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1、.,第六章 骨骼肌生物力學,.,肌肉（骨骼?。┦侨梭w運動系統(tǒng)重要的組成部分，是人體運動的動力來源?？梢哉f肌肉在生物力學研究中是最具吸引力、最有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。肌肉的力學性質(zhì)十分復雜，它跟組成肌肉各種成份的力學特性有關(guān)，迄今為止人們?nèi)匀辉诓粩嗟难芯亢吞剿髦小?.,6.1離體肌肉的生物力學基礎(chǔ),肌肉的組織結(jié)構(gòu)和生物學性質(zhì)決定了肌肉的機能，肌肉機能的變化亦會對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此，對肌肉組織結(jié)構(gòu)和生物學的研究是對肌肉生物力學特性的基礎(chǔ)研究之一，為反映肌肉的生物力學特性，建立用于描述肌肉力學特性的模型。,.,肌肉的組織結(jié)構(gòu),肌肉的組織結(jié)構(gòu)和生物學性質(zhì)決定了肌肉的機能，肌肉機能的變化亦會對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生

2、影響。因此，對肌肉組織結(jié)構(gòu)和生物學的研究是對肌肉生物力學特性的基礎(chǔ)研究之一，為反映肌肉的生物力學特性，建立用于描述肌肉力學特性的模型。,.,肌纖維的顯微結(jié)構(gòu),.,1、 肌肉結(jié)構(gòu)力學模型,Hill（1950）提出一個由三個元素組成的肌肉結(jié)構(gòu)力學模型（圖3-2），即收縮元（CC）、串聯(lián)彈性元（SEC）和并聯(lián)彈性元（PEC），用此反映肌肉的功能。 CC代表可以相對滑動的肌漿球蛋白和肌動蛋白纖維絲，其張力與它們的橫橋數(shù)目有關(guān)； SEC表示肌漿球蛋白和肌動蛋白纖維、橫橋、Z盤以及結(jié)締組織的固有彈性，設(shè)它為完全彈性體；PEC表示肌纖維膜、肌束膜等結(jié)締組織，表現(xiàn)松弛狀態(tài)下肌肉的力學性質(zhì)。,Hill三元素肌肉

3、模型（Hill, 1950）,.,骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型 肌動蛋白（細） 收縮成分 肌球蛋白（粗） 骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型 并聯(lián)彈性成分 彈性成分 串聯(lián)彈性成分,.,2、 肌肉結(jié)構(gòu)力學模型性質(zhì),1. 肌肉力（F） 長度（L）關(guān)系 根據(jù)肌肉結(jié)構(gòu)力學模型，肌肉力的構(gòu)成是收縮元（CC）、串聯(lián)彈性元（SEC）和并聯(lián)彈性元（PEC）疊加的結(jié)果。 概念: 肌肉平衡長度（自由長度）：肌肉無被動張力時的最大長度。 肌肉的凈息長度：收縮元（CC）表現(xiàn)出最大張力時的肌肉長度。約為平衡長度1.25倍。 被動張力: 是指肌肉工作時并聯(lián)彈性成分的張力。 肌肉凈收縮力: 指收約縮成分收縮時產(chǎn)生的張力。 總張力: 被動張力與凈收縮力之

4、和。,.,收縮元（CC）力長度曲線,Gorden（1966）得到了肌肉精確數(shù)據(jù)，他對蛙單個肌纖維肌節(jié)長度在1.27和3.65（為微米）之間變化與其產(chǎn)生力的變化關(guān)系進行調(diào)查（圖3-3）。運用肌纖維“橫橋理論”（Huxley 1957）對這一關(guān)系進行解釋。肌肉在靜息長度下收縮元表現(xiàn)出的肌力最大（-），此時肌微絲之間的橫橋聯(lián)系數(shù)目最多。隨肌肉長度增加肌微絲被拉開，橫橋聯(lián)系數(shù)目減少，張力隨之下降（-）。達到4m時，橫橋無聯(lián)系，張力下降為零。當肌肉縮短小于靜息長度時，橫橋重疊產(chǎn)生干擾，使其聯(lián)系數(shù)目減少，導致張力下降（-），這一過程將一直繼續(xù)的全部重疊為止。雖然這一過程中肌肉張力明顯下降，但張力不可能降為

5、零。,圖3-3肌節(jié)長度與等長張力關(guān)系（Gordon 1966）,.,并聯(lián)彈性元（PEC）力長度曲線肌肉總張力長度曲線（A為平衡長度；B為凈息長度）,.,2、肌肉力（F）速（V）關(guān)系,1938年Hill的經(jīng)典工作奠定了肌肉力學基礎(chǔ)，他按照熱力學定律建立了反映肌肉收縮力速度特性的方程：,方程中F0為肌肉攣縮時的張力，F(xiàn)為松開肌肉一端后肌肉的張力，V為肌肉縮短速度，a為肌肉張力單位常量，b為肌肉收縮速度單位常量。Hill方程所描述出肌肉的FV關(guān)系與實測結(jié)果具有較好的一致性（圖3-5）。,圖3-5 攣縮蛙縫匠肌快速釋放實測肌肉F-V 曲線與 Hill方程比較（Hill 1938）,.,該曲線說明：在一

