Коэффициент полезного действия мышцы

Биофизика мышечного сокращения

Коэффициент полезного действия мышцы

Проверяется знание основ биофизики мышечного сокращения: структуры сократительного аппарата; режимов сокращения, эмпирических соотношений Хилла; мостиковой гипотезы генерации силы, основных положений кинетической теории мышечного сокращения В.И.

Дещеревского и ее соответствия эмпирическому уравнению Хилла; основы электромиографии; следующих основных понятий: поперечно-полосатая мускулатура, саркомер, миозин, актин, тропомиозин, тропонин, саркоплазматический ретикулум; этапы мышечного сокращения, изотонический и изометрический режимы сокращения, тетаус; скорость сокращения, нагрузка и мощность, миозиновый мостик, нервно-мышечное сопряжение [1, 2, 4, 7, 9, 10, 12, 14].

Контрольные вопросы

1. В состав тонких нитей мышечного волокна входят:

а) актин и тропонин;

б) актин, миозин и тропомиозин;

в) миозин;

г) актин, тропомиозин, тропонин;

д) актин и миозин.

2. В состав толстых нитей мышечного волокна входят:

а) актин и тропонин;

б) актин, миозин и тропомиозин;

в) миозин;

г) актин, тропомиозин, тропонин;

д) актин и миозин.

3. При изотоническом сокращении:

а) длина волокна изменяется, напряжение постоянно;

б) напряжение изменяется, длина волокна постоянна;

в) длина и напряжение неизменны;

г) длина и напряжение изменяются.

4. При изометрическом сокращении:

а) длина волокна изменяется, напряжение постоянно;

б) напряжение изменяется, длина волокна постоянна;

в) длина и напряжение неизменны;

г) длина и напряжение изменяются.

5. Уравнение Хилла имеет следующий вид:

а) ; б) ;

в) ; г) ;

д) .

6. Общая мощность Nобщ, развиваемая мышцей, равна:

а) Nобщ=aP – dQ/dt; г) Nобщ=av + dQ/dt;

б) Nобщ=bP – dQ/dt; д) Nобщ=(P + a)v= b(P0 – P).

в) Nобщ=(P – a)v=b(P0+ P)1/2;

7. КПД мышцы равно:

а) h=Nобщv/P; б) h=PNобщ/v; в) h= P2 v/Nобщ;

г) h=Pv/Nобщ; д)h=[Nобщ/(Pv)] 1/2.

8. Два режима сокращения мышц:___(1); ___(2).

9. Каковы молекулярные основы мышечного сокращения?

10. Приведите основные положения кинетической теории мышечного сокращения по Дещеревскому.

11. В изотоническом режиме мышца укоротилась первый раз на 1 см, а второй раз на 2 см. Количество теплоты, выделяющееся в результате укорочения во втором случае ___(1), чем в первом в ___(2) раз, потому что qx=____(3) (формула).

12. Исследуя укорочение мышцы в изотоническом режиме, первый раз приложили нагрузку Р, а второй раз – нагрузку 2Р.Тепло, выделившееся в результате сокращения мышцы на длину х, ___(1), потому что qx=____(3) (формула).

13. Увеличивается ли эффективность сокращения мышцы с увеличением генерации тепла этой мышцей?

14. Чем определяется сила сокращения , генерируемая мышцей?

а) длиной актиновой нити;

б) изменением силы, генерируемой одним мостиком;

в) количеством одновременно замкнутых мостиков;

г) упругостью миозиновой нити.

15. Электромеханическое сопряжение определяется следующей цепью событий:

а) выброс ионов Ca2+ из миофибриллы;

б) возбуждение клеточной мембраны;

в) активный транспорт ионов Ca2+ внутрь саркоплазматического ретикулума;

г) замыкание мостиков на активные центры актина;

д) скольжение актина внутрь саркомера.

16. Возбудимость нервных волокон выше, чем мышечных. Объясните, в чем причина этого?

17. Нормальное расслабление скелетных мышц непосредственно зависит от:

а) уменьшения концентрации АТФ в саркомере;

б) более редкой стимуляции мембраны мышечного волокна;

в) повышенного разрушения нейромедиатора – ацетилхолина – в синапсе;

г) активного транспорта ионов кальция из и в саркоплазматический ретикулум;

д) увеличения внутриклеточного pH.

18. Как в сердечной, так и в скелетных мышцах:

а) соотношение тонкого и толстого филаментов составляет 2:1;

б) имеются Т-трубочки и саркоплазматический ретикулум;

в) для активации сокращения в ответ на Ca2+ требуется тропонин;

г) имеется тропомиозин на тонком филаменте;

д) всё перечисленное выше.

Примеры решения задач

1. Для некоторой мышцы при нагрузке P=0,3 Н скорость сокращения составляет v=24мм/с. Нагрузка в изометрическом режиме сокращения равна P0=1,1 Н, постоянная a равна 0,2Н. Вычислите максимальную скорость v max сокращения.

Решение.

Запишем уравнение Хилла:

.

Из последнего равенства найдем v max:

v max = bP0/a,

из первого равенства – константу b:

Тогда

Подставив числовые данные (в единицах СИ v = 24·10-3 м/с), получаем:

м/с=82,5 мм/с.

