Методические рекомендации по оценке механических и
реклама
Методические рекомендации по оценке механических и морфологических особенностей скелетных мышц и сухожилий у стайеров Москва 2013 СОДЕРЖАНИЕ Стр. Введение……………………………………………………………………….. 1. Строение скелетных мышц и сухожилий 3 спортсменов, специализирующихся в видах спорта на выносливость.......................... 4 2. Функции различных типов мышечных волокон человека и сухожилий и их значимость при выполнении аэробных нагрузок ….. 8 3. Биомеханические основы выносливости……………………………….. 15 4. Физиологические и кинезиологические методы оценки механических особенностей скелетных мышц и сухожилий спортсменов................ 25 Заключение………………………………………….…………………………. 35 2 Введение Скелетные мышцы высококвалифицированных стайеров характеризуется преобладанием медленносокращающихся (окислительных, красных и медленноутомляемых) волокон. Механические и морфологические особенности скелетных мышц и сухожилий определяют потенциал человека к выполнению физических упражнений. Механические свойства скелетных мышц основаны на таких параметрах, как сила, длина рычага, скорость сокращения, работа и мощность. Соединительная ткань скелетной мышцы имеет сетевидное строение, которое обеспечивает синхронность передачи напряжения от мышечных волокон к сухожилию и возможность значительной деформации волокнистого каркаса. Расположение отдельных мышечных волокон и их пучков, структурная организация группы волокон, иннервируемых общим нервом, зависит от функционального типа скелетной мышцы. Вместе с тем, сухожилия стайеров переносят большие нагрузки и склонны к повреждениям и воспалительным заболеваниям. К примеру, лыжные гонки и биатлон, сопровождающиеся нагрузкой на разгибатели пальцев и кисти, провоцируют развитие тендинита в месте прикрепления этих мышц у бокового надмыщелка плечевой кости. Для оценки механических и морфологических особенностей скелетных мышц и сухожилий у стайеров применяется широкий набор гистологических, физиологических и кинезиологических методов. Применение данных методов позволяет оценить потенциал индивида к выполнению физических упражнений различной направленности и длительности, степень адаптации опорно-двигательного аппарата к физическим нагрузкам, а также установить диагноз при ряде патологий скелетных мышц и сухожилий. 3 1. Строение скелетных мышц и сухожилий стайеров Строение скелетных мышц Мышцы являются активным элементом аппарата движения. Скелетная мышца человека образована поперечно-полосатыми мышечными волокнами, поперечная исчерченность которых обусловлена наличием чередующихся двояко преломляющих проходящих светодисков (анизотропные более темные и иоднопреломляющие (изотропные, более светлые)). Каждое мышечное волокно состоит из недифференцированной цитоплазмы, или саркоплазмы, с многочисленными дифференцированных ядрами, поперечно-полосатых содержащей множество миофибрилл. Периферия мышечного волокна окружена прозрачной оболочкой, или сарколеммой, содержащей фибриллы коллагеновой природы. Скелетные мышцы высококвалифицированных стайеров характеризуется преобладанием медленносокращающихся (окислительных, красных и медленноутомляемых) волокон. Поперечная определяется исчерченность регулярным скелетного чередованием в мышечного волокна миофибриллах различно преломляющих поляризованный свет участков (дисков) - изотропных и анизотропных: светлые (Isotropic; I-диски) и тёмные (Anisotropic, А-диски) диски (рис. 1). Разное светопреломление дисков определяется упорядоченным расположением по длине саркомера тонких и толстых нитей; толстые нити находятся только в тёмных дисках, светлые диски не содержат толстых нитей. Каждый светлый диск пересекает Z-линия. Участок миофибриллы между соседними Z-линиями определяют как саркомер. Саркомер Саркомер находящаяся - структурно-функциональная между соседними Z-линиями. единица миофибриллы, Саркомер образуют расположенные параллельно друг другу тонкие (актиновые) и толстые 4 (миозиновые) нити. I-диск содержит только тонкие нити. В середине I-диска проходит Z-линия. Один конец тонкой нити прикреплён к Z-линии, а другой конец направлен к середине саркомера. Толстые нити занимают центральную часть саркомера - А-диск. Тонкие нити частично входят между толстыми. Содержащий только толстые нити участок саркомера - Н-зона. В середине Нзоны проходит М-линия. I-диск входит в состав двух саркомеров. Следовательно, каждый саркомер содержит один А-диск (тёмный) и две половины I-диска (светлого). Рис. 1. Структура скелетной мышцы. Строение сухожилий Сухожилия образованы пучками коллагеновых волокон, которые вытянуты по длиннику мышцы и располагаются параллельно друг другу. Отдельные пучки окружены соединительно-тканной оболочкой (эндотендиний). переходящей в наружную оболочку, окружающую все сухожилие в целом (перитендиний). Плоское сухожилие получило название сухожильного растяжения, или апоневроза. Сухожилия состоят из толстых, плотно лежащих параллельных пучков коллагеновых волокон. Между этими пучками располагаются фиброциты, 5 фибробласты и аморфное основное вещество. Тонкие пластинчатые отростки фиброцитов входят в промежутки между пучками волокон и тесно соприкасаются с ними. Фиброциты сухожильных пучков часто называются сухожильными клетками. Каждый пучок коллагеновых волокон, ограниченный от соседнего слоем фиброцитов, называется пучком первого порядка. Несколько пучков первого порядка, окруженные тонкими прослойками рыхлой волокнистой неоформленной соединительной ткани, составляют пучки второго порядка. Прослойки рыхлой волокнистой соединительной ткани, разделяющие пучки второго порядка, называются эндотенонием. Из пучков второго порядка слагаются пучки третьего порядка, разделенные более толстыми прослойками рыхлой соединительной ткани. Иногда пучком третьего порядка является само сухожилие. В крупных сухожилиях могут быть и пучки четвертого порядка. В основу классификации соединительной ткани положен принцип соотношения клеток и межклеточных структур, а также степень упорядоченности расположения соединительнотканных волокон. Собственно соединительную ткань подразделяют на рыхлую и плотную волокнистую соединительную ткань. Рыхлая волокнистая соединительная ткань практически обнаруживается во всех органах, так как она сопровождает кровеносные и лимфатические сосуды, образуя прослойки. Несмотря на наличие органных особенностей, рыхлая волокнистая неоформленная соединительная ткань различных органов имеет сходство в общих чертах строения. Различают следующие виды клеток: фибробласты, макрофаги, плазматические клетки, тканевые базофилы (тучные клетки), липоциты, пигментные клетки, адвентициальные клетки, перициты и эндотелиопиты сосудов, а также лейкоциты, мигрировавшие сюда из крови. Фибробласты - наиболее многочисленная группа клеток характеризующаяся способностью синтезировать фибриллярные белки и гликозаминогликаны с последующим выделением их в межклеточное вещество. 