1.4. Статистическая и динамическая работа мышц. Сила и выносливость мышц

В мышечной работе различают два компонента: статическую и динамическую работу.

Динамическая работа. Это работа, связанная с перемещением тела или его отдельных частей в пространстве. При динамической работе происходит изменение длины мышечных волокон, но напряжение волокон остается постоянным. Для динамической работы характерна более или менее регулярная смена процессов сокращения и расслабления мышцы. Мышечная сила при динамической работе может быть больше или меньше величины внешнего противодействия. При динамической работе сопротивления, т. е. когда мышечная сила меньше величины внешнего противодействия, происходит удлинение мышечных волокон (опускание груза, спуск по лестнице). Особенностью динамической работы является то, что при ней наблюдается чередование противоположных движений за счет работы мышц-антагонистов. Такое чередование создает благоприятные условия для работы мышц. Во-первых, их работа чередуется с периодами отдыха. Во-вторых, в такие периоды отдыхают и руководящие мышцами нервные центры, что создает благоприятные условия для функционирования нервной системы в целом.

Статическая работа. Это работа мышц при неподвижном удержании груза. При статической работе длина мышечных волокон не меняется, а изменяется степень напряжения. В повседневной жизни статическая работа проявляется в двух формах: поддержании позы и удержании какого-либо груза. Сила сокращения при поддержании позы сравнительно невелика. Непрерывное мышечное сокращение при этом становится необязательным, оно производится только в определенные моменты с целью исправления легких нарушений равновесия позы. Однако некоторые специальные позы, такие как удержание верхних конечностей в горизонтальном положении, требуют значительных статических усилий. В большинстве случаев при удержании груза или сохранении позы противодействующей силой является сила тяжести. В некоторых случаях статическое сокращение может быть направлено на преодоление другой внешней силы. Особенностью статической работы является то, что при ней функционируют одни и те же мышечные группы. Это ведет к чрезвычайно быстрому утомлению их, в основном из-за ухудшения питания. Поэтому необходимо стремиться в любой работе свести статический компонент к минимуму.

Большинство действий человек выполняет за счет динамической работы, но в любой работе в большей или меньшей мере присутствует статический компонент. В основном от него и зависит утомительность. Во многих случаях статическая нагрузка возникает и при выполнении умственной работы за счет поддержания определенной позы. Таким образом, статическая нагрузка свойственна большинству работ, хотя она обычно выступает не в чистом виде, а в качестве одного из второстепенных элементов.

Работа мышц может протекать по-разному:

– как работа положительно динамическая, во время которой мышцы, сокращаясь, выполняют механическую работу благодаря превращению части выработанной энергии в механическую;

– как работа отрицательно динамическая, во время которой мышцы играют роль тормоза по отношению к действию внешнего усилия (в этих условиях вся выделившаяся энергия превращается в тепловую);

– как статическая работа, физиологическую основу которой составляет повышенное напряжение мышц. Длина мышечных волокон при этом не изменяется, мышца не выполняет никакой внешней работы, но в ее тканях происходят изменения, приводящие к преобразованию химической энергии в тепловую.

Принципы экономии движений. Конечной целью всех исследований в области движений является улучшение условий работы – разработка принципов экономии движений. Выделяют следующие принципы экономии движений:

1. Одновременность и симметричность движений. Рекомендуются следующие правила:

– обе руки должны начинать и заканчивать движения одновременно;

– движения рук могут иметь противоположные направления при условии, что эти движения симметричны;

– обе руки могут бездействовать только в период отдыха.

2. Экономичность движений, т. е. наибольшая простота. Физиологи установили, что утомление при работе зависит от количества мышц, принимающих участие в работе. Из этого следует, что наиболее простые движения вызывают наименьшее утомление.

3. Непрерывность и плавность движений. Такие движения более экономичны, чем прямолинейные движения с резкими изменениями направления.

4. Ритм движений. Ритмичностью называется повторяемость действий за одинаковые промежутки времени. Она обеспечивает меньшее расходование энергии мышцами, уменьшение усталости, позволяет достигать автоматизации рабочих движений.

5. Контроль движений. Контролируемые движения выполняются несколькими группами мышц: одна группа действует в одном направлении, а другая тормозит ее и обеспечивает нужную координацию. Примеры контролируемых движений: черчение, измерение, монтаж и т. д.