2. Мышца, сокращаясь со скоростью v=6мм/с, развивает общую мощность Nобщ=2,7 мВт. Нагрузка в изометрическом режиме сокращения для этой мышцы составляет P0=0,8 Н, константа b=23мм/с. Вычислите работу A, произведенную мышцей за время t=0,5 с.

Решение.

Работа мышцы равна A = P v t.

Нагрузку найдем из формулы для мощности: Nобщ= b(P0 – P), откуда

P = (bP0 – Nобщ)/b.

Тогда A = v t (bP0 – Nобщ)/b.

Подставив числовые данные (в единицах СИ Nобщ=2,7·10-3 Вт, b=23 ·10-3 м/с, v = 6·10-3 м/с), получаем:

Дж=2,0 мДж.

Коэффициент полезного действия мышцы h записывается в виде:

h=A/(A+Q),

где A – работа, совершаемая мышцей за время t, A=Pvt; Q – теплопродукция, количество теплоты, выделяемое в процессе сокращения мышцы, Q = ax;

h= Nпол / Nобщ= P v / Nобщ,

где Nпол – полезная мощность, Nобщ – общая мощность, развиваемая мышцей.

Задачи для самостоятельного решения

1. В изотоническом режиме мышца поднимает груз массой m=100 г на высоту h=20 см. Вычислите теплопродукцию Q мышцы, если ее КПД h=40%.

2. Какой максимальный груз может поднять мышца на высоту h=1 м за счет энергии Q=1кДж? КПД мышцы h=30%.

3. При сокращении мышцы за время t=0,3с выделилось Q=5,5кДж теплоты. Вычислите полезную мощность Nпол, развиваемую мышцей, если ее КПД h=45%.

4. Максимальная общая мощность, развиваемая мышцей, составляет Nобщ max=10Вт, а нагрузка в изометрическом режиме сокращения P0=300 Н. Вычислите общую мощность Nобщ мышцы при нагрузке в P=180 Н.

5. В экспериментах на портняжной мышце лягушки было определено, что нагрузка в изометрическом режиме сокращения равнялась P0=0,65 Н, максимальная скорость сокращения v max=50мм/с, а при нагрузке P=0,3 Н скорость сокращения составила v=10мм/с. Вычислите значение констант a и b для данной мышце.

6. Сила, развиваемая мышцей в изометрическом режиме сокращения P0=0,4 Н. Постоянные для данной мышцы коэффициенты a=2Н, b=1 м/с. Чему равна нагрузка, при которой мышца укорачивается со скоростью 0,02 м/с?



Источник: //infopedia.su/4x82ca.html

Физиология мышечной деятельности

Коэффициент полезного действия мышцы
Исправить ошибку

Основные вопросы физиологии мышц:

Нервная система

Мышечная деятельность управляется головным мозгом, а реализуется на периферии мышцами. Связь между мозгом и работающими мышцами осуществляется с помощью нервных волокон и синапсов вегетативной нервной системы (симпатической и парасимпатической).

Нарушение или ослабление этих связей влияет на точность выполнения заданий мозга, которые он посылает работающим мышцам, особенно на координацию движений.

При этом утомление и нарушение координации движений являются причиной спортивных травм спортсменов высокого класса, которые выполняют определенные упражнения автоматически (после многократных повторений в процессе тренировки).

Процесс тренировки, особенно освоение новых навыков (стиль прыжков, гимнастические упражнения, броски в борьбе и многое другое), по своей сути есть совершенствование условно-рефлекторной деятельности, доведение ее до автоматизма. Формирующийся стереотип движения является основой успеха спортсмена.

Некоторые тренеры в процессе тренировки прибегают к такому приему: чтобы спортсмен смог преодолеть неверие в свои силы, ему дают запрещенный препарат, помогающий выполнить новую сложную задачу (проплыть отрезок дистанции или пробежать стометровку с повышенной скоростью, прыгнуть в длину и др.). Таким образом вырабатывается и закрепляется новый стереотип движения.

На соревнованиях вместо запрещенного препарата спортсмен получает плацебо — схожую по форме таблетку или капсулу, не имеющую в своем составе допинга. Сформировавшаяся в центральной нервной системе (ЦНС) во время тренировки установка на победу приносит высокий результат и на соревнованиях.

Именно физиология мышечной деятельности занимается исследованием работы систем организма, которые ответственны за получение высоких результатов в спорте.

Иногда на соревнованиях запрещенные препараты используются для выполнения тактических задач. Например, в какой-то момент искусственно завышается темп бега — до уровня, который не способны выдержать участвующие в забеге спортсмены. Этот темп создает не самый сильный бегун под действием допинга.

Он пробегает половину дистанции и падает, выбывая из соревнований и не попадая, таким образом, под контроль допинговой экспертизы.

Он выполнил свою задачу: спортсмены растянулись на дистанции и будущий чемпион (в расчете на которого вся эта операция и осуществлялась) начинает набирать ход, в то время как его конкуренты уже изрядно устали.

Центральная и вегетативная нервные системы сами являются объектом влияния многих фармакологических препаратов, большинство из которых запрещены МК МОК как допинг (психомоторные стимуляторы, ингибиторы холинэстеразы, моноаминооксидазы и др.).

Головной мозг обладает высокой скоростью обмена веществ с преобладанием аэробных процессов. У взрослого человека мозг, составляющий 2 % массы тела, потребляет 20—25 % всего кислорода, поступающего в организм, и расходует в сутки 400 ккал. Мозг в состоянии покоя поглощает 90 % глюкозы крови.