6 Коллагеновые волокна входят в состав разных видов соединительной ткани и определяют их прочность на разрыв. В рыхлой неоформленной волокнистой соединительной ткани коллагеновые волокна располагаются в различных направлениях в виде волнообразно изогнутых тяжей толщиной 13 мкм и более. Коллагеновые волокна состоят из пучков параллельно расположенных фибрилл толщиной в среднем 50-100 нм, связанных между собой гликозаминогликанами и протеогликанами. 7 2. Функции различных типов мышечных волокон человека и их значимость при выполнении аэробных нагрузок. Функции мышечных волокон Результаты биопсии скелетных мышц высококвалифицированных спортсменов свидетельствуют о преобладании медленных мышечных волокон у стайеров, а быстрых мышечных волокон – у спринтеров и спортсменов, занимающихся силовыми видами спорта. Скелетные мышцы человека состоят из трех основных типов мышечных волокон, которые различаются по сократительным и метаболическим характеристикам. У человека волокна I типа (медленные) являются медленносокращающимися, окислительными, красными и медленноутомляемыми; волокна IIa типа – быстросокращающимися, медленноутомляемыми; окислительно-гликолитическими волокна IId/x типа и (быстрые) - быстросокращающимися, гликолитическими и быстроутомляемыми (Fluck and Hoppeler, 2003). По составу мышечных волокон с большой долей вероятности можно определить предрасположенность к физической деятельности. Результаты биопсии скелетных свидетельствуют о мышц высококвалифицированных преобладании МВ у стайеров, спортсменов а БВ – у спринтеров/силовиков (Saltin and Gollnick, 1983; Andersen et al. 2000). На этом основании состав мышечных волокон можно считать значимым маркером предрасположенности к проявлению локальной (мышечной) работоспособности. Состав мышечных волокон может быть также одним из значимых предикторов спортивной успешности в рамках одного вида спорта, где имеются несколько специализаций. Так, установлено преобладание быстрых мышечных волокон у спринтеров, и превалирование медленных мышечных 8 волокон у стайеров, что обуславливает их способность к скорости преодоления дистанции и утомляемости. В частности в недавней работе была обнаружена положительная корреляция между средней коронной дистанцией и процентным соотношением медленных мышечных волокон среди 34 конькобежцев (r = 0.56, P = 0.0006). Иными словами, спортсмены с высоким содержанием быстрых мышечных волокон предпочитали выступать в спринте (500-1000 м), в то время как конькобежцы с преобладанием медленных мышечных волокон специализировались на длинных дистанциях (5000-10000 м). При этом вклад соотношения мышечных волокон в фенотипическую дисперсию средней предпочитаемой дистанции составил 31,4% (Ahmetov et al. 2011). Эти данные могут быть использованы в отборе и спортивной ориентации конькобежцев. Влияние аэробных нагрузок на состав мышечных волокон Частое повторение двигательных упражнений умеренной мощности повышает выносливость мышц. Тренировочные занятия, направленные на повышение выносливости, способствуют повышению резистентности мышц к утомлению и увеличению их плотности. Хено и Дюшато (1989) предложили своим испытуемым выполнять 200 субмаксимальных приведений большого пальца ежедневно на протяжении 3 мес. Тетаническое стимулирование приводящей мышцы большого пальца, осуществленное в конце этого периода, показало значительно большее сохранение силовых способностей, чем до занятий. В более проксимальных мышцах конечностей тренировочные воздействия наблюдаются не только в мышцах, которые являются наиболее активными во время продолжительной нагрузки, но и в мышцах, имеющих небольшую чистую массу, например у бегунов на длинные дистанции. Меньший обхват объясняется снижением площади поперечного сечения миофибрилл и самих волокон. Можно считать, что такая адаптационная 9 реакция способствует лучшей диффузии метаболитов и питательных веществ между сократительными филаментами и цитоплазмой и между цитоплазмой и интерстициальной жидкостью. Пониженная утомляемость частично обусловлена увеличением количества митохондрий и капилляров. Ингйер (1979) тренировал 7 молодых женщин в беге по пересеченной местности в течение 24 нед. Он установил, что количество капилляров вокруг волокон всех гистохимических типов значительно увеличилось, в то время как в волокнах типа I в основном возросло количество митохондрий. Во время физической нагрузки большее количество митохондрий обеспечивает лучшее снабжение волокон АТФ на основании аэробного метаболизма. Точно так же, более экстенсивное капиллярное русло должно улучшать доставку кислорода и энергоресурсов (глюкозы, свободных жирных кислот) в волокна, эффективно выводя продукты мышечной активности, особенно Н, К и лактат. Однако оказалось, что больший размер капиллярного русла ассоциируется с соответственно более интенсивным мышечным кровотоком только во время изнурительной нагрузки (Hudlicka, 1990). Тренировочные занятия, направленные на увеличение выносливости, ассоциируются с увеличением процента волокон типа I и волокон промежуточного типа. В четырех исследованиях у спортсменов, занимающихся аэробными видами спорта, количество мышечных волокон типа I было повышенным, а количество волокон типа IIВ - пониженным по сравнению с контрольными испытуемыми. Функции сухожилий Сухожилие - компонент мышцы, обеспечивающий ее соединение с костью. Основной функцией сухожилия является передача усилия мышц кости, буферизация кинематической энергии. Сухожилия и связки характеризуют следующие механические свойства: прочность, значение 10 относительной деформации (ε), а также упругость, которую численно выражает модуль продольной упругости (модуль Юнга). Сухожилия состоят из плотно уложенных в пучки толстых структурных единиц - фибрилл, в состав которых входят коллагеновые волокна. Основное свойство коллагена высокая прочность на разрыв и небольшая относительная деформация (ε = 10%). Связки, как и сухожилия, состоят главным образом из пучков коллагеновых волокон, расположенных параллельно друг другу. Однако в отличие от сухожилий в состав связок входит достаточно большое количество волокон эластина - упругого белка, который может очень сильно растягиваться (относительная деформация составляет 200-300%). Механические