Как двигаются скелетные мышцы
Как двигаются скелетные мышцы
Биомеханика и общие принципы движения
Движение скелетных мышц и связанных с ними костных структур представляет собой сложный процесс, в основе которого лежат законы механики и физики. Скелетные мышцы обеспечивают локомоцию путем воздействия на кости, которые функционируют по принципу системы рычагов. В большинстве случаев мышечные волокна пересекают один или несколько суставов, прикрепляясь к костям, образующим эти артикуляции. Сокращение мышечной ткани создает тяговое усилие, которое заставляет сочлененные кости изменять свое положение друг относительно друга. В процессе этого биомеханического акта кости движутся неодинаково: одна из костей, как правило, остается неподвижной благодаря стабилизирующему действию других мышечных групп, в то время как вторая кость совершает движение. Мышца в данной системе выполняет роль активного элемента, притягивающего подвижный сегмент к неподвижной опоре.
Анатомические точки крепления мышц
Для описания биомеханики мышц в анатомии используются специфические термины, обозначающие места их прикрепления к костному скелету. Место прикрепления сухожилия мышцы к кости, которая при сокращении остается неподвижной, классифицируется как точка начала мышцы. Анатомически эта точка чаще всего располагается проксимально, то есть ближе к центру тела или медианной плоскости. Место крепления к подвижной кости обозначается как точка приложения. Данная точка обычно имеет дистальное расположение, что особенно характерно для мускулатуры верхних и нижних конечностей. При мышечном сокращении точка приложения притягивается к точке начала, обеспечивая тем самым перемещение частей тела. Участок мышечной ткани, расположенный между проксимальным и дистальным сухожилиями, носит название мышечного брюшка. Следует отметить, что мышцы, обеспечивающие перемещение определенных частей тела, далеко не всегда покрывают саму движущуюся часть, что в противном случае создавало бы физические препятствия для совершения движений.
Механика мышечного сокращения: система рычагов
Физиологическое движение базируется на принципах механики, где кость выступает в качестве рычага, а сустав выполняет функцию точки опоры. Рычаг приводится в действие благодаря взаимодействию двух сил: мышечного усилия, выступающего в роли движущей силы, и противодействующего груза, которым является масса перемещаемой части тела или внешнее отягощение. Движение инициируется в тот момент, когда мышечное усилие, приложенное в точке приложения, превышает сопротивление груза. В зависимости от взаимного расположения точки опоры, вектора приложения силы и расположения груза, в биомеханике выделяют три рода рычагов.
Рычаги первого рода характеризуются расположением точки опоры между точкой приложения движущей силы и грузом. Механически такая система подобна конструкции ножниц или качелей. В зависимости от длины плеча силы такие рычаги могут обеспечивать как выигрыш в силе, так и выигрыш в скорости. В человеческом организме рычаги данного типа встречаются относительно редко. Классическим примером является сочленение головы с позвоночным столбом, где атлантозатылочный сустав служит точкой опоры, вес черепа выступает в качестве груза, а сокращение мышц задней поверхности шеи создает движущее усилие.
В рычагах второго рода груз располагается между точкой опоры и точкой приложения мышечного усилия, что конструктивно напоминает тачку. Данная конфигурация всегда обеспечивает значительный выигрыш в силе, однако это достигается за счет потери скорости и ограничения диапазона движений. В анатомии человека такие системы встречаются редко, наиболее ярким примером служит работа икроножной мышцы при подъеме тела на пальцы стопы.
Наиболее распространенными в человеческом теле являются рычаги третьего рода, в которых движущая сила прикладывается между точкой опоры и грузом, действуя по принципу щипцов. Подобная биомеханическая модель приводит к проигрышу в силе, но обеспечивает существенный выигрыш в скорости сокращения и максимальный диапазон движений. Эволюционно такое строение связано с необходимостью совершать быстрые и разнообразные движения конечностями с большой амплитудой, например, для захвата объектов окружающего пространства. Примером рычага третьего рода служит локтевой сустав, где двуглавая мышца плеча обеспечивает сгибание предплечья.
Архитектура мышечных пучков и её влияние на функцию
Скелетно-мышечные волокна объединяются в структурные единицы, называемые пучками. Внутри отдельного пучка волокна располагаются строго параллельно друг другу. Однако ориентация самих пучков по отношению к сухожилию может существенно варьироваться, образуя параллельные, веретенообразные, кольцевые, треугольные и перистые структуры. Архитектоника мышечных пучков напрямую детерминирует силовые характеристики мышцы и возможный диапазон ее сокращения.
