Фізіологічні основи м'язової сили і

ШВИДКІСНО-СИЛОВИХ ЯКОСТЕЙ (ПОТУЖНОСТІ)

ПЛАН

1.Фізіологічні основи м'язової сили.

2. Фізіологічні основи швидкісно-силових якостей.

Як вже наголошувалося, м'язова сила знаходиться в зворотній залежності від швидкості руху: чим вище швидкість руху, тим сила, менше, і навпаки. Різні спортивні вправи відносяться до різних точок кривої "сила - швидкість". Вправи із зовнішнім навантаженням, близьким або тим, що дорівнює максимальній ізометричній м'язовій силі, відносяться до власне-силових вправ. До таких можна віднести наприклад, гімнастичні вправи "стійка на кистях", "хрест", "передня рівновага" на кільцях, важкоатлетичні вправи з штангою майжемаксимальної або максимальної ваги.

При зменшенні зовнішнього опору швидкість руху зростає, а м'язова сила, що проявляється, падає. Вправи із зовнішнім навантаженням, рівним 40-70% від максимальної ізометричної сили, при виконанні яких проявляються відносно велика сила і швидкість м'язових скорочень, тобто велика потужність, відносяться до швидкісно-силових вправ. Такими, наприклад, є біг на короткі дистанції, стрибки.

У рухах з переміщенням малої маси (менше 40% від максимальної ізометричної сили) досягається висока швидкість, а м'язова сила, що проявляється, відносно мала. Такі вправи відносяться до швидкісних (наприклад, метання малого м'яча з місця, рухи ненавантажених кінцівок). Межі, що розділяють названі види вправ, дуже умовні.

1.Фізіологічні основи м'язової сили.

В умовах ізометричного скорочення м'язи проявляють максимальну статичну силу.

Максимальна сила (МС), що розвивається м'язом, залежить від числа м'язових волокон, з яких складається даний м'яз, і від їх товщини. Число і товщина волокон визначають товщину м'яза в цілому, або, інакше, площа поперечного перетину м'яза (анатомічний поперечник). Відношення МС м'яза до її анатомічного поперечника називається відносною силою м'яза. Вона вимірюється в ньютонах або кілограмах сили на 1 см2 (Н/см2 або кг/см2). У спортивній педагогіці поняттям "Відносна сила" позначають відношення МДС до ваги спортсмена.

Коли говорять про м'язову силу у людини, мова йде про максимальну довільну силу (МДС, в спортивній педагогіці цьому поняттю еквівалентне поняття "Абсолютна сила м'язів"). Вона залежить від двох груп чинників: м'язових (периферичних) і координаційних (центрально-нервових).

До м'язових (периферичних) чинників, визначальним МДС, відносяться:

- механічні умови дії м'язової тяги - плече важеля дії м'язової сили і кут прикладення цієї сили до кісткових важелів;

- довжина м'язів, оскільки напруга м'яза залежить від її довжини;

- поперечник (товщина) активованих м'язів, оскільки при інших рівних умовах м'язова сила, що проявляється, тим більше, чим більше сумарний поперечник м'язів, що довільно скорочуються;

- композиція м'язів, тобто співвідношення швидких і повільних м'язових волокон в м'язах, що скорочуються.

До координаційних (центрально-нервових) чинників відноситься сукупність центрально-нервових координаційних механізмів управління м'язовим апаратом - механізми внутрішньом'язової координації і механізми міжм'язової координації.

Механізми внутрішньом'язової координації визначають число і частоту импульсації мотонейронів даного м'яза і зв'язок їх импульсації в часі. Показник МДС будь-якої м'язової групи навіть одного суглоба залежить від сили скорочення багатьох м'язів. Досконалість міжм'язової координації виявляється в адекватному виборі "потрібних" м’язів-агоністів, в обмеженні "непотрібної" активності м'язів-антагоністів даного і інших суглобів і в посиленні активності м'язів-синергістів, що забезпечують фіксацію суміжних суглобів і тому подібне.

