Mięśnie stanowią czynną część układu ruchu człowieka. Mięśnie szkieletowe charakteryzują się poprzecznym prążkowaniem, ich działanie jest zależne od woli człowieka. Mięśnie (w tym głównie szkieletowe) stanowią około 40% całej masy ciała. Istnieją różnice płciowe w udziale masy mięśniowej - u kobiet stanowią one około 36% masy ciała.
Pracujące mięśnie przetwarzają energię chemiczną w mechaniczną i ciepło. Z uwagi na zdolność wytwarzania energii mechanicznej, oraz na fakt, że mięśnie stanowią swego rodzaju napędy w stosunku do układu szkieletowego są one przedmiotem szczególnego zainteresowania biomechaniki.
Każdy mięsień zbudowany jest ze ścięgien, czyli przyczepów początkowych i końcowych, oraz z brzuśca (lub kilku brzuśców). Ze względu na przebieg włókien mięśniowych wyróżnia się mięśnie: pierzaste, półpierzaste, wrzecionowate i płaskie: z uwagi na ilość brzuśców (głów) mówi się o mięśniach jedno-, dwu-, lub wielobrzuścowych.
Jednostką funkcjonalną mięśnia z punktu widzenia biomechaniki jest AKTON MIĘŚNIOWY. Jest to część całość lub zespół mięśni o jednakowym lub bardzo zbliżonym przebiegu włókien co w efekcie daje mu możliwość wykonywania samodzielnej jednakowej funkcji względem osi stawu, nad którym przebiega. Jeżeli wiele mięśni wykonuje ten sam ruch, mówi się o zespole aktonów współpracujących (synergistycznych). Możliwa jest także sytuacja odwrotna, kiedy jeden mięsień posiada wiele głów wykonujących wiele funkcji (jak np. m naramienny), co daje wiele aktonów w jednym mięśniu.
Każdy akton może aktywnie działać tylko w jednym kierunku (w tym którym się kurczy). Wobec tego, każda para biokinematyczna (staw) o jednym stopniu swobody (kierunku ruchu) potrzebuje dwóch aktonów: jednego, który będzie zginał (przywodził, odwracał), oraz drugiego, rozwijającego przeciwny moment siły, który będzie prostował (odpowiednio), odwodził nawracał. Zatem , skoro w przybliżeniu określa się liczbę stopni swobody w połączeniach kostnych człowieka na 240 potrzebnych jest 480 aktonów do ich obsługiwania. Ponieważ aktony rozwijają zwykle więcej niż jedną funkcję, stąd ich suma jest o wiele większa.
Aktony można scharakteryzować pod względem wykonywanych przez nie funkcji oraz pod względem ilości stawów, w których rozwijają swoje funkcje.
Liczba funkcji jakie może przejawiać akton zależy zarówno od ilości stawów nad którymi akton przebiega (np. głowa długa m. czworogłowego uda zgina staw biodrowy zaś prostuje staw kolanowy), jak też od kierunku przebiegu jego włókien nad osią stawu. Zazwyczaj mięśnie przebiegają skośnie w stosunku do osi stawu co daje im dodatkową funkcję, np. część przednia m. naramiennego może zginać ramię przywodzić je oraz nawracać, a w szczególnym przypadku wykonywać FUNKCJĘ ANTAGONISTYCZNĄ tj. współdziałać w odwodzeniu ramienia powyżej poziomu. Zgodnie z powyższym, mięśnie mogą być jedno-, dwu- lub wielofunkcyjne. Funkcją antagonistyczną nazywamy funkcję przeciwną go głównej, rozwijaną przez akton w tym samym stawie, w specyficznych warunkach. Każdy akton mięśniowy pracuje zgodnie z prawem wszystko albo nic, co oznacza, że kurczą się wszystkie jego włókna jednocześnie i wykonują wszystkie swoje funkcje. Wyjątkiem są tutaj funkcje antagonistyczne aktonu.
Działanie mięśni na dźwignie kostne
Z punktu widzenia mechaniki kości połączone ruchomo w stawach są dźwigniami. Staw stanowi punkt podparcia dźwigni. Do kości przyłożonych jest wiele sił, które można podzielić na dwie przeciwdziałające grupy – każda z grup stara się odwrócić dźwignię w przeciwnym kierunku. Jeżeli siły mięśniowe i siły oporu są sobie równe, żadna z grup nie uzyskuje przewagi i część ciała jako dźwignia pozostaje w równowadze. Mówimy wtedy o równowadze momentów sił mięśniowych i momentów sił zewnętrznych (np. siły ciężkości, sił oporu). Dla zapoczątkowania ruchu niezbędne jest, aby jeden z momentów był większy od drugiego.
W organizmie człowieka spotykamy dwa rodzaje dźwigni kostnych:1. Dźwignie jednostronne
2. Dźwignie dwustronne
DŹWIGNIE JEDNOSTRONNE – to dźwignie występujące najczęściej w stawach kończyn . Siły przyłożone do nich działają w różne strony i położone są po jednej stronie punktu podparcia.
