肌肉生物力学.ppt

第六章第六章 骨骼肌生物力学骨骼肌生物力学l肌肉（骨骼肌）是人体运动系肌肉（骨骼肌）是人体运动系统重要的组成部分，是人体运统重要的组成部分，是人体运动的动力来源。可以说肌肉在动的动力来源。可以说肌肉在生物力学研究中是最具吸引力、生物力学研究中是最具吸引力、最有挑战性的研究领域。肌肉最有挑战性的研究领域。肌肉的力学性质十分复杂，它跟组的力学性质十分复杂，它跟组成肌肉各种成份的力学特性有成肌肉各种成份的力学特性有关，迄今为止人们仍然在不断关，迄今为止人们仍然在不断的研究和探索之中。的研究和探索之中。6.1离体肌肉的生物力学基础l肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉的机能，肌肉机能的变化亦会对其结构产的机能，肌肉机能的变化亦会对其结构产生影响。因此，对肌肉组织结构和生物学生影响。因此，对肌肉组织结构和生物学的研究是对肌肉生物力学特性的基础研究的研究是对肌肉生物力学特性的基础研究之一，为反映肌肉的生物力学特性，建立之一，为反映肌肉的生物力学特性，建立用于描述肌肉力学特性的模型。用于描述肌肉力学特性的模型。肌肉的组织结构 l肌肉的组织结构和生物肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉的机学性质决定了肌肉的机能，肌肉机能的变化亦能，肌肉机能的变化亦会对其结构产生影响。会对其结构产生影响。因此，对肌肉组织结构因此，对肌肉组织结构和生物学的研究是对肌和生物学的研究是对肌肉生物力学特性的基础肉生物力学特性的基础研究之一，为反映肌肉研究之一，为反映肌肉的生物力学特性，建立的生物力学特性，建立用于描述肌肉力学特性用于描述肌肉力学特性的模型。的模型。肌肌纤纤维维的的显显微微结结构构1、肌肉结构力学模型肌肉结构力学模型 HillHill（19501950）提提出出一一个个由由三三个个元元素素组组成成的的肌肌肉肉结结构构力力学学模模型型（图图3-3-2 2），即即收收缩缩元元（CCCC）、串串联联弹弹性性元元（SECSEC）和和并并联联弹弹性性元元（PECPEC），用此反映肌肉的功能。用此反映肌肉的功能。CC代表可以相对滑动的肌浆球蛋代表可以相对滑动的肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维丝，其张力与它白和肌动蛋白纤维丝，其张力与它们的横桥数目有关；们的横桥数目有关；SEC表示肌表示肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维、横桥、浆球蛋白和肌动蛋白纤维、横桥、Z盘以及结缔组织的固有弹性，设盘以及结缔组织的固有弹性，设它为完全弹性体；它为完全弹性体；PEC表示肌纤维表示肌纤维膜、肌束膜等结缔组织，表现松弛膜、肌束膜等结缔组织，表现松弛状态下肌肉的力学性质。状态下肌肉的力学性质。Hill三元素肌肉模型（Hill,1950）骨骼肌的结构模型骨骼肌的结构模型肌动蛋白（细）肌动蛋白（细）收缩成分收缩成分肌球蛋白（粗）肌球蛋白（粗）骨骼肌的结构模型骨骼肌的结构模型并联弹性成分并联弹性成分弹性成分弹性成分串联弹性成分串联弹性成分2 2、肌肉结构力学模型性质肌肉结构力学模型性质 1.1.肌肉力（肌肉力（F F）长度（长度（L L）关系）关系 根据肌肉结构力学模型，肌肉力的构成是收缩元（根据肌肉结构力学模型，肌肉力的构成是收缩元（CC）、串联弹）、串联弹性元（性元（SEC）和并联弹性元（）和并联弹性元（PEC）叠加的结果。）