В чем измеряют силу мышц человека. Как и что измеряет динамометр? Выясняем вместе. Абсолютная и относительная сила

Сила мышцы. Единицы измерения. В системе СИ сила выражается в ньютонах (Н). В физиологической практике силу мышцы, как правило, определяют по максимальной массе груза, который может быть поднят при ее сокращении. В условиях целостного организма определяют «становую», «кистевую » силу, силу сгибателей и т.п.

Факторы, определяющие силу мышцы. Анатомическое строение: перистые мышцы (волокна расположены косо, под углом к продольной оси) способны развивать гораздо большее напряжение, чем мышцы с параллельным расположением волокон. В связи с этим принято определять так называемое физиологическое поперечное сечение мышцы, т.е. сумму поперечных сечений всех волокон, из которых состоит мышца. У перистых мышц физиологическое поперечное сечение значительно превосходит анатомическое (геометрическое). К числу наиболее сильных относятся жевательные мышцы.

Выделяют понятие «удельная сила мышцы» - отношение общей силы мышцы в ньютонах к физиологическому поперечному сечению мышцы (Н/см 2). Удельная сила находится в пределах 50- 150Н/см 2 . Удельную силу мышцы выражают также и в килограммах на квадратный сантиметр (кг/см 2). Так, для трехглавой мышцы она составляет 17 кг/см 2 , для сгибателя плеча - 8кг/см 2 , для икроножной мышцы - 1кг/см 2 , для гладкой мышцы - 1кг/см 2 . В разных мышцах тела соотношение между числом медленных и быстрых мышечных волокон неодинаково и очень сильно отличается у разных людей, а также в разные периоды жизни. Одиночное мышечное волокно способно развивать напряжение до 0,2 Н.

Исходная длина мышцы тоже влияет на силу ее сокращения. При умеренном предварительном растяжении мышцы сила ее сокращения увеличивается, а при сильном растяжении она уменьшается, вплоть до отсутствия сокращения из-за отсутствия зон зацепления между нитями актина и миозина. При оптимальной длине (в состоянии покоя), при которой все головки миозиновых нитей способны контактировать с актиновыми филаментами, сила мышечного сокращения вырастает максимально. Предварительное растяжение мышцы увеличивает ее эластическую тягу, что также ведет к увеличению последующего ее сокращения. Это осуществляется за счет белка титина, нити которого одним концом прикреплены к Z-пластинке, другим - к миозину и растягиваются подобно пружине.

При сильном укорочении мышцы уменьшается (по непонятным причинам) сродство тропонина к Са 2+ , что ограничивает максимальную силу сокращений.

Число возбужденных волокон также влияет на силу одиночного сокращения мышцы. Оно определяется силой раздражения в эксперименте или числом возбужденных мотонейронов в натуральных условиях.

Сила тетанического сокращения мышцы зависит от степени выраженности суммации сокращений в каждом мышечном волокне, что определяется частотой импульсации - она возрастает до оптимума.

Работа мышцы (А). В механике работа определяется как произведение силы (F), приложенной к телу, на расстояние (L) его перемещения под воздействием данной силы:

А = F×L (Дж).

Утомление мышцы. При мышечной работе у человека со временем развивается утомление - сила мышечных сокращений постепенно уменьшается, и в конечном итоге наступает момент, когда человек уже не в состоянии продолжать работу. Скорость развития утомления зависит от ритма работы и величины груза. Большой груз или слишком частый ритм работы приводят к быстрому развитию утомления, в результате чего выполненная работа бывает ничтожна. Наибольшей бывает работа при некотором среднем, оптимальном для данного человека, ритме работы и среднем, оптимальном грузе (правило средних нагрузок). При любой силе изометрического сокращения мышцы работа равна нулю, несмотря на расход энергии и развивающееся утомление. Причиной утомления является накопление К + в Т-трубочках (при частых сокращениях), накопление молочной кислоты, расход энергетического материала.

Мощность мышцы (работа, совершаемая в единицу времени) в системе СИ выражается в ваттах (Дж/с 2). Максимальная мощность соответствует выполнению наибольшего объема работы в течение минимального отрезка времени. Однако в этом случае быстро развивается утомление.

1.3.5. Структурно­функциональные особенности гладких мышц

Расположение актина и миозина в гладких мышцах не столь упорядочено, Z-мeмбраны и саркомеры в них отсутствуют, поэтому при микроскопическом исследовании не выявляется характерная для скелетной мышцы поперечная исчерченность, что и определяет название этих мышц - гладкие. Форма гладкомышечных клеток веретенообразная, диаметр волокна в утолщенной части составляет 2-10 мкм, длина 50-400 мкм. В клетке имеется одно ядро, митохондрий относительно мало. СПР представлен плоскими везикулами, расположенными в непосредственной близости от внутренней поверхности клеточной мембраны. Он содержит мало ионов Са 2+ .

Нервно-мышечные синапсы отличаются от таковых у исчерченных мышц, причем наиболее ярко отличие выражено у симпатической нервной системы. Постганглионарные волокна (аксона ганглионарных симпатических нейронов) по своему ходу среди миоцитов образуют многочисленные утолщения (расширения), из которых выделяется медиатор. Последний диффундирует в межклеточном пространстве и взаимодействует с постсинаптическими рецепторами, которые располагаются равномерно по всей мембране гладкомышечных клеток, что ведет к стимуляции или угнетению функций органа (например, торможение моторики кишки, усиление работы сердца, сужение кровеносного сосуда). В гладких мышцах бронхов и крупных артерий нервное влияние передается без генерации ПД, сокращение этих мышц обеспечивают ВПСП.

Особенности свойств гладких мышц. Возбудимост ь. Потенциал покоя большинства гладкомышечных клеток составляет -60-70 мВ, у миоцитов, обладающих спонтанной активностью, - -30-60 мВ. Потенциал действия более продолжителен (10-50 мс), чем у скелетных мышц - до10мс. У некоторых миоцитов после начальной быстрой реполяризации формируется плато, которое удлиняет ПД до 500мс; оно связано с поступлением в клетку Na + и Са 2+ . Деполяризация мембраны обусловлена в основном диффузией Са 2+ в клетку.

