运动生物力学多媒体教学6(第六章).ppt

第六章 骨骼肌生物力学l肌肉（骨骼肌）是人体运动 系统重要的组成部分，是人 体运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、最有挑战性的研 究领域肌肉的力学性质十 分复杂，它跟组成肌肉各种 成份的力学特性有关，迄今 为止人们仍然在不断的研究 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 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 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 肌纤维的显微结构1、 肌肉结构力学模型Hill（1950）提出一个由三个 元素组成的肌肉结构力学模型 （图3-2），即收缩元（CC）、 串联弹性元（SEC）和并联弹性 元（PEC），用此反映肌肉的功 能CC代表可以相对滑动的肌浆球 蛋白和肌动蛋白纤维丝，其张 力与它们的横桥数目有关； SEC表示肌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，设它为完全弹性 体；PEC表示肌纤维膜、肌束 膜等结缔组织，表现松弛状态 下肌肉的力学性质。

Hill三元素肌肉模型（ Hill, 1950）骨骼肌的结构模型肌动蛋白（细）收缩成分 肌球蛋白（粗）骨骼肌的结构模型 并联弹性成分弹性成分 串联弹性成分2、 肌肉结构力学模型性质1. 肌肉力（F）— 长度（L）关系根据肌肉结构力学模型，肌肉力的构成是收缩元（CC）、串 联弹性元（SEC）和并联弹性元（PEC）叠加的结果 概念: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的净息长度：收缩元（CC）表现出最大张力时的肌肉长度 约为平衡长度1.25倍被动张力: 是指肌肉工作时并联弹性成分的张力肌肉净收缩力: 指收约缩成分收缩时产生的张力总张力: 被动张力与净收缩力之和收缩元（CC）力——长度曲线lGorden（1966）得到了肌肉精确数据，他对蛙单个肌纤维肌节长度在1.27μ和3.65μ（μ为微米）之间变化与其产生力的变化关系进行调查（图3-3）运用肌纤维“横桥理论”（Huxley 1957）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（③-④），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，横桥联系数目减少，张 力随之下降（④-⑤）。

达到4μm时，横桥无联系，张力下降为零当肌肉缩短小于静息长度时，横桥重叠产生干扰，使其联 系数目减少，导致张力下降（③-②-①），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，但张力不可能降为零 图3-3肌节长度与等长张力关系 （Gordon 1966）并联弹性元（PEC）力——长度曲线 肌肉总张力——长度曲线 （A为平衡长度；B为净息长度） 2、肌肉力（F）—速（V）关系 l1938年Hill的经典工作奠定了肌肉力学基础，他按照 热力学定律建立了反映肌 肉收缩力－速度特性的方 程： 方程中F0为肌肉挛缩时的张力 ，F为松开肌肉一端后肌肉的 张力，V为肌肉缩短速度，a为 肌肉张力单位常量，b为肌肉 收缩速度单位常量Hill方程 所描述出肌肉的F—V关系与实 测结果具有较好的一致性（图3 -5） 图3-5 挛缩蛙缝匠肌快速释放 实测肌肉F-V 曲线与 Hill方程 比较（Hill 1938）l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，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-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l在神经脉冲影响下，肌肉的收缩成分出现激活状态 把肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变化称为肌 肉的激活状态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期 2、 肌肉的松弛l肌肉松弛：被拉长的肌肉，其张力有随时间 的延长而下降的特性，这一特性称为肌肉松 弛它是由肌肉串联和并联弹性元属于粘弹 性体的特性决定的 3、 负荷对肌肉收缩力学特性的影响Ø动作的潜伏期延长：表现在串联弹性元和 并联弹性元的“粘滞性”，和克服阻力的时间增加Ø肌肉收缩幅度减小：肌肉力量不足Ø收缩速度下降：Hill方程动作的潜伏期延长肌肉收缩幅度减小收缩速度下降4、 肌肉的收缩功和功率肌肉可以把化学能转变为机械能，在能量转换过程中肌肉克服阻力使物体发生位移，肌肉做了功肌肉“等长收缩”时，克服阻力，外部负荷不产生位移，没有做机械功但消耗了能量，这时肌肉做了“生理功”肌肉做功时所克服的阻力，包括肌肉的内部阻力和外部阻力因此，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，所以肌肉做功与其收缩速度有关 肌肉做功 图3-6 不同载荷肌肉做功 与收缩速度的关系图3-6是受试者伸膝关节肌群的测试结果肌肉收缩 速度大时做功减小是由于 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 可从肌肉的“F—V”曲线得 到在此曲线上每一点的功率 等于以该点和坐标原点为顶点 所构成的矩形面积（图3-7中 的阴影部分）假定肌肉收缩 时力和速度同时达到最大值， 这时功率应是最大，但这是不 可能的根据Hill方程可知实 际上功率最大值大约只有这种 理想值的1/10左右即肌肉最 大等长收缩力（Fm）的1/3与 最大收缩速度（Vm）1/3的乘 积 l体育运动训练中“爆发力”的概念指的就是肌肉功率，它是指保证肌肉处于最合理的工作状态下，在最短时间内快速地将化学能转换为机械功的能力l功率曲线图反映了功率与肌肉收缩力及收缩速度的 关系•当载荷为零时，肌肉表现出最大收缩速度，此时功 率很小。

•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（Nm）•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 率为零•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 l肌肉功率的性别、项目差异 l专项素质训练的原则 从生物力学观点来看，专项练习必须遵 从动态适应性原则（据维尔霍山斯基），即 在以下五个方面都与比赛相适应：• 运动幅度和方向；• 运动有效幅度的重点区间；• 作用力（或肌力）的大小；• 最大作用力发挥的速率；• 肌肉工作的状态 5、 肌肉与肌腱的生物力学特性对运动的影响Ø增加动作的力和速度Ø提高动作的经济性：利用弹性能Ø缓冲作用6、 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：Ø 等长收缩等长收缩：肌肉长度不变，但有内部收缩Ø 向心收缩向心收缩：肌肉主动收缩，长度缩短Ø 离心收缩离心收缩：肌肉主动收缩，但不能克服阻力而被拉长的收缩肌肉产生收缩形式变化的过程思考题1 1、简述、简述HillHill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 2、简述负荷对肌肉收缩力学特性有那些、简述负荷对肌肉收缩力学特性有那些影响？影响？3 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。