PRACA MIĘŚNI W WARUNKACH DYNAMICZNYCH - BIOMECHANIKA RUCHÓW BALISTYCZNYCH

Transkrypt

1 PRACA MIĘŚNI W WARUNKACH DYNAMICZNYCH - BIOMECHANIKA RUCHÓW BALISTYCZNYCH Jan Gajewski Ruchami balistycznymi nazywane są szybkie ruchy sterowane ante factum według wyuczonego stereotypu ruchowego (Lindstedt i wsp. 2002). Zaliczamy do nich rzuty, skoki, kopnięcia, ciosy itp. Zwykle wykonanie takich ruchów wiąże się z wykonaniem zamachu. Zamach jest to gwałtownie wyhamowany ruch skierowany przeciwnie do zamierzonego ruchu balistycznego (Walshe i wsp. 1998, Takarada i wsp. 1997). Jaka jest zatem przyczyna, dla której korzystne jest wykonanie dodatkowego ruchu? Z doświadczenia wiadomo, że zamach pozwala na rozwinięcie większej prędkości w ruchu właściwym. Jak w takim razie wygląda mechanizm takiego efektu? W piśmiennictwie problem ten omawiany był już niejednokrotnie, z reguły w kontekście działania cyklu rozciągnięcie-skurcz. Po raz pierwszy poruszyli go Cavagna i wsp. (1967). Od tego czasu pojawiło się wiele nowych danych i opinii. Celem prezentowanej pracy jest przedstawienie dostępnej wiedzy na temat efektu zamachu w ruchach balistycznych i podjęcie próby interpretacji zjawiska integrującej prezentowane przez badaczy poglądy. Mięśnie są siłownikami jednostronnego działanie. Mogą rozwijać siłę ściągającą ku sobie przyczepy mięśnia. W zależności od wielkości i kierunku oddziaływań zewnętrznych pobudzone mięśnie rozwijające siłę mogą się skracać, wydłużać lub nie zmieniać swojej długości. Względny ruch przyczepów stanowi kryterium, według którego można sklasyfikować warunki pracy mięśni. I tak: - warunki, w których przyczepy pracujących mięśni zbliżają się do siebie nazywane są warunkami koncentrycznymi. - warunki, w których mimo rozwijania przez mięśnie sił ich przyczepy oddalają się od siebie pod wpływem działania sił zewnętrznych określane są jako ekscentryczne. Można również zauważyć, że w warunkach koncentrycznych mięśnie napędzają ruch, a w warunkach ekscentrycznych dochodzi do hamowania ruchu. W takim razie zamach można rozumieć jako ekscentryczną fazę ruchu poprzedzającą bezpośrednio fazę koncentryczną. Wykonanie zamachu sprawia, że wykorzystane zostają następujące zjawiska: 3

2 - przedłużenie czasu rozwijania siły i wykorzystanie charakterystyka czasowa rozwijania siły mięśniowej (Gordon i wsp. 2000, Bojsen-Moller i wsp. 2005, Mallisoux i wsp. 2005), - zmianę kąta, pod jakim ustawione są wypustki miozynowe (Ettema i wsp. 1990, Gordon i wsp. 2000), - wykorzystanie energii sprężystej zgromadzonej w mięśniach i ścięgnach (Takarada i wsp. 1997, Komi 2000), - wykorzystanie dodatkowego pobudzenia działanie odruchu na rozciąganie (Walshe i wsp. 1998, Rossignol i wsp. 2005). Przedłużenie czasu działania siły uzyskiwane jest przez poprzedzenie ruchu właściwego fazą ekscentryczną. Warto zauważyć, że zarówno podczas hamowania, jaki i następującego po nim rozpędzania działają te same mięśnie. Warunkiem rozwinięcia przez mięsień siły maksymalnej jest otrzymanie przez odpowiednie motoneurony maksymalnego pobudzenia z ośrodkowego układu nerwowego i przekazanie go do włókien mięśniowych. Wartość siły rozwijanej przez mięsień zależna jest przy tym od czasu. Mięsień nie działa natychmiastowo. Odpowiedź siłowa na zadane bodźce nerwowe generowana jest z pewną inercją. Narastanie siły od zera do wartości maksymalnej odbywa się czasie, którego wartość zależy głównie od - składu włókien mięśniowych (proporcji włókien ST i FT) w badanym mięśniu, - temperatury mięśnia, - zmęczenia - zarówno w układzie nerwowym (zmiany przewodnictwa), jak i samym mięśniu (obniżenie stężeń substratów energetycznych). Zatem wykonanie zamachu przedłuża około dwukrotnie czas wykonania ruchu, co pozwala na rozwinięcie przez mięśnie znacznie większej siły podczas koncentrycznej fazy ruchu. Zmniejszenie kąta, pod jakim ustawione są wypustki miozynowe prowadzi do zwiększenia wartości składowej osiowej siły mięśniowej. Zjawisko to wykorzystywane jest nie tylko w ruchach balistycznych, również podczas ćwiczeń określanych jako stretching. Jeżeli przyjmiemy, że siła generowana przez pojedyncze wiązanie jest stała, to pochylenie mostka sprawia, że składowa skierowana równolegle do osi mięśnia wzrasta, a składowa prostopadła maleje. Rozciągnięcie pobudzonych mięśni wzmaga więc rozwijaną przez nie 4