Проводимость . Структурно­функциональной единицей гладких мышц является пучок мышечных волoкон. Взаимодействие между отдельными миоцитами осуществляется благодаря щелевым контактам, обладающим низким электрическим сопротивлением, и близко расположенным контактирующим элементам соседних мышечных волокон. Благодаря этому электрическое поле одной клетки в пучке обеспечивает возбуждение другой. Поэтому изолированно отдельные гладкомышечные клетки пучка не возбуждаются. Скорость распространения ПД в пределах пучка составляет 5-10см/с. Причем для возбуждения всех миоцитов пучка не достаточно возбуждения одного миоцита (необходимо первоначальное возбуждение нескольких клеток).

Сократимость . Сокращения гладкой мышцы определяются описанным выше характером распространения возбуждения - пучок гладкомышечных волокон сокращается как единое целое (пучок - функциональная единица гладкой мышцы). Активность гладкомышечной АТФазы миозина в 40-80 раз ниже активности АТФазы миозина исчерченной мышцы. Чем больше АТФазная активность миозина, тем быстрее сокращается мышечное волокно. Поэтому гладкая мышца сокращается гораздо медленнее, чем скелетная. По этой же причине на сокращение гладкой мышцы меньше расходуется АТФ (экономичность). Кроме того, гладкая мышца не утомляется во время продолжительной активности - она приспособлена к длительному поддержанию тонуса.

Главной особенностью электромеханического сопряжения в гладкой мышце является то, что основную роль в сопряжении играет входящий в клетку (при ее возбуждении) Са 2+ , поскольку его запасы в СПР гладкомышечных миоцитов незначительны. Другая важная особенность заключается в том, что регуляторным белком гладкой мышцы является кальмодулин (наличие тропонина не установлено), который связывается с Са 2+ . Комплекс Са 2+ - кальмодулин активирует особый фермент (киназу легких цепей миозина), который переносит фосфатнуюгруппу с АТФ на головку поперечного мостика миозина. Фосфорилированная головка миозина взаимодействует с актином. Это ведет к конформационным изменениям миозиновых мостиков, что обеспечивает скольжение нитей актина относительно нитей миозина.

Сокращение гладких мышц может быть результатом и химиомеханического сопряжения (без формирования ПД), вследствие взаимодействия медиатора с мембранными рецепторами и активации различных ферментных систем, вызывающих взаимодействие актина и миозина, что и обеспечивает сокращение мышцы.

Расслабление гладкомышечных миоцитов обусловлено инактивацией кальциевых каналов вследствие восстановления исходных значений МП. Активация кальциевого насоса в мембране миоцита и СПР обеспечивает выведение Са 2+ в СПР и из гиалоплазмы клетки и снижение его концентрации, в результате чего инактивируется киназа легких цепей миозина, что приводит к прекращению фосфорилирования миозиновых головок, а следовательно, они утрачивают способность взаимодействовать с актином.

Автоматия присуща клеткам - водителям ритма (пейсмекерам). В ее основе лежит спонтанно возникающая медленная деполяризация (препотенциал) - при достижении КП возникает ПД. Спонтанная деполяризация преимущественно обусловлена диффузией Са 2+ в клетку. Частота генерируемых ПД зависит от скорости медленной деполяризации и соотношения МП и КП: чем меньше МП, тем ближе он к КП, и при этом легче возникают ПД. Автоматия практически не выражена у гладких мышц артерий, семенных протоков, радужки, ресничных мышц. Их функции полностью определяются ВНС.

Пластичность выражается в том, что при растяжении гладких мышц их напряжение первоначально увеличивается, а затем снижается до исходного уровня. Таким образом, свойство пластичности проявляется в том, что гладкая мышца может не изменять напряжения как в укороченном, так и в растянутом состоянии. Эта особенность гладкой мышцы предотвращает избыточный рост давления в полых внутренних органах при их наполнении (мочевой пузырь, желудок и др.).

Однако растяжение гладкой мышцы может вызывать активацию процессов сокращения. Этот феномен, в частности, характерен для артериол, что является одним из важных механизмов регуляции их тонуса и регионарного кровотока в некоторых органах (мозг, почки, сердце). Стимуляция сокращения в этом случае происходит в результате того, что при растяжении пейсмекерных клеток активируются механоуправляемые каналы, в результате чего возникает ПД, который посредством своего электрического поля и щелевых контактов обеспечивает возникновение ПД в соседних клетках. Чрезмерное растяжение мочевого пузыря также вызывает его сокращение и эвакуацию мочи. Подобная реакция наблюдается при денервации органа и фармакологической блокаде внутриорганной системы.

Энергетическое обеспечение сокращения гладких мышц также осуществляется за счет молекул АТФ, ресинтез которой происходит, в основном, посредством анаэробного гликолиза.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите основные структурные элементы мышечного волокна, обеспечивающие его возбуждение и сокращение.

2. Каково функциональное значение мембраны мышечного волокна в выполнении его сократительной функции?

3. Что представляет собой миофибрилла, каково ее значение в механизме мышечного сокращения?

4. Перечислите свойства мышечной ткани.

5. Перечислите основные функции скелетных мышц.

6. Что называют сократимостью мышцы?

7. Почему потенциал действия считается инициатором мышечного сокращения? Дайте соответствующие пояснения.

7. Нарисуйте потенциал действия скелетной мышцы, полученный при внутриклеточном отведении. Укажите его амплитуду в мВ.

8. Нарисуйте, сопоставив во времени, потенциал действия и цикл одиночного сокращения скелетной мышцы. Назовите фазы сокращения мышцы.

9. Опишите кратко роль ионов кальция в механизме мышечного сокращения.

10. На какие процессы, обеспечивающие сокращение мышцы, расходуется энергия АТФ?

11. Что является непосредственной причиной скольжения нитей актина и миозина, обеспечивающего мышечное сокращение? Почему?

12. Активным (с затратой энергии АТФ) или пассивным (без затраты энергии АТФ) является процесс расслабления мышцы?

13. Назовите источники энергии, обеспечивающие ресинтез АТФ.

14. Назовите типы сокращения скелетных мышц в зависимости от условий сокращения и от характера раздражения.

15. Назовите три фазы одиночного мышечного сокращения. Какой основной процесс происходит в первую фазу?

