肌肉力学基础及黏弹特性

(一)肌肉作用的一些基本术语

人体各环节绕关节的运动是来回转动,而不是像电风扇那样的转圈运动,人体的一块肌肉的缩短和被拉伸的次数是一样的。过去人们常说的肌肉收缩发力,其实这个“收缩”的并不一定是“缩短”的意思,肌肉发力时肌肉不一定“缩短”。有的文献中采用了“肌肉作用”一词来代替“肌肉收缩”,两者在文献中是通用的。肌肉产生力时,根据肌肉长度的改变不同,分为以下几种:

1.向心作用

肌肉产生力时肌肉的起止点互相靠近,肌肉的长度缩短,这时肌肉力大于外部阻力,习惯上把向心作用时肌肉缩短的速度作为正速度。

2.等长作用

当肌肉力与阻力相等时,肌肉长度不变,也不引起关节的运动,称为等长作用或静力收缩。如半蹲位时股四头肌收缩,此时肌张力恒定。在对抗固定物体而发生等长作用时,肌肉的张力视主观用力程度而定。

3.离心作用

当肌肉力低于阻力时,原先缩短的肌肉被动延长,称为离心作用或延长收缩,如下楼梯时股四头肌的延长和收缩。现已知过多离心收缩可以造成肌肉酸痛。

在日常生活中,肌肉的以上几种作用方式常结合运用,均可用于肌力训练。

(二)肌肉张力-长度的关系

1.肌纤维的力-长度关系

肌肉收缩时产生的张力变化主要依赖肌小节内部结构的变化。由图2-6可以看出,肌肉收缩的长度与肌力的产生有着直接影响。当肌小节处于放松状态、长为2μm左右时,张力最大;当肌小节长度达到3.6μm以后,张力变为零,此时粗、细肌丝之间没有交叉重叠,从横桥理论上来说,没有横桥产生。根据这一研究结果认为,肌肉收缩力的大小主要取决于参与收缩的横桥数目,而收缩成分长度的变化影响着收缩时起作用的横桥数目。如图2-6所示表现出最大张力时的长度为肌肉的适宜初长度,约为肌肉平衡长度(肌肉零负荷时的长度)的125%,此时粗丝和细丝处于最理想的重叠状态,起作用的横桥收缩数目达到最大,这时肌肉收缩能产生最大的张力。当肌小节的长度逐渐缩短,从2.0μm到1.65μm时,相邻肌动蛋白纤维丝相重叠,有效长度减小,横桥数目减小,肌小节产生的主动张力逐渐减小。

图2-6　肌小节长度-张力关系曲线

图2-7　肌肉长度-张力关系曲线

2.肌肉的力-长度关系

肌纤维具有主动收缩性,肌纤维及其周围的结缔组织还可被动承载,整块肌肉收缩时总张力应为主动张力和被动张力之和,如图2-7所示。图中的曲线C表示肌纤维收缩时长度变化-主动张力变化的关系;曲线A表示肌纤维被动承载时的长度变化-被动张力的变化关系;曲线B是曲线C与曲线A之和,表示总张力。从图中可知,肌原纤维的长度为1.7L0(L0为肌肉原长度)时,主动张力为零,此时粗丝与细丝之间完全无结合,被动张力最大;随着肌肉长度的缩短,粗丝与细丝之间的结合增多,主动张力逐渐变大,被动张力逐渐变小;到全部结合时,主动张力达到最大值F0(即曲线C的顶点),而被动张力则减小为零;此后,肌肉再缩短时,粗丝与细丝叠合后粗丝皱褶,张力逐渐减小,当长度等于0.5L0时,张力为零。

(三)肌肉张力-速度的关系

肌肉收缩速度与收缩力之间存在着一定的关系。希尔用青蛙的缝匠肌为试件,进行了大量的实验研究。把青蛙的缝匠肌两端夹紧,保持长度L0不变,用足够高的频率和电压去刺激,使它挛缩产生张力F0。然后将它的一端放松,使其张力下降为F,在张力下降过程中测量张力F和收缩速度v,同时测定肌肉收缩时产生的热量和维持挛缩状态时需要的热量Q。肌肉收缩时消耗的能量E用于两部分:一部分是对外做机械功;另一部分是产生收缩热量,可以对此问题进行定量研究。