叠加的结果。概念概念:肌肉平衡长度（自由长度）：肌肉平衡长度（自由长度）：肌肉无被动张力时的最大长度。肌肉无被动张力时的最大长度。肌肉的净息长度：肌肉的净息长度：收缩元（收缩元（CC）表现出最大张力时的肌肉长度。）表现出最大张力时的肌肉长度。约为平衡长度约为平衡长度1.25倍。倍。被动张力被动张力:是指肌肉工作时并联弹性成分的张力。是指肌肉工作时并联弹性成分的张力。肌肉净收缩力肌肉净收缩力:指收约缩成分收缩时产生的张力。指收约缩成分收缩时产生的张力。总张力总张力:被动张力与净收缩力之和。被动张力与净收缩力之和。收缩元（收缩元（CC）力）力长度曲线长度曲线lGorden（1966）得到了肌肉精确数据，他对）得到了肌肉精确数据，他对蛙单个肌纤维肌节长度在蛙单个肌纤维肌节长度在1.27和和3.65（为为微米）之间变化与其产生力的变化关系进行微米）之间变化与其产生力的变化关系进行调查（图调查（图3-3）。运用肌纤维）。运用肌纤维“横桥理论横桥理论”（Huxley1957）对这一关系进行解释。肌）对这一关系进行解释。肌肉在静息长度下收缩元表现出的肌力最大肉在静息长度下收缩元表现出的肌力最大（-），此时肌微丝之间的横桥联系数目），此时肌微丝之间的横桥联系数目最多。随肌肉长度增加肌微丝被拉开，横桥最多。随肌肉长度增加肌微丝被拉开，横桥联系数目减少，张力随之下降（联系数目减少，张力随之下降（-）。达）。达到到4m时，横桥无联系，张力下降为零。当时，横桥无联系，张力下降为零。当肌肉缩短小于静息长度时，横桥重叠产生干肌肉缩短小于静息长度时，横桥重叠产生干扰，使其联系数目减少，导致张力下降（扰，使其联系数目减少，导致张力下降（-），这一过程将一直继续的全部重叠为），这一过程将一直继续的全部重叠为止。虽然这一过程中肌肉张力明显下降，但止。虽然这一过程中肌肉张力明显下降，但张力不可能降为零。张力不可能降为零。图图3-3肌节长度与等长张力关系肌节长度与等长张力关系（Gordon1966）并联弹性元（并联弹性元（并联弹性元（并联弹性元（PECPEC）力）力）力）力长度曲线长度曲线长度曲线长度曲线肌肉总张力肌肉总张力肌肉总张力肌肉总张力长度曲线长度曲线长度曲线长度曲线（A A为平衡长度；为平衡长度；为平衡长度；为平衡长度；B B为净息长度）为净息长度）为净息长度）为净息长度）2 2、肌肉力（、肌肉力（F）速（速（V）关系）关系 l1938年年Hill的经典工作奠定了的经典工作奠定了肌肉力学基础，他按照热力肌肉力学基础，他按照热力学定律建立了反映肌肉收缩学定律建立了反映肌肉收缩力速度特性的方程：力速度特性的方程：方程中方程中F0为肌肉挛缩时的张力，为肌肉挛缩时的张力，F为松开肌肉一端后肌肉的张为松开肌肉一端后肌肉的张力，力，V为肌肉缩短速度，为肌肉缩短速度，a为肌为肌肉张力单位常量，肉张力单位常量，b为肌肉收为肌肉收缩速度单位常量。缩速度单位常量。Hill方程所方程所描述出肌肉的描述出肌肉的FV关系与实测关系与实测结果具有较好的一致性（图结果具有较好的一致性（图3-5）。）。图图3-5挛缩蛙缝匠肌快速释放挛缩蛙缝匠肌快速释放实测肌肉实测肌肉F-V曲线与曲线与Hill方程方程比较（比较（Hill1938）l该曲线说明：在一定的范围内，肌肉收缩产生该曲线说明：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，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。