Даже кратковременная гипоксия приводит к необратимым изменениям в деятельности нервных клеток (в коре мозга через 5—6 мин, в стволовой части мозга через 15—20 мин, а в спинном мозге через 20—30 мин). Основной источник энергии для мозга — глюкоза (115 г в сутки в покое), которая поступает с кровью.

Передача нервных импульсов по нейрону и в синапсах, функционирование ионных каналов и синтез нейропередатчиков осуществляются за счет энергии АТФ. Поэтому оправдано применение препаратов метаболического действия, антиоксидантов и антигипоксантов при ишемии мозга.

Функциональные ишемические состояния, переходящие в стойкую ишемию, несут опасность возникновения ишемического инсульта у спортсменов.

Эндокринная система и мышечная деятельность

Эндокринная система контролирует все виды обмена веществ и в зависимости от обстоятельств может мобилизовать резервные возможности в условиях тренировки и соревнований, то есть напрямую определяет физиологию мышечной деятельности.

Она обеспечивает восстановление после интенсивных физических нагрузок, причем ответы гормональных систем существенно различаются в зависимости от уровня нагрузок (большой или умеренной зон мощности).

При умеренной мощности и продолжительной работе имеют место повышение концентрации соматотропина и кортизола, снижение концентрации инсулина и нарастание концентрации трийодтиронина. Работа большой мощности сопровождается высоким уровнем соматотропина, кортизола, инсулина и трийодтиронина.

Первые два гормона обеспечивают развитие специальной работоспособности, а потому их прирост в процессе подготовки в микро-, мезо- и макроциклах свидетельствует о повышении спортивного результата. Установлено, что у марафонцев высокого класса в состоянии покоя наблюдаются низкие или средние показатели соматотропина.

Однако во время соревнований на 42,195 км концентрация соматотропина в крови значительно повышается, обеспечивая высокий уровень работоспособности на длительное время.

Соматотропин (СТГ, соматотропный гормон, нормальная концентрация в крови в состоянии покоя 0—6 нг-мл”1) контролирует анаболические процессы в организме (рост, развитие, масса тела и отдельных органов).

Во взрослом организме влияние на ростовые функции в значительной степени утрачивается, на анаболические (синтез белка, углеводный и жировой обмены) сохраняется.

Это и послужило основанием к запрету соматотропина как допинга МК МОК.

Другим важнейшим гормоном адаптации является кортизол, который контролирует углеводный и белковый обмены.

Кортизол влияет на работоспособность за счет катаболического механизма, при котором происходит обеспечение печени гликогеном и кетогенными аминокислотами.

В комплексе с катаболическим механизмом (ингибиция синтеза белка в лимфоидной и соединительной тканях) происходит поддержка уровня глюкозы в крови спортсменов на высоком уровне. Этот гормон также запрещен для применения как допинг МКМОК.

Инсулин (или С-пептид-фрагмент молекулы инсулина и показатель его образования) регулирует уровень глюкозы и ее транспорт через клеточные мембраны мышц и других клеток. Нормальная концентрация инсулина — 5—20 мкед*мл-1. Недостаточность инсулина лимитирует работоспособность за счет снижения проницаемости клеток для глюкозы.

Секреция инсулина повышается при нагрузках большой мощности, что приводит к увеличению проницаемости биологических мембран для глюкозы (увеличивается гликолиз). Работоспособность обеспечивается за счет углеводного обмена.

При умеренных физических нагрузках концентрация инсулина снижается, что способствует переключению с углеводного обмена веществ на липидный, что так необходимо при продолжительной работе, когда запасы гликогена значительно снижены.

Гормоны щитовидной железы тироксин (Т4) и трийодтиронин (Т3) регулируют состояние основного обмена, потребление кислорода и окислительное фосфорилирование. Основной эффект влияния на обменные процессы (до 75 %) обеспечивает Т3.

Сдвиги концентраций гормонов щитовидной железы лимитируют работоспособность и развитие выносливости спортсменов (разобщаются дыхание с фосфорилированием и ингибируется окислительное фосфорилирование в митохондриях мышц, снижается ресинтез АТФ).

На основании обследований бегунов-марафонцев выявлена зависимость специальной работоспособности от соотношения СТГ и кортизола. Показатель корреляционного отношения равен 0,95 (р < 0,01).

Исследование эндокринной функции конкретного спортсмена позволяет выявить его перспективность и готовность выполнить физическую работу с наилучшим результатом.

Другим важным аспектом прогнозирования спортивной работоспособности является определение резервных и наличных возможностей коры надпочечников по секреции кортизола в ответ на стимуляцию кортикотропином (АКТГ). Высокая секреция кортизола свидетельствует о готовности спортсмена выполнять физическую нагрузку в оптимальном режиме.

Физическая работоспособность мужчин и женщин во многом зависит от тестостерона. Этот гормон определяет состояние спортивной агрессивности, темперамента и наличие установки на победу при выполнении задания.

Препараты гормонов (тестостерона и его производных — анаболических стероидов, соматотропина, адренокортикотропина, гонадотропина, эритропоэтина) искусственно повышают спортивную работоспособность, а потому рассматриваются МК МОК как допинг, который запрещен к применению в соревнованиях и учебно-тренировочном процессе.