DŹWIGNIE DWUSTRONNE – to dźwignie, w których obie grupy sił (poruszające i hamujące) działają w jednym kierunku. Oś stawu jest położona pomiędzy siłami przeciwdziałającymi sobie wzajemnie. Są to dźwignie ułatwiające zachowanie równowagi statycznej i kinetycznej.
Często zdarza się, że siły mięśni i siły oporu przyłożone są do kości pod różnymi kątami i w różnej odległości od osi stawu. Pamiętać należy, że ramię siły największe jest wtedy, gdy kąt przyłożenia siły wynosi 90°. Wtedy ramię siły i ramię dźwigni pokrywają się. W przypadku przyłożenia siły pod kątem ostrym bądź rozwartym ramię siły jest mniejsze od ramienia dźwigni, co oznacza, że moment siły zmniejsza.
Siła człowieka jest zwykle przyłożona do kości pod kątem różnym od prostego, dodatkowo w czasie ruchu kąt ten ulega zmianom. Oznacza to również zmiany momentu siły i najczęściej jest on mniejszy od maksymalnego.
Funkcje systemu mięśniowego
Biologiczna właściwość mięśnia – pobudliwość – przejawia się tym, że pobudzony mięsień zmienia swoje właściwości sprężyste:
1. Jeżeli pobudzony zostaje mięsień o obu końcach ustalonych wówczas wzrośnie jego napięcie, a długość nie zmieni się. Mięsień w tych warunkach wykonuje pracę IZOMETRYCZNĄ spotykaną głównie w pozycjach statycznych;
2. Jeżeli pobudzony zostaje mięsień o ustalonym jednym przyczepie, wówczas mięsień skróci się nie zmieniając swojego napięcia – jest to IZOTONICZNA forma pracy mięśnia. Występuje ona niezmiernie rzadko.
3. Trzecia forma pracy mięśniowej wiąże się z sytuacją, gdy mięsień pobudzany ma możliwość kurczenia się i jednocześnie przezwyciężania zwiększającego się oporu. W tym przypadku zmianie ulega zarówno długość jak i napięcie mięśnia. Tę formę pracy nazywa się AUKSOTONICZNĄ. W aktywności człowieka jest to rodzaj pracy mięśniowej występujący najczęściej.
Warunki przejawiania siły mięśnia. Najczęściej celem pracy mięśnia jest zbliżenie jego przyczepów do siebie. Napięte włókno mięśniowe posiada określoną siłę, która w efekcie sumowania się sił składowych poszczególnych włókien daje wypadkową siłę mięśnia. Wypadkowa ta posiada kierunek, zwrot i punkt przyłożenia oraz wartość. Jest ona zależna od ilości włókien w mięśniu i od kierunku ich przebiegu. Zależy również od masy mięśniowej. Te właściwości mięśnia opisane są przy pomocy dwóch parametrów:
• przekroju anatomicznego (powierzchnia przekroju poprzecznego mięśnia) oraz• przekroju fizjologicznego (powierzchnia przekroju przecinająca prostopadle wszystkie włókna).
W przejawianiu siły mięśnia istotną rolę odgrywają również mechaniczne warunki jego działania. Należą do nich odległość od punktu przyłożenia siły i do osi obrotu oraz kąt, pod jakim działa siła mięśnia przyłożona do kości. Oba te warunki składają się na pojęcie ramienia siły. Każdy mięsień przejawiając swoją rolę powoduje powstawanie momentu siły który może wywołać ruch obrotowy lub zmieniać szybkość danego ruchu. Każdy wektor siły, która nie jest przyłożona prostopadle do dźwigni może być rozłożony na składową obrotową (styczną do kierunku ruchu) prostopadłą do dźwigni oraz składową stawową działającą wzdłuż dźwigni (dociskającą elementy tworzące staw).
Wszystkie mięśnie nie przejawiają swojej siły w izolowanych stawach, ale w całych łańcuchach kinematycznych. Działanie zespołowe może wywołać nowe ruchy, które pozornie nie mają nic wspólnego z pracą danego mięśnia. Do takich sił należą siła ciężkości oraz napięcia mięśni antagonistycznych. Dzięki tym siłom mięśnie jednostawowe mogą przejawiać przekazujące działanie, wywołując pośrednio ruch w oddalonych stawach.
W wyniku działania mięśni dwustanowych np. w wyniku aktywnej pracy zginaczy stawu biodrowego powstają towarzyszące ruchy w stawach kolanowym i skokowym. W ruchach towarzyszących długość mięśni dwustanowych wywołujących te ruchy zmienia się w bardzo niewielkim stopniu. Ruchy te są płynne i skoordynowane przy stosunkowo niewielkich napięciach. Zjawisko to nosi nazwę koordynacji mięśniowej.
