Биомеханични свойства на мускулите

Костите и ставите са пасивни елементи на опорно-двигателния апарат на човека. Те могат да проведат сили или пасивно да им се противопоставят чрез механичната си устойчивост. Структурата на ставите създава условия за движение на телесните сегменти. Сами по себе си обаче те не могат създадат силата, необходима за извършването на определено движение. Мускулите са активната част на опорно-двигателния апрат. Благодарение на тяхната анатомична структура и физиология те могат да генерират сила, която да бъде предадена върху костите.

Структура на мускула и вектор на силата

Скелетните мускули притежават активна част, наречена мускулно тяло и пасивна част, представена от мускулните сухожилия. Мускулното тяло (corpus musculi) се състои от снопове мускулни влакна, които осъществяват мускулното съкращение. Чрез сухожилията (tendo) мускулът се залавя за костите.

Структура на скелетен мускул

            При съкращението на мускулните клетки възниква сила, която се предава чрез сухожилията върху костите. Тази сила се стреми да доближи костните участъци, за които е заловен мускула. Тя е теглеща сила и предизвиква движение в ставата (или ставите), която е разположена между залавните места на мускула. Обикновено едната кост или костно звено е неподвижно (фиксирано) и към нея се приближава другата кост или костно звено. Силата, създадена от един мускул следва законите на механиката и има характеристиките на всяка една сила. От гледна точка на биомеханиката разположението на мускулните влакна и сухожилията спрямо костите определя посоката, в която действа силата на съответния мускул. Това определя оста на мускула. Костните участъци, за които се залавят мускулните сухожилия представлявят приложната точка на силата.  Така векторът на силата, която генерира един мускул съвпада с  линията, свързваща началното и крайното му залавно място. Посоката на вектора се определя от посоката на  движението на костните звена. От съществено значение е отношението на линията на действие на един мускул към механичната ос на даден телесен сегмент. Това е т.нар. ъгъл на прилагане  на мускулната сила. Той се сключва между оста на мускула и механичната ос на сегмента, за  който се залавя. Точното определяне на точката на приложение на мускулната сила върху анатомичните лостове определя и свойствата им.   Както вече е известно при лостовете е важно мястото на приложение на мускулната сила спрямо опорната точка, която в биомеханиката съвпада със ставния център. Ъгълът на приложение на мускулната сила и приложната й точка са определящи за движението, което ще се извърши в дадена става.  

Вектор на мускулната сила

Друга важна характеристика на мускулната сила е нейната големина.Тя се определя от броя и големината на съкращаващите се мускулни клетки – миофибри. Пряко пропорционален на максималната сила, която може да развие един мускул е неговият физиологичен напречник. Физиологичният напречник  представлява сбора от напречните сечения на всички влакна в един мускул. Приема се, че всеки квадратен сантиметър от физиологичният напречник на един мускул може да развие сила, която да уравновеси маса на външно тяло между 3 и 4 килограма. За разлика от физиологичния напречник, анатомичният напречник представлява сечението на един мускул в най-дебелия му участък. Така мускули с голям анатомичен напречник може да  развивават сила, която е по-малка от мускули с по-малък анатомиченн, но с по-голям физиологичен напречник (едноперести, двуперести мускули)

Компоненти на мускулната сила

Както вече е известно движенията при човека са ротационни движения на отделните анатомични  сегменти, които по-горе бяха определени като лостове. Поради това всяка сила трябва да бъде прилагана под ъгъл към съответния лост, за да доведе до движение (ротация) на лоста. Необходимо е  линията на теглене на мускула да сключва някакъв ъгъл с механичната ос на съответния сегмент. В тези случаи само една част от общата сила, която развива мускула се използва за получаването на това движение. Така може да се се каже, че мускулнат сила има две компоненти – работна (ротационна) - Fr, която предизвиква ротацият(движението) на съответния лост  и неработна, която може да бъде стабилизираща и раздалечаваща. Стабилизиращата  компонета – Fsе насочена към притегляне на костните звена, свързани в ставата, в която се извършва движението. Раздалечаващата (Fd - дислоцираща) компонента е насочена към раздалечаване на костните звена, участващи в ставата.

