CC BY
35
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ ПОПЕРЕЧНИК И СИЛА МЫШЦ-РАЗГИБАТЕЛЕЙ КОЛЕННОГО СУСТАВА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УРОВНЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВЛЕННОСТИ
А.В. ВОРОНОВ*, А.А. ВОРОНОВА, П.В КВАШУК, Р.В. МАЛКИН,
ФГБУ ФНЦ ВНИИФК; А.В. ШПАКОВ, ФНКЦ ФМБА России, г. Москва
Аннотация
При занятиях спортом мышцы-разгибатели колен увеличивают свои размеры. Вариантный анализ определил, что проксимальная и дистальная окружности бедер не отличаются значительно между конькобежцами, ВМХ-велосипедистами и физически активными мужчинами. Единственное существенное различие происходит в средней окружности бедра. При более низких угловых скоростях (< 1 рад/с) моменты разгибателей колена не сильно отличаются между спортсменами и неспортсменами. При высоких угловых скоростях (4-6 рад/с) расхождения в моменте разгибания колена между тренированными и неподготовленными мужчинами достигают значения около 40-100%. Расхождения в моментах разгибания мышечного колена зависят от уровня физической активности и набора мышечных волокон. Конькобежцы прикладывают силу отталкивания в диапазоне 10-12 рад/с. Таким образом, конькобежцы производят больше силы относительно неспортсменов и велосипедистов ВМХ в диапазоне высоких угловых скоростей. При более низких угловых скоростях ВМХ-велосипедисты производят больше мышечной
силы при сравнении конькобежцев и неспортсменов.
Ключевые слова: сила мышц, физиологические поперечники мышц, антропометрия, изокинетическая динамометрия.
* Автор, с которым следует вести переписку по статье.
PHYSIOLOGICAL WIDTH AND STRENGTH OF THE EXTENSOR MUSCLES OF THE KNEE JOINT, DEPENDING ON THE LEVEL OF PHYSICAL FITNESS
A.V. VORONOV*, A.A. VORONOVA, P.V. KVASHUK, R.V. MALKIN,
FSBIFSC VNIIFK; A.V. SHPAKOV, FRCC of FMBA of Russia, Moscow
Abstract
Durng sport activities the knee-extension muscles increase their size. One variant analysis determined that the proximal and distal circumferences of thigh do not significantly differ between speed skaters, BMX and physical active men. Only significant difference occurs in middle thigh circumference. At lower angular velocities (< 1 rad/s) moments of knee-extensors do not strongly differ between athletes and non athletes. At high angular velocities (4-6 rad/s) the discrepancies in knee extension moment between trained and untrained men reach the value about 40-100%. Discrepancies in muscle knee extension moments depends on level of physical activity and muscle fibers recruitment. Speed skaters applied push-off force in range 10-12 rad/s. So the speed skaters produce more force relative non-athletes and BMX-cyclists in range of high angular velocities. At lower angular velocities BMX-cyclists produce more muscle force in comparing speed-skaters and non athletes.
Keywords: muscle force, physiological cross-section, anthropometric parameters, izokinetic force.
* Corresponding author.
Произвольная сила мышц зависит от состояния, функционирования центрального и периферического звеньев двигательного аппарата человека. Поступающие из двигательной зоны коры головного мозга в мотонейроны нервные импульсы, эфферентные и афферентные импульсы, двигательные рефлексы влияют на межмышечную и внутримышечную координацию, определяя вклад
центрального звена в произвольную мышечную силу. Периферическое влияние на мышечную силу связано с числом, диаметром и типом волокон. Занятия спортом, в частности, конькобежным и BMX, вызывают значительную гипертрофию мышц-разгибателей коленного сустава. Можно предположить, что увеличение объема широкой и прямой мышц бедра должно сопровождаться ростом
силы разгибателей коленного сустава. Гипертрофия мышц передней поверхности бедра наблюдается не только у конькобежцев, но и у большинства физически активных молодых людей. Это связано с тем, что функция разгибателей коленного сустава при наземных локомоциях состоит в противодействии силе тяжести и инерционным силам.