肌肉收缩时对外所做的机械功A,等于负荷P与收缩距离x的乘积,即

另外,从实验发现,肌肉收缩时产生的收缩热量Q与肌肉收缩的距离成正比,即

式中,比例系数a表示肌肉收缩单位长度所产生的收缩热,具有力的量纲。对不同的肌肉,a的值都相同,它与负荷的大小无关,但和肌肉的横截面积成正比,且与温度相关。根据能量守恒定律,肌肉收缩时对外释放的能量应为

将上式对时间求导数,并考虑距离对时间的导数等于速度,即

实验还得出,肌肉收缩时对外所消耗的能量E的时间变化率随负荷的减小而增大,且与肌肉能提起的最大负荷P0和实际负荷P之差成正比,设其比例系数为b(b是具有速度的量纲),则,则有

由式(2-4)和式(2-5)可得

可将式(2-6)改写为

希尔方程描述了骨骼肌肌肉收缩时的力-速度关系式,它指出肌肉收缩速度v随负荷P的增大而呈双曲线式地下降,即张力越大,缩短速度越小;反之亦然。

依据希尔方程,对肌肉3种不同收缩形式的力-速度建立坐标系,如图2-8所示。

图2-8　肌肉不同收缩形式的力-速度曲线

肌肉收缩的力-速度关系曲线特征,对指导肌肉力量训练负荷的安排有着重要的理论意义。肌肉力量发展的最基本原理就是负荷适应性,不同的力量训练负荷安排影响着肌肉力量特性的发展。肌肉收缩速度为零时,即曲线与纵轴的交点,为肌肉等长收缩力量,体现了肌肉的绝对力值。大强度的负荷训练安排,主要体现为力量的提高,曲线向左上方偏移;小强度负荷的快速训练,主要为速度力量优化,曲线向右上偏移;当肌肉的力量与速度都产生适应性提高,那么肌肉就会表现出做功能力的提高。肌肉力量训练的最终目标,应该是根据专项特点,使肌肉的力-速度曲线向最适宜的方向偏移,从而提高肌肉的工作能力。

肌肉离心收缩中,肌肉张力随着被拉伸速度的增加而增加,当达到一个临界速度时,力就变成一个不随速度变化的常力,其大小等于最适宜肌肉长度时的最大等长收缩力F0的1.5～2.0倍。首先,肌肉强直状态下进行拉伸,在收缩成分内要完成粗、细肌丝耦合的分离所需的力,要比保持等长收缩张力更大;拉伸速度越快,意味着这种能耗越高。其次,肌肉的黏滞性受拉伸速度的影响,拉伸速度越快黏滞性越大。上述两个方面决定着肌肉强直收缩后进一步拉伸需要更大的力量。需要说明的是,在此所讨论的肌肉离心收缩,与肌肉在外力作用下的“主动”退让性工作(如下肢缓冲、投掷动作中的预拉伸等)还是有较大的差异。缓冲类动作中的肌肉离心,是在部分纤维反射性激活状态下的有控制的肌肉拉伸,是肌肉的主动退让;肌肉整体结构(串、并联成分)的承载、能量的吸收主要依靠肌肉的黏弹性。肌肉在强直状态下的拉伸运动过程中是很少见的,而且这种状态的拉伸表现为肌肉僵硬。运动中的肌肉僵硬是导致肌肉损伤发生的原因之一。

(四)肌肉功率(爆发力)-速度关系

1.肌肉功率的概念

功只能反映做功的多少,而不能反映做功能力的大小。人体运动能力的大小,运动成绩的高低,主要取决于人体运动过程中完成动作肌肉功率的大小,也就是说取决于肌肉的化学能转化为机械能的速度与效率。功率的定义为单位时间内做功的多少。但是,对于肌肉功率来说,肌肉收缩的功率为肌肉收缩力与收缩速度的乘积,即P=Fv。由此可知,肌肉功率大小可依据肌肉的“力-速度”关系曲线计算。在曲线每一点上的功率等于该点至两坐标距离所围成的矩形面积(图2-9)。假设肌肉收缩力和收缩速度同时达到最大值,理论上这时肌肉功率应达到最大值,但实际上对于肌肉收缩来说是不可能的。根据希尔方程可知,功率最大值大约只有这种假想值的1/6,即肌肉最大等长收缩力的1/2与最大收缩速度1/3的乘积。也就是说最大的动力性肌肉功率,只有在肌肉以最大肌力的50%工作时才能获得。一块肌肉在等长作用(这时v=0)和用最大收缩速度作用(这时F=0)时能发出的功率是0。力和速度在它们最大值的1/3～1/4时,功率有一个最大值。

(www.xing528.com)

图2-9　肌肉收缩力、速度、功率关系

(引自《运动生物力学》,陆爱云,2011年)

