第三节 肌肉收缩的形式与力学特征

  一、肌肉收缩形式
  依肌肉收缩时的张力和长度变化,可将肌肉收缩的形式分为三类:缩短收缩、拉长收缩和等长收缩。
(一)缩短收缩
1
、概念:缩短收缩是指肌肉收缩所产生的张力大于外加的阻力时,肌肉缩短,并牵引骨杠杆做相向运动的一种收缩形式。缩短收缩时肌肉起止点靠近,又称向心收缩。
如进行屈肘、高抬腿跑、挥臂扣球等练习时,参与工作的主动肌就是作缩短收缩。 作缩短收缩时,因负荷移动方向和肌肉用力的方向一致,肌肉做正功。
2
、种类:依据整个关节运动范围肌肉张力与负荷的关系,缩短收缩又可分非等动收缩和等动收缩两种。
1)非等动收缩(习惯上称等张收缩):在整个收缩过程中给定的负荷是恒定的,而由于不同关节角度杠杆得益不同和肌肉收缩长度变化的影响,在整个关节移动范围内肌肉收缩产生的张力和负荷是不等同的,收缩的速度也不相同。 例如,屈肘举起恒定负荷时,肱二头肌的张力在关节角度为115—120°时最大,关节角度为30°时最小。由此,在非等动收缩中所能举起的最大重量只能是张力最小的关节角度所能承受的最大重量,也就是说,肌肉在作最大非等动收缩时,只有关节的某一角度达到收缩能力的100%,而关节的其它部分则小于100% 意义:用非等动收缩发展力量只有关节力量最弱点得到最大锻练(如图1—131—14所示)。
 1-13 非等动收缩时,肌肉产生的张力随关节角度而变化
 
1-14 等动收缩时,在整个关节范围都能产生同等的张力(或最大张力)而非等动收缩则不能
2)等动收缩:在整个关节范围内肌肉产生的张力始终与负荷等同,肌肉能以恒定速度或等同的强度收缩。 等动收缩是通过专门的等动负荷器械来实现的。该器械使负荷随关节运动进程得到精确调整,即在关节角度的张力最弱点负荷最小,而在关节角度张力的最强点负荷最大,因此,在整个关节范围内肌肉产生的张力始终与负荷等同,肌肉能以恒定速度或等同的强度收缩。在作最大等动收缩时,肌肉产生的张力在整个关节范围都是其能力的100% 意义:因而采用等动收缩形式发展力量可使肌肉在关节整个运动范围都得到最大锻练。 (二)拉长收缩
1、概念:当肌肉收缩所产生的张力小于外力时,肌肉积极收缩但被拉长,这种收缩形式称拉长收缩。拉长收缩时肌肉起止点逐渐远离,又称离心收缩。
4、  特点:肌肉收缩产生的张力方向与阻力相反,肌肉做负功。 5、  意义:在人体运动中拉长收缩起着制动、减速和克服重力等作用。 在运动实践中拉长收缩又往往与缩短收缩联系在一起,形成所谓牵张-缩短环,即肌肉在缩短收缩前先进行拉长收缩,使肌肉被牵拉伸长,这样,在紧接着的缩短收缩时,便可产生更大的力量或输出功率。如跑步时支撑腿后蹬前的屈髋、屈膝等,使臀大肌、股四头肌等被预先拉长,为后蹬时的伸髋、伸膝发挥更大的肌肉力量创造了条件。 (三)等长收缩
1
、概念:
当肌肉收缩产生的张力等于外力时,肌肉积极收缩,但长度不变,这种收缩形式称等长收缩。
2、特点:等长收缩时负荷未发生位移,从物理学角度认识,肌肉没有做外功,但仍消耗很多能量。 3、意义:等长收缩是肌肉静力性工作的基础,在人体运动中对运动环节固定、支持和保持身体某种姿势起重要作用。
(四)三种肌肉收缩形式比较
三种肌肉收缩形式,反映了肌肉收缩的不同特征。人体任何一种运动动作的实现,都有赖于三种肌肉收缩形式的协调配合。
    
