Электрические импульсы, приходящие по двигательным нервным волокнам, вызывают в мышечных волокнах возбуждение, проявляющееся в их сокращении. В скелетных мышцах мышечные волокна изолированы друг от друга, поэтому возбуждение, возникающее в одном из них, не распространяется на соседние. При этом возбужденное мышечное волокно сокращается по закону «все или ничего», т. е. если нервные импульсы пришли к мышечному волокну и оказались способными вызвать его возбуждение, то мышечное волокно сокращается с максимально возможной для него силой. Сократиться в полсилы оно не может. Поэтому степень сокращения мышцы зависит только от числа сократившихся в данный момент волокон. Сила мышц с продольным расположением волокон зависит от их толщины. Мышцы, выполняющие общую работу в одном и том же суставе, называют мышцами-синергистами (от греч. sinergio — сотрудничество). Например, плечевая мышца и двуглавая мышца плеча сгибают руку в локтевом суставе, средняя и малая ягодичные мышцы-отводят ногу в тазобедренном суставе. Мышцы антагонисты, наоборот, при сокращении вызывают противоположные движения в одном и том же суставе. Так, трехглавая мышца плеча разгибает руку в локтевом суставе, а двуглавая мышца плеча вызывает ее сгибание. Портняжная мышца приводит к сгибанию в коленном суставе, а четырехглавая — к разгибанию. По отношению к та зобедренному суставу эти же две мышцы являются уже не антагонистами, а синергистами, так как совместно сгибают бедро в тазобедренном суставе.
Длительная мышечная работа приводит к мышечному утомлению. Утомление — временное снижение работоспособности (клетки, органа или всего организма), наступающее в результате работы и исчезающее после отдыха. Статическая нагрузка быстрее приводит к утомлению, чем динамическая. Динамическая нагрузка характеризуется быстрым изменением во времени ее значения и приводит к чередованию сокращения и расслабления мышц. При статической работе, например при удерживании груза, мышцы находятся в напряженном состоянии длительное время. При этом импульсы поступают к мышечным волокнам с большой частотой, поэтому каждый очередной нервный импульс приходит к мышце раньше, чем она успеет расслабиться после предыдущего импульса.
В развитии утомления, возникающего при мышечной работе, ведущую роль играет не усталость самих мышц (пери-ферический механизм утомления), а особое состояние двигательных нервных центров (центральный механизм утомления). Отсюда становится ясно, почему физическая работоспособность так зависит от настроения. Если работа выполняется с интересом, утомление наступает не так скоро. Убедительным доказательством ведущей роли состояния нервных центров в развитии утомления (центральный механизм утомления) являются результаты описываемого эксперимента. Человек, находящийся под гипнозом, быстро устает и обливается потом, поднимая легкую корзинку, если ему внушили, что у него в руках тяжелая гиря. И, наоборот, легко и долго ритмично поднимает гирю, если, находясь под гипнозом, думает, что у него в руках легкая корзинка.
С состоянием двигательных нервных центров связано и другое явление. Когда одно и то же движение попеременно выполняется правой и левой рукой, усталость возникает не так скоро, как в случае, если то же движение и в том же ритме осуществляется только одной рукой. Поэтому для восстановления работоспособности какой-нибудь группы мышц более благоприятен не полный покой, а интенсивная работа другой мышечной группы. Великий русский физиолог Иван Михайлович Сеченов называл такой отдых «активным отдыхом». Преимущество активного отдыха И. М. Сеченов рассматривал как доказательство преобладания центральных механизмов в развитии утомления над периферическими.
При динамической работе скорость утомления зависит от двух показателей — физической нагрузки, падающей на мышцу, и от ритма работы, т. е. от частоты мышечных сокращений.
При увеличении нагрузки или при учащении ритма мышечных сокращений утомление наступает быстрее. Влияние этих условий на объем выполненной работы изучал в начале нашего века И. М. Сеченов. Оказалось, что если увеличивать нагрузку, интенсивность выполняемой работы возрастает, но только до определенного уровня, а затем снижается. Мышечная работа достигает максимального объема при средних нагрузках и средних скоростях сокращения мышц. Таким образом, И. М. Сеченовым были заложены основы новой науки — гигиены труда.
Физическое утомление - временное понижение или прекращение работоспособности мышц, вызванное их работой. Утомление регистрируется на эргограмме; оно проявляется в том, что снижается высота сокращения мышцы или происходит полное прекращение ее сокращений. При утомлении мышца нередко не может полностью расслабиться и остается в состоянии длительного укорочения (контрактуры). Утомление является сначала результатом изменений функций нервной системы, и прежде всего головного мозга, нарушения передачи нервных импульсов между нейронами и между двигательным нервом и мышцей, а затем уже следствием изменения функций самой мышцы.
Так как при утомлении понижаются функции нервной системы и рецепторов мышц, суставов и сухожилий, то наступают нарушения координации движений.
Мышечное утомление является результатом не только изменения функций нервной и мышечной систем, но и изменения регуляции нервной системой всех вегетативных функций.