Цель исследования - оценить достоверность различий по размерам и силам мышц передней поверхности бедра у спортсменов и физически развитых молодых людей.
Методы исследования
Объемы широкой и прямой мышц бедра рассчитывали по регрессионным уравнениям [2, 3, 4]. Входными параметрами уравнений были анатомические признаки: длина бедра, максимальный ягодичный обхват, обхват бедра проксимальный, обхват бедра посередине, обхват бедра дистальный. При расчете обхватных признаков учитывали толщину кожно-жировых складок на бедре. Для того чтобы избежать влияния абсолютных анатомических признаков на размеры широкой и прямой мышц бедра, объемы мышц делили на длину волокон, т.е. рассматривали физиологические поперечники мышц. Длину волокон рассчитывали по уравнениям регрессии, представленным в работе [2].
Силу разгибателей коленного сустава оценивали методом изокинетической динамометрии (изокинетиче-ский стенд В^ех-3Рго производства США). Испытуемых
инструктировали о целях исследования и мотивировали выполнять движение с максимальной мощностью. Перед началом эксперимента испытуемый пробовал несколько раз выполнить разгибание в коленном суставе при разных угловых скоростях с целью оценки своих силовых возможностей, а также комфортности выполнения одно-суставного движения. Измерения момента разгибания в коленном суставе проводили в положении «сидя» (угол в тазобедренном суставе - 90о, начальный угол в коленном суставе - 80о) при следующих угловых скоростях:
- неспортсмены: 5,23; 4,18; 3,14; 2,09; 1,04; 0,52 рад/с;
- спортсмены: 6,28; 5,23; 3,66; 2,61; 1,04 рад/с.
На каждой скорости выполняли 2-3 попытки. Отдых между попытками составил около одной минуты Результаты каждой попытки (момент в суставе, угол и угловую скорость) записывали на жесткий диск компьютера.
Особенности тестирования на изокинетическом динамометре следующие: 1) перед началом эксперимента добивались соответствия осей вращения динамометра и коленного сустава; 2) устанавливали угловую скорость; 3) испытуемых просили смотреть вперед и держать голову горизонтально, чтобы избежать влияния шейно-тонических и вестибулярных рефлексов на силу мышц бедра.
Контингент испытуемых. В эксперименте приняли участие конькобежцы, велосипедисты ВМХ (члены сборных команд России) и физически активные мужчины (неспортсмены). Некоторые анатомические показатели испытуемых приведены в табл. 1.
Таблица 1
Анатомические характеристики испытуемых
Число испытуемых Пол Возраст (лет) Вес (кг) Длина тела (см) Длина бедра (см) Максимальный ягодичный обхват (см)
Физически активные (неспортсмены)
13 Мужчины 28,2 ± 4,3 75,4 ± 14,0 177,5 ± 5,8 52,7 ± 2,1 95,9 ± 6,9
Конькобежцы (основной состав)
12 Мужчины 23,1 ± 3,0 84,3 ± 5,0 185,4 ± 5,8 55,3 ± 2,5 100,6 ± 3,7
Велосипедисты BMX
10 Мужчины 24,1 ± 3,7 84,3 ± 5,1 180,6 ± 4,8 54,3 ± 2,0 100,1 ± 2,7
Конькобежцы (молодежный состав)
21 Мужчины 18,6 ± 2,7 75,4 ± 6,0 179,8 ± 5,1 54,5 ± 2,5 97,5 ± 2,5
Примечание: длина бедра равна расстоянию от передней подвздошно-остистой точки до медиальной суставной щели коленного сустава. Максимальный ягодичный обхват измеряется посередине ягодиц, в наиболее выступающей части. Более подробно об измерении и расчете анатомических признаков см. в работе [1].