另外,有人对三种肌肉收缩形式产生的张力水平进行过研究。结果表明:拉长收缩产生的最大力量,大大超过等长和缩短收缩。拉长收缩产生的力量约比缩短收缩大50%,比等长收缩大25%左右。也就是说,肌肉收缩力量水平,由大到小依次是拉长收缩、等长收缩和缩短收缩。但拉长收缩放下负荷要比缩短收缩举起负荷容易,这是因为拉长收缩耗氧少、耗能也少的缘故。同时,比较肌肉收缩形式与发生延迟性肌肉疼痛的关系也表明,拉长收缩诱发肌肉疼痛最显著,而缩短收缩则不明显,等长收缩时诱发的肌肉疼痛比缩短收缩稍明显,但大大低于拉长收缩。有人还报道,等动收缩后肌肉疼痛几乎不会发生。
    上述三种肌肉收缩形式的比较如表1-2 二、肌肉收缩的力学特征 肌肉收缩的力学特征,指的是肌肉收缩时的张力与速度、长度与张力的关系,它们反映了负荷对肌肉收缩的影响。此外,肌肉的功能状态(即收缩能力)不同,肌肉收缩时表现的力学特征也不一样,由此,肌肉的功能状态也是影响肌肉收缩的因素之一。 (一)后负荷对肌肉收缩的影响——张力与速度关系
1
、后负荷:肌肉开始收缩时才遇到的负荷或阻力称后负荷。当肌肉在后负荷的条件下收缩时,最初由于肌肉遇到阻力而不能缩短,只表现张力的增加,但当肌肉张力发展到与负荷阻力相等时,肌肉开始以一定的速度缩短,负荷被移动。
2、张力-速度曲线:肌肉在后负荷作用下表现的张力与速度的这种关系描绘在坐标上可得到一条曲线,称张力-速度曲线(如图1-15所示)。 如果以肌肉开始缩短的张力和初速度为指标,改变后负荷大小,会发现,后负荷越大,肌肉产生的张力也越大,肌肉缩短开始也越晚,缩短的初速度也越小,反之亦然。 3、张力和速度呈反比关系 负荷  ,张力  ,速度     负荷  ,张力  ,速度     该曲线说明:在一定的范围内,肌肉收缩产生的张力和速度大致呈反比关系;当后负荷增加到某一数值时,张力可达到最大,但收缩速度为零,肌肉只能作等长收缩;当后负荷为零时,张力在理论上为零,肌肉收缩速度达到最大。 肌肉收缩的张力-速度关系提示,要获得收缩的较大速度,负荷必须相应减少;要克服较大阻力,即产生较大的张力,收缩速度必须缓慢。 1-15 肌肉收缩的张力-速度关系 4、机制: (1)       张力取决于活化横桥的数目; (2)       速度取决于ATP分解的速率。 以上所述的肌肉收缩的张力—速度关系是由肌肉的性质决定的。研究表明,肌肉张力和收缩速度可能分别被两种独立的机制所控制,收缩产生张力的大小取决于活化的横桥数目,而收缩速度则取决于横桥上能量释放的速率。当后负荷增大时,使更多的横桥处于活化状态,这样增大了肌肉收缩的张力,同时抑制了ATP水解,降低了能量释放率,使收缩速度变慢。收缩速度与活化横桥数目无关,其道理就象一个人或几个人以同样速度拖一根绳子,绳子的速度不变。
5
、训练对肌肉收缩的张力—速度关系的影响
1)训练可改变肌肉收缩的张力—速度曲线。有训练运动员,其张力速度曲线向右上方偏移,即在相同的力量下,可发挥更大的速度;或在相同的速度下,可表现出更大的力量。 2)不同训练负荷,对张力速度曲线可产生不同的专门性影响。 无负荷(0%Pmax)的最大缩短收缩训练,能最有效地增进最大速度; 最小负荷训练,增加速度,如短跑,快跳 b 100%Pmax的等长训练,则使最大力量增进最多。 速度不变,负荷增加,如扛哑铃 它们的张力速度曲线在训练后的特点是分别在速度或力量上有较大的改变。 c 在30%Pmax60%Pmax训练,表现力量和速度全面增进,因而其张力-速度在训练后成平行的改变。(图1-16)如中长跑  1-16  不同训练负荷对张力速度曲线的影响 (二)前负荷对肌肉收缩的影响——长度与张力关系
1)、前负荷:前负荷是指在肌肉收缩前就加在肌肉上的负荷,它使肌肉收缩前就处于某种被拉长状态。前负荷   ,初长度
改变前负荷实际上是改变肌肉收缩的初长度。 2)、肌肉收缩的长度-张力曲线     如果在坐标图上将肌肉在不同前负荷作用下长度与张力的变化绘制下来,就可以得到一条曲线,该曲线称为肌肉收缩的长度-张力曲线(图1-17)。该曲线类似开口向下的抛物线,其顶点显示适宜初长度时,肌肉收缩产生的张力最大。  3)、长度与张力关系     初长度   ,张力   ,到某一点时,初长度  ,张力 实验表明,逐渐增大肌肉收缩的初长度,肌肉收缩时产生的张力也逐渐增加;当初长度继续增大到某一数值时,张力可达到最大;此后,再继续增大肌肉收缩的初长度,张力反而减小,收缩效果亦减弱。 如要跳的更高,先蹲下,肌肉拉长。 6、  适宜初长度:通常把引起肌肉收缩张力最大的初长度称为适宜初长度。 7、  机制: 肌丝滑行理论,粗细肌丝适宜重叠,拉长时,起作用的横桥数目增多,过度拉长,横桥数目减少
 1-17 肌肉收缩的长度-张力关系
长度-张力关系可用肌丝滑行的收缩原理加以解释。肌肉初长度处于适宜水平时,肌节长度约2.0—2.2微米,粗、细肌丝正处于最理想的重叠状态,因而起作用的横桥数目最多,表现收缩张力最大。与此相反,如果肌肉拉得太长,粗、细肌丝趋向分离,起作用的横桥数目减少,肌肉张力下降;同样,如果肌肉过于缩短,细肌丝中心端在肌节中央交错,起作用的横桥数目亦减少,肌张力将急剧下降。
(三)肌肉收缩能力的改变对肌肉收缩的影响
肌肉收缩能力的改变:通常把可以影响肌肉收缩效果的肌肉内部功能状态的改变,定义为肌肉收缩能力的改变。
 上述前、后负荷对肌肉收缩的力学影响,显然是肌肉在本身功能状态恒定情况下对外部负荷改变所作的相应反应。但肌肉的功能状态也是可以改变的,它也可影响肌肉的收缩效果。例如,缺氧、酸中毒、肌肉中能源物质的大量消耗,以及其它因素引起的肌肉兴奋-收缩耦联、肌肉内蛋白质和横桥功能特性的改变,都可降低肌肉收缩效果。而钙离子、咖啡因,肾上腺素等体液因素则可通过影响肌肉的收缩机制提高肌肉收缩效果。通常把可以影响肌肉收缩效果的肌肉内部功能状态的改变,定义为肌肉收缩能力的改变,以区别肌肉收缩时外部条件即前、后负荷对肌肉收缩效果的影响。这样的区分虽然在概念上比较容易,但在在体情况下要区分哪些改变是由肌肉收缩能力改变引起的,哪些是由负荷条件改变引起的,常常比较困难。 2、意义:对肌肉收缩能力改变的深入研究,对探讨训练对肌肉收缩能力的影响具有重要意义。例如上述训练引起肌肉力量-速度曲线向右上方偏移的改变,可能是由于肌肉收缩能力的改变所引起的。 三、肌肉的做功、功率和机械效率  (一)肌肉的做功
1
、含义:在物理学里,把一个物体在力的作用下移动,称做该力对物体作了功,其值等于力和物体沿力方向移动距离的乘积。可用下列公式表示:
    W
(功)=F(力)·S(距离)cosθ θFS之间夹角)
    
