ความสัมพันธ์ระหว่างแรง-ความเร็วและกำลัง

แรงที่กล้ามเนื้อสร้างขึ้นอยู่กับความเร็วในการเปลี่ยนแปลงความยาวของกล้ามเนื้อ: กล้ามเนื้อจะสร้างแรงได้มากที่สุดเมื่ออยู่ในภาวะไอโซเมตริก (isometric) หรือขณะยืดออก และจะสร้างแรงได้น้อยลงเรื่อยๆ เมื่อหดสั้นลงเร็วขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างแรง-ความเร็วนี้ ร่วมกับความสัมพันธ์ระหว่างความยาว-แรงตึง กำหนดให้กล้ามเนื้อเป็นระบบกลไก และเนื่องจากกำลังคือแรงคูณด้วยความเร็ว กำลังสูงสุดจึงเกิดขึ้นที่แรงและความเร็วระดับปานกลาง

Definition

ความสัมพันธ์ระหว่างแรง-ความเร็วอธิบายว่าแรงที่กล้ามเนื้อสามารถสร้างขึ้นได้ลดลงแบบไฮเปอร์โบลา (hyperbolically) เมื่อความเร็วในการหดสั้นเพิ่มขึ้น (และเกินแรงไอโซเมตริกในระหว่างการยืดออก) ในขณะที่กำลังที่ผลิตได้ ซึ่งเป็นผลคูณของแรงและความเร็ว จะสูงสุดที่ค่าปานกลาง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมความสัมพันธ์ระหว่างแรง-ความเร็วและคำอธิบายแบบคลาสสิกของ Hill ความสัมพันธ์ระหว่างความยาว-แรงตึง และเส้นโค้งกำลัง-ความเร็วที่เกิดขึ้น รวมถึงวิธีที่ความแตกต่างของชนิดเส้นใยกล้ามเนื้อส่งผลต่อความสัมพันธ์เหล่านี้ เป็นข้อมูลอ้างอิงและให้ความรู้เกี่ยวกับกลไกของกล้ามเนื้อ ไม่ใช่คู่มือสำหรับการฝึกความแข็งแรงหรือกำลัง

Core questions

• ความเร็วในการหดสั้นเปลี่ยนแปลงแรงที่กล้ามเนื้อสามารถสร้างได้อย่างไร?
• ทำไมกำลังของกล้ามเนื้อจึงสูงสุดที่แรงและความเร็วระดับปานกลาง?
• ความสัมพันธ์ระหว่างความยาว-แรงตึงมีปฏิสัมพันธ์กับแรงและความเร็วอย่างไร?
• ชนิดของเส้นใยกล้ามเนื้อมีผลต่อเส้นโค้งแรง-ความเร็วและกำลังอย่างไร?

Key concepts

• เส้นโค้งแรง-ความเร็ว
• สมการของ Hill
• ความเร็วการหดสั้นสูงสุด
• แรงไอโซเมตริก
• การหดตัวแบบคอนเซนตริก (concentric) และเอคเซนตริก (eccentric) (การยืดออก)
• กำลังคือแรงคูณความเร็ว
• ความสัมพันธ์ระหว่างความยาว-แรงตึง
• ผลกระทบของชนิดเส้นใยกล้ามเนื้อต่อความเร็วและกำลัง

Key theories

ความสัมพันธ์ระหว่างแรง-ความเร็วของ Hill

A. V. Hill แสดงให้เห็นจากการวัดความร้อนและกลไกว่าแรงที่กล้ามเนื้อที่กำลังหดสั้นสร้างขึ้นจะลดลงเป็นฟังก์ชันไฮเปอร์โบลาของความเร็วในการหดสั้น ซึ่งแสดงโดยสมการของ Hill โดยมีแรงสูงสุดที่ความเร็วเป็นศูนย์และแรงเป็นศูนย์ที่ความเร็วสูงสุด

ความสัมพันธ์ระหว่างความยาว-แรงตึง

แรงไอโซเมตริกขึ้นอยู่กับความยาวของซาร์โคเมียร์ (sarcomere) ผ่านการซ้อนทับกันของเส้นใยบางและหนา โดยมีค่าสูงสุดที่การซ้อนทับที่เหมาะสม การพึ่งพาทางเรขาคณิตนี้เสริมกับการพึ่งพาความเร็วในการกำหนดกลไกของกล้ามเนื้อ