свойства сухожилий и связок зависят от их размеров и состава. Чем больше поперечное сечение и больший процент коллагеновых волокон, тем выше прочность. Чем связка длиннее и чем больше в ней волокон эластина, тем больше значение относительной деформации. Прочность сухожилий составляет 40 - 60 МПа, а связок - 25 МПа. Следует отметить, что предел прочности каната из хлопка на растяжение составляет 30 - 60 МПа. На прочность связок и сухожилий влияет уровень гормонов. Доказано, что систематическое введение гормонов может привести к уменьшению прочности этих структур. Значительно снижает прочность связок и сухожилий иммобилизация. И, наоборот, при исследовании животных была найдена связь между уровнем физической активности и прочностью сухожилий и связок. Доказано, что в подавляющем большинстве случаев прочность сухожилий более высока, чем прочность их прикрепления к костям. Поэтому при травмах сухожилия не разрываются, а отрываются от места прикрепления. Следует учитывать также, что в процессе тренировок прочность сухожилий и связок увеличивается сравнительно медленно. При 11 форсированном возникнуть развитии скоростно-силовых несоответствие возможностями мышечного между качеств возросшими аппарата и мышц может скоростно-силовыми недостаточной прочностью сухожилий и связок. Это грозит потенциальными травмами (Аруин и др. 1981). Модуль Юнга (E) численно равен напряжению, увеличивающему длину образца в два раза. Для костной ткани он составляет 2 000 МПа, а сухожилия - 160 МПа. Материал коллаген характеризуется значением модуля Юнга, равным 10 - 100 МПа, а эластин - 0,5 МПа. Следует отметить, что значение модуля Юнга для резины составляет 5 МПа, а для древесины - 1 200 МПа (В.И. Дубровский, В. Н.Федорова, 2003). Связки и сухожилия характеризуются нелинейными свойствами - модуль упругости изменяется по мере колебания их длины. Передача усилия от мышцы к сухожилию при выполнении скоростносиловых нагрузок При выполнении различных двигательных, в том числе и силовых, упражнений, усилия от мышечных волокон к двигающемуся звену передаются посредством сухожилия. Однако до настоящего времени неясен механизм этой передачи. В настоящее время существуют две модели, объясняющие этот феномен: в первой модели усилие передается в продольном направлении относительно хода мышечных волокон, во второй в поперечном направлении. Модель передачи усилия вдоль мышечного волокна В этой модели мышечные волокна имитируют демпфером (амортизатором), содержащим жидкость, обладающую высокой вязкостью. Этот элемент в модели носит название сократительного компонента (СокК) Следует отметить, что этот компонент характеризуется невысокой прочностью. Предел прочности для мышц составляет 0,2-0,4 МПа. Второй компонент - все соединительнотканные образования, которыми окружена мышца. Это: эпи- пери- и эндомизий. В этом компоненте наиболее выражены 12 упругие свойства мышц. Так как этот компонент расположен параллельно мышечным волокнам, он получил название параллельного упругого компонента (ПаУК) В модели он имитируется пружиной с нелинейной зависимостью между силой и удлинением. Предел прочности для фасций составляет 14 МПа. Третий компонент - сухожилие. В этом компоненте также преобладают упругие свойства, однако, жесткость этого компонента больше, чем у параллельного упругого компонента. Чем выше жесткость, тем больше сила упругости, возникающая при растяжении (деформации тела). Мышечные волокна переходят в сухожилие, то есть этот компонент расположен последовательно относительно сократительного компонента, поэтому он называется последовательным упругим компонентом (ПоУК). В модели он также имитируется пружиной с нелинейной зависимостью между силой и удлинением. Предел прочности для сухожилий равен 40-60 МПа. Рассматривая механику мышечного сокращения, В.М. Зациорский указывает: «При сокращении мышцы или отдельного волокна сначала возникает сила тяги в контрактильных компонентах мышцы; при этом на внешнем конце мышцы еще не регистрируется возрастание силы. Затем контрактильные сократившиеся компоненты растягивают ПоУК. И только тогда, когда последовательные упругие компоненты достаточно растянуты, на конце мышцы регистрируется изменение силы (В М. Зациорский, 1979). С этого момента растянутый последовательный упругий компонент будет восстанавливать исходную длину. Высвобождаемая при этом энергия упругой деформации, переходя в кинетическую энергию перемещаемого тела, сообщает ему определенную скорость. При этом скорость разгоняемого звена превышает скорость укорочения сократительного компонента. После прекращения возбуждения в сократительном компоненте (силы тяги нет) и достижения исходной длины последовательного упругого компонента (нет деформации - нет силы упругости) разгоняемое звено будет двигаться по инерции. 13 Модель передачи усилия поперек мышечного волокна Трехкомпонентная модель, объясняющая передачу механического напряжения от мышечных волокон сухожилию, имеет одно очень уязвимое место, связанное с удлинением сухожилия при укорочении мышечных волокон. Как указывает Вайн (1990), с точки зрения механики, это невозможно, так как прочность мышечных волокон значительно меньше прочности сухожилия. В разработанной Вайном (1990) модели процесс передачи усилия от сократительного компонента сухожилию происходит следующим образом. В результате активации саркомера толстый и тонкий филаменты скользят относительно друг друга. Следствием этого является повышение внутримышечного давления. Это вызывает увеличение периметра миофибриллы, мышечного волокна, а также эндо-, пери- и эпимизия мышцы. Так как все соединительнотканные образования, окружающие мышцу и мышечные волокна, состоят из сети коллагеновых волокон, которые не позволяют увеличиться объему мышцы, в этих соединительнотканных структурах развивается тяга пропорционально увеличению ее периметра. Таким образом, мышечная тяга передается к сухожилию не от мышечного волокна, а через эндо- пери- и эпимизий мышцы. Или, другими словами, тяга, развиваемая сократительным компонентом (СокК), передается последовательному упругому компоненту (ПоУК) посредством параллельного упругого компонента (ПаУК). Jones и Rutherford (1987) также считают такой вариант передачи усилия возможным. Кроме того, показано (Garfin et al., 1981), что даже небольшое рассечение эпимизия мышцы приводит к уменьшению внутримышечного давления на 50% и падению суммарной силы ее тяги на 15%. 