肌肉在作非等长收缩时,可以作功,在作等长收缩时,物体没有产生位移,因而没有作功。
    
肌肉作功时克服的阻力,包括肌肉的内阻力和外阻力。因此,肌肉作功相应分为内功和外功。肌肉克服外阻力,如举起重物,做了外功,此时肌肉收缩的能量被转移为重物的位能,如肌肉做功是使身体运动,则转变为身体运动的动能。通常所讲的肌肉作功,主要是指肌肉作的外功,即机械功。
2、影响肌肉机械功大小的因素 1)张力——肌肉张力的大小由肌肉收缩时的力学、解剖学和生理学等条件所决定
A
负荷是肌肉产生张力的基本力学条件。
负荷可以是重量,也可以是它的惯性力或其它的力。肌肉工作时,随着负荷的增大,肌肉收缩产生的张力也增大。 影响肌肉张力的解剖学因素,主要是肌肉的生理横断面的大小。 肌肉生理横断面是肌肉所有肌纤维横断面积的总和,在其它条件相同下,肌肉生理横断面愈大,包含的肌纤维也愈多,它所产生的张力也愈大。肌肉张力与生理横断面的关系可以用绝对力量、比肌力和生理横面三者的关系来表示。一块肌肉在对抗它所能勉强移动的负荷下收缩,所产生的最大张力为绝对力量,肌肉每平方厘米生理横断面所发挥的最大力量,称比肌力,比肌力等于肌肉的绝对力量与生理横断面积的比值。据测定,人体肌肉的比肌力约4-10kg·cm-2,很显然,生理横断面积越大,肌肉的力量也越大。 决定肌肉张力的生理条件可归结为神经肌肉兴奋和疲劳的程度,即神经系统的机能状态。 大强度力量训练能提高肌肉的力量,在很大程度上是因为改善了神经系统对肌肉工作的调节能力。日本生理学家猪饲道夫曾报道,有训练的优秀运动员在最大用力时,神经系统可以动员90%肌纤维参加工作,而常人最大用力时只能动员60%的肌纤维参与工作。
2)肌肉的长度决定肌肉工作时能缩短的最大距离。
构成肌纤维的基本功能单位是肌小节,每块肌肉中肌小节的长度相对是一样的,而肌肉长度大,表明串联着的肌小节数量多,肌肉收缩时,缩短的程度就大。有报道,肌纤维平行排列的肌肉,在其它条件相同时,其机械功的大小与肌肉长度成正相关,即肌肉越长,缩短的距离越大,肌肉作功能力就越大。 如,小腿肌长做功多,运动选材重点 (二)肌肉收缩的功率
    