Mechanisms

เมื่อกล้ามเนื้อหดสั้นลง จำนวนสะพานไขว้ (cross-bridges) ที่ยึดเกาะและสร้างแรง ณ เวลาใดเวลาหนึ่งจะน้อยลง เนื่องจากสะพานไขว้ต้องมีการหลุดและยึดเกาะซ้ำๆ การหดสั้นที่เร็วขึ้นจึงทำให้มีเวลาน้อยลงสำหรับการยึดเกาะที่สร้างแรง และแรงก็จะลดลง; ที่ความเร็วการหดสั้นสูงสุด แรงจะลดลงเป็นศูนย์ ในทางกลับกัน เมื่อกล้ามเนื้อถูกยืดออกต้านทานน้ำหนัก (การทำงานแบบประหลาด หรือ eccentric action) กล้ามเนื้อสามารถรับแรงได้มากกว่าแรงไอโซเมตริก การวัดความร้อนและความตึงของ Hill ได้สร้างเส้นโค้งแรง-ความเร็วแบบไฮเปอร์โบลาและสมการที่ควบคุม ซึ่งต่อมาแบบจำลองสะพานไขว้ได้อธิบายกลไกนี้ เนื่องจากกำลังทางกลคือผลคูณของแรงและความเร็ว และแรงกับความเร็วมีความสัมพันธ์แบบผกผันกัน กำลังจึงเพิ่มขึ้นถึงจุดสูงสุดที่ความเร็วการหดสั้นระดับปานกลางแล้วจึงลดลง ความเร็วการหดสั้นสูงสุดส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยไอโซฟอร์มของไมโอซิน (myosin isoform) ดังนั้นเส้นใยกล้ามเนื้อชนิดเร็ว (fast fibres) จึงมีความเร็วและกำลังสูงสุดที่สูงกว่าเส้นใยกล้ามเนื้อชนิดช้า (slow fibres) ความสัมพันธ์ระหว่างความยาว-แรงตึงเพิ่มการพึ่งพาอีกประการหนึ่ง เนื่องจากแรงที่สามารถสร้างได้ที่ความเร็วใดๆ ก็ขึ้นอยู่กับการซ้อนทับกันของเส้นใย (filament overlap) ที่ความยาวนั้นด้วย

Clinical relevance

ความสัมพันธ์ระหว่างแรง-ความเร็วและกำลังเป็นกรอบกลไกสำหรับการทำความเข้าใจว่ากล้ามเนื้อสามารถสร้างแรง ความเร็ว และกำลังได้มากน้อยเพียงใด และสิ่งเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตามองค์ประกอบของเส้นใยกล้ามเนื้อ ข้อมูลเหล่านี้ถูกนำเสนอเป็นสรีรวิทยาอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการกำหนดการฝึก การวินิจฉัย หรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

ความสัมพันธ์เหล่านี้ตั้งอยู่บนพื้นฐานของสรีรวิทยาหลักแบบคลาสสิก — การศึกษาความร้อนและกลไกของ Hill ในปี 1938 และการทดลองความยาว-แรงตึงของ Gordon, Huxley, และ Julian (1966) — ซึ่งตีความผ่านแบบจำลองสะพานไขว้และขยายผลโดยการศึกษาชนิดของเส้นใยกล้ามเนื้อ นี่คือวิทยาศาสตร์พื้นฐานเชิงกลไกมากกว่าหลักฐานทางคลินิกที่ควบคุมโดยแนวทางปฏิบัติ

History

การศึกษาของ A. V. Hill ในปี 1938 เกี่ยวกับความร้อนของการหดสั้นและค่าคงที่พลวัตของกล้ามเนื้อได้สร้างความสัมพันธ์ระหว่างแรง-ความเร็วแบบไฮเปอร์โบลาและสมการของมัน โดยต่อยอดจากผลงานก่อนหน้าของเขาที่ได้รับรางวัลโนเบล ความสัมพันธ์ระหว่างความยาว-แรงตึงถูกวางอยู่บนพื้นฐานโครงสร้างโดย Gordon, Huxley, และ Julian ในปี 1966 และทฤษฎีสะพานไขว้ของ Hugh Huxley ได้ให้คำอธิบายระดับโมเลกุลว่าทำไมแรงจึงขึ้นอยู่กับความเร็วในการหดสั้น การศึกษาในภายหลังเชื่อมโยงความเร็วสูงสุดและกำลังสูงสุดเข้ากับไอโซฟอร์มของไมโอซินและชนิดของเส้นใยกล้ามเนื้อ

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

ทำไมกล้ามเนื้อจึงสร้างแรงได้น้อยลงเมื่อหดสั้นอย่างรวดเร็ว?

การหดสั้นที่เร็วขึ้นทำให้มีเวลาน้อยลงสำหรับสะพานไขว้ที่จะยึดเกาะและสร้างแรง ดังนั้นจึงมีสะพานไขว้ที่ยึดเกาะน้อยลง ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง และแรงก็จะลดลง ที่ความเร็วการหดสั้นสูงสุด แรงจะลดลงเป็นศูนย์

กล้ามเนื้อสร้างกำลังได้มากที่สุดเมื่อใด?

เนื่องจากกำลังคือแรงคูณความเร็ว และทั้งสองมีความสัมพันธ์แบบผกผันกัน กำลังสูงสุดจึงเกิดขึ้นที่ความเร็วการหดสั้นระดับปานกลางและแรงระดับปานกลาง ไม่ใช่ที่แรงสูงสุดหรือความเร็วสูงสุด