16. Какие факторы влияют на силу одиночного мышечного сокращения?

17. Почему увеличение силы раздражения мышцы увеличивает силу ее сокращения?

18. Почему предварительное умеренное растяжение изолированной мышцы увеличивает силу ее сокращения при одиночном раздражении?

19. Что называют тетаническим сокращением мышцы? Какое явление лежит в основе механизма тетануса?

20. Что называют суммацией мышечных сокращений?

21. При каких условиях раздражения скелетной мышцы вместо одиночных сокращений возникает тетанус? Какие виды тетануса Вам известны?

22. В какую фазу одиночного сокращения должно попасть каждое последующее раздражение, чтобы возник зубчатый или гладкий тетанус? Какие факторы влияют на высоту гладкого тетануса изолированной мышцы?

23. Какова зависимость высоты гладкого тетануса от частоты раздражения мышцы (в динамике)?

24. Какую частоту раздражения мышцы называют оптимальной, какую – пессимальной?

25. Подчиняется ли двигательная единица закону "все или ничего"? Почему?

26. В каких отделах центральной нервной системы находятся мотонейроны, аксоны которых иннервируют скелетные мышцы?

27. Что называют тонусом скелетных мышц, развивается ли при этом их утомление, велик ли расход энергии?

28. Какова зависимость работы изолированной скелетной мышцы от величины нагрузки?

29. Перечислите структурные особенности гладкой мышцы.

30. Перечислите особенности потенциала покоя и потенциала действия гладкой мышцы по сравнению с таковыми поперечнополосатой мышцы.

31. Назовите функциональные особенности гладкой мышцы по сравнению со скелетной.

32. Что такое пластичность гладких мышц, каково ее значение для функционирования внутренних полых органов?

34. Что является функциональной единицей гладкой мышцы? Почему?

35. Перечислите основные свойства сердечной мышцы.

36. Каковы особенности пейсмекерных клеток водителей ритма сердца?

В условиях изометрического сокращения мышцы проявляют максимальную статическую силу.

Максимальная статическая сила и максимальная произвольная статическая сила мышц

И зометрически сокращающаяся мышца развивает максимально возможное для нее напряжение при одновременном выполнении следующих трех условий:

активации всех двигательных единиц (мышечных волокон) данной мышцы;

режиме полного тетануса у всех ее двигательных единиц;

сокращении мышцы при длине покоя.

В этом случае изометрическое напряжение мышцы соответствует ее максимальной статической силе.

М аксимальная сила (МС), развиваемая мышцей, зависит от числа мышечных волокон, составляющих данную мышцу, и от их толщины. Число и толщина волокон определяют толщину мышцы в целом, или, иначе, площадь поперечного сечения мышцы (анатомический поперечник). Отношение МС мышцы к ее анатомическому поперечнику называется относительной силой мышцы. Она измеряется в ньютонах или килограммах силы на 1 см2 (Н/см2 или кг/см2).

А натомический поперечник определяется как площадь поперечного разреза мышцы, проведенного перпендикулярно к ее длине. Поперечный разрез мышцы, проведенный перпендикулярно к ходу ее волокон, позволяет получить физиологический поперечник мышцы. Для мышц с параллельным ходом волокон физиологический поперечник совпадает с анатомическим. Отношение МС мышцы к ее физиологическому поперечнику называется абсолютной силой мышцы. Она колеблется в пределах 0,5-1 Н/см2.

И змерение мышечной силы у человека осуществляется при его. произвольном усилии, стремлении максимально сократить необходимые мышцы. Поэтому когда говорят о мышечной силе у человека, речь идет о максимальной произвольной силе (МПС, в спортивной педагогике этому понятию эквивалентно понятие "абсолютная сила мышц"). Она зависит от двух групп факторов: мышечных (периферических) и координационных (центрально-нервных).

К мышечным (периферическим) факторам, определяющим МПС, относятся:

механические условия действия мышечной тяги - плечо рычага действия мышечной силы и угол приложения этой силы к костным рычагам;

длина мышц, так как напряжение мышцы зависит от ее длины;

поперечник (толщина) активируемых мышц, так как при прочих равных условиях-проявляемая мышечная сила тем больше, чем больше суммарный поперечник произвольно сокращающихся мышц;

композиция мышц, т. е. соотношение быстрых и медленных мышечных волокон в. сокращающихся мышцах.

К координационным (центрально-нервным) факторам относится совокупность центрально-нервных координационных механизмов управления мышечным аппаратом - механизмы внутримышечной координации и механизмы межмышечной координации.

М еханизмы внутримышечной координации определяют число и частоту импульсации мотонейронов данной мышцы и связь их импульсации во времени. С помощью этих механизмов центральная нервная система регулирует МПС данной мышцы, т. е. определяет, насколько сила произвольного сокращения данной мышцы близка к ее МС. Показатель МПС любой мышечной группы даже одного сустава зависит от силы сокращения многих мышц. Совершенство межмышечной координации проявляется в адекватном выборе "нужных" мышц-синергистов, в ограничении "ненужной" активности мышц-антагонистов данного и других суставов и в усилении активности мышц-антагонистов, обеспечивающих фиксацию смежных суставов и т. п.

Т аким образом, управление мышцами, когда требуется проявить их МПС, является сложной задачей для центральной нервной системы. Отсюда понятно, почему в обычных условиях МПС мышц меньше, чем их МС. Разница между МС мышц и их МПС называется силовым дефицитом.

С иловой дефицит у человека определяется следующим образом. На специальной динамометрической установке измеряют МПС выбранной группы мышц, затем - ее МС. Чтобы измерить МС, раздражают нерв, иннервирующий данную мышечную группу, электрическими импульсами. Силу электрического раздражения подбирают такой, чтобы возбудить все моторные нервные волокна (аксоны мотонейронов). При этом применяют частоту раздражения, достаточную для возникновения полного тетануса мышечных волокон (обычно 50-100 имп/с). Таким образом, сокращаются все мышечные волокна данной мышечной группы, развивая максимально возможное для них напряжение (МС).

