Зависимости «сила-скорость» и «мощность-скорость»

Сила, производимая мышцей, зависит от скорости изменения ее длины: мышца генерирует наибольшую силу при изометрическом сокращении или удлинении и постепенно меньшую силу по мере увеличения скорости укорочения. Эта зависимость «сила-скорость» вместе с зависимостью «длина-натяжение» определяет мышцу как механическую систему, а поскольку мощность является произведением силы на скорость, пиковая мощность достигается при промежуточных значениях силы и скорости.

Definition

Зависимость «сила-скорость» описывает, как сила, которую может генерировать мышца, гиперболически уменьшается по мере увеличения скорости ее укорочения (и превышает изометрическую силу при удлинении), в то время как выходная мощность, являющаяся произведением силы и скорости, максимальна при промежуточных значениях.

Scope

Эта тема охватывает зависимость «сила-скорость» и ее классическое описание по Хиллу, зависимость «длина-натяжение» и результирующую кривую «мощность-скорость», включая то, как различия в типах волокон изменяют эти зависимости. Это справочное и образовательное описание механики мышц, а не руководство по силовой или скоростной тренировке.

Core questions

• Как скорость укорочения изменяет силу, которую может производить мышца?
• Почему мощность мышцы наибольшая при промежуточных значениях силы и скорости?
• Как зависимость «длина-натяжение» взаимодействует с силой и скоростью?
• Как типы волокон формируют кривые «сила-скорость» и «мощность-скорость»?

Key concepts

• Кривая «сила-скорость»
• Уравнение Хилла
• Максимальная скорость укорочения
• Изометрическая сила
• Концентрическое и эксцентрическое (удлиняющее) сокращение
• Мощность как произведение силы на скорость
• Зависимость «длина-натяжение»
• Влияние типов волокон на скорость и мощность

Key theories

Зависимость «сила-скорость» по Хиллу

А. В. Хилл показал на основе измерений тепла и механических свойств, что сила, производимая укорачивающейся мышцей, падает как гиперболическая функция скорости укорочения, что описывается уравнением Хилла, с максимальной силой при нулевой скорости и нулевой силой при максимальной скорости.

Зависимость «длина-натяжение»

Изометрическая сила зависит от длины саркомера через перекрытие тонких и толстых филаментов, достигая пика при оптимальном перекрытии; эта геометрическая зависимость дополняет зависимость от скорости в определении механики мышц.

Mechanisms

Когда мышца укорачивается, в любой момент времени прикреплено и производит силу меньше поперечных мостиков, потому что поперечные мостики должны многократно отсоединяться и повторно присоединяться, поэтому более быстрое укорочение оставляет меньше времени для силовых прикреплений, и сила падает; при максимальной скорости укорочения сила достигает нуля. И наоборот, когда мышца удлиняется под нагрузкой (эксцентрическое действие), она может выдерживать большую силу, чем ее изометрическая сила. Измерения тепла и натяжения, проведенные Хиллом, установили гиперболическую кривую «сила-скорость» и ее управляющее уравнение, которое позже было механистически объяснено моделью поперечных мостиков. Поскольку механическая мощность является произведением силы и скорости, а сила и скорость обратно пропорциональны друг другу, мощность достигает пика при промежуточных скоростях укорочения, а затем падает. Максимальная скорость укорочения в значительной степени определяется изоформой миозина, поэтому быстрые волокна достигают более высоких скоростей и пиковых мощностей, чем медленные волокна. Зависимость «длина-натяжение» добавляет вторую зависимость, поскольку сила, доступная при любой скорости, также зависит от перекрытия филаментов при данной длине.

Clinical relevance

Зависимости «сила-скорость» и «мощность-скорость» обеспечивают механическую основу для понимания того, какую силу, скорость и мощность могут производить мышцы и как они изменяются в зависимости от состава волокон. Они представлены как справочная физиология и не являются основой для индивидуального назначения тренировок, диагностики или лечения.

Evidence & guidelines

Эти зависимости основаны на классической первичной физиологии — исследовании Хилла 1938 года о тепловыделении и механике и экспериментах Гордона, Хаксли и Джулиана (1966) по зависимости «длина-натяжение» — интерпретированных через модель поперечных мостиков и расширенных исследованиями типов волокон. Это механистическая фундаментальная наука, а не клинические данные, регулируемые рекомендациями.

History

Исследование А. В. Хилла 1938 года о тепловыделении при укорочении и динамических константах мышц установило гиперболическую зависимость «сила-скорость» и ее уравнение, основываясь на его более ранних работах, за которые он получил Нобелевскую премию. Зависимость «длина-натяжение» была структурно обоснована Гордоном, Хаксли и Джулианом в 1966 году, а теория поперечных мостиков Хью Хаксли дала молекулярное объяснение того, почему сила зависит от скорости укорочения. Более поздние исследования связали максимальную скорость и пиковую мощность с изоформой миозина и типом волокон.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Почему мышца производит меньше силы, когда она быстро укорачивается?

Более быстрое укорочение оставляет меньше времени для прикрепления поперечных мостиков и генерации силы, поэтому в любой момент времени их прикреплено меньше, и сила падает. При максимальной скорости укорочения сила падает до нуля.

В какой точке мышца производит наибольшую мощность?

Поскольку мощность — это произведение силы на скорость, а эти два параметра обратно пропорциональны, пиковая мощность достигается при промежуточной скорости укорочения и промежуточной силе, а не при максимальной силе или максимальной скорости.