Про роль міжм'язової координації в прояві сили свідчать результати досліджень, в яких ізометричне тренування, що проводилось при певному положенні кінцівки, привело до значного підвищення МДС, вимірюваною в тому ж положенні. Вимірювання проведені в інших положеннях кінцівок, показали незначний приріст МДС або ж він був зовсім відсутній. Якби приріст МПС залежав тільки від збільшення поперечника тренованих м'язів (периферичного чинника), то він виявлявся б при вимірюваннях в будь-якому положенні кінцівки. Отже, в даному випадку приріст МДС залежить від досконалішого, ніж до тренування, центрального управління м'язовим апаратом саме в тренованому положенні.

Особливості формування міжм'язової координації і її роль в досягненні високих показників сили демонструє ще один експеримент. Так, після 100-денного тренування із застосуванням ізометричних вправ МДС м'язів тренованої руки виросла на 92%, а площа їх поперечного перетину на 23%. Відповідно відносна довільна сила збільшилася в середньому з 6,3 до 10 кг/см2. Отже, систематичне тренування може сприяти вдосконаленню довільного управління м'язами. МДС м'язів нетренованої руки також дещо збільшилася за рахунок останнього чинника, оскільки площа поперечного перетину м'язів цієї руки не змінилася. Це показує, що досконаліше центральне управління м'язами може виявлятися відносно симетричних м'язових груп (явище "перенесення" тренувального ефекту).

Коли перед спортсменом стоїть завдання розвинути значну м'язову силу під час виконання змагальної вправи, він повинен систематично застосовувати на тренуваннях вправи, які вимагають прояву великої м'язової сили (не менше 70% від його МДС). В цьому випадку удосконалюється довільне управління м'язами, і зокрема механізми внутрішньом'язової координації, що забезпечують включення якомога більшого числа рухових одиниць основних м'язів, зокрема найбільш високопорогових, швидких рухових одиниць. Вдосконалення міжм'язової координації протікає ефективніше у разі застосування вправ схожих із змагальними за біомеханічними показниками: зовнішній картині рухів (кінематичними характеристиками) і по розподілу зусиль (динамічними параметрами).

Між показниками довільної сили і витривалості м'язів ("локальної" витривалості) існує складний зв'язок. Наприклад, як серед чоловіків, так і серед жінок високими показниками сили ніг володіють дискоболи, але у них найнижчі показники динамічної витривалості. Бігуни на середні і довгі дистанції по силі м'язів ніг не відрізняються від неспортсменів, але у перших надзвичайно велика динамічна локальна витривалість. В той же час у них не виявлено підвищеної динамічній витривалості м'язів рук. Все це свідчить про високу специфічність тренувальних ефектів: більше всього підвищуються ті функціональні властивості і у тих м'язів, які є основними в тренуванні спортсмена. Тренування, направлене переважно на розвиток м'язової сили, удосконалює механізми, сприяючі поліпшенню цієї якості, значно менше впливаючи на м'язову витривалість, і навпаки.

Гіпертрофія м'язових волокон. Оскільки сила м'яза залежить від її поперечника, збільшення його супроводжується зростанням сили даного м'яза. Збільшення м'язового поперечника в результаті фізичного тренування називається робочою гіпертрофією м'яза (від греч. "трофос" - живлення). М'язові волокна, що є високоспеціалізованими диференційованими клітинами, мабуть, не здібні до клітинного ділення з утворенням нових волокон. В усякому разі, якщо ділення м'язових клітин і має місце, то тільки в особливих випадках і в дуже невеликій кількості. Робоча гіпертрофія м'яза відбувається майже або виключно за рахунок потовщення (збільшення об'єму) існуючих м'язових волокон.

Можна виділити два крайні типи робочої гіпертрофії м'язових волокон - саркоплазматичний і міофібрилярний. Саркоплазматична робоча гіпертрофія - це потовщення м'язових волокон за рахунок переважного збільшення об'єму саркоплазми, тобто в нескоротливій їх частині. Гіпертрофія цього типу відбувається за рахунок підвищення вмісту нескоротливих (зокрема, мітохондріальних) білків і метаболічних резервів м'язових волокон: глікогену, безазотних речовин, креатинфосфату, міоглобіну та ін. Значне збільшення числа капілярів в результаті тренування також може викликати деяке потовщення м'яза.