在以上讨论肌肉做功时,没有涉及做功所需要的时间。从肌肉工作能力来说,时间因素是极其重要的。如果两群肌肉做的功一样多,那么短时间完成这一功的肌肉,显然其能力较大。
1、概念 功率:物理学中把单位时间所作的功称为功率,即:
             P
(功率)=W(功)/t(时间)
    
由于WF·S,上式可写成:
         P(功率)=F(力)·V(速度)
在运动技术中,通常把力和速度的乘积称为爆发力,因此,功率又被称为肌肉收缩的爆发能力。
2
、应用:
1)在体育运动中,人体所能输出的功率或爆发力的大小是十分重要的。如短跑的起跑和疾跑,其加速度的大小取决于功率值的大小。起跳和投掷动作效果,同样也都取决于功率的大小。
    
肌肉作等长收缩时功率等于零,在非等长收缩时,功率等于力与速度的乘积,其值可由肌肉收缩的张力-速度曲线(如图1-15)计算出来。由于肌肉工作时张力与速度呈反变关系,要满足肌肉收缩力和收缩速度同时都达到最大,从而获得最大功率,实际上是不可能的。
2)功率的最大值应出现在速度和张力的最佳值处。金子1970年的研究认为,这个最佳值,即力和速度的最佳匹配条件都大约为它们最高值的35%,此时,肌肉输出的功率或产生的爆发力最大。因此,在运动实践中,要发挥肌肉工作的最大输出功率或产生最大爆发力,肌肉作业的理想负荷应是中等负荷,并以尽可能快的速度进行收缩。 (三)肌肉收缩的机械效率
    
肌肉收缩时消耗的能量,被转变为功及热。在等长收缩时机械功等于零,因而,其化学反应能全部释放变成热。在作非等长收缩时,能量的一部分消耗于作功上,另一部分转变成热,所以,肌肉工作消耗的总能量是作功所消耗的能和所产生的热能的总和。
1、肌肉工作的机械效率 肌肉工作的机械效率(η)是完成的机械功(W)与消耗的总能量(E)的比率:
                 η=W/E
  人的机械效率一般为25—30%。如熟练的步行为33%,而自由泳为1.5%(古林)。
2、影响肌肉工作的机械效率的因素 人的机械效率大小取决于肌肉活动时负荷和收缩速度。适宜的负荷和适宜收缩速度所实现的机械效率最高。而适宜负荷和适宜速度也不是固定不变的,它们取决于神经肌肉的机能状态。运动训练有助肌肉工作机械效率的提高。 如,马家军,小步子快速跑 复习思考题 1.比较下列概念的涵义:兴奋与兴奋性;阈值与时值;静息电位与动作电位;
 
不完全强直收缩和完全强直收缩;肌肉的收缩成分与弹性成分。
2.
刺激引起组织兴奋应具备哪些条件?
3.
简述静息电位和动作电位产生的原因。
4.
比较兴奋在神经纤维传导与在神经-肌肉接点传递的机制和特点。
5.
何谓肌肉收缩的滑行理论?
6.
试述从肌细胞兴奋到肌肉收缩的全过程。
7.
试比较肌肉工作三种形式的特点?指出它们在体育实践中的意义。
8.
分析肌肉工作的张力与速度关系、生理机制以及在运动实践中的意义。
9.
分析肌肉工作的长度与张力关系、生理机制以及在运动实践中的意义。

相关推荐

利发国际官方网