Результаты исследования Анатомические признаки. На рисунке 1 представлены периметры трех обхватных признаков бедра. Одно-факторный дисперсионный анализ был проведен с целью оценки влияния фактора занятий спортом на обхватные признаки бедра. За градации факторов принимали стаж занятий спортом. У членов сборной России по конькобежному спорту и ВМХ - максимальный стаж; у молодежного состава - средний; у неспортсменов - стаж
систематических занятий спортом отсутствует. Одно-факторный дисперсионный анализ проводили по схемам, предложенным в [5]. Там же, по табл. 1 рассчитывали критические значения критерия Фишера (^стат = 4,1). Достоверные различия были получены только по признаку «обхват бедра посередине» ^факт. = 16,7 при Fстат. = 4,1; P = 0,05). Расчетные значения Fфакт у двух других анатомических признаков «обхват бедра проксимальный» ^факт. = 5,4) и «обхват бедра дистальный» ^факт. = 4,2)
близки к Fстат, поэтому не считали эти различия достоверными.
Физиологические поперечники мышц-разгибателей коленного сустава представлены на рис. 2. Дисперсионный анализ показал, что продолжительность занятий спортом влияет на размеры физиологических поперечников мышц-разгибателей коленного сустава, достоверно увеличивая их. Расчетные значения Fфакт составили - для широкой мышцы: 16,1; для прямой мышцы бедра: 12,1; для четырехглавой мышцы: 18,4. Причина увеличения
65
60
55 § 50
45
40
35
физиологических поперечников мышц у спортсменов, в сравнении с неспортсменами, при отсутствии различий между обхватными признаками бедра по группам испытуемых связана с толщиной кожно-жировых складок. У спортсменов средняя толщина подкожного жира на бедре составляет 10,5 ± 2,5 мм, у неспортсменов - 15,1 ± 6,6 мм. Поэтому при близких значениях проксимального и дистального (над коленом) обхватов (рис. 1) периметр мышечной ткани, а значит, и объем мышц у спортсменов больше в сравнении с неспортсменами.
Конькобежцы - основной состав
□
Конькобежцы - молодежный
состав ■ Велосипедисты ВМХ □ Неспортсмены
Проксимальный Средний Дистальный
Обхватные признаки бедра
* Обозначены достоверные различия ^ = 0,05).
Рис. 1. Обхватные признаки бедра: «Обхват бедра проксимальный» - лента проходит сзади по подъягодичной складке. «Обхват бедра посередине» - измеряется посередине расстояния между подъягодичной складкой
и верхним краем коленной чашечки. «Обхват бедра дистальный» - измеряется над коленом в наиболее выступающей части внутренней
головки широкой мышцы бедра.
320 270 220 § 170 120 70 20
Широкая Прямая Четырехглавая
Физиологические поперечники мышц бедра
□ Конькобежцы - основной состав
п Конькобежцы - молодежный состав
■ Велосипедисты ВМХ
□ Неспортсмены
* Обозначены достоверные различия ^ = 0,05).
Рис. 2. Физиологические поперечники мышц бедра
Сила разгибателей коленного сустава. Вид спорта определяет режим и тип сокращения мышц. В большинстве видов встречается смешанный режим (плиометриче-ский) - когда после уступающего режима работы мышц следует преодолевающий. Преодолевающий режим осуществляется по нескольким типам: баллистическому, изо-кинетическому и изотоническому. Баллистический тип встречается в метаниях и спортивных играх (например, подачи в теннисе). Этот режим осуществляется на очень высоких угловых скоростях при минимальных мышечных силах. Изокинетические движения - движения с поч-
ти постоянной скоростью, связаны, преимущественно, с преодолением сопротивления водной среды (плавание, гребля). В изотоническом режиме скорость движения не ограничена, а сила находится в определенном диапазоне. Нижняя граница приблизительно равна весу тела, верхняя - зависит от ускорения общего центра масс.