3 siłę. Jak już poprzednio pokazano, w warunkach ekscentrycznych maksymalna siła mięśni przekracza nawet siłę rozwijaną w warunkach statyki. W warunkach dynamicznych, kiedy rozwijaniu siły przez mięsień towarzyszy zmiana jego długości pojawia się kolejny czynnik limitujący wartość siły maksymalnej. Z fizyki wiadomo, że moc można przedstawić jako iloczyn siły i prędkości: P = Fv. Gdyby więc siła maksymalna pozostawała niezależna od prędkości, przy coraz większych prędkościach skurczu wartość mocy rosłaby proporcjonalnie. Okazuje się, że wartość mocy rozwijanej przez mięśnie ograniczona jest wydajnością źródeł energetycznych. Jeżeli weźmiemy również pod uwagę fakt, iż podczas skurczu mięśnie wydzielają ciepło, to korzystając z pierwszej zasady termodynamiki (bilans energii wewnętrznej) można, na drodze teoretycznej, sformułować następujące równanie: (F+a)(v+b)=const. Zależność ta nosi nazwę równania charakterystycznego Hilla i została opublikowana przez niego w 1938 roku. Moc rozwijana przez mięśnie, jako iloczyn momentu sił i prędkości kątowej osiąga w warunkach koncentrycznych maksimum. Położenie tego maksimum uzależnione jest od składu włókien mięśniowych. U osób o predyspozycjach szybkościowych maksimum przesunięte jest w stronę większych prędkości kątowych. W warunkach ekscentrycznych wartość bezwzględna mocy rośnie gwałtownie wraz ze wzrostem bezwzględnej wartości prędkości kątowej ruchu. Właśnie w takich warunkach, podczas silnego przeciwdziałania siłom zewnętrznym może dojść do groźnych urazów. Wartość maksymalnego momentu sił mięśniowych zależy od kąta stawowego. Teraz okazuje się, że zależy ona również od czasu i prędkości kątowej obrotu w stawie. Zależności te nakładają się na siebie i w każdym momencie wszystkie wymienione czynniki łącznie limitują zdolność do rozwijania momentu maksymalnego. Często wypadkową zależność przedstawia się w postaci iloczynowej: M(,,t) = f( ) ( ) (t) 5