14 3. Биомеханические основы выносливости Под выносливостью понимают способность человека противостоять наступающему утомлению при выполнении двигательной деятельности. Утомление и его биомеханические проявления. Утомление - особый вид функционального состояния человека, временно возникающий под влиянием продолжительной или интенсивной работы и приводящий к снижению ее эффективности (В.И. Тхоревский, 1992). Оно проявляется в уменьшении силы и выносливости, ухудшении координации движений, возрастании затрат энергии при выполнении одной и той же работы, замедлении реакций и скорости переработки информации. Специалисты выделяют следующие виды утомления: • локальное (например, усталостные явления в биомеханическом звене: кисти, стопе и т.д.); • региональное (например, усталостные явления в биомеханической цепи: ногах, руках и т.д.); • глобальное (усталостные явления во всей биомеханической системе тела человека при выполнении высокоинтенсивной работы, в которой принимают участие свыше 2/3 объема мышечной массы спортсмена - весь организм устает). При выполнении спортивных упражнений глобальное физическое утомление оказывает существенное влияние на пространственно-временные, силовые и ритмовые характеристики выполнения специфических для каждого вида спорта технических действий. В циклических видах спорта некоторое нарушение оптимальной структуры выполнения основного движения (уменьшение длины шага в беге или уменьшение длины гребка в плавании) может быть компенсировано увеличением частоты движений, что в итоге не отражается на основном показателе спортивного мастерства времени прохождения соревновательной дистанции. 15 В спортивных единоборствах изменение индивидуального штампа выполнения технического действия, наблюдаемое в случае физического утомления борца, приведет к нарушению привычной структуры выполнения приема (межмышечной координации) и в итоге существенно понизит возможность его проведения в условиях реального поединка. В баскетболе под влиянием утомления целевая точность по результатам попадания в кольцо снижается на 10%. Показательно, что утомление отражается на изменениях технической результативности в большей степени, чем в двигательных проявлениях, характеризующихся величинами сил, скоростей и ускорений. Сопоставление показателей точности попадания в цель ударов в волейболе и скорости полета мяча как следствия влияния утомления показало, что коэффициент вариации по показателю точности в условиях утомления составляет 40 %, тогда как разброс в скорости полета мяча не превышает 5 %. Этот пример можно рассматривать как частный случай общего положения о том, что действие мешающих факторов, и в частности утомления, влияет на самые сложные уровни технической организации движений, которые первыми проявляют тенденцию к структурному упрощению. Своеобразие реакций упрощения проявляется в технико-тактических действиях, например, в спортивных играх либо в выборе более простых действий на предъявление ситуации, либо в попытках как-то обозначить свои действия. В силу своеобразия реакций на влияние утомления преимущество всегда имеют спортсмены-игровики, которые отработали до технического совершенства свое поведение в стандартизированных ситуациях, где даже при малой потере игровой точности итоговый результат технического действия будет удовлетворительным. Все это позволяет говорить о зависимости уровней технического мастерства у представителей спортивных 16 игр, а также единоборств, от «запаса» программ (алгоритмов) движений, реализуемых с наименьшими потерями в более тяжелых ситуациях. Утомление - это очень сложное явление, вызываемое изменениями в различных системах. Даже выделяя его ведущие механизмы, нельзя забывать, что они являются далеко не единственными. Нередко факторы, кажущиеся второстепенными, приводят к заметному снижению работоспособности и ухудшению результата. Ограничение возможности поддерживать сокращение мышц на заданном уровне силы или интенсивности вероятнее всего связано с состоянием определенных систем и структур (В. И.Тхоревский, 1992): • центрального механизма утомления (ЦНС, вегетативная нервная система, гормональная система); • периферических механизмов утомления (изменения в нервномышечном синапсе, изменения сопряжения мышечных в волокон, процессах изменения в электромеханического мышцах: истощение энергетических ресурсов, накопление в мышцах продуктов метаболизма, недостаточное поступление к мышце кислорода). Из-за этих обстоятельств на тренировках упражнения максимальной интенсивности применяют в малом объеме. Постановка заданий на совершенствование в технике, когда спортсмен полностью выполняет упражнение соревновательного противодействие утомлению характера, мало оправдана, вызывает серьезные так нарушения как в межмышечной координации. Последние приводят не только к упрощениям структуры движений (уменьшению рабочего эффекта основных мышечных групп), но и к таким внешним скрытым формам этого упрощения, которые маскируют снижение рабочих эффектов повышенной активностью второстепенных двигательных компонентов системы движений (И. П. Ратов). Поэтому силовые акценты 17 приходятся не на те моменты времени, в которых осуществление движения будет поддерживаться на необходимом уровне. Утомление в процессе мышечной или умственной деятельности, не переходящее определенных пределов, физиологическое, а не патологическое - явление, несомненно, полезное для организма. Работа до утомления представляет собой важный и необходимый фактор роста тренированности, в особенности тогда, когда оно связано с развитием выносливости. Физиологический смысл этого явления заключается в том, что, тренируясь до наступления утомления, занимающийся адаптируется к повышенным нагрузкам. В случаях же, когда тренировочные упражнения прекращаются до начала возникновения утомления, развитие тренированности приостанавливается. То же происходит в том случае, если тренировочные занятия приводят к резко выраженной степени утомления. При этом может возникать состояние перетренированности и даже переутомления. Поэтому следует избегать не утомления «вообще», а лишь чрезмерного его развития, хотя пределы чрезмерности строго индивидуальны и связаны не только с характером выполняемых упражнений, но и с их длительностью и интенсивностью. Механическая эффективность движений. В видах спорта с преимущественным проявлением выносливости существует ряд факторов, определяющих эффективность двигательных действий и конечный результат движения. 1. Количество метаболической энергии, освобождаемой в организме при передвижении по дистанции (предельные возможности спортсмена в этом отношении характеризуют такими общеизвестными показателями, как максимальное потребление кислорода, максимальный кислородный долг и т.п.), т.