2.肌肉收缩功率的专项适应性

从事不同专项的运动员,因先天因素以及项目训练的适应件不同,在肌肉功率方面也表现出明显的专项特征。如对短跑、中长跑和长跑运动员伸膝功率进行比较显示,短跑运动员的最大功率为100%,中距离选手为80%,长距离选手为70%[图2-10(a)]。由力-速度曲线可知,曲线由高到低的排列顺序为短跑、中长跑及长跑。如短跑选手与跳高选手比较,虽然最大功率相近,但其最大瞬时肌力和速度则有差异,短跑运动员以发挥速度占优势,而跳高运动员则以发挥力量占优势[图2-10(b)]。

图2-10　伸膝功率的项目差异

(引自《运动生物力学》,赵焕彬等,2008年)

肌肉训练的专项适应性特点从肌肉力学的角度来分析,主要是肌肉收缩的力-速度曲线向右向上偏移,但每一专项又各有其肌肉功率特征。为获得最适宜的专项肌肉功率特性,在运动训练安排中应从以下几个方面考虑:①动作的幅度与方向;②运动的有效幅度及重点区;③作用力(或肌力)的大小;④最大作用力的发挥速率(或称力的梯度);⑤肌肉工作形式等。如在田径运动训练中,采用牵拉橡皮筋以发展运动员摆腿的力量,这种练习无论是动作工作特征,还是动作重点区域,都不符合跑、跳项目的技术要求。

(五)持续时间-应力的关系(人体黏弹性材料的力学特征)

持续时间-应力的关系考虑的是生物和人体疲劳的特性,这里把疲劳定义为一块肌肉没有能力保持所需要的力的现象。肌肉疲劳会出现以下几种现象:

1.应力松弛

当物体突然发生应变时,若应变保持一定,则相应的应力将会随着时间的增加而下降。人体的肌肉、肌腱、关节软骨、韧带长时间不用(不进行健身锻炼),则弹力、抗拉伸能力均下降。人体材料长时间不使用则自身的力学性能会下降,即所谓的“用进废退”。生命在于运动,是体力劳动(运动锻炼)能强健筋骨的依据或原理之一。

2.蠕变

当物体突然产生应力时,若应力保持一定,则相应的应变会随着时间的增加而增大。人体的肌肉、肌腱、关节软骨、韧带长时间相对恒定地承受外力作用,材料自身的长度会被拉长。这是人体柔韧性可以改变,骨骼长期受恒定外力、负荷牵拉、扭压时,会沿受力方向产生形变的依据之一。

蠕变和应力松弛在本质上是相同的,可以把应力松弛看作应力不断降低的“多级”蠕变。当一块肌肉产生的应力大时,疲劳发生得快,但一块肌肉产生一个很小的力时,可以持续几乎无限长的时间。

3.滞后

加载和卸载的曲线不重合。原因是黏弹性材料的分子结构所决定的,适应外力调整其空间构象的速度缓慢。人体的肌肉、肌腱、关节软骨、韧带突然和剧烈的大力量用力,可能导致能够承受大负荷的人体黏弹性材料过度拉伸变形及损伤;长时间的中高强度或小负荷强度的外力作用,会导致人体黏弹性材料的不可逆转的形变,尤其是关节面的受力形状和骨骼的形变。如人体坐、立、走、跑等姿势不正确而长期得不到纠正所导致的人体脊柱、关节、骨骼的形变或人体软组织的慢性劳损。

慢肌纤维占优势的肌肉比快肌纤维占优势的肌肉能在更长的时间内保持一定的应力(图2-11)。慢肌纤维占优势肌肉的运动员比快肌纤维占优势肌肉的运动员,更适合从事需要较长时间肌肉用力而且用力水平比较低的运动项目。

图2-11　慢肌纤维和快肌纤维的持续时间-应力关系

(六)肌力速度变化梯度

肌肉发力需要一定的时间,在许多运动中往往要求运动员在极短的时间内发挥出最大的力,表现其运动能力。这种极短时间内肌肉发力的表现特征称为肌力速度变化梯度。数学表达式是力对时间的一阶导数dF/dt(图2-12)。

图2-12　肌力速度曲线

图2-13　不同的力随时间的变化曲线

(引自《运动生物力学》,赵焕彬等,2008年)

在量值上表征力的梯度,常用下列两个指标中的一个表示:

