і позах людина прагне поставити своє тіло в таке положення, щоб момент сили працюючих м’язів був більший при мінімальному м’язовому зусиллі, а момент сил опору – менший. Оскільки обертальний момент сили м’язів для різного положення організму є величиною постійною, так як він визначається анатомічними особливостями будови рухового апарату, то основна увага приділяється на зменшення моменту сил опору.
Складання сил. Для визначення величини і місця прикладення рівнодійної сили групи синергістів, вектори яких паралельні, варто скласти сили всіх м’язів даної групи. Якщо ця група складається з двох м’язів, то рівнодійна дорівнюватиме сумі їх підіймальних сил, а точка її застосування знаходитиметься на прямій, перпендикулярній до напряму рівнодійних цих двох м’язів, на відстані, обернено пропорційній силі кожного м’яза. Якщо група м’язів-синергістів складається з більшої кількості м’язів, то рівнодійна всієї групи також дорівнює сумі сил всіх м’язів. Місцем її прикріплення є точка, розташована між місцями прикріплення всіх даних м’язів. Якщо заздалегідь визначити точку прикладення рівнодійної кожного з двох м’язів, то неважко знайти точку прикладення рівнодійної всієї даної групи м’язів.
Порівняно небагато м’язів розташовуються паралельно один до одного. Здебільшого їх рівнодійні знаходяться під кутом. Проте, розкладаючи сили за правилом паралелограма, завжди можна визначити ті їх складові, які йдуть паралельно і сприяють руху довкола даної вісі. При складанні сил, що впливають на рух певної ланки тіла, як доданок може бути не лише сила м’язів, але також і сила тяжіння даної ланки.
Віднімання сил. Якщо до кістки прикріпляються м’язи, які тягнуть її в протилежні сторони, то й рух в цьому випадку відбувається внаслідок складання сил з різним знаком, тобто має місце віднімання сил. Рівнодійна при цьому направлена у бік більшої сили і дорівнює різниці між більшою і меншою силами. Наприклад, до лопатки, зокрема до її хребетного краю, прикріплюються м’язи, які тягнуть її в різні боки. Так, нижній відділ великого ромбоподібного м’яза і нижні зубці переднього зубчастого м’яза, працюючи одночасно, тягнуть нижній кут лопатки в протилежні сторони. У тому випадку, коли сили м’язів, що рухають дану кістку у різних напрямах, виявляються рівними, вони врівноважуються один одним і кістка залишається нерухомою, фіксованою на своєму місці.
Сили, що діють під кутом. У тих випадках, коли м’язи тягнуть кістку у двох різних, але не прямо протилежних напрямах, рівнодійна м’язових сил виражається діагоналлю паралелограма, побудованого на цих силах.
Наприклад, напрям тяги кожного з м’язів, які відводять плече (великого грудного м’яза і найширшого м’яза спини), не збігаються з напрямом руху при приведенні плеча. Взагалі навіть не існує такого м’яза, напрям сили тяги якого повністю збігався б з напрямом руху при приведенні плеча, коли цей рух відбувається у фронтальній площині. Такими чином, два м’язи, утворюючи між собою паралелограм сил, замінюють відсутній м’яз, необхідний для виконання даного руху. Правило паралелограма сил відноситься не лише до двох, але також і до декількох м’язів, що тягнуть дану кістку у різних напрямах. У таких випадках для визначення загальної рівнодійної, тобто загальної діагоналі, необхідно скласти паралелограм між кожними двома м’язами, а потім паралелограми між діагоналями перших паралелограмів, поки, нарешті, не буде знайдена загальна рівнодійна всієї даної групи м’язів.