е. это те основные поступления энергии, благодаря которым человек может двигаться. Метаболическая энергопродукция конечна, так же как 18 конечна скорость ее производства. Количество выработанной энергии определяется емкостью и мощностью трех энергетических систем: окислительной, лактацидной и фосфагенной. 2. Способность использовать как можно большую часть освобожденной энергии для выполнения механической работы (т. е. механической эффективностью, которая характеризуется КМЭ). Поскольку коэффициент механической эффективности равен отношению полезной механической работы к валовым энергозатратам, эффективность движения можно повысить как за счет увеличения числителя, так и за счет уменьшения знаменателя. Механическая работа увеличивается при увеличении интенсивности выполнения упражнений. Но в этом случае валовые энерготраты растут еще быстрее, поскольку: • увеличиваются тепловые потери в результате нагревания тела; • увеличиваются энерготраты на работу внутренних органов (в первую очередь на усиленное функционирование кровеносной и дыхательной систем); • растет величина внутренней работы, которая тратится на движения звеньев - разгон, торможение. Впрямую эта работа не влияет на полезный результат движения (например, передвижение по дистанции), но без подготовительных движений звеньев (растягивание мышц) полезный результат не будет достигнут. Снижение такого рода энерготрат состоит в рационализации техники выполнения упражнений. Это касается не только двигательных действий в направлении перемещения, но и перепроизводства усилий в других направлениях, затрачиваемых на излишние колебания тела и звеньев тела; • растет сопротивление внешней среды пропорционально квадрату скорости передвижения человека или человека и спортивного инвентаря по дистанции. Предпринято очень много биомеханических исследований, направленных на снижение отрицательных эффектов сопротивления среды. 19 В результате сделано много разработок: это лыжные мази, понижающие коэффициент трения лыж по снегу, дисковые колеса на велосипеде (D. Dal Monte, 1990), уменьшающие турбулизацию потока воздуха за ними, что ослабляет сопротивление давления, каплевидные шлемы велосипедистов, задерживающие срыв потока воздуха при обтекании, а значит, также уменьшающие сопротивление давления. Снизив энерготраты, можно сэкономленную часть энергии использовать в осуществлении полезного результата движения. 3. Умение передвигаться с большей скоростью, выполняя при этом меньшую механическую работу (т.е. экономичность техники, связанная прежде всего с рекуперационными процессами в организме человека). Следствием закона сохранения энергии, проявляющегося через механизмы рекуперации энергии, является достаточно высокая эффективность двигательных действий человека. Если бы тело представляло собой отдельные сегменты, которые двигаются так же, как при движении человека, то затраты энергии были бы в 3 - 5 раз больше, чем в действительности. Вследствие сохранения механической энергии тела метаболические источники мышц подводят только 20 - 35 % необходимой энергии в естественных локомоциях. В настоящее время считается, что сохранение и повторное использование (или рекуперация) механической энергии происходит за счет действия трех механизмов: 1) перехода кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации и обратно; 2) перехода (или передачи) механической энергии от одного звена к другому; 3) перехода кинетической энергии движения в потенциальную энергию деформации мышц и сухожилий и обратно. Во время бега с любой скоростью сохраняется около 80 % полной механической энергии звеньев тела. 20 С ростом скорости передвижения существенно увеличивается доля энергии, сохраненной за счет ее передачи между звеньями тела, и уменьшается ее передача за счет перехода кинетической энергии движения в потенциальную в поле силы тяжести и обратно. Первый механизм рекуперации. Сохранение полной энергии по этому механизму требует строго противофазного изменения кинетической и потенциальной фракций энергии. Такое явление наблюдается не во всех звеньях тела. Например, в беге и ходьбе потенциальиая и кинетическая энергии стопы одновременно достигают нулевого значения в опорной фазе. Чем выше над опорой располагается звено, тем больше энергии оно может сохранить. Считается, что первый механизм рекуперации энергии обеспечивает в целом в естественных локомоциях экономию энергии в диапазоне 12 - 23 %. Второй механизм рекуперации. Механическая энергия может передаваться от звена к звену тела человека двумя путями: за счет воздействия через суставные сочленения посредством контактных сил, совершающих работу по изменению энергии соседнего звена; за счет действия мышц (односуставных, а также двусуставных, передающих энергию через два сустава от звена к звену, непосредственно несоединенным суставным сочленением). По различным оценкам рекуперирование энергии по механизму ее передачи от звена к звену составляет от 30 до 42 % от полной энергии. Третий механизм рекуперации энергии. Вследствие того что мышцы человека работают только на сокращение, основному движению предшествует движение в противоположном направлении. Происходящее в таких предварительных движениях растяжение мышц приводит к накоплению в них энергии упругой деформации, используемой затем в основном движении. Если быть совсем точным, то растягиванию 21 подвергаются мышечно-сухожильные структуры. Например, в прыжках кенгуру основная энергия упругой деформации накапливается именно в сухожилиях нижних конечностей (анатомически у кенгуру эти сухожилия очень длинные). Степень использования энергии упругой деформации зависит от условий выполнения движений, в частности от времени между растягиванием и укорочением мышц. При увеличении паузы между предварительным растягиванием и последующим укорочением за счет релаксации мышц и сухожилий снижается энергетическая экономичность, а значит, и эффект выполнения основного упражнения. Интервал времени, за который должна накопиться и использоваться энергия упругой деформации, определяется постоянной времени релаксации, например для сгибания коленного сустава она равна 1,4 с (R. Margaria et al, 1963). Если время движения больше времени релаксации, накопленная энергия полностью рассеивается и последующая фаза движения полностью осуществляется за счет метаболической энергии мышечного сокращения. П. Коми, К. Боско (С. Bosco) (1978) писали, что свойство мышц накапливать энергию упругой деформации коррелирует с процентным соотношением быстрых и медленных мышечных волокон: чем выше процент медленных волокон, тем лучше используется энергия