第一,达到最大力所需的时间,称为力的时间梯度。这种描述简单方便,但不够精确。

第二,力的最大值与所需时间的比值,这个指标称为力的速度梯度,它等于图2-12中角α的正切值。

力的增长速率在快速动作中比较有意义,如图2-13所示中说明了两名运动员的力随时间变化的曲线,由此可知力增长的实践意义。运动员A的最大力值大,但力的梯度小,而运动员B正好相反,力的梯度大,但力的最大力值小。如果持续时间足够长(t>t3),两名运动员都有充足的时间达到自己的最大力值,则最大力值大的运动员A占优势,若运动进行的时间很短(t<t1),则力的梯度大的运动员B占优势。

一般肌肉达到最大力值所需的时间(tFmax)为300～400 ms。在许多运动中力的发挥时间要比此时间短得多。例如,优秀短跑运动员蹬地持续时间少于100 ms,跳远运动员蹬地时间少于180 ms,跳高运动员蹬地时间少于250 ms,掷标枪运动员最后用力时间约为150 ms等。在这种情况下,运动员往往来不及发挥出最大力,因此运动员用力的效果很大程度上依赖于力的梯度。

(七)人体运动中肌肉的力学特性

1.依赖激活现象

肌肉收缩是神经冲动刺激下的肌纤维“兴奋-收缩”耦联,肌纤维收缩输出肌力的过程。这一过程中,收缩成分的过渡时期与肌力的输出存在时间上的不同步现象,人们把肌肉在神经冲动刺激下的收缩成分的耦联时相称为肌肉激活状态(图2-14)。肌肉兴奋后能迅速地达到激活状态的高峰,但整块肌肉张力的发展过程要慢得多。依据肌肉结构力学模型的原理可知,这是由于肌肉进入激活状态后,收缩元兴奋产生的张力,首先被其串联的弹性成分的变形所吸收。当串联弹性元的变形及张力进一步发展,整块肌肉的张力达到一定的程度后,收缩元的主动张力才能直接对肌肉起止点施力,表现出肌肉收缩力输出。肌肉的预激活,对人体的快速启动力量、爆发性力量都有着积极的意义。处于激活状态的肌肉,在弹性成分中有一定的能量储备,可以使收缩元的主动张力在更短时间内直接向外部表现出来。例如,很多运动项目中都有一个反向动作即超越器械动作,该动作使主要原动肌被积极地预拉长,从而提高成绩。

图2-14　肌肉激活与张力发展的关系示意图

(引自《运动生物力学》,陆爱云,2011年)

另外,疼痛或受伤部位的肌肉不允许充分激活。如膝关节前面部位疼痛、韧带损伤、水肿等都会降低膝关节伸肌的激活水平,比正常时的最大随意收缩所能达到的激活水平低。

2.肌肉的应力松弛与非代谢能的再利用

人体运动过程中,当被拉伸的肌肉出现应力松弛时肌肉的弹性力下降,导致肌肉收缩的力量降低。如纵跳练习,下蹲之后有停顿和无停顿的纵跳,两种情况下的起跳力量、弹跳高度有较大的差异。有停顿时的起跳力量、纵跳高度会下降,原因是有停顿时肌肉及肌肉中的弹性成分产生松弛,非代谢能量的利用较低。若停顿时间大于肌肉松弛出现的时间,则肌肉所产生的弹性势能会被完全耗散掉,后继动作就只能单纯依靠肌肉的收缩力来完成。人体运动中有效地利用肌肉的非代谢能,减少肌肉应力松弛所导致的能量耗散,以增大肌肉力,或提高动作效果的重要条件是:一方面是积极储备肌肉的非代谢能;另一方面是缩短肌肉拉伸与向心收缩的转换时间。肌肉的非代谢能储备与拉伸-收缩转换时间是肌肉的运动能力,是对系统的、科学的训练的适应。肌肉非代谢能的再利用能力的提高,需要进行针对性力量训练,如从肌肉超等长收缩训练而获得。

3.肌肉的黏滞性

肌肉的黏滞性是肌肉收缩或被拉长对肌纤维之间、肌肉之间发生摩擦所致,它会使肌肉在收缩或被拉长时产生阻力而额外消耗一定的能量。肌肉的黏滞性也是影响肌肉力学特性的重要因素之一。肌肉黏滞性的大小与温度有关,温度低时,则黏滞性大;反之,则黏滞性小。在进行训练或比赛前,必须先做好充分的准备活动,增加体温,减小肌肉的黏滞性,提高肌肉收缩和放松的速度,从而避免肌肉拉伤,尤其在气温较低的季节这点显得更为重要。