Утомление при динамической работе наступает в результате изменения обмена веществ, деятельности желез внутренней секреции и других органов и в особенности сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Снижение работоспособности сердечно-сосудистой и дыхательной систем нарушает кровоснабжение работающих мышц, а следовательно, доставку кислорода и питательных веществ и удаление остаточных продуктов обмена веществ.
Скорость наступления утомления зависит от состояния нервной системы, частоты ритма, в котором производится работа, и от величины груза (нагрузки). Увеличение нагрузки и учащение ритма ускоряет наступление утомления.
При утомлении нередко появляется усталость - ощущение утомления, которое отсутствует, если работа вызывает интерес. Наоборот, когда работа производится без интереса, усталость наступает раньше и она больше, хотя признаки утомления отсутствуют. Способность приходить в состояние утомления называется утомляемостью. Утомление вызывается также обстановкой, в которой оно раньше возникало. Если же работа была интересной и не вызывала усталости и утомления, то обстановка, в которой она производилась, не вызывает усталости и утомления. Изменение обстановки, в которой многократно возникало утомление, или многодневный, длительный отдых приводят к исчезновению условного рефлекса на утомление.
Мышечное утомление является нормальным физиологическим процессом. Восстановление работоспособности мышц происходит уже во время выполнения работы. После окончания работы работоспособность не только восстанавливается, но и превышает исходный ее уровень до работы.
Рис. 32. Изменение работоспособности в дни отдыха после предельной работы
Утомление нужно отличать от переутомления.
Переутомление - нарушение функций организма, патологический процесс, вызванный хроническим утомлением, суммированием утомления, так как отсутствуют условия для восстановления работоспособности организма.
Важно предупредить появление переутомления. Наступлению переутомления способствуют антигигиенические условия труда, физических упражнений, внешней среды, нарушение питания.
При переутомлении появляются хронические головные боли, большая раздражительность, апатия, вялость, днем сонливость, нарушение сна ночью и бессонница, ухудшение аппетита, мышечная слабость. Нарушается координация мышечной работы и вегетативных функций, происходят снижение обмена веществ и падение веса тела, учащение, а иногда значительное замедление сердцебиений, понижение кровяного давления, уменьшение дыхательного объема и др. Нет желания заниматься трудом, физической культурой и спортом, особенно тем его видом, который вызвал переутомление.
Создание нормальных гигиенических условий физического труда и физических упражнений, переключение на новый интересный вид физического труда и спорта, перевод в другую обстановку, длительный отдых, увеличение времени пребывания на свежем воздухе и сна, улучшение питания, прием углеводов и витаминов устраняют переутомление.
Временное понижение работоспособности целого организма, органа или ткани, наступающее после работы, называют утомлением.
Утомление исчезает после более или менее продолжительного отдыха. Утомление изолированной мышцы легче можно наблюдать, если воздействовать на нее частыми раздражениями.
Высота сокращений такой мышцы постепенно уменьшается, пока мышца, наконец, не перестанет сокращаться. Чем чаще наносится раздражение, тем быстрее наступает утомление (рис.).
Изучение утомления у человека производится при помощи специального прибора - эргографа (рис. 2).
Рис. БЫСТРОТА НАСТУПЛЕНИЯ УТОМЛЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ЧАСТОТЕ РАЗДРАЖЕНИЙ 1-сокращение с частотой-один раз в секунду; 2 — сокращения с частотой один раз в 2 секунды: 3 - сокращения с частотой один раз в 4 секунды.
Эргограф представляет собой прибор, в котором фиксируются предплечье, кисть, II и IV пальцы исследуемого. К среднему пальцу подвешивают груз и исследуемому предлагают поднимать и опускать его, сгибая и разгибая палец. Изменяя ритм работы, величину груза или и другое, можно изучить явление утомления, наступающее у человека в разных условиях.
Кривая, которая при этом получается, называется эргограммой (рис. 3).
Для изучения рабочих движений И. М. Сеченовым был сконструирован специальный эргограф, при помощи которого исследуемый воспроизводил движения, совершаемые при пилке ручной пилой.
Для объяснения утомления было выдвинуто несколько теорий. Одни объясняли утомление тем, что в результате работы энергетические запасы истощились, другие же предполагали, что причиной утомления является засорение мышц продуктами распада. Однако ни одна из выдвинутых теорий не пред ставляла исчерпывающего объяснения явлений утомления. При усиленной работе в мышце действительно образуются продукты распада, в частности молочная кислота, которая в значительной степени влияет на наступление утомления в работающей мышце, происходит расходование энергетических запасов и т. д., но ни один из этих процессов в отдельности не может быть положен в основу объяснения утомления. Все эти теории игнорировали роль нервной системы при наступлении утомления.
Между тем исследованиями И. М. Сеченова, И. П. Павлова, Н. Е. Введенского и А. А. Ухтомского было показано, что в длительном сохранении работоспособности и в наступлении утомления решающую роль играет центральная .
