肌肉生物力学讲稿.ppt

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1、第一页，讲稿共二十六页哦l肌肉（骨骼肌）是人体运动系肌肉（骨骼肌）是人体运动系统重要的组成部分，是人体运统重要的组成部分，是人体运动的动力来源。可以说肌肉在动的动力来源。可以说肌肉在生物力学研究中是最具吸引力、生物力学研究中是最具吸引力、最有挑战性的研究领域。肌肉最有挑战性的研究领域。肌肉的力学性质十分复杂，它跟组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关，迄今为止人们仍然在不断的研究和探索之中。的研究和探索之中。第二页，讲稿共二十六页哦l肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉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

2、化亦会对其结构产的机能，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。用于描述肌肉力学特性的模型。第三页，讲稿共二十六页哦l肌肉的组织结构和生物学性肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉的机能，肌肉质决定了肌肉的机能，肌肉机能的变化亦会对其结构产机能的变化亦会对其结构产生影响。因此，对肌肉组织生影响。因此，对肌肉组织结构和生物学的研究是对肌结构和生物学的研究是对肌肉生物力学

3、特性的基础研究肉生物力学特性的基础研究之一，为反映肌肉的生物力之一，为反映肌肉的生物力学特性，建立用于描述肌肉学特性，建立用于描述肌肉力学特性的模型。力学特性的模型。第四页，讲稿共二十六页哦肌纤维的显微结构肌纤维的显微结构第五页，讲稿共二十六页哦 Hill Hill（19501950）提出一个由三个元素组）提出一个由三个元素组成的肌肉结构力学模型（图成的肌肉结构力学模型（图3-23-2），），即收缩元（即收缩元（CCCC）、串联弹性元（）、串联弹性元（SECSEC）和并联弹性元（和并联弹性元（PECPEC），用此反映肌），用此反映肌肉的功能。肉的功能。CC代表可以相对滑动的肌浆球蛋白和代表可以

4、相对滑动的肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维丝，其张力与它们的横肌动蛋白纤维丝，其张力与它们的横桥数目有关；桥数目有关；SEC表示肌浆球蛋白和肌表示肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维、横桥、动蛋白纤维、横桥、Z盘以及结缔组织盘以及结缔组织的固有弹性，设它为完全弹性体；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。现松弛状态下肌肉的力学性质。Hill三元素肌肉模型（Hill,1950）第六页，讲稿共二十六页哦骨骼肌的结构模型骨骼肌的结构模型 肌动蛋白（细）肌动蛋白（细）收缩成分收缩成分 肌球蛋白（粗）肌球蛋白（粗）骨骼肌的结构模型

5、骨骼肌的结构模型 并联弹性成分并联弹性成分 弹性成分弹性成分 串联弹性成分串联弹性成分第七页，讲稿共二十六页哦 1.1.肌肉力（肌肉力（F F）长度（长度（L L）关系）关系 根据肌肉结构力学模型，肌肉力的构成是收缩元（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（）、串联弹性元（SEC）和并联弹性元（和并联弹性元（PEC）叠加的结果。）叠加的结果。概念概念:肌肉平衡长度（自由长度）：肌肉平衡长度（自由长度）：肌肉无被动张力时的最大长度。肌肉无被动张力时的最大长度。肌肉的净息长度：肌肉的净息长度：收缩元（收缩元（CC）表现出最大张力时的肌肉长度。约为平）表现出最大张力时的肌肉

6、长度。约为平衡长度衡长度1.25倍。倍。被动张力被动张力:是指肌肉工作时并联弹性成分的张力。是指肌肉工作时并联弹性成分的张力。肌肉净收缩力肌肉净收缩力:指收约缩成分收缩时产生的张力。指收约缩成分收缩时产生的张力。总张力总张力:被动张力与净收缩力之和。被动张力与净收缩力之和。第八页，讲稿共二十六页哦lGorden（1966）得到了肌肉精确数据，他对蛙单个肌纤）得到了肌肉精确数据，他对蛙单个肌纤维肌节长度在维肌节长度在1.27和和3.65（为微米）之间变化与其产生力为微米）之间变化与其产生力的变化关系进行调查（图的变化关系进行调查（图3-3）。运用肌纤维）。运用肌纤维“横桥理论横桥理论”（Huxl

