علاقات القوة-السرعة والقدرة

تعتمد القوة التي تنتجها العضلة على سرعة تغير طولها: تولد العضلة أقصى قوة عندما تكون ثابتة الطول (isometric) أو في حالة استطالة، وتقل القوة تدريجياً كلما زادت سرعة قصرها. تحدد علاقة القوة-السرعة هذه، بالإضافة إلى علاقة الطول-الشد، العضلة كنظام ميكانيكي، ولأن القدرة هي القوة مضروبة في السرعة، فإن ذروة القدرة تحدث عند قوة وسرعة متوسطتين.

Definition

تصف علاقة القوة-السرعة كيف تتناقص القوة التي يمكن للعضلة توليدها بشكل زائد (hyperbolically) مع زيادة سرعة قصرها (وتتجاوز القوة الثابتة الطول أثناء الاستطالة)، بينما يكون الناتج من القدرة، كونه ناتج القوة والسرعة، أقصى ما يمكن عند قيم متوسطة.

Scope

يغطي هذا الموضوع علاقة القوة-السرعة ووصف هيل الكلاسيكي لها، وعلاقة الطول-الشد، ومنحنى القدرة-السرعة الناتج، بما في ذلك كيفية تأثير اختلافات أنواع الألياف على هذه العلاقات. إنه مرجع وحساب تعليمي لميكانيكا العضلات، وليس دليلاً لتدريب القوة أو القدرة.

Core questions

• كيف تغير سرعة القصر القوة التي يمكن للعضلة إنتاجها؟
• لماذا تكون قدرة العضلة أعظم ما يمكن عند قوة وسرعة متوسطتين؟
• كيف تتفاعل علاقة الطول-الشد مع القوة والسرعة؟
• كيف تشكل أنواع الألياف منحنيات القوة-السرعة والقدرة؟

Key concepts

• منحنى القوة-السرعة
• معادلة هيل
• السرعة القصوى للقصر
• القوة الثابتة الطول
• التقلص المركزي واللا مركزي (الإطالة)
• القدرة كناتج القوة والسرعة
• علاقة الطول-الشد
• تأثيرات نوع الألياف على السرعة والقدرة

Key theories

علاقة هيل للقوة-السرعة

أظهر أ. ف. هيل من قياسات الحرارة والميكانيكا أن القوة التي تنتجها العضلة المقصرة تنخفض كدالة زائدة لسرعة القصر، والتي تمثلها معادلة هيل، مع أقصى قوة عند سرعة صفرية وقوة صفرية عند السرعة القصوى.

علاقة الطول-الشد

تعتمد القوة الثابتة الطول على طول الساركومير (sarcomere) من خلال تداخل الخيوط الرفيعة والسميكة، وتصل إلى ذروتها عند التداخل الأمثل؛ يكمل هذا الاعتماد الهندسي الاعتماد على السرعة في تحديد ميكانيكا العضلات.

Mechanisms

عندما تقصر العضلة، تكون الجسور المتقاطعة (cross-bridges) المتصلة وتنتج القوة في أي لحظة أقل عدداً، لأن الجسور المتقاطعة يجب أن تنفصل وتتصل بشكل متكرر، لذا فإن القصر الأسرع يترك وقتاً أقل للاتصالات المولدة للقوة، فتنخفض القوة؛ وعند أقصى سرعة قصر تصل القوة إلى الصفر. على العكس من ذلك، عندما يتم إطالة العضلة ضد الحمل (عمل لا مركزي)، يمكنها تحمل قوة أكبر من قوتها الثابتة الطول. أثبتت قياسات هيل للحرارة والشد منحنى القوة-السرعة الزائد ومعادلته الحاكمة، والتي أوضحها نموذج الجسور المتقاطعة لاحقاً ميكانيكياً. ولأن القدرة الميكانيكية هي ناتج القوة والسرعة، والقوة والسرعة تتبادلان التأثير، فإن القدرة ترتفع إلى ذروتها عند سرعات قصر متوسطة ثم تنخفض. تتحدد السرعة القصوى للقصر إلى حد كبير بواسطة الأيزوفورم الميوسيني (myosin isoform)، لذا تصل الألياف السريعة إلى سرعات وقدرات ذروة أعلى من الألياف البطيئة. تضيف علاقة الطول-الشد اعتماداً ثانياً، حيث أن القوة المتاحة عند أي سرعة تعتمد أيضاً على تداخل الخيوط عند ذلك الطول.

Clinical relevance

توفر علاقات القوة-السرعة والقدرة الإطار الميكانيكي لفهم مقدار القوة والسرعة والقدرة التي يمكن للعضلات إنتاجها وكيف تتغير هذه مع تركيب الألياف. يتم تقديمها كفسيولوجيا مرجعية وليست أساساً لوصف تدريب فردي أو تشخيص أو علاج.

Evidence & guidelines

تستند العلاقات إلى الفسيولوجيا الأولية الكلاسيكية — دراسة هيل للحرارة والميكانيكا عام 1938 وتجارب جوردون وهكسلي وجوليان (1966) حول علاقة الطول-الشد — المفسرة من خلال نموذج الجسور المتقاطعة والموسعة بدراسات أنواع الألياف. هذا علم أساسي ميكانيكي وليس دليلاً سريرياً محكوماً بالمبادئ التوجيهية.

History

أثبتت دراسة أ. ف. هيل عام 1938 لحرارة القصر والثوابت الديناميكية للعضلة علاقة القوة-السرعة الزائدة ومعادلتها، بناءً على عمله السابق الذي أكسبه جائزة نوبل. وُضعت علاقة الطول-الشد على أساس هيكلي بواسطة جوردون وهكسلي وجوليان في عام 1966، وقدمت نظرية الجسور المتقاطعة لهيو هكسلي تفسيراً جزيئياً لسبب اعتماد القوة على سرعة القصر. ربطت الدراسات اللاحقة السرعة القصوى والقدرة القصوى بأيزوفورم الميوسين ونوع الألياف.

Key figures

• Archibald Vivian Hill
• Andrew Huxley
• Fred Julian
• Stefano Schiaffino
• Carlo Reggiani

Seminal works

• hill-1938
• gordon-1966
• huxley-1969

Frequently asked questions

لماذا تنتج العضلة قوة أقل عندما تقصر بسرعة؟

يترك القصر الأسرع وقتاً أقل للجسور المتقاطعة للاتصال وتوليد القوة، لذا يكون عدد أقل منها متصلاً في أي لحظة فتنخفض القوة. عند السرعة القصوى للقصر، تنخفض القوة إلى الصفر.

في أي نقطة تنتج العضلة أكبر قدر من القدرة؟

لأن القدرة هي القوة مضروبة في السرعة وهما يتبادلان التأثير، تحدث ذروة القدرة عند سرعة قصر متوسطة وقوة متوسطة، وليس عند أقصى قوة أو أقصى سرعة.