При беге на коньках режим работы мышц преимущественно изотонический. При отталкивании максимальные угловые скорости в коленном суставе составляют 10-12 рад/с (бег на 500 м) и 8-9 рад/с (бег на 5000 м) [6, 7]. Сила отталкивания находится в диапазоне 1-1,3 веса тела [8].
У велосипедистов в дисциплине «ВМХ» присутствуют как максимальные угловые скорости (до 10 рад/с) при ускорении, так и изометрический режим на старте, когда спортсмены проявляют максимальную силу при минимальной скорости сокращения мышц. Сравнили
1,1
■е-ся
зависимости «суставной момент - скорость», полученные методом изокинетической динамометрии, у спортсменов (конькобежцы различной квалификации и велосипедисты ВМХ) с физически активными мужчинами (рис. 3).
2,0 3,0 4,0 5,0
Угловые скорости в коленном суставе (рад/с)
-О-— Конькобежцы - основной состав -А— Конькобежцы - молодежный состав
Велосипедисты ВМХ Неспортсмены
Рис. 3. Скоростно-силовые проявления мышц-разгибателей коленного сустава при тестировании на изокинетическом динамометре. Момент разгтбания в коленном суставе нормировали на физиологический поперечник широкой мышцы бедра. * Обозначены достоверные различия ^ = 0,05).
На низких угловых скоростях < 1 рад/с (почти изометрический режим сокращения) моменты разгибателей коленного сустава конькобежцев и неспортсменов почти не отличаются. При возрастании угловой скорости до 3-6 рад/с различия по моментам разгибателей коленного сустава между спортсменами и неспортсменами достигают 40-100%.
Причины таких различий следующие:
- биомеханические особенности отталкивания при беге на коньках: сила отталкивания прикладывается перпендикулярно лезвию конька на высоких угловых скоростях (8-12 рад/с);
- в многосуставном движении происходит одновременное разгибание в тазобедренном, коленом и голеностопном суставах. Угловая скорость в коленном суставе образуется сложением угловых скоростей бедра и голени;
- максимальная угловая скорость в коленном суставе достигает 8-12 рад/с (в зависимости от длины дистан-
ции), можно считать, что голень относительно бедра движется со скоростью 4-6 рад/с.
В односуставном движении по условиям тестирования на изокинетическом тренажере двигается только голень, бедро неподвижно. Поэтому, скоростно-сило-вые особенности мышц-разгибателей коленного сустава, связанные с занятиями конькобежным спортом, проявляются при угловых скоростях выше 3-4 рад/с (см. рис. 3).
Максимальная скорость педалирования на велосипеде не более 10 рад/с, поэтому на высоких угловых скоростях велосипедисты проигрывают по силе 5-6% элитным конькобежцам и, наоборот, на низких угловых скоростях - менее 2 рад/с - велосипедисты проявляют большую изометрическую силу (на 6%), чем конькобежцы, и чем физически активные мужчины (на 28%). Причина таких отличий - максимальные силовые проявления на старте.
Заключение
1. Основная функция четырехглавой мышцы бедра при наземных локомоциях заключается в противодействии силе тяжести и реактивным силам. Постоянное гравитационное силовое воздействие вызывает гипертрофию мышц бедра. При сравнении обхватов бедра спортсменов и неспортсменов показано, что достоверные статистические различия наблюдаются только в анатомическом признаке «обхват бедра посередине». Два других статистических признака - «обхват бедра проксимальный» и «обхват бедра дистальный» - у спортсменов и неспортсменов почти не отличаются. Физиологический поперечник четырехглавой мышцы бедра у конькобежцев
основного состава достоверно больше на 8% и на 17%, чем у юниоров, велосипедистов и неспортсменов соответственно.