7、ey 1957）对这一关系进行解释。肌肉在静息长度下）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（收缩元表现出的肌力最大（-），此时肌微丝之间），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（拉开，横桥联系数目减少，张力随之下降（-）。达到）。达到4m时，横桥无联系，张力下降为零。当肌时，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（目减少，导致张力下降（-），这一过程将一直继），这一

8、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，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。但张力不可能降为零。图图3-3肌节长度与等长张力关系（肌节长度与等长张力关系（Gordon 1966）第九页，讲稿共二十六页哦第十页，讲稿共二十六页哦l1938年年Hill的经典工作奠定了肌的经典工作奠定了肌肉力学基础，他按照热力学定肉力学基础，他按照热力学定律建立了反映肌肉收缩力速律建立了反映肌肉收缩力速度特性的方程：度特性的方程：baFbVaF)()()(0方程中方程中F0为肌肉挛缩时的张力，为肌肉挛缩时的张力，F为松为松开肌肉一端后肌肉的张力，开肌肉一端后肌

9、肉的张力，V为肌为肌肉缩短速度，肉缩短速度，a为肌肉张力单位常为肌肉张力单位常量，量，b为肌肉收缩速度单位常量。为肌肉收缩速度单位常量。Hill方程所描述出肌肉的方程所描述出肌肉的FV关系与实关系与实测结果具有较好的一致性（图测结果具有较好的一致性（图3-5）。图图3-5 挛缩蛙缝匠肌快速释放挛缩蛙缝匠肌快速释放实测肌肉实测肌肉F-V 曲线与曲线与 Hill方程比较方程比较（Hill 1938）第十一页，讲稿共二十六页哦l该曲线说明：在一定的范围内，肌肉收缩产生的该曲线说明：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；当后负荷增加到某张力和速度大致呈反比关系；当后负荷增加到某一数值

10、时，张力可达到最大，但收缩速度为零，一数值时，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。肌肉收缩理论上为零，肌肉收缩速度达到最大。肌肉收缩的张力的张力-速度关系提示，要获得收缩的较大速度，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。大的张力，收缩速度必须缓慢。第十二页，讲稿共二十六页哦1、肌肉的激活状态肌肉的激活状态l在神经脉冲影响下，肌肉的收缩成分出现激活状态。把肌肉兴奋在神经脉冲影

11、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。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。缩的时间叫肌肉收缩的潜伏期。第十三页，讲稿共二十六页哦2 2、肌肉的松弛肌肉的松弛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。联和并联弹性元属于粘弹性体的特性决定的。第十四页，讲稿共二十六页

12、哦3、负荷对肌肉收缩力学特性的影响负荷对肌肉收缩力学特性的影响l动作的潜伏期延长：表现在串联弹性元和并动作的潜伏期延长：表现在串联弹性元和并联弹性元的联弹性元的“粘滞性粘滞性”，和克服阻力的时间，和克服阻力的时间增加。增加。l肌肉收缩幅度减小：肌肉力量不足。肌肉收缩幅度减小：肌肉力量不足。l收缩速度下降：收缩速度下降：Hill方程。方程。第十五页，讲稿共二十六页哦动作的潜伏期延长动作的潜伏期延长肌肉收缩幅度减小肌肉收缩幅度减小收缩速度下降收缩速度下降第十六页，讲稿共二十六页哦4、肌肉的收缩功和功率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肌肉可以把化学能转变为机械

13、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。肌肉服阻力使物体发生位移，肌肉做了功。肌肉“等长收缩等长收缩”时，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，这时肌肉做了量，这时肌肉做了“生理功生理功”。肌肉做功时所克服的阻力，包。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。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