упругой деформации. По разным данным рекуперация энергии в мышечно-сухожильных структурах составляет от 6 до 37 %. Такой большой разброс объясняется тем, что исследовали различные мышцы и условия опытов не были полностью идентичны, кроме того, испытуемые были различного возраста и уровня физической подготовленности. К настоящему времени найдено множество уравнений, описывающих связь между показателями техники бега и его скоростью. Используя их, можно рассчитать изменения многих показателей соответственно увеличению скорости бега. Но это относится к бегу в неутомленном 22 состоянии. В то же время очень актуален вопрос об изменении характеристик бега при уменьшении его скорости на финише дистанции, в фазе острого утомления. Этот вопрос изучен слишком мало, чтобы понять специфику утомления. Было показано, что на финише бега на 400 и 800 м уменьшаются длина и частота шагов, а нога ставится на грунт дальше, чем обычно, и более выпрямленной. Кроме того, на финише бега на разные дистанции достоверно уменьшаются размах движений ног, сила отталкивания и продольный компонент внешней механической работы. В то же время растут вертикальные колебания общего центра масс тела и, следовательно, вертикальный компонент внешней механической работы. Утомление при беге характеризуется следующими особенностями. 1. Падение скорости бега обусловлено снижением частоты шагов на всех дистанциях и снижением длины шагов при беге на 400 и 5000 м. 2. Улучшается положительная вертикальная работа, обусловленная вертикальным перемещением ОЦМ тела при спринтерском беге. 3. Ухудшается положительная продольная работа, производимая для продвижения ОЦМ тела вперед. 4. Положительная продольная мощность отталкивания уменьшается на всех дистанциях. Отрицательная мощность торможения тела не изменяется. 5. При беге на всех дистанциях увеличивается время фазы торможения. Это ухудшает условия для работы механизма рекуперации энергии с использованием упругих свойств мышц. 6. При беге на 200, 400 и 800 м нарушается зависимость между мощностью растяжения и сокращения мышц. Это является причиной снижения мощности отталкивания. 7. Утомление мышц бедер — основная причина уменьшения частоты шагов. Последующий переход на низкую скорость бега уменьшает эффективность рекуперации механической энергии, особенно утомленных мышц. 23 8. При беге в состоянии острого утомления спринтеры и средневики ставят ногу на дорожку жестче, более выпрямленной в коленном суставе. Видимо, это до некоторой степени компенсирует уменьшение мощности отталкивания. Итак, утомленный бегун ставит ногу на дорожку более выпрямленной. Однако так и не ясно, является ли это неизбежным нарушением техники бега или это компенсаторная перестройка? Пока представляется возможным выдвинуть следующие предположения. Первое. Бегун не в состоянии быстро и высоко выносить бедро маховой нога. Однако голень, несмотря на меньшую скорость ее разгона, все же успевает выхлестываться вперед, как и раньше, так как время шага на финише возросло. В результате при постановке ноги на опору угол в коленном суставе увеличивается. В таком случае более выпрямленная в коленном суставе нога - не что иное, как искажение техники бега под влиянием утомления. Второе. Более жесткую постановку ноги можно осуществить, не акцентируя подтягивания стопы ближе к себе, точнее, к вертикальной проекции ОЦМ на опору. Возможно, бегун делает это подсознательно для лучшего использования эффекта предварительного растяжения мышц ноги. В этом случае это является компенсаторной перестройкой техники бега. 24 4. Физиологические и кинезиологические методы оценки механических особенностей скелетных мышц и сухожилий спортсменов Движения человека начинаются на микроуровне (скольжение нитей актина и миозина), а заканчиваются перемещением сегментов тела в нужном направлении и с определенной скоростью. Анатомическими структурами, обеспечивающими перемещения сегментов тела, являются нервно- мышечный, скелетный, связочный и суставной аппараты человека. Активная часть двигательного аппарата (нервно-мышечная система) развивает усилия во времени, которые в физиологии принято количественно оценивать по зависимостям: контрактильного «сила-длина», компонента «сила-скорость», (мышечные «сила-время» брюшки) и - для «сила-длина параллельного упругого элемента» - для эластического компонента мышц (сухожилия и фасции). В спорте скоростно-силовые свойства мышц оценивают по результатам тестирования. Тесты можно проводить как в условиях тренировочного процесса (педагогические тесты) так и в условиях лабораторий на специально оборудованных стендах, включающих различное оборудование. К педагогическим тестам относятся: прыжки вверх или в длину, бег на 30 и 60 м и другие упражнения. Результаты педагогических тестирований (например, прыжки вверх, бег на 30 м), обычно выраженные в метрах (высота/длина прыжка) и секундах (время пробегания), отражают уровень скоростно-силовой подготовленности спортсмена на момент тестирования. На результаты таких тестов влияют условия проведения, мотивация, обученность контингента, умение реализовать свой моторный потенциал. Поэтому по итогам педагогического тестирования можно судить только о скоростно-силовых способностях спортсмена, которые лишь частично отражают скоростно-силовые свойства мышц. 25 Силоизмерительные стенды (тренажеры) позволяют точнее оценить динамические и кинематические свойства мышц, так как искусственная среда, создаваемая стендом, ограничивает свободу в суставах и ставит спортсменов различной квалификации в одинаковые условия (независимо от координационных способностей). На рисунке 2 представлены силоизмерительные стенды в процессе их развития начиная со сравнительно простых до агрегатированпых на самом высоким аппаратно-программном уровне, как Biodex или Con-trex. Одно из главных преимуществ тестирования на стендах - наличие обратной связи с испытуемым в режиме реального времени. Компьютеризация силоизмерительных устройств, высокопроизводительные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), современное многозадачное программное обеспечение позволяют выводить на экран мониторов в режиме близкому к реальному времени большое количество биомеханических параметров. Например, на силоизмерительном стенде Biodex, кроме момента в суставе на экран монитора можно вывести профили угловой скорости и миограммы. Объем и содержание информации предоставляемой тренеру и спортсмену зависит от целей и задам тестирования уровня теоретической подготовленности тренера и спортсмена. Процесс обмена информацией между измерительным устройством спортсменом и тренером можно отнести к одной из форм биологической обратной связи (БОС), которая может рассматриваться как учебный процесс, направленный на совершенствование скоростно-силовой подготовки, с помощью контроля сигналов, идущих от двигательного аппарата спортсменов. Биологическая обратная связь широко распространена в медицинской практике для обучения контролю мышечного напряжения/расслабления. 