С иловой дефицит данной мышечной группы тем меньше, чем совершеннее центральное управление мышечным аппаратом. Величина силового дефицита зависит от трех факторов:

психологического, эмоционального, состояния (установки) испытуемого;

необходимого числа одновременно активируемых мышечных групп

степени совершенства произвольного управления ими.

П ервый фактор. Известно, что при некоторых эмоциональных состояниях человек может проявлять такую силу, которая намного превышает его максимальные возможности в обычных условиях. К таким эмоциональным (стрессовым) состояниям относится, в частности, состояние спортсмена во время соревнования. В экспериментальных условиях значительное повышение показателей МПС (т. е. уменьшение силового дефицита) обнаруживается при сильной мотивации (заинтересованности) испытуемого, в ситуациях, вызывающих его сильную эмоциональную реакцию, например после неожиданного резкого звука (выстрела). То же отмечается при гипнозе, приеме некоторых лекарственных препаратов. При этом положительный эффект (увеличение МПС, уменьшение силового дефицита) сильнее выражен у нетренированных испытуемых и слабее (или совсем отсутствует) у хорошо тренированных спортсменов. Это указывает на высокую степень совершенства центрального управления мышечным аппаратом у спортсменов.

В торой фактор. При одинаковых условиях измерения величина силового дефицита тем больше, чем больше число одновременно сокращающихся мышечных групп. Например, когда измеряется МПС мышц, только приводящих большой палец кисти, силовой дефицит составляет у разных испытуемых 5-15% от МС этих мышц. При определении МПС мышц, приводящих большой палец и сгибающих его концевую фалангу, силовой дефицит возрастает до 20%. При максимальном произвольном сокращении больших групп мышц голени силовой дефицит равен 30% (Я.М. Коц).

Т ретий фактор. Роль его доказывается различными экспериментами. Показано, например, что изометрическая тренировка, проводимая при определенном положении конечности, приводит к значительному повышению МПС, измеряемой в том же положении. Если измерения проводятся в других положениях конечностя, то прирост.МПС оказывается незначительным или отсутствует совсем. Если бы прирост МПС зависел только от увеличения поперечника тренируемых мышц (периферического фактора), то он обнаруживался бы при. измерениях в любом положении конечности. Следовательно, в данном случае прирост МПС зависит от более совершенного, чем до тренировки, центрального управления мышечным аппаратом именно в тренируемом положении.

Р оль координационного фактора выявляется также при изучении показателя относительной произвольной силы, которая определяется делением показателя МПС на величину мышечного поперечника (Так как у человека можно измерить только анатомический поперечник мышцы, для большинства мышц определяется не абсолютная произвольная сила (отношение МПС к физиологическому поперечнику), а относительная (отношение МПС к анатомическому поперечнику). В спортивной педагогике понятием "относительная сила" обозначают отношение МПС к весу спортсмена.). Так, после 100-дневной тренировки с применением изометрических упражнений МПС мышц тренируемой руки выросла на 92%, а площадь их поперечного сечения на 23% (рис. 28). Соответственно относительная произвольная сила увеличилась в среднем с 6,3 до 10 кг/см2. Следовательно, систематическая тренировка может способствовать совершенствованию произвольного управления мышцами. МПС мышц нетренируемой руки также несколько увеличилась за счет последнего фактора, так как площадь поперечного сечения мышц этой руки не изменилась. Это показывает, что более совершенное центральное управление мышцами может проявляться в отношении симметричных мышечных групп (явление "переноса" тренировочного эффекта).

Как известно, наиболее высокопороговыми ("менее возбудимыми") являются быстрые двигательные единицы мышцы. Их вклад в общее напряжение мышцы особенно велик, так как каждая из них содержит много мышечных волокон. Быстрые мышечные волокна толще, имеют больше миофибрилл, и поэтому сила их сокращения выше, чем у медленных двигательных единиц. Отсюда понятно, почему МПС зависит от композиции мышц: чем больше быстрых мышечных волокон они содержат, тем выше их МПС.

К огда перед спортсменом стоит задача развить значительную мышечную силу во время выполнения соревновательного упражнения, он должен систематически применять на тренировках упражнения, которые требуют проявления большой мышечной силы (не менее 70% от его МПС). В этом случае совершенствуется произвольное управление мышцами, и в частности механизмы внутримышечной координации, обеспечивающие включение как можно большего числа двигательных единиц основных мышц, в том числе наиболее высокопороговых, быстрых двигательных единиц.

«Зожник» перевел, переработал и отредактировал грандиозную базовую статью Грега Нуколса о том, как взаимосвязан объем и сила мышц. В статье подробно объясняется, к примеру, почему средний пауэрлифтер на 61% сильнее среднего бодибилдера при том же объеме мышц.

Наверняка вам встречалась такая картина в спортзале: огромный мускулистый парень делает приседания с 200-килограммовой штангой, пыхтя и делая небольшое количество повторений. Затем с такой же штангой работает парень с намного менее массивными ногами, но легко делает большее количество повторений.

Аналогичная картина может повторяться и в жиме или становой. Да и из курса школьной биологии нас учили: сила мышцы зависит от площади поперечного сечения (грубо говоря - от толщины), однако наука показывает, что это сильное упрощение и дело обстоит не совсем так.

Площадь поперечного сечения мышцы.

В качестве примера посмотрите, как 85-килограммовый парень жмет от груди 205 кг:

Однако гораздо более массивные ребята не могут приблизиться к таким показателям в жиме.

Ответ прост: на силу влияет много других факторов, кроме объема мышц

Средний мужчина весит около 80 кг. Если человек - не тренированный, то тогда около 40% веса его тела составляют скелетные мышцы или около 32 кг. Несмотря на то, что рост мышечной массы очень сильно зависит от генетики, в среднем мужчина способен за 10 лет тренировок увеличить свою мышечную массу на 50%, то есть добавить к своим 32 кг мышц еще 16.

Скорее всего 7-8 кг мышц из этой прибавки добавится в первый год упорных тренировок, еще 2-3 кг - за следующие пару лет, а остальные 5-6 кг - за 7-8 лет упорных тренировок. Это типичная картина роста мышечной массы. С ростом мышечной массы примерно на 50% сила мышц возрастет в 2-4 раза.