14、时做功大，载荷小时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。缩速度有关。第十七页，讲稿共二十六页哦图图3-6 不同载荷肌肉做功与收缩不同载荷肌肉做功与收缩速度的关系速度的关系图图3-6是受试者伸膝关节肌群是受试者伸膝关节肌群的测试结果。肌肉收缩速度大的测试结果。肌肉收缩速度大时做功减小是由于肌肉收缩力时做功减小是由于肌肉收缩力量下降而造成。量下降而造成。第十八页，讲稿共二十六页哦l肌肉收缩的功率等于肌肉收缩力与其该肌肉收缩的功率等于肌肉收缩力与其该瞬时的收缩速度

15、的乘积。离体肌肉在收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缩时的功率可从肌肉的“FV”曲线曲线得到。在此曲线上每一点的功率等于以得到。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该点和坐标原点为顶点所构成的矩形面积（图积（图3-7中的阴影部分）。假定肌中的阴影部分）。假定肌肉收缩时力和速度同时达到最大值，肉收缩时力和速度同时达到最大值，这时功率应是最大，但这是不可能这时功率应是最大，但这是不可能的。根据的。根据Hill方程可知实际上功率最大方程可知实际上功率最大值大约只有这种理想值的值大约只有这种理想值的1/10左右。即左右。即肌肉最大等长收缩力（肌肉最大等长

16、收缩力（Fm）的）的1/3与最与最大收缩速度（大收缩速度（Vm）1/3的乘积。的乘积。FVtAP第十九页，讲稿共二十六页哦l体育运动训练中体育运动训练中“爆发力爆发力”的概念指的概念指的就是肌肉功率，它是指保证肌肉处的就是肌肉功率，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内快速地将化学能转换为机械功的能力。力。第二十页，讲稿共二十六页哦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。功率曲线图反映了功率与肌肉收缩力及收缩速度的关系。l当载荷为零时，肌肉表现出最大收缩速度，此时功率很当载荷为零时，肌肉表现出最大收缩速度，

17、此时功率很小。小。l随载荷的增加，肌肉收缩速度随之下降，当处于随载荷的增加，肌肉收缩速度随之下降，当处于1/3最大最大收缩力与速度位置时，功率最大（收缩力与速度位置时，功率最大（Nm）。）。l随着力与速度的进一步变化，功率开始减小。当阻力增大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。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

18、肌力随速度增大而增大的结果。而增大，这是由于肌力随速度增大而增大的结果。第二十一页，讲稿共二十六页哦l肌肉功率的性别、项目差异肌肉功率的性别、项目差异 l专项素质训练的原则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：下五个方面都与比赛相适应：l 运动幅度和方向；运动幅度和方向；l 运动有效幅度的重点区间；运动有效幅度的重点区间；l 作用力（或肌力）的大小；作用力（或肌力）的大小；l 最大作用力发挥的速率；最大作用力发挥的速率；肌肉工作的状态。

19、肌肉工作的状态。第二十二页，讲稿共二十六页哦增加动作的力和速度增加动作的力和速度提高动作的经济性：利用弹性能提高动作的经济性：利用弹性能缓冲作用缓冲作用第二十三页，讲稿共二十六页哦以肌肉外部长度变化来确定肌肉收缩形式：以肌肉外部长度变化来确定肌肉收缩形式：l：肌肉长度不变，但有内部收缩。：肌肉长度不变，但有内部收缩。：肌肉主动收缩，长度缩短。：肌肉主动收缩，长度缩短。：肌肉主动收缩，但不能克服阻力而被拉：肌肉主动收缩，但不能克服阻力而被拉长的收缩。长的收缩。第二十四页，讲稿共二十六页哦肌肉产生收缩形式变化的过程肌肉产生收缩形式变化的过程第二十五页，讲稿共二十六页哦感谢大家观看感谢大家观看第二十六页，讲稿共二十六页哦