Источник:

Источник: //sportguardian.ru/article/5967/fiziologiya_mishechnoy_deyateljnosti

Коэффициент полезного действия мышцы это

Коэффициент полезного действия мышцы

Во время работы в мышце в зависимости от интенсивности изменений обмена веществ возрастает образование тепла. Часть энергии, освобождающейся при химических процессах без превращения в тепло, непосредственно переходит в кинетическую энергию сокращения мышцы. Остальная большая часть энергии химических процессов превращается в тепловую, поэтому мышцы при сокращении выделяют тепло.

Коэффициентом полезного действия (КПД) называется отношение энергии, затраченной на работу мышц, ко всей энергии, произведенной в мышцах во время работы. КПД мышц человека колеблется в среднем от 15 до 25%, КПД мышц ног — от 20 до 35%, а рук — от 5 до 15%.

При тренировке он увеличивается у человека до 25-30% и даже до 35%, а у животных — до 50%,

Анаэробной и аэробной фазам биохимических процессов соответствуют две фазы теплообразования: начальная и восстановительная, или отставленная.

Начальная фаза вызывается биохимическими анаэробными процессами, ведущими к сокращению мышцы. При одиночном сокращении мышцы 65-70% тепла приходится на период сокращения и 30-35% — на период расслабления (запаздывающее анаэробное теплообразование).

Небольшое количество тепла выделяется во время возбуждения, предшествующего сокращении). При кратковременных тетанусах на запаздывающее теплообразование приходится 20% всего тепла.

В аэробных условиях в атмосфере кислорода в начальной фазе образуется столько же тепла, сколько его образуется без кислорода, и на начальную анаэробную фазу приходится 40% всего тепла, выделяемого мышцей в присутствии кислорода.

Так как при пассивном укорочении и небольшом растяжении мышцы выделяется тепло, то часть тепла в начальной фазе зависит от изменения эластичности мышц.

Восстановительная фаза теплообразования вызывается главным образом окислительными процессами. Только 25% тепла приходится на запаздывающее анаэробное теплообразование. Всего в этой фазе образуется 60% тепла, выделяемого мышцей в присутствии кислорода.

Во время этой фазы происходит окисление части молочной кислоты и восстановление остальной ее части в гликоген. В нормальных условиях мышечной деятельности бескислородное и кислородное расщепление веществ и их ресинтез происходят одновременно.

Поэтому при нормальном кровообращении длительная работа малой интенсивности сравнительно долго не сопровождается заметным уменьшением содержания сахара в крови и накоплением в ней молочной кислоты.

При ауксотоническом сокращении выделяется на 40% больше тепла, чем при изометрическом. Чем больше напряжение мышцы при изометрическом сокращении, тем больше теплообразование. При изотоническом сокращении без груза теплообразование очень мало. Оно меньше, чем при изометрическом сокращении. Но если мышца сокращается с грузом, то теплообразование тем больше, чех: больше масса груза.

Общее теплообразование в обе фазы больше начального при одиночных сокращениях в 1,5 раза, а при тетанических в 2,5 раза. Следовательно, при неизменной начальной фазе увеличивается восстановительная фаза. Это свидетельствует о более экономном использовании веществ и энергии при тетанусе.

источник

6.2.6. Энергетика мышцы. Системы восстановления атф, коэффициент полезного действия и тепловой выход мышцы

Источником энергии мышечного сокращения служит энергия гидролитического расщепления АТФ с помощью фермента миозин-АТФ-фазы до АДФ и неорганического фосфата (3 молекулы АТФ на 1 «гребок»).

Расщепление 1 моля АТФ обеспечивает около 48 кДж.

50-60% этой энергии превращается в тепло и лишь 40-50% идет на работу мышц, причем лишь 20-30 % превращается в механическую энергию, остальное идет на работу ионных насосов и окислительного восстановления АТФ.

Системы восстановления атф

Восстановление АТФ осуществляется сразу же после ее расщепления до АДФ. Этот процесс осуществляется при участии 3 энергетических систем.

1) фосфогенная система, где используется энергия креатинфосфата (система АТФ-КрФ). Эта система обладает наибольшей скоростью действия, мощностью, но незначительной емкостью, поэтому используется в самом начале работы или при работе максимальной мощности (но не более 5 с). Это анаэробный процесс, т.е. он протекает без участия кислорода.

2) системаокислительного фосфорилированияразворачивается по мере удлинения времени работы (через 2-3 мин).

Если интенсивность работы мышц не максимальна, то их потребности в кислороде удовлетворяются полностью. Поэтому работа может выполняться на протяжении многих часов.

Необходимая для ресинтеза АТФ энергия поступает в результате окисления жиров и углеводов, причем чем больше интенсивность, тем меньше вклад жиров. Это аэробный процесс.

3) гликолитическая система, где восстановление АТФ идет за счет энергии анаэробного расщепления углеводов (гликогена, глюкозы) до молочной кислоты.

Во время этой реакции скорость образования АТФ в 2-3 раза выше, а механическая работа в 2-3 раза больше, чем при длительной аэробной работе. Однако, емкость гликолитической системы в тысячи раз меньше, чем окислительной (хотя в 2,5 раза больше фосфогенной.

Поэтому такая система может обеспечивать работу на время от 20 с до 1-2 мин. и заканчивается она значительным накоплением молочной кислоты.