Компоненти на мускулната сила при размер на движението до 90 градуса

 Каква част от мускулната сила ще бъде употребена за движение зависи от ъгъла на теглене на мускула ( а ). Колкото ъгълът на теглене се увеличава от 0 до 90 градуса, толкова по-голяма ще бъде работнтата му компонента. При ъгъл на теглене от 90 градуса цялата сила, която развива мускула е работна.  Компонентите на мускулната сила могат да се определят като се построи биомеханична схема. При нея се обозначава с вектор големината и посоката на мускулната сила.  Начертава се механичната ос на сегмента, към който е приложена силата и се определя ъгъла на теглене. След това силата на мускула се разлага по правилото на паралелограма. Така се предполага, че при 90 градуса цялата сила е ротаторна. При движението на сегмента от 0 до 90 градуса съгласно паралелограмата неработната компонента е насочена по дължината на механичнат ос на сегмента. Тя притиска костния лост към прилежащата става и затова се нарича стабилизираща. Нейната стойност е най-голяма при ъгъл на теглене 0 градуса. При тази позиция, векторът на мускулнат сила съвпада с механичнат ос на сегмента. В човешкат тяло повечето от мускулите са разположени надлъжно на телесните сегменти, които задвижват. Така хипотетично техният ъгъл на теглене  и съответно работната компонета на тяхната сила биха били много малки. Това е създало необходимостта в опорно–двигателния апарат да съществуват структури, чрез които да се увеличи ъгълът на теглене на мускулите – т.нар. анатомични скрипци. Това са различните изпъквания на костите, сезамовидните кости (най-голяма от които е колянното капаче), някои лигаменти и т.н.

            От всичко казано до тук следва, че мускулите имат две основни функции – движение и стабилизация на телесните сегменти.  Сабилизацията, която мускули осъществяват върху ставите допълва пасивната стабилизация, осигурена от ставните връзки. За разлика от нея тя се осъществява чрез активанта контракция на мускула и се  контролира от централнат нерван система чрез рефлексната й дейност. Поради това тя се нарича активна (динамична) стабилизация.

            Промяната на ъгъла на теглене в хода на едно движение променя и съотношението между работната и неработната компонента в силата на един мускул. Това показва, че в различните фази на едно движение участието на едни мускул в него се променя.   

            Понякога ъгълът на теглене може да се увеличи над 90 градуса. В тези случаи неработната компонента от стабилизираща се превръща в дислоцираща, защото е насочена към раздалечаване на телесните сегменти.   

            Разнообразието на мускулнот действие се допълва и от различните видове контракции, които може да осъществи един мускул. Те се определят от взаимоотношението между развиваната от мускула сила и съпротивлението, което трябва да се преодолее.

 Концентрична мускулна контракция (скъсяваща). При нея мускулът развива сила, по-голяма от  съпротивлението на движението. Получава се скъсяване на мускула и приближаване на залавните му места. Този вид съкращение ни дава видимото ротационно движение в ставите. Може да се каже, че мускулът работи в преодоляващ съпротивлението режим.

            Изометрична (статична) мускулна контракция. При нея мускулът развива сила, равна на  съпротивлениета на движението. Разстоянието между залавните места на мускула не се променя. Напрежението на мускула се увеличава, но движение в ставата не се получава.  Този тип контракции създават стабилността на съответен телесен сегмент при движения, които се извършват в други стави или могат да неутрализират нежелани движения. В този случай казваме, че мускулът работи в уравновесяващ съпротивлението режим.