6、定的范圍內(nèi)，肌肉收縮產(chǎn)生的張力和速度大致呈反比關(guān)系；當后負荷增加到某一數(shù)值時，張力可達到最大，但收縮速度為零，肌肉只能作等長收縮；當后負荷為零時，張力在理論上為零，肌肉收縮速度達到最大。肌肉收縮的張力-速度關(guān)系提示，要獲得收縮的較大速度，負荷必須相應減少；要克服較大阻力，即產(chǎn)生較大的張力，收縮速度必須緩慢。,.,6.2在體肌肉收縮的生物力學,1、 肌肉的激活狀態(tài) 在神經(jīng)脈沖影響下，肌肉的收縮成分出現(xiàn)激活狀態(tài)。把肌肉興奮時其收縮成分力學狀態(tài)的變化稱為肌肉的激活狀態(tài)。,我們把肌肉從肌肉激活到肌肉產(chǎn)生收縮的時間叫肌肉收縮的潛伏期。,.,2、 肌肉的松弛 肌肉松弛：被拉長的肌肉，其張力有隨時間的延長而

7、下降的特性，這一特性稱為肌肉松弛。它是由肌肉串聯(lián)和并聯(lián)彈性元屬于粘彈性體的特性決定的。,.,3、 負荷對肌肉收縮力學特性的影響 動作的潛伏期延長：表現(xiàn)在串聯(lián)彈性元和并聯(lián)彈性元的“粘滯性”，和克服阻力的時間增加。 肌肉收縮幅度減小：肌肉力量不足。 收縮速度下降：Hill方程。,.,動作的潛伏期延長,肌肉收縮幅度減小,收縮速度下降,.,4、 肌肉的收縮功和功率 肌肉可以把化學能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，在能量轉(zhuǎn)換過程中肌肉克服阻力使物體發(fā)生位移，肌肉做了功。肌肉“等長收縮”時，克服阻力，外部負荷不產(chǎn)生位移，沒有做機械功。但消耗了能量，這時肌肉做了“生理功”。肌肉做功時所克服的阻力，包括肌肉的內(nèi)部阻力和外部阻力

8、。因此，肌肉做功相應分為內(nèi)功與外功。 通常所講的肌肉做功是指肌肉做外功，即機械功。肌肉做功與載荷及收縮速度大小有關(guān)，載荷大時做功大，載荷小時做功小。而載荷大小決定了肌肉收縮速度，所以肌肉做功與其收縮速度有關(guān)。,.,肌肉做功,圖3-6 不同載荷肌肉做功與收縮速度的關(guān)系,圖3-6是受試者伸膝關(guān)節(jié)肌群的測試結(jié)果。肌肉收縮速度大時做功減小是由于肌肉收縮力量下降而造成。,.,肌肉功率,肌肉收縮的功率等于肌肉收縮力與其該瞬時的收縮速度的乘積。離體肌肉在收縮時的功率可從肌肉的“FV”曲線得到。在此曲線上每一點的功率等于以該點和坐標原點為頂點所構(gòu)成的矩形面積（圖3-7中的陰影部分）。假定肌肉收縮時力和速度同時

9、達到最大值，這時功率應是最大，但這是不可能的。根據(jù)Hill方程可知實際上功率最大值大約只有這種理想值的1/10左右。即肌肉最大等長收縮力（Fm）的1/3與最大收縮速度（Vm）1/3的乘積。,.,體育運動訓練中“爆發(fā)力”的概念指的就是肌肉功率，它是指保證肌肉處于最合理的工作狀態(tài)下，在最短時間內(nèi)快速地將化學能轉(zhuǎn)換為機械功的能力。,.,功率曲線圖反映了功率與肌肉收縮力及收縮速度的關(guān)系。 當載荷為零時，肌肉表現(xiàn)出最大收縮速度，此時功率很小。 隨載荷的增加，肌肉收縮速度隨之下降，當處于1/3最大收縮力與速度位置時，功率最大（Nm）。 隨著力與速度的進一步變化，功率開始減小。當阻力增大到肌肉不能縮短時，速

10、度為零，不做功，功率為零。 如果載荷繼續(xù)增加，肌肉由等長收縮變?yōu)殡x心收縮，此時肌肉開始做負功，但肌肉的負功率隨離心收縮速度的增加而增大，這是由于肌力隨速度增大而增大的結(jié)果。,.,肌肉功率的性別、項目差異 專項素質(zhì)訓練的原則 從生物力學觀點來看，專項練習必須遵從動態(tài)適應性原則（據(jù)維爾霍山斯基），即在以下五個方面都與比賽相適應： 運動幅度和方向； 運動有效幅度的重點區(qū)間； 作用力（或肌力）的大?。?最大作用力發(fā)揮的速率； 肌肉工作的狀態(tài)。,.,5、 肌肉與肌腱的生物力學特性對運動的影響,增加動作的力和速度 提高動作的經(jīng)濟性：利用彈性能 緩沖作用,.,6、 肌肉的收縮形式,以肌肉外部長度變化來確定肌肉收縮形式： 等長收縮：肌肉長度不變，但有內(nèi)部收縮。 向心收縮：肌肉主動收縮，長度縮短。 離心收縮：肌肉主動收縮，但不能克服阻力而被拉長的收縮。,.,肌肉產(chǎn)生收縮形式變化的過程,.,思考題,1、簡述Hill肌肉三元素力學模型的組成。 2、簡述負荷對肌肉收縮力學特性有那些影響？ 3、什么是肌肉的“松弛”現(xiàn)象？試結(jié)合體育運動中的動作對其舉例進行說明。,