Основные факторы мышечных усилий.

1. Степень растяжения мышцы. Чем больше растянута мышца в исходном состоянии, тем выше степень развиваемого ею напряжения.

2. Обусловленность углом тяги. Мышечное усилие наиболее эффективно, если направление тяги составляет угол 90° с продольной осью соответствующей кости. Чем острее угол между направлением тяги и осью звена, тем меньше полезная отдача мышечного усилия.

Эти моменты часто антагонистичны. При сгибании в локтевом суставе наибольшее растяжение бицепса будет при разогнутой руке. Однако угол в этом случае будет близок к нулю градусов. В данном случае оптимальным будет угол около 90° (здесь фактор, обусловленный углом тяги, имеет большее значение, чем степень растяжения мышцы).

3. Положение центра тяжести звена. Величина выполняемой работы пропорциональна моменту силы тяжести звена, т. е. произведению его веса на плечо соответствующего рычага от точки вращения в суставе до центра тяжести звена (например, перейти из положения лежа на спине в положение сидя намного труднее, когда руки находятся за головой).

4. Сила мышцы. Под ней обычно понимают максимальную силу, т. е. величину груза, который в состоянии поднять данная мышца. Величину максимальной мышечной силы следует отличать от абсолютной силы мышцы. Абсолютная сила мышцы – это сила, приходящаяся на 1 см² физиологического поперечного сечения (сечения, проведенного перпендикулярно мышечным волокнам). Мышечная сила зависит от ряда причин, среди которых выделяют биологические и профессиональные.

Биологические:

– телосложение;

– пол (у женщин сила мышцы на 30 % меньше, чем у мужчин);

– возраст (максимальная сила в 20 – 30 лет, к 60 годам она снижается до 90 %).

С биологическими тесно связаны профессиональные факторы.

Их было выделено три:

– зависимость от угла сгибания сегментов конечности (например, нижняя конечность может развивать усилие от 90 до 200 кг, в зависимости от угла сгибания в коленном суставе и положения туловища);

– природа усилия (при толчке усилие максимально, при вращении – минимально);

– стабильность (фиксация) рабочей позы.

Понятие мышечной силы не следует смешивать с выносливостью. Выносливость, или емкость работы, – это способность длительного выполнения работы на заданном уровне без развития утомления. Выносливость может быть измерена тем предельным временем, в течение которого возможно поддержание мышечной деятельности на заданном уровне. Основным фактором, ограничивающим продолжительность работы, является утомление. Путь к развитию выносливости лежит именно через утомление. Исследования в физиологии спорта показали, что работа, совершаемая до утомления, – обязательное условие совершенствования выносливости. В физиологии спорта оценку силы и выносливости обычно проводят с помощью кистевых динамометров.

1.5. Физиологические механизмы работоспособности

Ожидание предстоящей деятельности меняет состояние организма. Изменения различных физиологических функций обнаруживаются перед работой в условиях лабораторного опыта, перед началом трудового дня и перед физическими упражнениями. Это время называют периодом предстартового или предрабочего состояния.

В предстартовом состоянии учащается и углубляется дыхание, повышается газообмен, учащаются и усиливаются сокращения сердца, повышается артериальное давление (АД). Происходит ряд изменений в процессах обмена веществ. Изменяется состав крови, повышается количество в ней сахара.

Предстартовые изменения подобны тем, что наблюдаются при мышечной работе. Можно сказать, что организм переходит на рабочий уровень еще до начала деятельности, и это обычно способствует успешному выполнению работы.

Интенсивность предстартовых изменений бывает различна в зависимости от характера и условий предстоящей деятельности, а также от ее значения для исполнителя. Например, у некоторых спортсменов непосредственно перед началом соревнования ЧСС доходит в покое до 130 – 140 уд/мин. Легочная вентиляция увеличивается до 15 – 30 л/мин, потребление кислорода – до 400 – 600 мл/мин, т. е. в 2 – 2,5 раза больше по сравнению с уровнем основного обмена. Эти изменения частично можно объяснить сильными эмоциональными переживаниями. Следует отметить, что предстартовое состояние наблюдается в выраженной форме и перед такими видами работ, где мышечная деятельность очень незначительна, например при соревнованиях по шахматам, пулевой стрельбе. Предстартовые изменения выражены в этих случаях меньше, чем перед бегом, но обнаруживаются совершенно четко. Аналогичные изменения наблюдались у студентов перед экзаменом, у актеров перед спектаклем. Таким образом, перед всякой деятельностью в организме возникают предстартовые или предрабочие изменения, подобные физиологическим сдвигам, наблюдаемым при мышечной работе.