Грубо говоря, если в первый день тренировок человек может поднять на бицепс вес в 10-15 кг, то впоследствии этот результат может вырасти до 20-30 кг.

С приседом: если в первые тренировки вы приседали с 50-килограммовой штангой, этот вес может вырасти до 200 кг. Это не научные данные, просто для примера - как могут расти силовые показатели. При подъеме на бицепс сила может вырасти примерно в 2 раза, а вес в приседаниях - в 4 раза. Но при этом объем мышц вырос только на 50%. То есть получается, что в сравнении с ростом массы, сила растет в 4-8 раз больше.

Безусловно мышечная масса имеет важное значение для силы, но, возможно, не определяющее. Давайте пройдемся по основным факторам, влияющим на силу и массу.

Мышечные волокна

Как показывают исследования: чем больше размер мышечного волокна, тем больше его сила.

На этом графике показана явная зависимость размеров мышечных волокон и их силы:

Как зависит сила (вертикальная шкала) от размера мышечных волокон (горизонтальная шкала). Исследование: From Gilliver, 2009 .

Однако если абсолютная сила стремится к росту при бОльшем объеме мышечных волокон, относительная сила (сила в соотношении с размером) — наоборот — падает .

Давайте разберемся почему так происходит.

Есть показатель для определения силы мышечных волокон относительно их объема — “specific tension” (переведем его как «удельная сила»). Для этого нужно максимальную силу разделить на площадь поперечного сечения:

Мышечные волокна: удельная сила волокон бодибилдеров на 62% ниже лифтеров

Так вот дело в том, что удельная сила очень сильно зависит от типа мышечных волокон .

В этом исследовании ученые выяснили, что удельная сила мышечных волокон профессиональных бодибилдеров на целых 62% ниже, чем у профессиональных лифтеров .

То есть, условно говоря, мышцы среднего пауэрлифтера сильнее на 62% мышц среднего бодибилдера при одинаковом объеме.

Более того, мышечные волокна бодибилдеров также слабее на 41%, чем у нетренированных людей из расчета на их площадь поперечного сечения. То есть из расчета на квадратный сантиметр толщины, мышцы бодибилдеров слабее, чем у тех, кто вообще не тренировался (но в целом, бодибилдеры, конечно, сильнее за счет общего объема мышц).

В этом исследовании сравнили разные мышечные волокна и выяснили, что самые сильные мышечные волокна в 3 раза сильнее самых слабых той же толщины — это очень большая разница.

Мышечные волокна быстрее растут в площади сечения, чем в силе

Так вот оба этих исследования показали, что с увеличением размера мышечных волокон их сила к толщине падает . То есть в размерах они растут больше, чем в силе .

Зависимость такая: при удвоении площади поперечного сечения мышцы ее сила вырастает только на 41%, а не в 2 раза .

В этом плане с силой мышечного волокна лучше коррелирует диаметр волокна, а не площадь сечения (внесите это исправление в школьные учебники по биологии!)

В конечном итоге все показатели ученые свели вот к такому графику:

По горизонтали: увеличение площади поперечного сечения мышцы. Синяя линия — рост диаметра, красная — общий рост силы, желтая — рост удельной силы (на сколько сила увеличивается при увеличении площади поперечного сечения).

Вывод, который можно сделать: с ростом объема мышц растет и сила, однако прирост размера мышцы (т.е. площади поперечного сечения) обгоняет прирост силы . Это усредненные показатели, собранные из целого ряда исследований и в некоторых исследованиях данные разнятся.

К примеру, в этом исследовании за 12 недель тренировок у подопытных площадь сечения мышц выросла в среднем на 30%, но при этом удельная сила не изменилась (то есть, читаем между строк, сила тоже увеличилась примерно на 30%).

Результаты этого исследования схожи: площадь поперечного сечения мышцы увеличилась у участников на 28-45% после 12 недель тренировок, но удельная сила не изменилась.

С другой стороны, эти 2 исследования (раз и два) показали увеличение удельной силы мышц при отсутствии роста самих мышц в объеме. То есть сила выросла, а объем — нет и благодаря этому сочетанию, получается, выросла удельная сила.

Во всех этих 4 исследованиях сила росла в сравнении с диаметром мышцы, но в сравнении с площадью поперечного сечения сила росла только в том случае, если мышечные волокна не росли.

Итак, давайте подытожим важную тему с мышечными волокнами:

• Люди сильно отличаются по количеству мышечных волокон того или другого типа . Помните: удельная сила мышечных волокон у лифтеров (тренирующих силу) в среднем на 61% больше, чем у бодибилдеров (тренирующих объем). Грубо говоря, при одинаковых по объему мышцах лифтерские сильнее в среднем на 61%.
• Самые слабые мышечные волокна в 3 раза слабее самых сильных . Их количество у каждого человека определяется генетически. Это означает, что гипотетически максимально возможная разница в силе мышц одного и того же объема — различается до 3 раз.
• Удельная сила (сила на квадратный сантиметр поперечного сечения) не всегда растет с тренировками . Дело в том, что площадь поперечного сечения мышц растет в среднем быстрее, чем сила.

Место прикрепления мышц

Важный фактор силы — это то, как крепятся мышцы к костям и длина конечностей. Как вы помните из школьного курса физики — чем больше рычаг, тем легче поднимать вес.

Если прилагать усилие в точке А, то потребуется намного больше силы для подъема того же веса по сравнению с точкой B.

Соответственно, чем дальше мышца прикреплена (и чем короче конечность) — тем больше рычаг и тем бОльший вес можно поднять. Этим отчасти объясняется, почему некоторые довольно худые ребята способны поднимать намного больше некоторых особо объемных.

К примеру, в этом исследовании говорится, что разница в силе в зависимости от места прикрепления мышц в коленном суставе у разных людей составляет 16-25%. Тут уж как повезло с генетикой.

Причем, с ростом мышц в объеме момент силы увеличивается: это происходит потому, что с ростом мышцы в объеме «угол атаки» немного меняется и этим отчасти объясняется то, что сила растет быстрее объема.

В исследовании Andrew Vigotsky есть отличные картинки, наглядно демонстрирующие, как это происходит:

Самое главное — это заключение: последняя картинка, демонстрирующая, как с ростом толщины мышцы (площади поперечного сечения) — меняется угол приложения усилий, а значит и двигать рычаг более объемным мышцам становится легче.