4 Mięśnie rozciągnięte przez siły zewnętrzne gromadzą energię sprężystości. W przypadku zamachu, owymi siłami zewnętrznymi są siły bezwładności powstające w wyniku gwałtownego hamowania. Energia sprężystości jest energią potencjalną określaną dla ciała odkształcanego sprężyście. O energii zgromadzonej w mięśniach decyduje wielkość odkształcenia (dla sprężyn liniowych energia proporcjonalna jest do kwadratu odkształcenia) oraz sztywność każdego z kompleksów ścięgno-mięsień zaangażowanych w ruch. Im większa jest sztywność układu tym więcej energii może on zgromadzić przy danym wydłużeniu. Zgromadzona energia zostaje uwolniona w koncentrycznej fazie ruchu wspomagając aktywne działanie mięśni. Sztywność mięśni może zmieniać się nawet kilkudziesięciokrotnie i w dużym stopniu zależy od ich aktualnej długości oraz rozwijanej siły. Istnieje zatem możliwość regulowania ilości energii zgromadzonej w rozciąganych mięśniach. Mięśnie oprócz normalnych włókien zawierają również tak zwane włókna intrafuzalne nazywane wrzecionami mięśniowymi. Wrzeciona są niezwykle wrażliwymi czujnikami reagującymi na nagłe zmiany swojej długości. Rozciągnięte generują impulsy nerwowe, które, jako informacja zwrotna, trafiają do motoneuronów. Motoneurony otrzymują więc oprócz pobudzenia z ośrodkowego układu nerwowego sumujące się z nim pobudzenie pochodzące z wrzecion. Największe jednostki motoryczne charakteryzują się, jak wiemy, bardzo wysokimi progami pobudzenia i reagują dopiero na ów sumaryczny sygnał sterujący. Prowadzi to w efekcie do rozwinięcia przez mięsień odpowiednio większej siły. Szacuje się, że sygnały z wrzecion odpowiedzialne są za około 30% rozwijanej przez mięśnie siły. Eskalacja siły ma jednak swoją granicę. W ścięgnach znajdują się bowiem organy Golgiego, które, gdy napinająca je siła przekracza dopuszczalną wartość, powodują przesłanie sygnałów hamujących dalsze pobudzanie motoneuronów. Jak się wydaje, tak zwane ćwiczenia plyometryczne (np. dynamicznie wykonywane skoki lub zeskoki) nie tyle wzmagają czułość wrzecion, co raczej osłabiają hamujące działanie organów ścięgnistych Golgiego. Ponieważ ścięgna mają znacznie większą sztywność niż niepobudzone mięśnie zdolne są do zgromadzenia dużej energii, pod warunkiem, że szeregowo połączone z nimi mięśnie osiągną, choć na krótki czas dużą sztywność. Efekt ten wynika z tego, że jeżeli sprężyny zostają połączone szeregowo, to o ich wypadkowej sztywności decyduje przede wszystkim element mniej sztywny. Czas, w którym mięsień osiąga dużą sztywność jest stosunkowo krótki i dzięki znacznemu zwiększeniu napięcia mięśnia w wyniku oddziaływania pobudzenia pochodzącego z wrzecion kończy się w momencie zakończenia fazy ekscentrycznej. 6

5 Utrzymanie napięcia mięśnia uzyskanego w ten sposób wykorzystywane jest w fazie koncentrycznej ruchu. Oddziaływanie wszystkich wymienionych czynników w na pracę mięśni w warunkach dynamicznych jest faktem niepodlegającym dyskusji. Przedmiotem kontrowersji jest jednak wielkość wkładu każdego z nich w wypadkowy efekt zamachu. Z pewnością czynniki te nie oddziałują niezależnie. Tylko napięte mięśnie są w stanie zakumulować energię sprężystą, ale są odpowiednio napięte dzięki odruchowi na rozciąganie i przedłużeniu czasu rozwijania siły w fazie ekscentrycznej, w której dochodzi do zmiany kątów, pod jakimi działają mostki. Piśmiennictwo Lindstedt S.T., Reich S.T., Keim P., LaStayo P.C. Do muscles function as adaptable locomotor springs? J Exp Biol 205: , 2002 Walshe A.D., Wilson G. J., Ettema G.J.C. Stretch-shorten cycle compared with isometric preload: contributions to enhanced muscular performance. J Appl Physiol 84 :97-106, 1998 Gordon A.M., Homsher E., Regnier M. Regulation of contraction in striated muscle. Physiol Rev 80: , 2000 Ettema G.J.C., Van Soest A.J., Huijing P.A. The role of series elastic structures in prestretchinduced work enhancement during isotonic and isokinetic contractions. J Exp Biol 154: , 1990 Takarada Y., Hirano Y., Ishige Y., Ishii N. Stretch-induced enhancement of mechanical power output in human multijoint exercise with countermovement. J Appl Physiol 83: , 1997 Komi P.V. Stretch-shortening cycle: a powerful model to study normal and fatigued muscle. J Biomech 33: , 2000 Walshe A.D., Wilson G.J., Ettema G.J.C. Stretch-shorten cycle compared with isometric preload: contributions to enhanced muscular performance J Appl Physiol 84: , 1998 Rossignol S., Dubuc R., And Gossard J.-P. Dynamic sensorimotor interactions in locomotion. Physiol Rev 86: ,