            Ексцентрична ( удължаваща) мускулна контракция. При нея      съпротивлението в ставата е по-голямо от силата, която развива мускула. По този начин въпреки контракцията на мускула и увеличеното му напрежение той се удължава. Движението в ставата се извършва по посока на съпротивлението. Мускулът работи в отстъпващ на съпротивлението режим. В тези случаи движението в ставата се извършва под влияние на външната сила, а мускулът чрез своята контракция контролира скоростта на движението.

Едноставни и многоставни мускули

Когато мускулът или неговите сухожилия се прехвърлят само през една става, такъв мускул се обозначава като едноставен. От гледната точка на биомеханиката можем да кажем, че този мускул осъществява функцията си в една кинематична двойка.

Както е известно от курса по анатомия,  в опорно-двигателния апарат има мускули, които свързват повече от две кинематични звена. Такъв мускул осъществява действието се в повече от една става и се нарича многоставен.

            При многоставните мускули движението в една от ставите, над които е разположен влияе върху възможностите  на движение в другата става. Така се пораждат феномен, наречен  мускулна недостатъчност.  Той може да се проявява като пасивна и като активна мускулна недостатъчност.

            При пасивната мускулна недостатъчност многоставните мускули не позволяват пълния обем на антагонистични (противоположни) движения в ставите над които се прехвърлят. Типичен пример за това са мускулите от задната мускулна група на бедрото, които са сгъвачи в колянната  и разгъвачи в тазобедрената става. Когато коляното е в напълно разгънато, сгъването в тазобедрената става е по-малко, отколкото когато коляното се сгъне.  В този случай мускулът не позволява пълния обем на движение чрез своята пасивна резистентност.

Активната мускулна недостатъчност се проявява чрез активната контракция на един многоставен мускул. Силата на неговото съкращение се оказва недостатъчна, за да се извърши пълния обем на движение в ставите на неговото действие. Това се наблюдава когато в една от ставите се извършило максималното по размер движение. Тогава мускулът се скъсил значително и възможността му за по-нататъшно съкращение е минимална. Например сгъвачите на пръстите не могат да осъществят максимална флексия на пръстите, ако преди това е извършена максимална флексия в ставите на китката. 

Монокинетичност и поликинетичност на мускула

            Многообразието на човешките движения се определя, както от големия брой на мускулите в човешкото тяло, така и от възможностите на някои от тях да извършват повече от едно движени в ставите. Когато един мускул извършва само едно движение, той се нарича монокинетичен.   Когато един мускул може да извършва повече от едно от основните движение в една става, той се нарича поликинетичен.

Мускулната синергия

Мускулната синергия представлява взаимодействието на мускулите при извършването на едно определено движение. Този термин включва не само мускулите, извършващи движението (агонисти), но и мускулите които извършват противоположното в тази става движение (антагонисти). Така за извършването на едно движение освен мускулите, които чрез своята контракция го предизвикват, е необходимо да работят и мускули, които да фиксират определени сегмени, да неутрализират нежелани движения или мускули антагонисти, които да контролират скоростта на движение в ставата. Това взаимодействие е наложило да се въведе  функционалната класификация на мускулите. Според нея те се разделят на четири групи:

1. Мускули двигатели (агонисти) – извършители на движението.

- основни мускули двигатели – те са основните извършители на определено движение;

- помощни мускули двигатели – те подпомагат основните и се включват само при определени условия, напр. за да се преодолее по-голямо съпротивление или при увреда на основните двигатели.

2. Антагонисти – дозират движението, отговарят за неговата точност.

3. Стабилизатори или фиксатори – тези мускули стабилизират определен телесен сегмент, с което улесняват или правят по-ефективно основното движение.

4. Неутрализатори –  неутрализират движения, които биха затруднили основното движение. Те неутрализират обикновено някое от движенията на поликинетичните мускули,  с което концентрират силата им в основното движение.

Трябва да подчертаем, че мускулната синергия е различна за всяко конкретно движение.