Способность нервной системы активировать больше волокон

Еще один фактор силы мышц вне зависимости от объема — способность ЦНС (центральной нервной системы) активировать как можно большее количество мышечных волокон для сокращения (и расслаблять волокна — антагонисты).

Грубо говоря, способность максимально эффективно передавать мышечным волокнам правильный сигнал — на напряжение одних и расслабление других волокон. Вы наверняка слышали, что в обычной жизни мы способны передавать мышцам лишь определенное нормальное усилие, но в критический момент сила может вырастать многократно. В этом месте обычно приводятся примеры, как человек поднимает автомобиль, чтобы спасти жизнь близкого (и таких примеров действительно довольно много).

Впрочем, научные исследования пока не смогли доказать это в полной мере.

Ученые сравнивали силу «добровольного» сокращения мышц, а затем с помощью электростимуляции добивались еще большего — 100% напряжения всех мышечных волокон.

В результате оказалось, что «добровольные» сокращения составляют около 90-95% от максимально возможной сократительной силы , которой добивались с помощью электростимуляции (непонятно только какую погрешность и влияние такие «стимулирующие» условия оказали на мышцы-антагонисты, которые нужно расслаблять для получения большей силы — прим. Зожника ).

Ученые и автор текста делают выводы: вполне возможно, что некоторые люди смогут значительно увеличить силу, натренировав передачу сигналов мозга к мышцам, но большинство людей не способны значительно увеличить силу только за счет улучшения способности активировать больше волокон.

Нормализованная сила мышцы (НСМ)

Максимальная сократительная сила мышцы зависит от объемов мышцы, силы мышечных волокон, из которых она состоит, от «архитектуры» мышцы, грубо говоря, от всех факторов, что мы указали выше.

Объем мышцы согласно исследованиям отвечает примерно за 50% разницы в силовых показателях у разных людей.

Еще 10-20% разницы в силе объясняют «архитектурные» факторы, такие как место прикрепления, длина фасций.

Остальные факторы, отвечающие за оставшиеся 30-40% разницы в силе, вообще не зависят от размеров мышц .

Для того, чтобы рассмотреть эти факторы важно ввести понятие — нормализованная сила мышцы (НСМ) — это сила мышцы в сравнении с площадью ее сечения. Грубо говоря, насколько сильна мышца по сравнению со своим размером .

Большинство исследований (но не все) показывают, что НСМ растет по мере тренировок. Но при этом, как мы рассмотрели выше (в разделе про удельную силу), сам по себе рост объема не дает такой возможности, это значит, что рост силы обеспечивается не только ростом объема, улучшением прохождения мышечных сигналов, а другими факторами (теми самыми, что отвечают за те оставшиеся 30-40% разницы в силе).

Что это за факторы?

Улучшение качества соединительных тканей

Один из этих факторов — с ростом тренированности улучшается качество соединительной ткани, передающей усилия от мышц к костям . С ростом качества соединительной ткани скелету передается бОльшая часть усилий, а значит растет сила при том же объеме (то есть растет нормализованная сила).

Согласно исследованию до 80% силы мышечного волокна передается окружающим тканям, которые прикрепляют мышечные волокна к фасциям с помощью ряда важных белков (endomysium, perimysium, epimysium и другие). Эта сила передается сухожилиям, увеличивая общую передаваемую силу от мышц к скелету.

В этом исследовании , к примеру, показано, что ДО тренировок НСМ (сила всей мышцы на площадь поперечного сечения) была на 23% выше, чем удельная сила мышечных волокон (сила мышечных волокон на площадь поперечного сечения этих волокон).

А ПОСЛЕ тренировок НСМ (удельная сила всей мышцы) была на 36% выше (удельной силы мышечных волокон). Это означает, что сила всей мышцы при тренировках растет лучше, чем сила суммы всех мышечных волокон .

Ученые связывают это с ростом соединительных тканей, позволяющих эффективнее передавать силу от волокон к костям.

Сверху и снизу схематично показаны сухожилия — между ними — мышечное волокно. С ростом тренированности (правый рисунок) растет и соединительная ткань вокруг мышечных волокон, количество и качество соединений, позволяя эффективнее передавать усилие мышечного волокна к сухожилиям.

Идея о том, что с ростом тренированности улучшается качество волокон передающих усилие (и рисунок выше) взяты из исследования 1989 года и пока это по большей части теория.

Впрочем, есть исследование 2010 года , поддерживающее эту позицию. В ходе этого исследования при не изменившихся показателях мышечных волокон (удельная сила, пиковая сила) общая сила всей мышцы в среднем выросла на 17% (но с большим разбросом у разных людей: от 6% до 28%).

Антропометрия как фактор силы

В дополнение ко всем перечисленным факторам силы мышц, общая антропометрия тела также влияет на количество выдаваемой силы и насколько эффективно эта сила может передаваться при сгибании суставов (причем, независимо от момента силы отдельных суставов).

Возьмем для примера приседание со штангой. Гипотетическая ситуация: 2 одинаково тренированных человека с мышцами одинакового размера и состава волокон, идентично прикрепленные к костям. Если при этом у человека А бедро длиннее на 20%, чем у человека B, то человек B должен гипотетически приседать с весом на 20% больше .

Однако в реальности все происходит не совсем так, в связи с тем, что при изменении длины костей пропорционально меняется и место прикрепления мышц.

Таким образом, если у человека А бедро длиннее на 20%, то и место прикрепления мышц к кости бедра (величина рычага) также пропорционально — на 20% дальше — а значит, длина бедра нивелируется выигрышем в прикреплении мышцы дальше от сустава. Но это в среднем . В реальности антропометрические данные, конечно, разнятся от человека к человеку.

Например, есть наблюдение , что пауэлифтеры с более длинной голенью и коротким бедром склонны приседать с бОльшим весом, чем те, у кого бедро длиннее относительно голени . Аналогичное наблюдение и по поводу длины плеча и жима штанги от груди.

Независимо от всех остальных факторов антропометрия тела вносит коррективу в силу, однако измерение этого фактора представляет сложность, так как сложно отделить его от других.