Mięśnie nie działają pojedynczo. Każdy ruch człowieka wywoływany jest poprzez zespołowe działanie wielu pojedynczych mięśni. Z uwagi na charakter współdziałania możemy wyróżnić:
1. mięśnie AGONISTYCZNE (jednakowego działania) - pracując jednakowo, razem lub pojedynczo wywołują ten sam ruch, wypadkowa siła grupy antagonistów jest równa sumie sił składowych, np. mm. Proste brzucha (są to aktony mięśniowe);2. mięśnie SYNERGISTYCZNE (wspólnego działania) - posiadają różne funkcje, ale tylko ich wspólne działanie wywołuje określony ruch. Wypadkowa siła grupy synergistów zależy od kierunku i wielkości sił składowych, wyznacza się ją wg zasady równoległoboku. W takich przypadkach mięśnie (np. przednia i tylna część m naramiennego, zginacze i prostowniki promieniowe nadgarstka w ruchu odwiedzenia promieniowego ręki)przyczepiają się do ręki w taki sposób, że ciągną ja pod kątem w stosunku do siebie;
3. mięśnie ANTAGONISTYCZNE (przeciwnego działania) mają całkowicie przeciwne kierunki działania. Jeżeli jedne z nich się rozciągają, to drugie skracają. Jednakże mięśnie antagonistyczne wbrew swojej nazwie działają zespołowo, bowiem tylko wzajemne równoważenie napięcia pozwala na uzyskanie pożądanego położenia części ciała (inaczej mówiąc trudno byłoby zatrzymać ruch w pożądanym miejscu i uzyskać konkretne ułożenie części ciała, gdyby nie włączyły się do ruchu mięśnie antagonistyczne). Jeżeli zauważymy, że mięsień napinający się może ciągnąć daną część ciała tylko w swoją stronę, to łatwo zrozumieć, że taki mechanizm wymaga regulacji poprzez hamowanie (mięśniami przeciwnego działania).
Statyczne napięcie mięśni można podzielić na trzy podstawowe grupy:
- gdy mięśnie działają swoim momentem przeciwko momentowi siły ciężkości mówimy o sile UTRZYMUJĄCEJ – np. mieśnie antygrawitacyjne.
- Jeżeli siła ciężkości działa na staw pionowo wzdłuż osi ciała i mięśnie sią narażone na rozerwanie, to swoim napięciem wykonują one pracę WZMACNIAJĄCĄ - np. zwisy, zwisy podparte.
- W wielu przypadkach mięśnie posiadają napięcie oporowe, przeciwdziałające grupie antagonistycznej, taka praca nazywa się USTALAJĄCĄ, np. przyjęcie i utrzymanie statycznej pozycji gimnastycznej.
Badanie i ocena siły mięśniowej
Metody pomiaru i oceny siły mięśniowej możemy podzielić na dwie duże grupy:
Pośrednie i bezpośrednie.
1. Metody pośrednie oceniają wielkość i zmiany siły mięśniowej na podstawie wyników testów ruchowych przeprowadzanych na badanych. Istnieje wiele testów oceny siły mięśniowej, badających poszczególne grupy mięśniowe (np. liczba podciągnięć w zwisie, liczba unoszeń w podporze, liczba przysiadów w określonym czasie, liczba siadów z leżenia w określonym czasie itd.).
2. Metody bezpośrednie sprowadzają się do pomiaru momentów sił mięśniowych przeprowadzanych w warunkach statyki (praca izometryczna mm.). Dzieje się tak dlatego, że siła mięśni w czystej postaci jest niedostępna badaniu. Nie pozwala na to brak możliwości pomiaru na żywym osobniku wielkości ramienia siły mięśniowej, kąta pod jakim mięsień przyczepia się do kości, kierunku działania siły mięśnia.
Wobec tego w układzie par biokinetycznych pomiar „bezpośredni” siły mięśniowej polega na pomiarze momentu siły na zasadzie zrównoważenia momentów siły mięśni (nieznanych) poprzez momenty oporu (znane). Warunkiem niezbędnym przeprowadzenia pomiaru jest zapewnienie równowagi pomiędzy momentami sił zewnętrznych – oporu i mięśniowych.
Ponieważ nie możemy zmierzyć ani siły mięśniowej (F) ani jej ramienia (r) zatem o wielkości momentu siły mięśniowej wnioskujemy na podstawie momentu siły zewnętrznej ( ), ponieważ zarówno wielkość siły oporu (R) jak też jej ramię możemy nie tylko zmierzyć, ale również ustalić. Wolno nam to uczynić jedynie pod warunkiem zachowania statyki, co pozwala nam na utożsamienie wartości obu momentów (I zasada dynamiki Newtona).
1. Ustalanie pozycji pomiarowej – należy zadbać aby część ciała poddana badaniu była ułożona stabilnie w określonej pozycji. Warunkiem zbudowania prawidłowego stanowiska pomiarowego jest zachowanie kątów prostych pomiędzy częściami ciała, pomiędzy kierunkiem siły oporu i mierzoną częścią ciała oraz pomiędzy kierunkiem siły oporu i układem stabilizującym.2. Ustabilizowanie sąsiednich odcinków ciała.
3. Zamierzenie ramienia siły oporu (I).
4. Wykonanie pomiaru, zapisanie wyniku.
5. Dopilnowanie, aby siła oporu była tak duża, by wykluczyć ruch. Pomiaru należy dokonywać w statyce, zatem skurcz mięśnia musi być izometryczny. Pomiar misi być chwilowy, bowiem mierzymy siłę maksymalną – z pominięciem techniki i taktyki ruchu.