26 Рис. 2. Силоизмерительные стенды: 1 - стенд Коробкова-Черняева (измерения изометрической силы); 2 - стенд, разработанный Ю. В. 27 Верхошанским для оценки компонентов взрывной силы; 3 - прототип системы Biodex с инерционными устройствами; 4 - система Biodex. Изокинетическая динамометрия Движение в коленном суставе при проведении изокинетической динамометрии характеризуется постоянством заданной угловой скорости, вне зависимости от силы мышечного сокращения, при этом сопротивление возрастает эквивалентно приложенной силе. Изокинетическая динамометрия применяется в клинической практике для оценки силы мышц при восстановительном лечении, в спорте - при определении слабых звеньев подготовки, а также с целью тренировки. Тренировка может проводиться на скорости, характерной для специального спортивного движения. Тестирование и тренировка осуществляются на низких (0-60º/с), средних (60180º/с), высоких (180-300º/с) и очень высоких (300º-1000º/с) угловых скоростях. Пиковый вращающий момент (ньютон-метр, Н•м) свидетельствует о максимальной силе данной мышечной группы, его соотношение с весом тела позволяет проводить сравнение с эталонными среднепопуляционными показателями. Движение при тестировании на изокинетическом динамометре не является функциональным, однако корреляция между показателями изокинетического тестирования и скоростно-силовыми характеристиками спортивного движения была получена во многих видах спорта. В частности, значимые корреляционные связи определены между пиковым вращающим моментом четырехглавой мышцы бедра при изокинетическом тестировании сгибания/разгибания в коленном суставе на 60°/с и тестом “прыжок на одной ноге”. Также установлены значимые корреляционные связи между спортивными результатами при беге на 5000 м в конькобежном спорте и показателями силы разгибателей коленного сустава на средних и высоких скоростях тестирования (150, 210 и 300°/с). Известно, что пиковый 28 вращающий момент на низкой угловой скорости (до 180° в секунду) свидетельствует о максимальной произвольной силе мышцы, на средней и высокой (180° в секунду), отражает силовую выносливость. При изокинетическом тестировании, как основном методе оценки силовых возможностей, определяется мышечное усилие, которое спортсмен способен приложить для того, чтобы устройство двигалось с постоянной угловой скоростью, измеряемой в радианах в секунду (от лат. isos- равный, kinetic - движение). Чаще всего зарубежные исследователи используют измерения при угловых скоростях от 0,15 до 3,14 рад/с. Этим методом можно измерить достаточное количество параметров, в том числе и ассиметрию силы четырехглавой мышцы бедра (квадрицепса) на ногах. Следует также сказать, что выраженная ассиметрия силы мышц левой и правой нижних конечностей, а также значительная ассиметрия сил мышц сгибателей и разгибателей, является фактором, предрасполагающим к травматизму. Несмотря на все достоинства изокинетических тестов, многие специалисты говорят о том, что тесты со свободными весами, более точно отражают силовые способности спортсменов. Более того, свободные веса в практической потенциал работе для используется совершенствования многими командами, многозначной обеспечивая функциональной тестирующей программы в непосредственной связи с силовой тренировкой. Миография Электромиографическое обследование является примером прикладной нейрофизиологии и, следовательно, функциональным исследованием, отвечающим на определенные клинические вопросы. Прежде всего, это касается патофизиологического состояния нервно-мышечного аппарата в целом с преобладанием поражения тех или иных элементов ДЕ. ЭМГ (ЭНМГ) - полимодальный метод исследования, включающий в себя большое количество методик. По способу получения данных, характеру 29 исследования и методам обработки данных в ЭМГ выделяют следующие методики обследования: 1. Интерференционная поверхностная ЭМГ. 2. Стимуляционная ЭМГ. • Исследование М-ответа и скорости распространения волны по моторным волокнам (СРВм). • Исследование потенциала действия нерва и скорости распространения волны по сенсорным волокнам (СРВс). • Исследование поздних нейрографических феноменов (F-волна, Нрефлекс, А-волна). • Ритмическая стимуляция и определение надежности нервномышечной передачи (декремент-тест). • Игольчатая ЭМГ (Исследование потенциалов двигательных единиц (ПДЕ). 3. Магнитная, стимуляция. • Исследование центрального времени моторного проведения. • Исследование М-ответа и СРВм по глубоко расположенным нервным стволам. Ультразвуковое исследование Мышцы являются лучшим, среди мягких тканей скелета человека, объектом для сонографического исследования. В 1965 году U. Howry впервые выполнил поперечное сонографическое сканирование бедра в норме, которое фактически и положило начало применению УЗ-метода в травматологии и ортопедии. Преимуществами УЗИ, по сравнению с МРТ. являются его неинвазивность, безвредность, возможность многократного исследования, низкая себестоимость и простота исследования. При острых повреждениях мышц главная цель УЗИ в том, чтобы оценить степень разрыва и величину диастаза мышечных волокон. Гематома - ключевой 30 признак повреждения мышцы. Оптимальные сроки проведения УЗдиагностики от 2 до 48 ч после травмы мышцы. Если проводить исследование в сроки до 2 ч с момента травмы, то при микронадрывах гематому можно не определить, поскольку в этот период она еще находится в стадии формирования, а после 48 ч с момента травмы гематома может распространиться по фасциям ниже места повреждения мышцы. Сонография помогает в выявлении некоторых осложнений после регенерации мышц типа кистозного изменения или оссифицирующего миозита. Сонографическое исследование высокоэффективно при гипотрофии, воспалении, разрыве и опухолях мышц. Приблизительно 30% повреждений мышц относятся к спортивным травмам, и ультрасонография играет главную роль в данном разделе спортивной травматологии, помогая врачу в решении вопроса о возможности возвращения спортсмена к тренировкам или соревнованиям. УЗИ является высокоинформативным методом диагностики патологии мышц. Видеоанализ движений Современные инновационные технологии значительно расширяют практические возможности подготовленности комплексного спортсменов, позволяют контроля по-новому специальной взглянуть на управление их подготовкой. Появилась реальная возможность эффективно контролировать специальную подготовленность спортсменов в ходе текущих обследований непосредственно в тренировочном процессе, не отвлекая спортсменов от подготовки. Появились портативные системы оперативной оценки текущего функционального состояния спортсменов, компьютерные программы видеоанализа, позволяющие оперативно, непосредственно в ходе тренировки и соревнований с высокой точностью контролировать биомеханические параметры техники упражнения, корректируя техническую подготовку спортсмена. 