肌肉生物力学

Gorden（1966）得到了肌肉精确数据，他对 蛙单个肌纤维肌节长度在1.27μ和3.65μ（μ为 微米）之间变化与其产生力的变化关系进行 调查（图3-3）。运用肌纤维“横桥理论”
（Huxley 1957）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（③④），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拉开，横桥联系数 目减少，张力随之下降（④-⑤）。达到4μm

肌肉功率的性别、项目差异 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：
① ②
运动幅度和方向； 运动有效幅度的重点区间；
③
④ ⑤
作用力（或肌力）的大小；
最大作用力发挥的速率；
肌肉工作的状态。
5、 肌肉与肌腱的生物力学特性对运动的影响
增加动作的力和速度 提高动作的经济性：利用弹性能 缓冲作用
6、 肌肉的收缩形式 以肌肉外部长度变化来确定肌肉收缩形式：

等长收缩：肌肉长度不变，但有内部收缩。


向心收缩：肌肉主动收缩，长度缩短。
离心收缩：肌肉主动收缩，但不能克服阻力而
被拉长的收缩。
肌肉产生收缩形式变化的过程
思考题
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 其联系数目减少，导致张力下降（③-②-①）， 这一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，但张力不可
能降为零。
图3-3肌节长度与等长张力关系 （Gordon 1966）
并联弹性元（PEC）力——长度曲线 肌肉总张力——长度曲线 （A为平衡长度；B为净息长度）
图 3-6 不同载荷肌肉做功与 收缩速度的关系
肌肉功率

A P FV t
肌肉收缩的功率等于肌肉收缩力 与其该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“F—V”曲线得到。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 积（图3-7中的阴影部分）。假 定肌肉收缩时力和速度同时达到 最大值，这时功率应是最大，但 这是不可能的。根据Hill方程可 知实际上功率最大值大约只有这 种理想值的1/10左右。即肌肉最 大等长收缩力（Fm）的1/3与最 大收缩速度（Vm）1/3的乘积。
1、简述Hill肌肉三元素力学模型的组成。 2、简述负荷对肌肉收缩力学特性有那些影 响？ 3、什么是肌肉的“松弛”现象？试结合体 育运动中的动作对其举例进行说明。
2、 肌肉的松弛

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。 它是由肌肉串联和并联弹性元属于粘弹性体的 特性决定的。
3、 负荷对肌肉收缩力学特性的影响
动作的潜伏期延长：表现在串联弹性元和并
联弹性元的“粘滞性”，和克服阻力的时间 增加。
肌肉收缩幅度减小：肌肉力量不足。
第六章 骨骼肌生物力学

肌肉（骨骼肌）是人体运动系 统重要的组成部分，是人体运 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、 最有挑战性的研究领域。肌肉 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 关，迄今为止人们仍然在不断 的研究和探索之中。
6.1离体肌肉的生物力学基础
图3-5 挛缩蛙缝匠肌快速释 放实测肌肉F-V 曲线与 Hill方 程比较（Hill 1938）

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，
张力在理论上为零，肌肉收缩速度达到最大。
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 以肌肉做功与其收缩速度有关。
肌肉做功
图3-6是受试者伸膝关节肌 群的测试结果。肌肉收缩 速度大时做功减小是由于 肌肉收缩力量下降而造成。
2、肌肉力（F）—速（V）关系

1938年Hill的经典工作奠定了 肌肉力学基础，他按照热力 学定律建立了反映肌肉收缩 力－速度特性的方程：
( F a) (V b) ( F0 a) b
方程中F0为肌肉挛缩时的张力， F为松开肌肉一端后肌肉的张 力，V为肌肉缩短速度，a为肌 肉张力单位常量，b为肌肉收 缩速度单位常量。Hill方程所 描述出肌肉的F—V关系与实测 结果具有较好的一致性（图35）。

肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉 的机能，肌肉机能的变化亦会对其结构产 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 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。
肌肉的组织结构

肌肉的组织结构和生物 学性质决定了肌肉的机 能，肌肉机能的变化亦 会对其结构产生影响。 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。
体育运动训练中“爆发力”的概念
指的就是肌肉功率，它是指保证肌 肉处于最合理的工作状态下，在最 短时间内快速地将化学能转换为机 械功的能力。

①
② ③
④
功率曲线图反映了功率与肌肉收缩力及收缩速度的 关系。 当载荷为零时，肌肉表现出最大收缩速度，此时功 率很小。 随载荷的增加，肌肉收缩速度随之下降，当处于1/3 最大收缩力与速度位置时，功率最大（Nm）。 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。 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 速度的增加而增大，这是由于肌力随速度增大而增 大的结果。
肌 纤 维 的 显 微 结 构
1、 肌肉结构力学模型
Hill （ 1950 ）提出一个由三个元 素组成的肌肉结构力学模型（图 3-2 ），即收缩元（ CC ）、串联弹 性 元 （ SEC ） 和 并 联 弹 性 元 （PEC），用此反映肌肉的功能。
CC代表可以相对滑动的肌浆球蛋 白和肌动蛋白纤维丝，其张力与 它们的横桥数目有关； SEC表示 肌浆球蛋白和肌动蛋白纤维、横 桥、Z盘以及结缔组织的固有弹性， 设它为完全弹性体；PEC表示肌 纤维膜、肌束膜等结缔组织，表 现松弛状态下肌肉的力学性质。
概念:
肌肉平衡长度（自由长度）：肌肉无被动张力时的最大长度。 肌肉的净息长度：收缩元（CC）表现出最大张力时的肌肉长度。 约为平衡长度1.25倍。 被动张力: 是指肌肉工作时并联弹性成分的张力。 肌肉净收缩力: 指收约缩成分收缩时产生的张力。 总张力: 被动张力与净收缩力之和。
收缩元（CC）力——长度曲线
Hill三元素肌肉模型（ Hill, 1950）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
骨骼肌的结构模型
肌动蛋白（细） 收缩成分 肌球蛋白（粗）
骨骼肌的结构模型
并联弹性成分 弹性成分 串联弹性成分
2、 肌肉结构力学模型性质
1. 肌肉力（F）— 长度（L）关系
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（SEC）和并联弹性元（PEC）叠加的结果。
肌肉收缩的张力-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，即产生较大的张力，收缩速度必须缓慢。
6.2在体肌肉收缩的生物力学
1、 肌肉的激活状态

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 产生收缩的时间叫肌肉收缩的 潜伏期。
收缩速度下降：Hill方程。
动作的潜伏期延长
肌肉收缩幅度减小
收缩速度下降
4、 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 肌肉克服阻力使物体发生位移，肌肉做了功。肌肉“等 长收缩”时，克服阻力，外部负荷不产生位移，没有做
机械功。但消耗了能量，这时肌肉做了“生理功”。肌