张力在理论上为零，肌肉收缩速度达到最大。肌肉收缩的张力肌肉收缩的张力-速度关系提示，要获得收缩的速度关系提示，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。力，即产生较大的张力，收缩速度必须缓慢。6.2在体肌肉收缩的生物力学1、肌肉的激活状态肌肉的激活状态l在在神神经经脉脉冲冲影影响响下下，肌肌肉肉的的收收缩缩成成分分出出现现激激活活状状态态。把把肌肌肉肉兴兴奋奋时时其其收收缩缩成成分分力力学学状状态态的的变变化化称称为为肌肌肉肉的的激活状态。激活状态。我们把肌肉从肌肉激活到肌肉产我们把肌肉从肌肉激活到肌肉产生收缩的时间叫肌肉收缩的潜伏生收缩的时间叫肌肉收缩的潜伏期。期。2 2、肌肉的松弛肌肉的松弛l肌肌肉肉松松弛弛：被被拉拉长长的的肌肌肉肉，其其张张力力有有随随时时间间的的延延长长而而下下降降的的特特性性，这这一一特特性性称称为为肌肌肉肉松松弛弛。它它是是由由肌肌肉肉串串联联和和并并联联弹弹性性元元属属于于粘粘弹弹性性体体的的特性决定的。特性决定的。3、负荷对肌肉收缩力学特性的影响负荷对肌肉收缩力学特性的影响动动作作的的潜潜伏伏期期延延长长：表表现现在在串串联联弹弹性性元元和和并并联联弹弹性性元元的的“粘粘滞滞性性”，和和克克服服阻阻力力的的时时间间增加。增加。肌肉收缩幅度减小：肌肉力量不足。肌肉收缩幅度减小：肌肉力量不足。收缩速度下降：收缩速度下降：Hill方程。方程。动作的潜伏期延长动作的潜伏期延长肌肉收缩幅度减小肌肉收缩幅度减小收缩速度下降收缩速度下降4、肌肉的收缩功和功率肌肉的收缩功和功率肌肌肉肉可可以以把把化化学学能能转转变变为为机机械械能能，在在能能量量转转换换过过程程中中肌肌肉肉克克服服阻阻力力使使物物体体发发生生位位移移，肌肌肉肉做做了了功功。肌肌肉肉“等等长长收收缩缩”时时，克克服服阻阻力力，外外部部负负荷荷不不产产生生位位移移，没没有有做做机机械械功功。但但消消耗耗了了能能量量，这这时时肌肌肉肉做做了了“生生理理功功”。肌肌肉肉做做功功时时所所克克服服的的阻阻力力，包包括括肌肌肉肉的的内内部部阻阻力力和和外外部部阻阻力。因此，肌肉做功相应分为内功与外功。力。因此，肌肉做功相应分为内功与外功。通常所讲的肌肉做功是指肌肉做外功，即机械功。肌通常所讲的肌肉做功是指肌肉做外功，即机械功。肌肉做功与载荷及收缩速度大小有关，载荷大时做功大，肉做功与载荷及收缩速度大小有关，载荷大时做功大，载荷小时做功小。而载荷大小决定了肌肉收缩速度，所载荷小时做功小。而载荷大小决定了肌肉收缩速度，所以肌肉做功与其收缩速度有关。以肌肉做功与其收缩速度有关。肌肉做功 图图3-6不不同同载载荷荷肌肌肉肉做做功功与与收缩速度的关系收缩速度的关系图图3-6是受试者伸膝关节肌是受试者伸膝关节肌群的测试结果。肌肉收缩群的测试结果。肌肉收缩速度大时做功减小是由于速度大时做功减小是由于肌肉收缩力量下降而造成。肌肉收缩力量下降而造成。肌肉功率 l肌肉收缩的功率等于肌肉收缩力肌肉收缩的功率等于肌肉收缩力与其该瞬时的收缩速度的乘积。与其该瞬时的收缩速度的乘积。离体肌肉在收缩时的功率可从肌离体肌肉在收缩时的功率可从肌肉的肉的“FV”曲线得到。在此曲曲线得到。在此曲线上每一点的功率等于以该点和线上每一点的功率等于以该点和坐标原点为顶点所构成的矩形面坐标原点为顶点所构成的矩形面积（图积（图3-7中的阴影部分）。假定中的阴影部分）。