31 Рационально использование видеоанализа с включением тензодинамометрии мышечных групп спортсменов для определения силовых и скоростно-силовых показателей основных мышечных групп. Неоспоримые успехи развития спортивной кинезиологии и восстановительной медицины последних десятилетий тесно связаны с внедрением в повседневную спортивную практику компьютерной техники. Новые методы коррекции движения включают в себя различные виды так называемой «сенсорной терапии» с применением аппаратных методов коррекции движений (многоканальная программируемая электростимуляция мышц при ходьбе, функциональное биоуправление, эмуляция ходьбы и т.п.) и технических средств реабилитации (рефлекторно-нагрузочные устройства). Однако включение тех или иных высокотехнологичных методов помощи спортсменам с ошибками в технике движений в индивидуальную тренировочную программу должно быть не только анатомически обоснованным, но и оптимальным по соотношению цена/эффективность. Это требование сегодняшнего дня невозможно выполнить без подробного биомеханического анализа структуры двигательных нарушений, имеющихся у конкретного спортсмена. Понимание базисных механизмов организации локомоций и количественная оценка их нарушений позволяет тренеру, спортивному врачу или биомеханику оптимизировать составление программы тренировки спортсмена с ошибками в технике движений, провести мониторинг спортсменов на этапах реализации составленной программы, дать экспертную оценку ее эффективности. В мировой практике для этих целей используются механические, магнитные и оптические инструментальные системы захвата и анализа движений, позволяющие получать объективные количественные данные о локомоторных системы особенностях используют спортсмена. двух- или Механические трехкомпонентные (контактные) цифровые электрогониометры, позволяющие производить регистрацию движений с 32 высокой точностью. Однако использование кабелей ограничивает свободное перемещение испытуемого и искажает его естественный двигательный стереотип. Этого недостатка лишены системы, позволяющие исследовать движения дистанционно, т.е. бесконтактно. Магнитные бесконтактные системы основаны на регистрации изменения электромагнитного излучения передатчиков, расположенных на теле испытуемого. Ограничителем применения магнитных систем является низкая помехоустойчивость, не позволяющая одновременно регистрировать количество датчиков, необходимое для исследования целостного двигательного акта, например, ходьбы. Как и механические, магнитные системы могут использоваться только в лабораторных условиях, поскольку принимающие устройства должны быть расположены в непосредственной близости от испытуемого. В связи с этим оптимальным для специалиста является применение оптических (оптико-электронных) систем регистрации и анализа движений. Оптико-электронные системы позволяют исследовать движение бесконтактно, что исключает возможность его искажения, и могут использоваться не только в условиях биомеханической лаборатории. Система видеоанализа движений использует высокоскоростные инфракрасные камеры, тензо- платформы, камеры позволяют компьютерной системе анализировать до 18 000 сигналов в секунду, обработка полученных данных ведется с использованием специальных компьютерных программ (например, "Motion analysis") (рис. 3). Результаты видеоанализа движения обрабатываются совместно с результатами, полученными с тензоплатформ, которые воспринимают скорость и силу отталкивания спортсмена при выполнении определенных упражнений, характер распределения усилий. 33 Рис. 3. Система видеоанализа движений Результатом сложного многофакторного обследования становится выявление функциональной нестабильности суставов, определение ложного стереотипа движения, определение скорости движения различных суставов и тем самым выработка рекомендаций по коррекции движений спортсмена либо показаний к оперативному или консервативному лечению. Данные методики позволяют тренировать спортсмена, формируя правильный стереотип движения используя за основу идеально выполненное движение и рассчитанное с помощью системы видеоанализа. 34 Заключение Механические и морфологические особенности скелетных мышц и сухожилий определяют потенциал человека к выполнению физических упражнений. Установлено, высококвалифицированных что стайеров скелетные характеризуется мышцы преобладанием медленносокращающихся (окислительных, красных и медленноутомляемых) волокон. Свойство мышц накапливать энергию упругой деформации коррелирует с процентным соотношением быстрых и медленных мышечных волокон: чем выше процент медленных волокон, тем лучше используется энергия упругой деформации. Механические свойства скелетных мышц основаны на таких параметрах, как сила, длина рычага, скорость сокращения, работа и мощность. Соединительная ткань скелетной мышцы имеет сетевидное напряжения строение, от которое мышечных обеспечивает волокон к синхронность сухожилию и передачи возможность значительной деформации волокнистого каркаса. Расположение отдельных мышечных волокон и их пучков, структурная организация группы волокон, иннервируемых общим нервом, зависит от функционального типа скелетной мышцы. Вместе с тем, сухожилия стайеров переносят большие нагрузки и склонны к повреждениям и воспалительным заболеваниям. К примеру, лыжные гонки и биатлон, сопровождающиеся нагрузкой на разгибатели пальцев и кисти, провоцируют развитие тендинита в месте прикрепления этих мышц у бокового надмыщелка плечевой кости. Для оценки механических и морфологических особенностей скелетных мышц и сухожилий у стайеров применяется широкий набор гистологических, физиологических и кинезиологических методов. Применение данных методов позволяет оценить потенциал индивида к выполнению физических упражнений различной направленности и длительности, степень адаптации опорно-двигательного аппарата к физическим нагрузкам, а также установить диагноз при ряде патологий скелетных мышц и сухожилий. 35