При активации мышечное волокно способно укорачиваться приблизительно на семьдесят процентов от своей изначальной длины в состоянии покоя. Следовательно, чем длиннее мышечные волокна, тем больший диапазон движений способна обеспечить данная мышца. В то же время абсолютная сила мышцы зависит не от длины волокон, а от суммарной площади ее поперечного сечения. Короткие и длинные волокна сокращаются с одинаковой удельной силой, но увеличение количества волокон на единицу площади поперечного сечения пропорционально увеличивает общую силу тяги. В перистых мышцах располагается большое количество коротких пучков, что обеспечивает высокую силу сокращения при относительно небольшом диапазоне движения. Параллельные мышцы, напротив, состоят из длинных пучков, что дает преимущество в амплитуде движений при меньших силовых показателях.
Координация мышечной деятельности
Сложные локомоторные акты осуществляются посредством высококоординированного взаимодействия нескольких мышечных групп. Мышцы преимущественно функционируют парами, обеспечивая противоположные действия, такие как сгибание и разгибание. Мышца, сокращение которой является основным для выполнения конкретного движения, называется первичным двигателем или агонистом. Мышца, выполняющая противоположное действие и растягивающаяся при сокращении агониста, классифицируется как антагонист. Роли этих мышц могут инвертироваться в зависимости от характера движения и наличия внешнего сопротивления. Например, при свободном сгибании предплечья первичным двигателем выступает двуглавая мышца плеча, а антагонистом является трехглавая мышца. Однако при разгибании руки с преодолением сопротивления их функциональные роли меняются на противоположные.
Ввиду того, что сухожилия многих мышц пересекают несколько суставов, для предотвращения нежелательных побочных движений в промежуточных сочленениях задействуются мышцы-синергисты. Эти структуры обычно располагаются в анатомической близости от первичного двигателя и стабилизируют промежуточные суставы. Кроме того, в обеспечении движения участвуют мышцы-фиксаторы, задачей которых является стабилизация точки начала первичного двигателя. Такая фиксация создает надежную опору, значительно повышая биомеханическую эффективность работы агониста на дистальном конце конечности. Скелетные мышцы, выполняющие сходную функцию в определенном регионе, вместе с ассоциированными кровеносными сосудами объединяются в функциональные группы, такие как группа мышц-сгибателей или группа мышц-разгибателей.
Патологии сухожилий и значение растяжки
Интенсивная мышечная деятельность и биомеханические перегрузки могут приводить к развитию патологических состояний аппарата прикрепления мышц. Одним из распространенных заболеваний является тендосиновит, представляющий собой воспаление сухожилий. Данное состояние сопровождается выраженным болевым синдромом при каждом движении в пораженной области. Этиология тендосиновита включает чрезмерные физические нагрузки, травмы, растяжения, а также ношение слишком узкой обуви или одежды, стягивающей ткани и нарушающей нормальную микроциркуляцию. Заболевание часто носит профессиональный характер и развивается вследствие длительного выполнения монотонных, повторяющихся стереотипных движений, например, при работе за компьютером, плотницком деле или на конвейерном производстве. Для профилактики подобных воспалительных процессов рекомендуется регулярная смена видов двигательной активности и периодический отдых.
Важнейшим аспектом поддержания нормальной физиологии мышечно-суставного аппарата является растяжка, направленная на достижение и сохранение оптимального диапазона движений в суставах. Базовым методом считается статическая растяжка, при которой мышца медленно растягивается до появления ощущения легкого напряжения без болевого синдрома и удерживается в таком состоянии около тридцати секунд. Систематическое применение растяжки оказывает комплексное благоприятное воздействие на опорно-двигательную систему. Она способствует улучшению общей физической формы и подвижности суставов, снижает риски травматических повреждений, уменьшает тканевое сопротивление перед началом интенсивных физических нагрузок. Кроме того, растяжка после выполнения упражнений способствует снижению отсроченной мышечной болезненности, которая часто ассоциируется с накоплением метаболитов, таких как молочная кислота, а также помогает перестраивать мягкие ткани и благотворно влияет на общую осанку.