Така чрез мускулната синергия се постига прецизирането на човешките движения по посока, скорост и сила. В тренировъчния процес е важно развитието не само на мускулната сила, но усъвършенстването на взаимодействието между мускулите, което основата на мускулния контрол.

Мускулен контрол - механизъм на управление на движенията

Основен извършител на двигателната дейност на човека е двигателния апарат, но това е в неразривна връзка с нервната система, както и с останалите органи и системи на човешкото тяло. Най-характерните свойства на двигателния апарат могат да бъдат определени като самоусъвършенстване и самообновяване в процеса на работа; поливалентност и неограниченост на двигателните възможности; рефлекторен характер на двигателната дейност.  Тези основни характеристики са базирани на морфологичните особености и биомеханичните свойства на двигателния апарат в неразривна връзка с неврофизиологичните и психични фактори, изграждащи заедно единен комплекс, обслужван от всички останали органи и системи на организма. Управлението на движенията се осъществява от многоетажна система за регулация, в която всяко равнище (подсистема) дава своя принос в осигуряването им. Двигателният анализатор представлява саморегулираща се система, която предава и обработва информацията от рецепторите на скелетно-мускулния апарат и участва в организация та и осъществяването на координираните двигателни актове. В тази система съществуват йерархично съподчинени отношения между отделните подсистеми, разположени на различни “хоризонтални” и “вертикални” координати на мозъчната ос. В същото време, отделните подсистеми запазват своята автономност. Движението може да се разглежда като процес на управление, където централната нервна система е управляващото звено, а частите на тялото – управляемите звена. Процесът на управление се състои от управляващи въздействия  и информационни канали. Управляващото звено осигурява изпращане на управляващи импулси от главния мозък през гръбначния мозък към мускулите, задвижващи звената на тялото (нарича се права връзка). Най-важните и добре проучени системи за права връзка са пирамидната и екстрапирамидната системи. Те осигуряват еферентната информация до мускулите, чрез превключване на спинално ниво. Обратната връзка осигурява информация за текущото положение на звената на тялото чрез изпращане на импулси към главния мозък и бива два вида: външна обратна връзка – чрез сетивата, ( отчитат измененията спрямо околната среда) и вътрешна обратна връзка – чрез проприоцепторите (рецептори в двигателния апарат, които отчитат степента и скоростта на разтегляне на елементите на двигателния апарат). Предаването на получената информация под формата на нервен импулс до сетивната кора на мозъка се осъществява чрез различни по сложност вериги от неврони, образуващи аферентни, възходящи пътища. Когато движението е усъвършенствано , то се управлява “вътре” в организма от проприоцепцията (вътрешния кръг) и това осигурява максимална защита на изпълнението от случайни явления на околната среда. Когато е необходимо да се отчитат непредвидени влияния на външната среда, във веригата за управление се включва и кинестезията – съзнателната представа за позицията и движенията на тялото в пространството. Най-обобщеният извод за управлението на двигателния акт определя външния кръг като кръг на предаване на информацията, в който участъкът околна среда е извън организма, включва управляване на мускулите чрез нервни импулси и получаване на информация за преместването на звената на тялото чрез сетивата (зрение). За разлика от него, вътрешният кръг е в рамките на самия организъм и дава възможност за самоконтрол и самоуправление на системата, като включва управляване на мускулите чрез нервни импулси и получаване на информация за преместването на звената на тялото чрез проприорецепторите. При всяко двигателно действие на човек се решава предварително определена поставена задача. По своето значение измененията могат да бъдат случайни, приспособителни и компенсаторни. Процесът на съгласуваност между движенията, изпълнявани от човека, или координацията на движенията, довеждащи до постигането на поставената цел, може да се разгледа като съставена от няколко взаимосвързани процеси на координация – нервна, мускулна и двигателна. От гледна точка на биомеханиката овладяването на дадено физическо упражнение представлява формирането на нова система на движение. Това е процес, който включва в себе си изграждането на системата и нейното по-нататъшно усъвършенстване.

.