Коэффициент полезного действия

Необходимо заметить, что и хемомеханическая реакция в системе актомиозиновых мостиков, и все последующие процессы идут с потерей энергии в форме теплоты.

Коэффициент полезного действия (КПД) мышцыкак механи­ческой машины (здесь надо оговориться, что мышца не только механическая машина, но и основной обогреватель организма, поэтому ее тепловой выход не бесполезен) может быть вычислен по формуле:

где А – совершаемая работа, а Q- тепловой выход мышцы.

Тепловой выход мышцы

Тепловой выход мышцы(Q)сложен. Во-первых, существует выход теплоты при изометрическом напряжении мышцы, при задержке ее сокращения стопо­ром. Этот выход называюттеплотой активации.

Если на фоне этого состояния мышца с грузом освобождается от стопора и, сокращаясь, поднимает груз, то она выделяет дополнительную теплоту —теплоту укорочения, пропорциональную механической работе(эффект Фенна).

По-видимому, пере­мещение нитей с подключением в работу все новых (заряженных энергией) мостиков способствует высвобождению дополнительной энергии (и механиче­ской, и тепловой).

В условиях свободного подъема груза теплота активации (соответстствующая фазе напряжения сухожилия) и теплота укорочения сливаются, образуя так называемое начальное теплообразование.

После сокращения (одиночного или краткого тетануса) в мышце возникаетзадержанное теплообразование, которое связано с процессами, обеспечивающими ресинтез АТФ, оно длится секунды и минуты.

Если рассчитывать КПД мышцы по начальному теплообра­зованию, то он составит примерно 50-60% (для оптимальных условий стиму­ляции и нагрузки).

Если же вести расчет КПД исходя из видов теплопродук­ции, связанных с данной механической работой, то КПД составит примерно 20-30% (КПД мышц млекопитающих падает при адаптации к холоду, что способствует усилению теплопродукции в организме).

источник

Работа мышцы, значение темпа движений и величины поднимаемого груза. Закон средних нагрузок. Коэффициент полезного действия мышц

Механическая работа (А), совершаемая мышцей, измеряется произведением поднимаемого веса (Р) на расстояние (h): А = Р * h кгм. При регистрации работы изолированной мышцы лягушки видно, что чем больше величина груза, тем меньше высота, на которую его поднимает мышца. Различают 3 режима работы мышцы: изотонический, изометрический и ауксотонический.

Изотонический режим (режим постоянного тонуса мышцы) наблюдается при отсутствии нагрузки на мышцу, когда мышца закреплена с одного конца и свободно сокращается. Напряжение в ней при этом не изменяется. Это происходит при раздражении изолированной мышцы лягушки, закрепленной одним концом на штативе.

Так как при этих условиях Р = 0, то механическая работа мышцы также равна нулю (А = 0). В таком режиме работает в организме человека только одна мышца — мышца языка.

(В современной литературе также встречается термин изотонический режим по отношению к такому сокращению мышцы с нагрузкой, при котором по мере изменения длины мышцы напряжение ее сохраняется неизменным, но в этом случае механическая работа мышцы не равна пулю, т. е. она совершает внешнюю работу).

Изометрический режим (режим постоянной длины мышцы) характеризуется напряжением мышцы в условиях, когда она закреплена с обоих концов или когда мышца не может поднять слишком большой груз. При этом h = 0 и, соответственно, механическая работа тоже равна нулю (А = 0).

Этот режим наблюдается при сохранении заданной позы и при выполнении статической работы . В этом случае в мышечном волокне все равно происходят процессы возникновения и разрушения мостиков между актином и миозином, т. е. тратится энергия на эти процессы, но отсутствует механическая реакция перемещения нитей актина вдоль миозина.

Физиологическая характеристика такой работы заключается в оценке величины нагрузки и длительности работы.

Ауксотонический режим (смешанный режим) характеризуется изменением длины и тонуса мышцы, при сокращении которой происходит перемещение груза. В этом случае совершается механическая работа мышцы (А= Р ? h).

Такой режим проявляется при выполнении динамической работы мышц даже при отсутствии внешнего груза, так как мышцы преодолевают силу тяжести, действующую на тело человека.

Различают 2 разновидности этого режима работы мышц: преодолевающий (концентрический) и уступающий (эксцентрический) режим.

Источник: //ckiom.ru/myshtsy/koeffitsient-poleznogo-deystviya-myshtsy-eto/

Мышечные ткани. Строение и функции мышечного волокна. Преобразование энергии при мышечном сокращении. КПД мышечного сокращения

Коэффициент полезного действия мышцы

Мы́шечными тка́нями называют ткани, различные по строению и происхождению, но сходные по способности к выраженным сокращениям. Они обеспечивают перемещения в пространстве организма в целом, его частей и движение органов внутри организма и состоят из мышечных волокон.

Мышечное волокно представляет собой вытянутую клетку.

В состав волокна входят его оболочка – сарколемма, жидкое содержимое – саркоплазма, ядро, митохондрии, рибосомы, сократительные элементы – миофибриллы, а также содержащий ионы Са2+, – саркоплазматический ретикулум.

Поверхностная мембрана клетки через равные промежутки образует поперечные трубочки, по которым внутрь клетки проникает потенциал действия при ее возбуждении.

Функциональной единицей мышечного волокна является миофибрилла. Повторяющаяся структура в составе миофибриллы называется саркомером.