Механизмы предстартовых состояний. С физиологической точки зрения, наблюдаемые перед работой изменения являются ответом организма на сигналы о предстоящей деятельности и полнее могут быть объяснены закономерностями рефлекторной регуляции функций. Считают, что «опережающее отражение действительности» является весьма важной особенностью рефлекторной деятельности. Существенное значение придается активному характеру программирования человеком предстоящей деятельности. Так, например, учащение и углубление дыхания только при команде «приготовиться» объясняют иррадиацией возбуждения с двигательной зоны коры на другие нервные центры. Увеличение сахара в крови обусловлено выделением адреналина. С физиологической точки зрения, основные механизмы, определяющие функциональные изменения перед любой деятельностью, – это возбуждение нервной системы и поступление в кровь гормонов, прежде всего гормонов надпочечников.

Значительную роль в механизмах предрабочих изменений играют условнорефлекторные реакции. В условиях труда и физических упражнений различные компоненты окружающей обстановки (время и место предстоящей работы и пр.) являются условнорефлекторными раздражителями, сигнализирующими о предстоящей деятельности. Чем более значимой представляется предстоящая деятельность человеку, тем сильнее, при прочих равных условиях, обнаруживается у него предстартовое возбуждение. Значение предстоящей деятельности обусловлено подкрепляющими ее факторами, т. е. последствиями подобной деятельности, возникавшими в прошлом опыте данного лица и оставившими после себя следовые процессы в нервной системе. В связи с действием команд предстартовые реакции могут возникать и в ранее незнакомой обстановке, перед первым выполнением какой-либо новой работы. Человек реагирует в таких случаях, опираясь на свой прежний опыт, распространяя его на новые условия. В процессе тренировки предстартовые реакции претерпевают изменения. Это выражается в усилении и упрочении предстартовых рефлексов. Изменения, возникающие в организме тренированных спортсменов, оказываются более четко приуроченными к началу работы, чем у новичков.

Особый интерес представляют те эмоциональные реакции человека, при которых не выполняется никакой внешней деятельности. Биологически эмоции всегда связаны с осуществлением достаточно интенсивной мышечной деятельности, но по условиям жизни человека она может быть задержана теми или иными причинами. В таких случаях не наступает разрядки эмоционального напряжения, которую составляют мышечные движения. Если мышечный компонент невелик, а возникшее эмоциональное возбуждение длительно не прекращается, то вегетативные проявления могут быть очень значительными. Именно в отсутствии необходимой разрядки заключается одно из важных отрицательных последствий недостатка двигательной активности для человека. В трудных и стрессовых ситуациях наступает существенное снижение уровня выполняемой работы, что сказывается, прежде всего, на ее результатах.

Общая мобилизация организма является необходимой реакцией для преодоления трудностей. Однако часто такая мобилизация является неестественной по сравнению с нормальным протеканием рабочего процесса. В таких случаях она приводит к отрицательным результатам. Человек при этом кажется мечущимся, «загнанным», работающим через силу, не видящим ничего происходящего. Общим явлением, наблюдаемым у человека, находящегося в трудной ситуации, является понижение точности движений и потеря ориентации. Нарушается процесс восприятия информации, ее отбор и преобразование начинают происходить на другой основе.

Процесс врабатывания. Сдвиги работоспособности, происходящие под влиянием самой работы в начальном ее периоде, связаны с процессом врабатывания. При выполнении каждой работы у человека наблюдается постепенное нарастание работоспособности, последовательное улучшение продуктивности деятельности. Этот начальный период работы и называют периодом врабатывания. Он является общебиологической закономерностью. Период врабатывания двигательной системы может исчисляться секундами, при циклических физических упражнениях (гребля, бег) он достигает 3 – 5 мин. Этот период у вегетативных систем протекает медленнее, чем у двигательного аппарата.