2. Скоростно-силовые проявления мышц зависят от размеров физиологического поперечника (периферический компонент) и от внутри- и межмышечной координации, которая определяется работой центральной нервной системы. При занятиях спортом происходит совершенствование межмышечной координации, которая выражается:
а) в способности быстро рекрутировать и синхронизировать работу двигательных единиц;
С*)
б) в вовлечении двигательных рефлексов (спиналь-ного - стреч-рефлекса и двух центральных - вестибулярного и шейно-тонического);
в) в улучшении межмышечной координации, заключающейся в оптимальном сочетании напряжения мышц агонистов и антагонистов.
3. При односуставных движениях активность мышц антагонистов отсутствует, стреч-рефлекс минималь-
ный, шейно-тонические и вестибулярные рефлексы выключены по условиям тестирования (горизонтальное положение головы). Следовательно, основные различия по скоростно-силовым проявлениям мышц между спортсменами и неспортсменами связаны совершенствованием центрального механизма внутримышечной координации.
Литература
1. Воронов, А.В. Анатомические поперечники и объемы мышц нижней конечности // Физиология человека. -2003. - Т. 29. - № 2. - С. 81-91.
2. Воронов. А.В. Анатомическое строение и биомеханические характеристики мышц и суставов нижней конечности. - M.: Физкультура, образование и наука, 2003. - 203 с.
3. Alexander, R.McN, Vernon, A. The dimensions of knee and ankle muscles and the forces they exert // Journal of Human movement studies. - 1975. - Vol. 1. - Pp. 115-123.
4. Friederich, JA, Brand, R.A. Muscle fiber architecture in the human lower limb // Journal of Biomechanics. - 1990. -Vol. 23. - No. 1. - Pp. 91-95.
5. Лакин, Г.Ф. Биометрия. - М.: «Высшая школа», 1990. - 343 с.
6. Воронов, А.В., Лемешева, Ю.С. Применение трехмерной методики регистрации локомоций в видах спорта с большой длиной шага (на примере бега на коньках) // Вестник спортивной науки. - 2012. - № 2. - С. 30-39.
7. Воронов, А.В., Лемешева, Ю.С. Биомеханический анализ техники бега на коньках // Вестник спортивной науки. - 2012. - № 3. - С. 34-43.
8. De Koning, JJ., De Boer, R.W., De Groot, G., Van Ingen Schenau, G.J. Push-off force in speed skating // International Journal of Sport Biomechanics. - 1987. - Vol. 3. - No. 2. -Pp. 103-109.
References
1. Voronov, A.V. (2003), Anatomical widths and volumes of the muscles of the lower limb, Fiziologiya cheloveka, vol. 29, no. 2, pp. 81-91.
2. Voronov, A.V. (2003), Anatomical structure and biomechanical characteristics of the muscles and joints of the lower limb, Moscow: Fizkul'tura, obrazovaniye i nauka, 203 p.
3. Alexander, R. McN. and Vernon, A. (1975), The dimensions of knee and ankle muscles and the forces they exert, The Journal of the Human Relational Studies, vol. 1, pp. 115-123.
4. Friederich, J.A. and Brand, R.A. (1990), Muscle fiber architecture in the human lower limb,Journal of Biomechanics, vol. 23, no. 1, pp. 91-95.
5. Lakin, G.F. (1990), Biometrics, Moscow: Vysshaya shkola, 343 p.
6. Voronov, A.V. and Lemesheva, Yu.S. (2012), Application of the three-dimensional registration of locomotion in sports with a long stride (for example, skating), Vestnik sportivnoy nauki, no. 2, pp. 30-39.
7. Voronov, A.V. and Lemesheva, Yu.S. (2012), Biomechanical analysis of the technique of skating, Vestnik sportivnoy nauki, no. 3, pp. 34-43.
8. De Koning, J.J., De Boer, R.W., De Groot, G. and Van Ingen Schenau, G.J. (1987), Push-offs in speed skating, International Journal of Sport Biomechanics, vol. 3, no. 2, pp. 103-109.