Найбільш схильні до саркоплазматичної гіпертрофії, мабуть, повільні (ПС) і швидкі окислювальні (ШСа) волокна. Робоча гіпертрофія цього типу мало впливає на зростання сили м'язів, але значно підвищує здібність до тривалої роботи, тобто збільшує їх витривалість.

Міофібрілярна робоча гіпертрофія пов'язана із збільшенням числа і об'єму міофібрил, тобто власне-скоротливого апарату м'язових волокон. При цьому зростає щільність укладання міофібрил в м'язовому волокні. Така робоча гіпертрофія м'язових волокон веде до значного зростання максимальної сили м'яза. Істотно збільшується і абсолютна сила м'яза, а при робочій гіпертрофії першого типу вона або зовсім не змінюється, або навіть дещо зменшується. Мабуть, найбільш схильні до міофібрилярної гіпертрофії швидкі (ШСб) м'язові волокна.

У реальних ситуаціях гіпертрофія м'язових волокон є комбінацією двох названих типів з переважанням одного з них. Переважний розвиток того або іншого типу робочої гіпертрофії визначається характером м'язового тренування. Тривалі динамічні вправи, що розвивають витривалість, з відносно невеликим силовим навантаженням на м'язи викликають головним чином робочу гіпертрофію першого типу. Вправи з великою м'язовою напругою (більш 70%-від МДС тренованих груп м'язів), навпаки, сприяють розвитку робочої гіпертрофії переважно другого типу.

Дуже важливу роль в регуляції об'єму м'язової маси, зокрема в розвитку гіпертрофії м'язів, грають андрогени (чоловічі статеві гормони). У чоловіків вони виробляються статевими залозами (семінниками), в корі наднирків, а у жінок - тільки в корі надниркових залоз.

Віковий розвиток м'язової маси йде паралельно із збільшенням продукції андрогенних гормонів. Перше помітне потовщення м'язових волокон спостерігається в 6-7-річному віці, коли посилюється утворення андрогенів. З настанням статевого дозрівання (у 11 -15 років) починається інтенсивний приріст м'язової маси у хлопчиків, який продовжується і після періоду статевого дозрівання. У дівчаток розвиток м'язової маси в основному закінчується з періодом статевого дозрівання. Відповідний характер має і зростання м'язової сили в шкільному віці.

Силове тренування, як і інші види тренування, мабуть, не змінює співвідношення в м'язах двох основних типів м'язових волокон - швидких і повільних. Разом з тим воно здатне змінювати співвідношення двох видів швидких волокон, збільшуючи відсоток швидкому гліколізі (ШСб) і відповідно зменшуючи відсоток швидких волокон окислювально-гліколітичних (ШСа) (табл. 1). При цьому в результаті силового тренування ступінь гіпертрофії швидких м'язових волокон значно більше, чим повільних окислювальних (ПС) волокон, тоді як тренування витривалості веде до гіпертрофії в першу чергу повільних волокон. Ці відмінності показують, що ступінь робочої гіпертрофії м'язового волокна залежить, як від міри його використання в процесі тренувань, так і від його здібності до гіпертрофії.

Табліца1. Композиція чотириглавого м'яза стегна (зовнішньої головки) і площа поперечного перетину різних видів м'язових волокон у спортсменів різних спеціалізацій і неспортсменов (Ф. Прінс, та ін., 1976)

Показники композиції м'язів

Показники композиції м'язів

Показники композиції м'язів

Показники композиції м'язів

Показникі композиції м'язів

Показникі композиції м'язів

Показникі композиції м'язів

Показникі композиції м'язів

Показникі композиції м'язів

Показникі композиції м'язів

Показникі композиції м'язів

Показникі композиції м'язів

Процент волокон:

ШСб

26,2

33,3

4,5

ШСа

38,1

10,5

39,7

ПС

35,5

45,0

44,3

Відсоток окислювальних волокон (ШСа + ПС)

73,6

55,5

84,0

Площа поперечного перетину волокон (мкм2):

ШСб

ШСа

ПС

2. Фізіологічні основи швидкісно-силових якостей.

