ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2004, том 30, № 4, с. 114-123
УДК 612.821
РОЛЬ ОДНО- И ДВУСУСТАВНЫХ МЫШЦ НИЖНЕЙ КОНЕЧНОСТИ В НАЗЕМНЫХ ЛОКОМОЦИЯХ
© 2004 г. А. В. Воронов
Московской городской педагогический университет Поступила в редакцию 10.06.2003 г.
На примере многосуставных движений (прыжок вверх) рассматриваются особенности функционирования одно- и двусуставных мышц. Мощности односуставных разгибателей коленного и голеностопного суставов недостаточно для того, чтобы выполнить сильное и быстрое движение, типа прыжка вверх. Двусуставные мышцы m. rectus femoris и m. gastrocnenius передают силы/мощности от одних суставов в другие, тем самым компенсируется физиологический "недостаток" односуставных мышц, связанный со снижением силы тяги мышцы при увеличении скорости сокращения. При прыжке вверх из тазобедренного в коленный сустав через m. rectus femoris может передаваться мощность 300 Вт; из коленного в тазобедренный через hamstring - 230 Вт; из коленного в голеностопный через m. gastrocnemius - 210 Вт; и из плюснефалангового в голеностопный через m. flexors - 26 Вт.
За последние годы было проведено большое количество исследований, связанных с определением силы тяги мышц по результатам решения обратной задачи динамики (ОЗД), т.е. когда по известной кинематике находят силы, вызвавшие это движение. Силы мышц, развиваемые при движении человека, определяли следующими методами: а) математического моделирования (линейное, нелинейное и динамическое программирование [1-32]; б) построением регрессионных моделей, связывающих электромиографическую (ЭМГ) активность мышц с её силой [33-40]; в) измерением внутримышечного давления [41, 42]; г) регистрацией силы тяги мышц с помощью сухожильных силоизмерительных датчиков (метод тендометрии) [43-47].
Интерес к силам тяги мышц не случаен. Для того, чтобы узнать, как мозг управляет движением, можно использовать нейро-физиологические методы или решить подобную задачу косвенным путем: по скорости и силе тяги мышц догадаться о механизмах управления движением. Последний путь предполагает наличие математической модели, оценивающей скорости и силы тяги мышц.
Цель настоящей работы - оценить мощность сокращения одно- и двусуставных мышц нижней конечности человека. Мощность сокращения мышц изучали при следующих кинематических условиях: а) изучаемое движение должно быть многосуставным, т.е. одновременно совершаться в нескольких суставах; б) в движении должны участвовать как одно-, так и двусуставные агони-сты/антагонисты; в) для упрощения математических расчетов при решении ОЗД, двигательное действие должно совершаться преимущественно в одной плоскости.
Из большого числа локомоций, таких как: ходьба, бег, плавание, прыжки - перечисленным выше требованиям в большей степени соответствует прыжок вверх с места: а) движение многосуставное; б) при прыжке вверх активны как синер-гисты, так и антагонисты; в) прыжок вверх совершается преимущественно в одной плоскости.
МЕТОДИКА
В эксперименте принял участие спортсмен (возраст 19 лет, рост 172 см, вес 65 кг). Исследование состояло из двух экспериментов. В первом эксперименте (1-й день) регистрировали кинематические и динамические характеристики прыжков вверх. Во втором эксперименте (2-й день) определяли скоростно-силовые характеристики мышц нижней конечности методом изокинетиче-ской динамометрии.
Первый эксперимент. Испытуемый выполнял пять прыжков вверх из исходного положения -вертикальная стойка, руки на поясе. Высоту прыжка (=33-38 см) определяли по импульсу силы отталкивания. Отдых между прыжками составлял 1-2 мин. Кинематические и динамические характеристики регистрировали с помощью системы "8е18ро1>2" (Швейцария). Ошибка в измерении координат по горизонтали и вертикали была менее 3 мм. Аппаратная часть "8е18ро1-2" состояла из двух инфракрасных камер и 7 инфракрасных датчиков (типа ЬББ8), силоизмеритель-ной платформы АМТ1 (США). Регистрацию кинематики прыжков проводили с правой половины тела. Активно отражающие маркеры фиксировали на голове (область височной точки), плечевом, тазобедренном, коленном и голеностопном суставах, а также на носке и пятке сто-
Рис. 1. Модель тела человека. A - направление отсчета углов от вертикальной оси инерциального базиса: а - угол наклона туловища; в - угол наклона бедра; у - угол наклона голени; п - угол наклона стопы; 8 - угол наклона пальцев стопы. Б - положительное направление отсчета моментов и углов в суставах; MT - момент в тазобедренном суставе; MK - момент в коленном суставе; Mr - момент в голеностопном суставе; Mn - момент в плюснефаланговом суставе. B - нитяная модель мышц: 1 - m. gluteus maximus; 2 - hamstring; 3 - m. rectus femoris; 4 - m. vastus; 5 - m. gastrocnemius; 6 - m. soleus; 7 - mm. flexors.
пы. Частота записи кинематической информации и реакции опоры составила 400 Гц. Кинематические данные сглаживали методом скользящей средней по пяти точкам, снижали частоту до 100 Гц, т.е. оставляли каждую четвертую точку. Затем сглаживали фильтром Баттерворта 2-го порядка с частотой отсечки 6 Гц [48]. Угловые и линейные скорости и ускорения получали методом конечных разностей.