Отставание вегетативных функций в начальном периоде мышечной работы обусловлено их большей инертностью и, наряду с этим, динамикой нервных процессов в период врабатывания. В начальный момент врабатывания удлиняется латентный период и уменьшается сила условных и безусловных рефлексов. Подобное замедление и ослабевание рефлексов в начальном периоде мышечной работы является, вероятно, результатом сильного возбуждения двигательных центров коры головного мозга, которые по принципу доминанты тормозят другие реакции организма. Такая динамика межцентральных отношений в нервной системе отражает состояние начального усилия в начале мышечной работы. Начальным усилием можно назвать состояние сильного возбуждения корковых двигательных центров, которое обеспечивает преодоление инерции покоя, а также способствует формированию стереотипа рабочих движений. Сопряженное торможение ряда нервных центров проявляется также в ослаблении и даже полной задержке дыхания в начале трудной или непривычной работы. Состояние начального усилия четко проявляется только в самый краткий период работы (в первые 30 – 90 с). Степень выраженности и длительности начального усилия больше при трудной и непривычной работе, и наоборот, проявление начального усилия значительно уменьшается по мере привыкания к данной конкретной деятельности. В это время работоспособность еще не достигает обычного уровня и относительно велико число замедленных, нескоординированных и даже ошибочных действий, которые не только снижают эффективность деятельности, но иногда приводят и к травмам. Если организм спортсмена не сумеет достигнуть слаженного функционирования двигательной и вегетативной систем в процессе врабатывания, то нарушение нервных процессов при малой обеспеченности кислородом может затруднить или даже прервать выполнение физических упражнений. Это состояние нежелательного функционирования или наступившей дискоординации функций при выполнении интенсивной и длительной мышечной работы получило название мертвой точки.

Таким образом, процесс врабатывания имеет очень большое значение для спортивной деятельности человека. Учет закономерностей врабатывания находит двоякое применение на практике. Во-первых, необходимо постепенное вхождение в работу. Во-вторых, можно ускорять ход врабатывания. Ускорения можно достичь путем применения предварительных кратковременных упражнений, характер которых аналогичен предстоящей мышечной деятельности. Это способствует переходу организма на рабочий уровень деятельности. При этом меняется функциональное состояние нервной системы: повышается возбудимость мышц, сенсорных областей коры, укорачивается время двигательной реакции, становится менее выраженным начальное усилие, улучшается усвоение ритма раздражителей. Под влиянием разминки лучше протекают процессы обмена веществ, повышается КПД организма и, следовательно, работоспособность. Но эффект разминки как фактор, мобилизующий активность ЦНС, может быть оптимальным лишь в том случае, если он включает движения, которые по структуре, темпу и ритму подобны предстоящей деятельности.

Поэтому в настоящее время в спортивной практике разминка, как правило, состоит из двух частей: общей и специальной. Первая решает задачи общего повышения функций организма. Вторая часть предварительных упражнений, использующая идентичные предстоящей деятельности движения, специально направлена на создание оптимальной возбудимости именно тех центральных и периферических звеньев двигательного аппарата, которые определяют эффективность работы.

Состояние устойчивой работоспособности. После окончания периода врабатывания работоспособность в течение некоторого времени остается на постоянном уровне. Это состояние устойчивой работоспособности. В этот период уже завершены процессы формирования стереотипов рабочих движений и подготовки вегетативных функций, обеспечивающих потребности организма в период его активной деятельности. Вся эта достигнутая согласованность на более высоком уровне создает состояние устойчивой работоспособности. Внешне оно проявляется в эффективности двигательной активности, например в оптимальной скорости, силе и точности движений, а также в более или менее устойчивом уровне вегетативных функций – величине минутного объема крови, выбрасываемой сердцем, дыхании и потреблении кислорода, уровне терморегуляции и т. д. Большое значение в приспособлении вегетативных систем к мышечной работе и поддержании их функций в период устойчивой работоспособности имеет поступление в кровь метаболитов и гормонов, обеспечивающих интенсификацию ряда вегетативных функций через механизм гуморальной регуляции. Однако пусковыми, более ранними механизмами будут нервные.