Миофибриллы содержат 2 вида сократительных белков: тонкие нити актина и вдвое более толстые нити миозина. Сокращение мышечного волокна происходит благодаря скольжению миозиновых филаментов по актиновым.

При этом перекрывание филаментов увеличивается и саркомер укорачивается.

функция мышечного волокна– обеспечение мышечного сокращения.

Преобразование энергии при мышечном сокращении. Для сокращения мышцы используется энергия,освобождающаяся при гидролизе АТФ актомиозином,причем процесс гидролиза тесно сопряжен с сократительным процессом.

По количеству выделяемого мышцей тепла можно оценить эффективность преобразования энергии при сокращении.. При укорочении мышцы скорость гидролиза повышается в соответствии с ростом производимой работы.

освобождаемой при гидролизе энергии достаточно для обеспечения только совершаемой работы, но не полной энергопродукции мышцы.

Коэффициент полезного действия (кпд) мышечной работы (r) представляет собой отношение величины внешней механической работы (W) к общему количеству выделенной в виде тепла (Е) энергии:

Наиболее высокое значение кпд изолированной мышцы наблюдается при внешней нагрузке, составляющей около 50% от максимальной величины внешней нагрузки. Производительность работы (R) у человека определяют по величине потребления кислорода в период работы и восстановления по формуле:

где 0,49 — коэффициент пропорциональности между объемом потребленного кислорода и выполненной механической работой, т. е. при 100% эффективности для выполнения работы, равной 1 кгсм (9,81 Дж), необходимо 0,49 мл кислорода.

Двигательное действие / КПД

Ходьба/23-33%; Бег со средней скоростью/22-30%; Езда на велосипеде/22-28%; Гребля/15-30%;

Толкание ядра/27%; Метание/24%; Поднятие штанги/8-14%; Плавание/ 3%.

4. Изотонический режим работы мышц. Статическая работа мышц.

Изотонический режим (режим постоянного тонуса мышцы) наблюдается при отсутствии нагрузки на мышцу, когда мышца закреплена с одного конца и свободно сокращается.

Напряжение в ней при этом не изменяется. Так как при этих условиях величина нагрузки Р = 0, то механическая работа мышцы также равна нулю (А = 0).

В таком режиме работает в организме человека только одна мышца — мышца языка.

Статическая работа не предполагает сильного напряжения, однако в некоторых случаях статическая работа мышц может быть очень напряженной, например при удержании штанги, при некоторых упражнениях на кольцах или параллельных брусьях.

Такая работа требует одновременного сокращения всех или почти всех волокон мышц и может продолжаться лишь очень короткое время.

При динамической работе поочередно сокращаются различные группы мышц, причем некоторые мышцы работают то динамически, производя движение в суставе, то статически, обеспечивая на некоторое время неподвижность костей того же сустава. Степень напряжения мышц может быть различной.

Статическая работа утомляет скелетную мускулатуру больше, чем динамическая.

5. Общая характеристика системы кровообращения. Скорость движения крови в сосудах. Ударный объем крови. Работа и мощность сердца.

К системе кровообращения относятся сердце и сосуды — кровеносные и лимфатические.. Сердце млекопитающих четырехкамерное. Кровь движется по двум кругам кровообращения.

функции всех элементов сердечно-сосудистой системы: 1) трофическая – снабжение тканей питательными веществами; 2) дыхательную – снабжение тканей кислородом; 3) экскреторную – удаление продуктов обмена из тканей; 4)регуляторную – перенос гормонов, выработка биологически активных веществ, регуляция кровоснабжения, участие в воспалительных реакциях.

При движении крови по сосудам различают линейную и объемную скорость кровотока.

Линейная скорость кровотокаопределяется суммарным сечением сосудистой системы. Она максимальна в аорте — до 50 см/сек и минимальна в капиллярах — около нуля. В венозном отделе сосудистой системы линейная скорость вновь возрастает. Линейная скорость в полых венах в два раза меньше, чем в аорте и равна примерно 25 см/мин.

Объемная скорость кровотока — это количество крови, протекающее через общее сечение сосудистой системы в единицу времени. Она одинакова во всех отделах сосудистой системы крови.

Время полного кругооборота крови — это то время, за которое кровь проходит через большой и малый круги кровообращения. При 70-80 сокращениях сердца в минуту полный кругооборот крови происходит приблизительно за 20-23 сек.

Движение крови в организме: аорта – 500-600 мм/c, артерии – 150-200 мм/c, артериолы – 5 мм/c, капилляры – 0,5 мм/c, средние вены – 60-140 мм/c, полые вены – 200 мм/c. Гипертония – повышенное АД. Гипотония – пониженное АД.

Систолический объем крови. Объем крови, нагнетаемый каждым желудочком в магистральный сосуд (аорту или легочную артерию) при одном сокращении сердца, обозначают как систолический, или ударный, объем крови.

Работа, совершаемая сердцем, затрачивается на преодоление сопротивления и сообщение крови кинетической энергии.

Рассчитаем работу, совершаемую при однократном сокращении левого желудочка.

Vу – ударный объем крови в виде цилиндра. Можно считать, что сердце поставляет этот объем по аорте сечением S на расстояние I при среднем давлении р. Совершаемая при этом работа равна:

A1 = FI = pSI = pVy.