Максимальна потужність (її ще називають "вибуховою" потужністю) є результатом оптимального поєднання сили і швидкості. Потужність виявляється в багатьох спортивних вправах: у метаннях, стрибках, спринтерському бігу, боротьбі. Чим більшу потужність розвиває спортсмен, тим більшу швидкість він може надати снаряду або власному тілу, оскільки фінальна швидкість снаряда (тіла) визначається силою і швидкістю прикладеної дії.

Потужність може бути збільшена завдяки збільшенню сили або швидкості скорочення м'язів або обох компонентів. Зазвичай найбільший приріст потужності досягається завдяки збільшенню мускульної сили.

М'язова сила, вимірювана в умовах динамічного режиму роботи м'язів (концентричного або ексцентричного скорочення), позначається як динамічна сила (Р). Вона визначається по прискоренню (а), що надається масі (кг) при концентричному скороченні м'язів, або по уповільненню (прискоренню із зворотним знаком) руху маси при ексцентричному скороченні м'язів. Таке визначення засноване на фізичному законі, згідно якому Р = mа. При цьому м'язова сила, що проявляється, залежить від величини переміщуваної маси: у деяких межах із збільшенням маси переміщуваного тіла показники сили ростуть; подальше збільшення маси не супроводжується приростом динамічної сили.

Динамічна сила, вимірювана при концентричному скороченні м'язів, менше, ніж статична сила. Звичайно, таке порівняння проводиться при максимальних зусиллях випробовуваного в обох випадках і при однаковому суглобовому куті. У режимі ексцентричних скорочень (поступливий режим) м'язи здатні проявляти динамічну силу, що значно перевищує максимальну ізометричну. При поступливому режимі скорочення м'язів, чим більше швидкість руху, тим більше динамічна сила

У одних і тих же піддослідних виявляється помірна кореляція між показниками статичної і динамічної сили (коефіцієнти кореляції в межах 0,6-0,8)

Збільшення динамічної сили в результаті динамічного тренування може не викликати підвищення статичної сили. Ізометричні вправи або не збільшують динамічної сили, або збільшують значно менше, ніж статичну (рис. 1). Все це указує на надзвичайну специфічність тренувальних ефектів: використання певного виду вправ (статичного або динамічного) викликає найбільш значне підвищення результату саме в цьому виді вправ. Більш того, найбільший приріст м'язової сили виявляється при тій же швидкості руху, при якій відбувається тренування (рис.1).

Рис. 1. Зміна залежності "сила - швидкість" (Л) і відносні зміни моменту сили (Б) при різних способах тренування (Д. Ю. Бравая і Я. М. Коц): в/с - ізометричне тренування, 40°/с і 160°/с - ізокінетичне тренування з вказаною швидкістю руху.

До одного з різновидів м'язової сили відноситься так звана вибухова сила, яка характеризує здібність до швидкого прояву м'язової сили. Вона значною мірою визначає, наприклад, висоту стрибка вгору з прямими ногами або стрибка в довжину з місця, швидкість на коротких відрізках бігу з максимально можливою швидкістю. В якості показників вибухової сили використовуються градієнти сили, тобто швидкість її наростання, яка визначається як відношення максимальної сили, що проявляється, до часу її досягнення, або як час досягнення якого-небудь вибраного рівня м'язової сили (абсолютний градієнт) або половини максимальної сили, або якої-небудь іншої її частини (відносний градієнт сили). Градієнт сили вище у представників швидкісно-силових видів спорту (спринтерів), чим у неспортсменів або спортсменів, що тренуються на витривалість (рис. 2). Особливо значні відмінності в абсолютних градієнтах сили.

