Мышцы и кости как система рычагов
Сокращающаяся мышца передает усилие костям через сухожилия . Если усилие достаточно, то при укорочении мышцы кости перемещаются. При сокращении она развивает только тянущее усилие, так что кости, к которым мышца прикреплена, по мере ее укорочения подтягиваются друг к другу. При этом может происходить сгибание конечности в суставе (флексия) или разгибание (экстензия) - выпрямление конечности ( рис. 30.31 ). В этих противоположно направленных движениях должны участвовать по крайней мере две разные мышцы - сгибатель и разгибатель. Мышечные группы, осуществляющие движения сустава в противоположных направлениях, называются антагонистами. Как показывает рис. 30.31 , при сокращение двуглавой мышцы плеча (m. biceps) рука сгибается в локтевом суставе, тогда как сокращение мышцы-антагониста - трехглавой мышцы плеча (m. triceps) - заставляет руку разгибаться. Обе мышцы создают при сокращении только тянущее усилие по отношению к предплечью.
Группы мышц-антагонистов необходимы не только для сгибания и разгибания, но и для движения конечностей в стороны или вращения. Некоторые из них при сокращении могут создавать два типа движения в зависимости от сократительной активности других мышц, действующих на ту же конечность. При сокращении икроножной мышцы (m. gastrocnemius) нога сгибается в колене, например, во время ходьбы ( рис. 30.32 ). Однако если икроножная мышца сокращается одновременно с четырехглавой мышцей бедра (m. quadriceps femoris) , которая выпрямляет ногу в голени, коленный сустав не может согнуться, так что движение возможно только в голеностопном суставе. Происходит разгибание стопы, т.е. человек приподнимается на кончиках пальцев ног (встает на цыпочки).
Мышцы, кости и суставы тела представляют собой системы рычагов. Принцип действия рычага иллюстрируется на примере сгибания предплечья ( рис. 30.33 ): двуглавая мышца оказывает тянущее усилие, направленное вверх, на участок предплечья примерно на расстоянии 5 см от локтевого сустава. В рассматриваемом примере кисть руки удерживает нагрузку 10 кг, т.е. на расстоянии примерно 35 см от локтя действует направленная вниз сила величиной 10 кг. Согласно законам физики предплечье находится в состоянии механического равновесия (т.е. суммарная сила, действующая на систему, равна нулю), когда произведение направленной вниз силы (10 кг) на расстояние от места ее приложения до локтя (35 см) равно произведению изометрического напряжения мышцы (X) на расстояние от нее до локтя (5 см). Итак, 10 * 35 = 5 * X, отсюда X = 70 кг.
Отметим, что работа этой системы механически невыгодна, поскольку сила, развиваемая мышцей, гораздо больше, чем вес удерживаемой нагрузки (10 кг).
Однако механически невыгодные условия работы большинства механизмов мышечных рычагов компенсируются за счет повышения маневренности. Рис. 30.34 показывает, что укорочению двуглавой мышцы на 1 см соответствует перемещение кисти на расстояние 7 см. Поскольку они совершаются за одно и то же время, скорость движения кисти в семь раз больше, чем скорость укорочения мышцы. Система рычагов играет роль усилителя, благодаря которому небольшие относительно медленные движения двуглавой мышцы преобразуются в более быстрые движения кисти. Так, мяч, брошенный подающим игроком баскетбольной команды, летит со скоростью 90-100 миль/ч (примерно 150-160 км/ч), хотя мышцы игрока укорачиваются во много раз медленнее.