假定肌肉收缩时力和速度同时达到最肌肉收缩时力和速度同时达到最大值，这时功率应是最大，但这大值，这时功率应是最大，但这是不可能的。根据是不可能的。根据Hill方程可知方程可知实际上功率最大值大约只有这种实际上功率最大值大约只有这种理想值的理想值的1/10左右。即肌肉最大左右。即肌肉最大等长收缩力（等长收缩力（Fm）的）的1/3与最大与最大收缩速度（收缩速度（Vm）1/3的乘积。的乘积。l体育运动训练中体育运动训练中“爆发力爆发力”的概念的概念指的就是肌肉功率，它是指保证肌指的就是肌肉功率，它是指保证肌肉处于最合理的工作状态下，在最肉处于最合理的工作状态下，在最短时间内快速地将化学能转换为机短时间内快速地将化学能转换为机械功的能力。械功的能力。l功率曲线图反映了功率与肌肉收缩力及收缩速度的功率曲线图反映了功率与肌肉收缩力及收缩速度的关系。关系。当载荷为零时，肌肉表现出最大收缩速度，此时功当载荷为零时，肌肉表现出最大收缩速度，此时功率很小。率很小。随载荷的增加，肌肉收缩速度随之下降，当处于随载荷的增加，肌肉收缩速度随之下降，当处于1/3最大收缩力与速度位置时，功率最大（最大收缩力与速度位置时，功率最大（Nm）。）。随着力与速度的进一步变化，功率开始减小。当阻随着力与速度的进一步变化，功率开始减小。当阻力增大到肌肉不能缩短时，速度为零，不做功，功力增大到肌肉不能缩短时，速度为零，不做功，功率为零。率为零。如果载荷继续增加，肌肉由等长收缩变为离心收缩，如果载荷继续增加，肌肉由等长收缩变为离心收缩，此时肌肉开始做负功，但肌肉的负功率随离心收缩此时肌肉开始做负功，但肌肉的负功率随离心收缩速度的增加而增大，这是由于肌力随速度增大而增速度的增加而增大，这是由于肌力随速度增大而增大的结果。大的结果。l肌肉功率的性别、项目差异肌肉功率的性别、项目差异l专项素质训练的原则专项素质训练的原则 从从生生物物力力学学观观点点来来看看，专专项项练练习习必必须须遵遵从从动动态态适适应应性性原原则则（据据维维尔尔霍霍山山斯斯基基），即即在以下五个方面都与比赛相适应：在以下五个方面都与比赛相适应：运动幅度和方向；运动幅度和方向；运动有效幅度的重点区间；运动有效幅度的重点区间；作用力（或肌力）的大小；作用力（或肌力）的大小；最大作用力发挥的速率；最大作用力发挥的速率；肌肉工作的状态。肌肉工作的状态。5 5 5 5、肌肉与肌腱的生物力学特性对运动的影响肌肉与肌腱的生物力学特性对运动的影响肌肉与肌腱的生物力学特性对运动的影响肌肉与肌腱的生物力学特性对运动的影响增加动作的力和速度增加动作的力和速度提高动作的经济性：利用弹性能提高动作的经济性：利用弹性能缓冲作用缓冲作用6 6 6 6、肌肉的收缩形式肌肉的收缩形式肌肉的收缩形式肌肉的收缩形式以肌肉外部长度变化来确定肌肉收缩形式：以肌肉外部长度变化来确定肌肉收缩形式：等长收缩等长收缩等长收缩等长收缩：肌肉长度不变，但有内部收缩。：肌肉长度不变，但有内部收缩。向心收缩向心收缩向心收缩向心收缩：肌肉主动收缩，长度缩短。：肌肉主动收缩，长度缩短。离离离离心心心心收收收收缩缩缩缩：肌肌肉肉主主动动收收缩缩，但但不不能能克克服服阻阻力力而而被拉长的收缩。被拉长的收缩。肌肉产生收缩形式变化的过程肌肉产生收缩形式变化的过程思考题思考题1、简述、简述Hill肌肉三元素力学模型的组成。肌肉三元素力学模型的组成。2、简述负荷对肌肉收缩力学特性有那些影、简述负荷对肌肉收缩力学特性有那些影响？响？3、什么是肌肉的、什么是肌肉的“松弛松弛”现象？试结合体现象？试结合体育运动中的动作对其举例进行说明。育运动中的动作对其举例进行说明。