Рис. 2. Зміна ізометричної сили (I) і максимальної швидкості цієї зміни (II) на початку довільного (вгорі) і викликаного електричним подразненням (внизу) скорочення триголового м’яза гомілки у спортсменів і неспортсменов (Я. М. Коц і Ю. А. Коряк, 1981). Сила ізометричного скорочення виражена у відсотках від максимальної сили (Ро), а швидкість - у відсотках від максимальної сили і мс

Показники вибухової сили мало залежать від максимальної довільної ізометричної сили. Так, ізометричні вправи, збільшуючи статичну силу, трохи змінюють вибухову силу, визначувану за показниками градієнта сили або за показниками стрибучості (стрибками вгору з прямими ногами або стрибка з місця в довжину). Отже, фізіологічні механізми, відповідальні за вибухову силу, відрізняються від механізмів, що визначають статичну силу. Серед координаційних чинників важливу роль в прояві вибухової сили грає характер импульсації мотонейронів активних м'язів - частота їх імпульсації. на початку розряду і синхронізація імпульсації різних мотонейронів. Чим вище початкова частота імпульсації мотонейронів, тим швидше наростає м'язова сила.

У прояві вибухової сили дуже велику роль грають швидкісні скоротливі властивості м'язів, які значною мірою залежать від їх композиції, тобто співвідношення швидких і повільних волокон. Швидкі волокна складають основну масу м'язових волокон у висококваліфікованих представників швидкісно-силових видів спорту. В процесі тренування ці волокна піддаються значнішій гіпертрофії, ніж повільні. Тому у спортсменів швидкісно-силових видів спорту швидкі волокна складають основну масу м'язів (або інакше займають на поперечному зрізі значно велику площу) в порівнянні з нетренованими людьми або представниками інших видів спорту, особливо тих, які вимагають прояву переважно витривалості (табл. 8).

Таблиця 2. Співвідношення і площа поперечного перетину швидких і повільних м'язових волокон литкового м'яза у американських легкоатлетів і у нетренованих чоловіків

(Д. Костілл та ін. 1976)

Спортивна спеціалізація і кваліфікація (спортивний результат)	% швидких волокон	Площа поперечного перетину, мкм2	% площі, займаній швидкими волокнами
швидких волокон	повільних волокон
Спринт (n=2): 100 м-10,5 з	76,0 (79,0 - 73,0)-			76,5
Стрибки в довжину (n= 2): 7,52 і 8,41 м	53 3 (56,0 - 50,7)			62,2
Метання диска (n= 2): 60,9 і 61,3 м і штовхання ядра (n= 2): 18,9 і 19,7 м	62,3 (87,0-48,0)			66,0
Біг на середні дистанції (n= 7): 800 м - 1.51,5 (1:48,9-1.54,1)	48,1 (59,5-30,6)			53,5
Нетреновані чоловіки (n=11)	47,4 (62,0-26,8)			44,0

Внутрішньо- і міжм'язова координація також сприяє збільшенню швидкості руху (потужності), оскільки при координованій роботі м'язів їх зусилля кооперуються, долаючи зовнішній опір з більшою швидкістю. Зокрема, при хорошій міжм'язовій координації скоротливе зусилля одного м'яза (або групи м'язів) краще відповідає піку швидкості, що створюється попереднім зусиллям іншого м'яза (або групи м'язів). Відповідно наступне зусилля стає ефективнішим. Швидкість і ступінь розслаблення м'язів-антагоністів може бути важливим чинником, що впливає на швидкість руху. Якщо потрібно збільшити швидкість руху, необхідно виконувати в тренувальних заняттях специфічні рухи (такі ж, як у змагальній вправі) з швидкістю, що дорівнює або перевищує ту, яка використовується в тренувальній вправі.

Енергетична характеристика швидкісно-силових вправ. З енергетичної точки зору, всі швидкісно-силові вправи відносяться до анаеробних. Гранична тривалість їх - менше 1-2 хв. Для енергетичної характеристики цих вправ використовується два основні показники: максимальна анаеробна потужність і максимальна анаеробна ємність (здатність).

Максимальна анаеробна потужність. Максимальна для даної людини потужність роботи може підтримуватися лише декілька секунд. Робота такої потужності виконується майже виключно за рахунок енергії анаеробного розщеплювання м'язових фосфагенів - АТФ і КРФ. Тому запаси цих речовин і особливо швидкість їх енергетичної утилізації визначають максимальну анаеробну потужність. Короткий спринт і стрибки є вправами, результати яких залежать від максимальної анаеробної потужності.