На сообщение кинетической энергии этому объему крови затрачена работа:

где р – плотность крови;υ – скорость крови в аорте. Таким образом, работа левого желудочка сердца при сокращении равна:

Эта формула справедлива как для покоя, так и для активного состояния организма, но эти состояния отличаются разной скоростью кровотока.

6. Уравнение Пуазейля. Понятие о гидравлическом сопротивлении кровеносных сосудов и о способах воздействия на него.

Уравнение Пуазёйля— закон, определяющий расход жидкости при установившемся течении вязкой несжимаемой жидкости в тонкой цилиндрической трубе круглого сечения.

Согласно закону, секундный объёмный расход жидкости пропорционален перепаду давления на единицу длины трубки (градиенту давления в трубе) и четвёртой степени радиуса (диаметра) трубы:

Где Q — объемный секундный расход жидкости; R — радиус трубопровода; p1-p2— перепад давлений на трубке; n—коэффициент трения; L— длина трубки.

Закон Пуазёйля работает только при ламинарном течении и при условии, что длина трубки превышает так называемую длину начального участка, необходимую для развития ламинарного течения в трубке.

Гидравлическое сопротивление прямо пропорционально длине сосуда и вязкости крови и обратно пропорционально радиусу сосуда в 4-й степени, то есть больше всего зависит от просвета сосуда , а также от состояния стенок сосудов и от их эластичности.

Так как наибольшим сопротивлением обладают артериолы , общее периферическое сопротивление сосудов(ОПСС) зависит главным образом от их тонуса. Различают центральные механизмы регуляции тонуса артериол (нервные и гормональные влияния)и местные (миогенная , метаболическая и эндотелиальная регуляция).

На артериолы оказывают постоянный тонический сосудосуживающий эффект симпатические нервы . Основные гормоны, в норме участвующие в регуляции тонуса артериол, – это адреналин и норадреналин .

Миогенная регуляция сводится к сокращению или расслаблению гладких мышц сосудов в ответ на изменения трансмурального давления; при этом напряжение в их стенке остается постоянным. Тем самым обеспечивается ауторегуляция местного кровотока – постоянство кровотока при меняющемся перфузионном давлении.

Метаболическая регуляция обеспечивает расширение сосудов при повышении основного обмена (за счет выброса аденозина и простагландинов) и гипоксии (также за счет выделения простагландинов).

Источник: //studopedia.su/12_84296_mishechnie-tkani-stroenie-i-funktsii-mishechnogo-volokna-preobrazovanie-energii-pri-mishechnom-sokrashchenii-kpd-mishechnogo-sokrashcheniya.html

Читать

Коэффициент полезного действия мышцы
sh: 1: –format=html: not found

Алексей Солодков, Елена Сологуб

Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная

Учебник для высших учебных заведений физической культуры. 7-е издание

Допущен Министерством РФ по физической культуре и спорту в качестве учебника для высших учебных заведений физической культуры

Издание подготовлено на кафедре физиологии Национального государственного университета физической культуры, спорта и здоровья им. П. Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург

Рецензенты:

В. И. Кулешов, доктор мед. наук, проф. (ВмедА им. С. М. Кирова)

И. М. Козлов, доктор биол. и доктор пед. наук, проф. (НГУ им. П. Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург)

© Солодков А. С., Сологуб Е. Б., 2001, 2005, 2008, 2015, 2017

© Издание, ООО Издательство «Спорт», 2017

* * *

Солодков Алексей Сергеевич – профессор кафедры физиологии Национального государственного университета физической культуры, спорта и здоровья им. П. Ф. Лесгафта (в течение 25 лет заведующий кафедрой 1986–2012 гг.).

Заслуженный деятель науки РФ, академик Петровской академии наук и искусств, Почетный работник высшего профессионального образования РФ, председатель секции «Физиология спорта» и член Правления СПб физиологического общества им. И. М. Сеченова.

Доктор медицинских наук, профессор, автор более 490 печатных работ по физиологии и психофизиологии труда, военного труда и спорта, соавтор 13 учебников, 22 учебных и учебно-методических пособий по различным разделам физиологии человека.

Сологуб Елена Борисовна – доктор биологических наук, профессор. С 2002 г. проживает в Нью-Йорке (США).

На кафедре физиологии Национального государственного университета физической культуры, спорта и здоровья им. П. Ф. Лесгафта работала с 1956 г., с 1986 г. по 2002 г. – в должности профессора кафедры.

Была избрана академиком Российской академии Медико-технических наук, Почетным работником высшего образования России, членом Правления СПб общества физиологов, биохимиков и фармакологов им. И. М. Сеченова.

Автор около 300 печатных работ по электроэнцефалографии, общей и спортивной физиологии отдельных видов спорта, изданных на русском и иностранных языках.

Предисловие

Физиология человека является теоретической основой целого ряда практических дисциплин (медицины, психологии, педагогики, биомеханики, биохимии и др.).

Без понимания нормального течения физиологических процессов и характеризующих их констант различные специалисты не могут правильно оценивать функциональное состояние организма человека и его работоспособность в различных условиях деятельности.

Знание физиологических механизмов регуляции различных функций организма имеет важное значение в понимании хода восстановительных процессов во время и после напряженного мышечного труда.

