Mối quan hệ Lực-Vận tốc và Công suất

Lực mà một cơ tạo ra phụ thuộc vào tốc độ thay đổi chiều dài của nó: cơ tạo ra lực lớn nhất khi giữ ở trạng thái đẳng trường hoặc kéo dài, và lực giảm dần khi nó co ngắn nhanh hơn. Mối quan hệ lực-vận tốc này, cùng với mối quan hệ chiều dài-sức căng, định nghĩa cơ là một hệ thống cơ học, và vì công suất là lực nhân với vận tốc, công suất cực đại xảy ra ở lực và vận tốc trung bình.

Definition

Mối quan hệ lực-vận tốc mô tả cách lực mà một cơ có thể tạo ra giảm theo hàm hyperbol khi vận tốc co ngắn của nó tăng lên (và vượt quá lực đẳng trường trong quá trình kéo dài), trong khi công suất đầu ra, là tích của lực và vận tốc, đạt cực đại ở các giá trị trung bình.

Scope

Chủ đề này bao gồm mối quan hệ lực-vận tốc và mô tả cổ điển của Hill, mối quan hệ chiều dài-sức căng, và đường cong công suất-vận tốc kết quả, bao gồm cách sự khác biệt về loại sợi cơ làm thay đổi các mối quan hệ này. Đây là một tài liệu tham khảo và giáo dục về cơ học cơ, không phải là hướng dẫn tập luyện sức mạnh hoặc công suất.

Core questions

• Vận tốc co ngắn thay đổi lực mà một cơ có thể tạo ra như thế nào?
• Tại sao công suất cơ bắp lớn nhất ở lực và vận tốc trung bình?
• Mối quan hệ chiều dài-sức căng tương tác với lực và vận tốc như thế nào?
• Các loại sợi cơ định hình đường cong lực-vận tốc và công suất như thế nào?

Key concepts

• Đường cong lực-vận tốc
• Phương trình Hill
• Vận tốc co ngắn tối đa
• Lực đẳng trường
• Co cơ đồng tâm và lệch tâm (kéo dài)
• Công suất là lực nhân với vận tốc
• Mối quan hệ chiều dài-sức căng
• Ảnh hưởng của loại sợi cơ đến vận tốc và công suất

Key theories

Mối quan hệ lực-vận tốc của Hill

A. V. Hill đã chỉ ra từ các phép đo nhiệt và cơ học rằng lực mà một cơ co ngắn tạo ra giảm theo hàm hyperbol của vận tốc co ngắn, được thể hiện bằng phương trình Hill, với lực tối đa ở vận tốc bằng không và lực bằng không ở vận tốc tối đa.

Mối quan hệ chiều dài-sức căng

Lực đẳng trường phụ thuộc vào chiều dài sarcomere thông qua sự chồng chéo của các sợi mỏng và sợi dày, đạt đỉnh ở mức chồng chéo tối ưu; sự phụ thuộc hình học này bổ sung cho sự phụ thuộc vào vận tốc trong việc định nghĩa cơ học cơ.

Mechanisms

Khi một cơ co ngắn, ít cầu nối ngang được gắn kết và tạo lực tại bất kỳ thời điểm nào vì các cầu nối ngang phải liên tục tách ra và gắn lại, do đó co ngắn nhanh hơn sẽ có ít thời gian hơn cho các gắn kết tạo lực và lực giảm; ở vận tốc co ngắn tối đa, lực đạt bằng không. Ngược lại, khi một cơ được kéo dài chống lại tải trọng (hoạt động lệch tâm), nó có thể chịu được nhiều hơn lực đẳng trường của nó. Các phép đo nhiệt và sức căng của Hill đã thiết lập đường cong lực-vận tốc hyperbol và phương trình chi phối của nó, mà mô hình cầu nối ngang sau đó đã giải thích một cách cơ học. Vì công suất cơ học là tích của lực và vận tốc, và lực và vận tốc có sự đánh đổi lẫn nhau, công suất tăng đến đỉnh ở vận tốc co ngắn trung bình và sau đó giảm. Vận tốc co ngắn tối đa chủ yếu được xác định bởi dạng đồng phân myosin, do đó các sợi cơ nhanh đạt vận tốc và công suất đỉnh cao hơn các sợi cơ chậm. Mối quan hệ chiều dài-sức căng bổ sung một sự phụ thuộc thứ hai, vì lực có sẵn ở bất kỳ vận tốc nào cũng phụ thuộc vào sự chồng chéo của các sợi cơ ở chiều dài đó.

Clinical relevance

Mối quan hệ lực-vận tốc và công suất cung cấp khuôn khổ cơ học để hiểu được lượng lực, tốc độ và công suất mà cơ bắp có thể tạo ra và cách chúng thay đổi theo thành phần sợi cơ. Chúng được trình bày như sinh lý học tham khảo và không phải là cơ sở để kê đơn tập luyện, chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Evidence & guidelines

Các mối quan hệ này dựa trên sinh lý học cơ bản cổ điển — nghiên cứu nhiệt và cơ học năm 1938 của Hill và các thí nghiệm chiều dài-sức căng của Gordon, Huxley, và Julian (1966) — được giải thích thông qua mô hình cầu nối ngang và mở rộng bởi các nghiên cứu về loại sợi cơ. Đây là khoa học cơ bản cơ học chứ không phải bằng chứng lâm sàng được điều chỉnh bởi hướng dẫn.

History

Nghiên cứu năm 1938 của A. V. Hill về nhiệt co ngắn và các hằng số động học của cơ đã thiết lập mối quan hệ lực-vận tốc hyperbol và phương trình của nó, dựa trên công trình trước đó của ông đã mang lại cho ông giải Nobel. Mối quan hệ chiều dài-sức căng được đặt trên nền tảng cấu trúc bởi Gordon, Huxley, và Julian vào năm 1966, và lý thuyết cầu nối ngang của Hugh Huxley đã cung cấp một giải thích phân tử về lý do tại sao lực phụ thuộc vào vận tốc co ngắn. Các nghiên cứu sau này đã liên kết vận tốc tối đa và công suất đỉnh với dạng đồng phân myosin và loại sợi cơ.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Tại sao một cơ tạo ra ít lực hơn khi nó co ngắn nhanh chóng?

Co ngắn nhanh hơn làm giảm thời gian để các cầu nối ngang gắn kết và tạo lực, do đó có ít cầu nối được gắn kết tại bất kỳ thời điểm nào và lực giảm. Ở vận tốc co ngắn tối đa, lực giảm xuống bằng không.

Tại thời điểm nào một cơ tạo ra nhiều công suất nhất?

Vì công suất là lực nhân với vận tốc và hai yếu tố này có sự đánh đổi, công suất đỉnh xảy ra ở vận tốc co ngắn trung bình và lực trung bình, không phải ở lực tối đa hay vận tốc tối đa.