Специфичность тренировок

Вы прекрасно знаете о специфичности тренировок: что тренируешь — то и улучшается. Наука говорит, что специфичность работает в отношении самых разных аспектов тренировок. Значительная часть этого эффекта работает благодаря тому, что нервная система учится эффективнее совершать определенные движения.

Вот простой пример. Это исследование часто используют в качестве примера, иллюстрирующего принцип специфичности:

• 1 группа тренировалась с весом 30% от 1ПМ — по 3 повторения до мышечного отказа.
• 2 группа тренировалась с весом 80% от 1ПМ — и делала только 1 повторение до мышечного отказа.
• 3 группа тренировалась с весом 80% от 1ПМ — по 3 повторения до мышечного отказа.

Наибольшего улучшения в силе ожидаемо добилась группа 3 — тренировки с тяжелым весом и 3 подхода в упражнении.

Однако когда в конце исследований среди всех групп проверяли максимальное количество повторений с весом 30% от 1ПМ, то наилучший результат показала группа, которая и тренировалась с 30% от 1ПМ. Соответственно, при проверке максимального веса на 1ПМ результаты лучше выросли у тех, кто тренировался с 80% от 1ПМ.

Еще одна любопытная деталь в этом исследовании: когда стали проверять как изменились результаты в статической силе (ее не тренировали ни в одной из 3 групп) — то результаты в росте этого показателя были одинаковы, так как все 3 группы не тренировали специфично этот силовой показатель.

С ростом опыта и оттачиванием техники связан рост силы. Причем, в комплексных многосуставных упражнениях, где задействованы крупные мышечные группы эффект от тренировок больше, чем в небольших мышцах.

На этом графике видно как с ростом количества повторений (горизонтальная шкала) уменьшается доля ошибок в упражнении.

Динамометрами измеряют кистевой мышечный тонус у детей и взрослых с целью определения общей работоспособности и силы человека, а также для отслеживания в динамике процесса восстановления после перенесенных травм, в процессе подготовки спортсменов, для проведения динамометрии во время диспансеризации населения. Современные приборы показывают силу в деканьютонах (даН). Эта единица является аналогом килограмм-силы (кгс).

Принцип работы динамометра

Работа динамометра основывается на законе физике, согласно которому деформация, возникающая в пружине или ином упругом теле, прямо пропорциональна приложенному к телу усилию (напряжению). Данный закон носит имя Гука – английского учёного, жившего в 17 веке.

Закон Гука говорит о том, что в ответ на деформацию какого-либо тела появляется сила, стремящаяся вернуть начальную форму и исходный размер данного тела. Она называется силой упругости.

Простейший динамометр представляет собой совокупность двух устройств – силового и отсчетного!

Усилие, которое прикладывается к прибору, является деформацией его силового звена. Посредством электрического сигнала (либо механического) деформация передается на отсчётное звено, которое может быть цифровым либо аналоговым.

Единицей измерения прибора является ньютон (Н) – международная единица измерения силы.

Если весы показывают массу тела человека, то по показаниям динамометра можно судить о силе, которую человек прикладывает, деформируя приборную пружину.

Современный прибор для динамометрии — это контрольно-измерительное устройство, которое широко используют в медицине для замера у людей силы растяжения или сжатия, измеряемой в ньютонах, а также момента силы в килограмм-силах.

Конструкция устройства позволяет человеку совершенно самостоятельно измерить свою мышечную силу!

Основные виды динамометров в медицине

Первые динамометрические устройства , представлявшие собой пружинные механизмы, были созданы в середине 18 века. Пружина в них под воздействием груза растягивалась на определенную длину. Деления на шкале, показывающие удлинение пружины, соответствовали массе груза. Спустя некоторое время был изобретен циферблатный прибор с круглой пружиной замкнутого контура. После устройств с механизмами растяжения были изобретены конструкции, работающие при нажиме.

Сегодня существуют динамометры следующих типов:

• Механические.
• Гидравлические.
• Электронные.

Приборы с механическим принципом действия бывают:

• Рычажные.
• Пружинные.

Встречаются модели динамометрических приборов, в которых задействованы сразу два вида силовых устройств!

В медицинской практике чаще всего используются следующие виды приборов :

В электронных конструкциях применяются типы индуктивных, пьезоэлектрических и других датчиков. В процессе деформации датчика сопротивление возрастает — как следствие, меняются токи. В результате, сила давления на датчик оказывается прямо пропорциональной силе передаваемого прибором электрического сигнала.

Электрический динамометр – это высокоточный, небольшой по габаритам и лёгкий по весу прибор!

Чем отличается кистевой или ручной динамометр от станового?

В медицине динамометрические устройства применяются для определения силы, оценки работоспособности и выносливости человеческого организма. С помощью этих несложных приборов можно сделать достаточно точное заключение о состоянии мышц человека.

Для медицинских целей применяются в основном ручные динамометры и становые модели приборов!

Вариант ручного динамометра определяет мышечную силу пальцев рук человека, сжимающего его своей кистью. Отсюда и второе название – кистевой. Данным прибором повсеместно пользуются физиотерапевты, чтобы оценивать в динамике восстановление мышечной силы пациента после перенесенной травмы. Кистевыми динамометрами широко пользуются в экспедиторских и транспортных компаниях при тестировании вновь принятых работников. Их применяют также в правоохранительных органах, МЧС и вооруженных силах, в организациях профессионального спорта и фитнес-клубах.

Сегодня выпускаются ручные приборы механической и электронной модификаций. Точность измерений с их помощью зависит от соблюдения человеком определенных правил при замерах.

Правила эти очень просты и состоят в следующем:

• Вторую, свободную руку надо расслабить и опустить вниз.
• Затем её нужно отвести в сторону и расположить перпендикулярно туловищу.
• Руку с устройством следует вытянуть вперед.
• Сжимать динамометр кистью следует по команде настолько сильно, насколько это возможно.

По данному алгоритму делается измерение силы каждой руки поочередно, несколько раз подряд.

Из полученных результатов для каждой руки выбирается тот, который лучше!

При нарастании мышечной массы в процессе тренировок показатели, полученные с помощью динамометра, улучшаются.