Максимальна анаеробна ємність. Найширше для оцінки максимальної анаеробної, ємності використовується величина максимального кисневого боргу - найбільшого кисневого боргу, який виявляється після роботи граничної тривалості (від 1 до 3 хв.). Це пояснюється тим, що найбільша частина надмірної кількості кисню, споживаного після роботи, використовується для відновлення запасів АТФ, КРФ і глікогену, які витрачалися в анаеробних процесах під час роботи. Такі чинники, як високий рівень катехоламінів в крові, підвищена температура тіла і збільшене споживання О2 серцем, що часто скорочується, і дихальними м'язами, також можуть бути причиною підвищеної швидкості споживання О2 під час відновлення після важкої роботи. Тому є лише вельми помірний зв'язок між величиной максимального боргу і максимальною анаеробною ємністю. Величина кисневого боргу дуже вариативна і не може бути використана для точного прогнозу результату.

У загальній сукупності кисневого боргу виділяють швидку (алактатну) і повільну (лактктну) фракції.

Швидкий (алактатний) компонент О2 боргу пов'язаний головним чином з використанням О2 на швидке відновлення витрачених за час роботи високоенергетичних фосфагенов в робочих м'язах (впродовж 30 с після припинення роботи відновлюється до 70%), а також з відновленням нормального змісту О2 у венозній крові (до 0,2 л, на перших секундах) і з насиченням міоглобіну киснем (за декілька секунд).

Типова максимальна величина "фосфагенної фракції" кисневого боргу - близько 100 кал/кг ваги тіла, або 1,5-2 л О2-в результаті тренування швидкісно-силового характеру вона може збільшуватися в 1,5-2 рази.

Силові і швидкісно-силові тренування викликають певні біохімічні зміни в тренованих м'язах. Хоча вміст АТФ і КРФ в них декілька вище, ніж в нетренованих (на 20-30%), воно не має великого енергетичного значення. Істотніше підвищення активності ферментів, що визначають швидкість обороту (розщеплювання і ресинтеза) фосфагенів (АТФ, АДФ, АМФ, КРФ), зокрема міокінази і креатинфосфокінази (Яковлєв Н. Н.).

Найбільша (повільна) фракція кисневого боргу після роботи граничної тривалості в декілька десятків секунд пов'язана з анаеробним гліколізом, тобто з утворенням в процесі виконання швидкісно-силової вправи молочної кислоти, і тому позначається як лактатный кисневий борг Ця частина кисневого боргу використовується для усунення молочної кислоти з організму шляхом її окислення до СО2 і Н2О і ресинтеза до глікогену.

Максимальна ємність лактатного компоненту анаеробної енергії у молодих нетренованих чоловіків складає близько 200 кал/кг ваги тіла, що відповідає максимальній концентрації молочної кислоти в крові близько 120 мг% (13 ммоль/л). У видатних представників швидкісно-силових видів спорту максимальна концентрація молочної кислоти в крові може досягати 250-300 мг%, що відповідає максимальній ємності гліколізу 400-500 кал/кг ваги тіла.

Така висока лактатна ємність обумовлена рядом причин. Перш за все, спортсмени здатні розвивати вищу потужність роботи і підтримувати її триваліше, ніж нетреновані люди. Це, зокрема, забезпечується включенням в роботу великої м'язової маси (рекрутуванням), в тому числі швидких м'язових волокон, для яких характерна висока здатність гліколізу. Підвищений вміст таких волокон в м'язах висококваліфікованих спортсменів - представників швидкісно-силових видів спорту - є одним з чинників, що забезпечують високу потужність гліколізу і ємності. Крім того, в процесі тренувальних занять, особливо із застосуванням повторно-інтервальних вправ анаеробної потужності, мабуть, розвиваються механізми, які дозволяють спортсменам "переносити" ("терпіти") вищу концентрацію молочної кислоти (і відповідно нижчі значення рН) в крові і інших рідинах тіла, підтримуючи високу спортивну працездатність. Особливо це характерно для бігунів на середні дистанції.