Второй эксперимент. Скоростно-силовые характеристики мышц нижней конечности (скорость-момент-мощность) исследовали на изоки-нетическом динамометре типа "СуЬех-2". Оценивали суставные моменты в тазобедренном (разгибание), коленном и голеностопном суставах (разгибание и сгибание). Угловые скорости были следующими: 5.23; 4.19; 3.14; 2.09; 1.05; 0.52 рад/с. На каждой скорости выполняли две-три попытки. Отдых между повторениями составил около 1 мин. Расчет скоростно-силовых характеристик мышц проводили по максимальной попытке.
Математическая модель. Рассматривали модель тела человека, состоящую из пяти твердых звеньев: туловище + руки + голова, бедро, голень, стопа и пальцы стопы. Масс-инерционные харак-
теристики и биомеханические длины сегментов рассчитывали по регрессионным уравнениям, представленным в работах [49, 50]. За полюс модели выбирали правый тазобедренный сустав, углы наклона звеньев тела отсчитывали от вертикальной оси Z (положительное направление по часовой стрелке, рис. 1, А). Движение осуществляется в плоскости YZ симметрично для левой и правой половин тела.
Для нахождения управляющих моментов в суставах нижней конечности составляли уравнения движения в форме уравнений Лагранжа 2-го рода. Поскольку силы реакции и момент реакции определяли с помощью силоизмерительных платформ, то при решении системы динамических уравнений находили только управляющие моменты в суставах [51]. Положительное направление моментов и направление отсчета углов указано стрелками на рис. 1, Б. Управляющие моменты и суставную мощность рассчитывали для максимальной попытки (высота прыжка 38 см).
Мышечная модель состояла из семи мышц: m.
gluteus maximus; hamstring; m. rectus femoris; m. vastus; m. gastrocnemius; m. soleus; m. flexor digitorum longus + m. flexor hallucis longus (последние две мышцы объединили в одну группу и обозначили
Вт 1200 1000 800 600 400 200 0
-200 -400
-4 -2
24 рад/с
8 10
Вт 100 75 50 25 0
-25 -50 -75 -100
Рис. 2. Мощность-угловая скорость в суставах нижней конечности при прыжке вверх с места (за 0.4 с перед отрывом от опоры).
По оси ординат: слева - мощность в коленном и голеностопном, суставах (Вт); справа - мощность в тазо-берденном и плюснефаланговом суставах (Вт). По оси абсцисс: угловая скорость в суставах нижней конечности (рад/с): а - коленный; б - голеностопный; в - тазобедренный; г - плюснефаланговый.
как mm. flexors). При описании анатомического положения мышц нижней конечности применили "нитяную модель" [52]. "Нитяной" аналог мышц предполагает, что сила тяги направлена вдоль прямой, соединяющей точки крепления мышцы к костям (рис. 1, В). Точки крепления мышц к скелету нижней конечности определяли из работы [52]. Зная углы в суставах нижней конечности и точки крепления, рассчитывали длины мышц.
Силы тяги мышц нижней конечности при прыжке вверх рассчитывали методом нелинейного квадратического программирования [30].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ кинематических и динамических характеристик прыжка вверх с места проводили за 0.4 с до отрыва стоп от опоры, точка 0 на рис. 3, 5-8.
1. Кинематический и динамический анализ прыжка вверх с места (многосуставное движение)
Кинематика прыжка вверх. В начале прыжка спортсмен сгибает ноги в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах. Угловые скорости в суставах отрицательны (рис. 2). Подсед перед отталкиванием имеет определенный биомеханический смысл: во-первых, растягиваются упругие элементы мышц; во-вторых, исчезает гофриро-ванность последовательных упругих элементов мышцы [53, 54]; в-третьих, при растягивании активной мышцы за счет рефлекторных механизмов (стреч-рефлекс) и особенностей функционирования актино-миозиновых комплексов повышается жесткость мышц [55]; в-четвертых, мышцы-разгибатели тазобедренного, коленного и голеностопного суставов начинают развивать усилия при углах, в которых проявляются наибольшие статические силы; в-пятых, если в начале отталкивания происходит сильное сгибание в коленном и голеностопном суставах, следовательно, увеличивается время последующего разгибания, а значит и импульс силы, приложенный к опоре.
Мощность управляющих моментов в тазобедренном суставе. Разгибатели тазобедренного сустава m. gluteus maximus, hamstring развивают мощность 70 Вт при угловой скорости разгибания в тазобедренном суставе 2 рад/с (рис. 2). При увеличении скорости разгибания в тазобедренном
0
6
рад/с
Рис. 3. Угловые скорости (рад/с) звеньев тела при прыжке вверх с места. Углы звеньев отсчитаны от вертикали: а - бедра; б - голени; в - стопы; г - туловища.
По оси абсцисс - время (с).
Вт
рад/с
Рис. 4. Мощность-скорость в суставах нижней конечности, зарегистрированная на изокинетическом динамометре
По оси абсцисс: угловая скорость (рад/с). а - разгибатели тазобедренного сустава, б - разгибатели коленного сустава, в - сгибатели коленного сустава, г - разгибатели голеностопного сустава, д - сгибатели голеностопного сустава.
суставе до 4 р
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.