Точные абсолютные показатели получить довольно трудно, так как на них влияет множество субъективных факторов. Поэтому в расчет берётся, как правило, величина относительной силы кистей рук. Для её вычисления измеренную динамометром силу в килограммах умножают на сто, а затем делят на вес тела человека. У людей, не занимающихся профессионально спортом, относительный показатель равен 45-50 единиц для женщин и 60-70 единиц — для мужчин.

С помощью становых динамометров можно протестировать на статическую силу и выносливость все мышцы, сгибающие и разгибающие корпус человека!

Становой прибор похож внешне на ножной эспандер. Его составные части – это рукоятка, подставка под ноги, трос, оснащенный датчиком измерительный прибор и отсчитывающее устройство.

Для измерения мышечной силы человеку нужно:

• Встать обеими ногами на подножку прибора.
• Наклонить корпус вперед, сгибаясь в пояснице.
• Взяться на рукоять динамометра обеими руками.
• Ноги в коленях при этом не сгибать.
• Затем рукоятку прибора нужно потянуть вверх на себя изо всех сил.

Принцип расчета относительных показателей для становых приборов такой же, как и для ручных. Но величины индексов значительно выше. При индексе до 170 единиц становая сила оценивается как низкая. Показатели от 170 до 200 единиц говорят о силе ниже средних значений. Средней считается сила выпрямляющих тело мышц при значениях индекса от двухсот до двухсот тридцати. Индекс от 230 до 260 единиц свидетельствует о значениях выше среднего. А более двухсот шестидесяти – это показатели высокой разгибающей туловище силы.

Для чего нужно знать силовые показатели?

На силу мускулов человека влияют его пол и возраст, вес тела и уровень усталости. Во многом зависит показатель силы от времени суток и типа мышечной тренировки.

Замечено, что в средине дня фиксируется, как правило, максимальное значение данного показателя. А утром и вечером – минимальное.

В то же время нормальная мышечная сила конкретного человека может быть ослаблена в связи с тем, что:

• Он болеет каким-либо заболеванием или испытывает временное недомогание.
• Человек находятся в состоянии депрессии или стресса.
• По ряду причин сбился привычный для его организма режим питания и распорядок дня.

Зачастую данные показатели понижены у лиц пожилого возраста и у людей, не поддерживающих себя в должной физической форме.

Врачи назначают пациентам измерение мускульной силы на динамометре для контроля физического развития как детей и подростков, так и взрослых людей.

При проведении замеров необходимо следить, чтобы в начальном положении стрелка прибора стояла на нулевой отметке!

После замера показания обязательно записываются. Это поможет медикам в дальнейшем оценить изменение состояния здоровья человека за определенный промежуток времени.

Тем, у кого показатели мышечной силы невысоки, врачи рекомендуют занятия приемлемым видом спорта. Ведь физические упражнения делаются не только для наращивания бицепсов. Прежде всего, они укрепляют иммунитет организма, повышают его работоспособность.

Обзор популярных моделей и цен на динамометры медицинских

В России производится несколько разновидностей медицинских динамометрических приборов. Среди них есть механические и электронные модели. Для взрослых и детей выпускаются становые и кистевые устройства разной ценовой категории.

Динамометр кистевой ДК-25, ДК-50, ДК-100, ДК-140

Перечисленные модели относятся к категории пружинных механических приборов. Они предназначаются для измерения мышечной силы у людей разного возраста и состояния здоровья. Устройства для динамометрии нужны в поликлиниках и диспансерах, в санаторно-оздоровительных и клинических учреждениях, в секциях различных видов спорта.

Принцип работы, форма и размер данных моделей мало отличаются между собой. Главная разница — в диапазоне измерений.

Цифры, входящие в наименование прибора, свидетельствуют о верхнем пределе диапазона!

В частности, ДК-25 – это динамометр кистевой, позволяющий измерять силу максимум до 25 деканьютонов. Прибор ДК-140 имеет верхний предел измерений, равный 140 деканьютонам.

Стоимость ручных пружинных моделей составляет от 3100 до 3900 рублей.

Данные модели представляют собой ручные электронные приборы, выпускаемые для измерения кистевой мышечной силы пациентов. Их используют в клиниках, стационарах, реабилитационных центрах, в школьных медицинских кабинетах. Они применяются также в профессиональном и любительском спорте и в физиологической практике.

Прибор ДМЭР-120 выпускается для взрослых людей. При сжатии кистью корпуса динамометра прикладываемая мышечная сила преобразуется в электрический сигнал определенной частоты. Полученные показания проходят обработку в цифровом микропроцессоре. Устройство оснащено жидкокристаллическим табло с индикатором, на который выводится окончательный результат. С его помощью можно производить измерение в пределах от 2 до 120 даН.

Есть вариант исполнения данной модели с индикатором, вынесенным за пределы прибора!

Цена модели составляет порядка четырёх тысяч рублей. Исполнение с выносным индикатором стоит на 500 рублей дороже. Конструкция имеет автономную систему питания от аккумуляторных элементов.

ДМЭР-30 – это детский динамометр. Им измеряют силу мышц рук у детей старшего и среднего возраста.

Ребенку удобно держать в руке данный прибор, так как он имеет корпус небольшого размера!

Кроме того, прибор очень лёгкий — он весит всего 90 гр. Устройство может работать в двух режимах. Обычный режим после измерений нужно отключать вручную. В экономичном

режиме предусмотрено автоматическое самоотключение прибора спустя одну минуту после произведения замера. Максимальный предел измерения в данном приборе составляет 30 даН. Стоимость данной модели — 3400-3600 рублей.

Этот динамометрический прибор имеет диапазон измерения от 20 до 200 даН. Корпус станового измерителя силы выполнен из материала силумина и покрыт лаком. Пружинная часть сделана из никелированной стали.

Устройство определяет статическую выносливость и силу сгибающих и разгибающих мышц корпуса человека!

Прибор оснащен специальным зеркалом, благодаря которому можно видеть показания шкалы во время приложения мышечного усилия.

Становой динамометр используется в кабинетах лечебной физкультуры, в ортопедических и неврологических клиниках, в научно-исследовательских лабораториях и в спорте.

Цена станового динамометрического устройства находится в пределах 9950-12250 руб.