Раскрывая основные механизмы, обеспечивающие существование целостного организма и его взаимодействие с окружающей средой, физиология позволяет выяснить и исследовать условия и характер изменений деятельности различных органов и систем в процессе онтогенеза человека.

Физиология является наукой, осуществляющей системный подход в изучении и анализе многообразных внутри- и межсистемных взаимосвязей сложного человеческого организма и сведение их в конкретные функциональные образования и единую теоретическую картину.

Важно подчеркнуть, что в развитии современных научных физиологических представлений существенная роль принадлежит отечественным исследователям.

Знание истории любой науки – необходимая предпосылка для правильного понимания места, роли и значения дисциплины в содержании социально-политического статуса общества, его влияния на эту науку, а также влияние науки и ее представителей на развитие общества.

Поэтому рассмотрение исторического пути развития отдельных разделов физиологии, упоминание наиболее ярких ее представителей и анализ естественнонаучной базы, на которой формировались основные понятия и представления этой дисциплины, дают возможность оценить современное состояние предмета и определить его дальнейшие перспективные направления.

Физиологическая наука в России в XVIII–XIX столетиях представлена плеядой блестящих ученых – И. М. Сеченов, Ф. В. Овсянников, А. Я. Данилевский, А. Ф. Самойлов, И. Р. Тарханов, Н. Е. Введенский и др. Но лишь И. М. Сеченову и И. П. Павлову принадлежит заслуга создания новых направлений не только в Российской, но и в мировой физиологии.

Физиологию как самостоятельную дисциплину начали преподавать с 1738 г. в Академическом (позже Санкт-Петербургском) университете. Существенное значение в развитии физиологии принадлежит и основанному в 1755 г. Московскому университету, где в его составе в 1776 г. была открыта кафедра физиологии.

В 1798 г. в Санкт-Петербурге была основана Медико-хирургическая (Военно-медицинская) академия, которая сыграла исключительную роль в развитии физиологии человека. Созданную при ней кафедру физиологии последовательно возглавляли П. А. Загорский, Д. М. Велланский, Н. М.

Якубович, И. М. Сеченов, И. Ф. Цион, Ф. В. Овсянников, И. Р. Тарханов, И. П. Павлов, Л. А. Орбели, A.В. Лебединский, М. П. Бресткин и другие выдающиеся представители физиологической науки. За каждым названным именем стоят открытия в физиологии, имеющие мировое значение.

В программу обучения в физкультурных вузах физиология включалась с первых дней их организации. На созданных П. Ф. Лесгафтом в 1896 г.

Высших курсах физического образования сразу же был открыт кабинет физиологии, первым руководителем которого являлся академик И. Р. Тарханов. В последующие годы физиологию здесь преподавали Н. П. Кравков, А. А. Вальтер, П. П. Ростовцев, B.Я.

Чаговец, А. Г. Гинецинский, А. А. Ухтомский, Л. А. Орбели, И. С. Беритов, А. Н. Крестовников, Г. В. Фольборт и др.

Бурное развитие физиологии и ускорение научно-технического прогресса в стране обусловили появление в 30-х годах XX столетия нового самостоятельного раздела физиологии человека – физиологии спорта, хотя отдельные работы, посвященные изучению функций организма при выполнении физических нагрузок, публиковались еще в конце XIX века (И. О. Розанов, С. С. Груздев, Ю. В. Блажевич, П. К. Горбачев и др.). При этом следует подчеркнуть, что систематические исследования и преподавание физиологии спорта начались в нашей стране раньше, чем за рубежом, и носили более целенаправленный характер. Кстати, заметим, что только в 1989 г. Генеральная ассамблея Международного союза физиологических наук приняла решение о создании при ней комиссии «Физиология спорта», хотя подобные комиссии и секции в системе АН СССР, АМН СССР, Всесоюзного физиологического общества им. И. П. Павлова Госкомспорта СССР существовали в нашей стране с 1960-х годов.

Теоретические предпосылки для возникновения и развития физиологии спорта были созданы фундаментальными работами И. М. Сеченова, И. П. Павлова, Н. Е. Введенского, А. А. Ухтомского, И. С. Бериташвили, К. М. Быкова и других.

Однако систематическое изучение физиологических основ физической культуры и спорта началось значительно позже. Особенно большая заслуга в создании этого раздела физиологии принадлежит Л. А. Орбели и его ученику А. Н. Крестовникову, и она неразрывно связана со становлением и развитием Университета физической культуры им. П. Ф.

Лесгафта и его кафедры физиологии – первой подобной кафедры среди физкультурных вузов в стране и в мире.

После создания в 1919 г. кафедры физиологии в Институте физического образования им. П. Ф. Лесгафта преподавание этого предмета осуществляли Л. А. Орбели, А. Н. Крестовников, В. В. Васильева, А. Б. Гандельсман, Е. К. Жуков, Н. В. Зимкин, А. С. Мозжухин, Е. Б. Сологуб, А. С. Солодков и др. В 1938 г. А. Н.

Крестовниковым был издан первый в нашей стране и в мире «Учебник физиологии» для институтов физической культуры, а в 1939 г. – монография «Физиология спорта». Важную роль в дальнейшем развитии преподавания дисциплины сыграли три издания «Учебника физиологии человека» под редакцией Н. В. Зимкина (1964, 1970, 1975).

Источник: //www.litmir.me/br/?b=594926&p=18

Ваш Недуг
Добавить комментарий