Рис. 2 Эргограф, 1 — цилиндр для записи, 2- записывающий рычажок, 3- стойка, 4- держалка для руки, 5 — груз
Наступление утомления мышцы при рефлекторном влиянии в специальном опыте наблюдал Н. Е. Введенский. Этот опыт был поставлен на такой мышце, сокращение которой можно было рефлекторно вызвать раздражением двух разных центростремительных нервов. Раздражением одного из этих нервов достигалось утомление мышцы. Когда становилось очевидным, что мышца утомилась, наносилось раздражение другому центростремительному нерву. На это раздражение мышца отвечала сокращением прежней силы. Отсюда был сделан вывод, что утомление в первую очередь наступает не в мышце, а в центральной нервной системе (нервное волокно практически неутомляемо).
Влияние коры головного мозга было показано в опыте, когда исследуемому, совершающему значительную работу, внушалось, что он выполняет легкую работу; при этом расход энергии уменьшался, хотя интенсивность работы не понижалась.
При совершении же легкой мышечной работы энергетические затраты резко возрастают, если исследуемому внушить, что он выполняет тяжелую физическую работу.
Влияние вегетативной нервной системы, в частности ее симпатического отдела, на утомление было показано советскими учеными Л. А. Орбели и А. Г. Гинецинским.
После того как было вызвано утомление мышцы лягушки, раздражали симпатическую нервную систему и наблюдали восстановление работоспособности мышцы. Раздражение симпатического нерва вызывает изменение обменных процессов, протекающих в мышце, в результате чего наступает восстановление работоспособности.
Таким образом, впервые было доказано влияние вегетативной нервной системы на процессы, которые протекают в скелетной мышце.
Рис 3. Эргограмма
Симпатическая , играющая, как было описано выше, важную роль, сама находится под непосредственным регулирующим влиянием центральной нервной системы. Любая мышечная деятельность возможна только благодаря координации со стороны центральной нервной системы, куда в свою очередь непрерывно поступает целый ряд импульсов от рецепторов разных органов, принимающих участие в работе.
Широко распространено мнение, что наилучшим способом восстановления работоспособности является полный покой. Однако исследования И. М. Сеченова доказали ошибочность такого представления. Он сравнивал восстановление работоспособности утомленной в результате длительной работы правой руки в условиях полного отдыха, а также в условиях, ко гда левая рука производила определенную работу, т. е. во вре мя активного отдыха. Оказалось, что работоспособность восстанавливается быстрее при активном отдыхе, чем при пассивном.
Предполагается, что поток импульсов, который направляется от работающей руки в центральную нервную систему, действует возбуждающе на утомленные или впавшие в торможение участки центральной нервной системы.
Утомлением называется временное понижение работоспособности клетки, органа или целого организма, наступающее в результате работы и исчезающее после отдыха.
Если длительно раздражать ритмическими электрическими стимулами изолированную мышцу, к которой подвешен груз, то амплитуда ее сокращений постепенно убывает, пока не дойдет до нуля. Полученная таким образом кривая называется кривой утомления.
Наряду с изменением амплитуды сокращения при утомлении нарастает латентный период сокращения и увеличиваются пороги раздражения и хронаксия, то есть понижается возбудимость. Эти изменение возникают не сразу после работы, а спустя некоторое время, в течение которого наблюдается увеличение амплитуды одиночных сокращений мышцы. Этот период называется периодом врабатывания. При дальнейшем длительном раздражении развивается утомление мышечных волокон.
Понижение работоспособности изолированной из организма мышцы при ее длительном раздражении обусловлено двумя основными причинами: первой из них является то, что во время сокращений в мышце накапливаются продукты обмена веществ (в частности, молочная, фосфорная кислоты и т. д.), оказывающие угнетающее влияние на работоспособность мышцы. Часть этих продуктов, а также ионы калия диффундируют из волокон наружу в околоклеточное пространство и оказывают угнетающее влияние на способность возбудимой мембраны генерировать потенциалы действия.
Если изолированную мышцу, помещенную в раствор Рингера, довести длительным раздражением до полного утомления, то достаточно только сменить омывающую ее жидкость, чтобы восстановить сокращения мышцы.
Другой причиной развития утомления изолированной мышцы является постепенное истощение в ней энергетический запасов. При длительной работе изолированной мышцы происходит резкое уменьшение запасов гликогена, вследствие чего нарушаются процессы ресинтеза АТФ и креатинфосфата, необходимых для осуществления сокращения.
Утомление нервно-мышечного препарата обусловлено следующими причинами. При длительном раздражении нерва нарушение нервно-мышечной передачи развивается задолго до того, как мышца, а тем более нерв в силу утомления утрачивает способность к проведению возбуждения. Объясняется это тем, что в нервных окончаниях при длительном раздражении уменьшается запас "заготовленного" медиатора. Поэтому порции ацетилхолина, выделяющиеся в синапсах в ответ на каждый импульс, уменьшаются и постсинаптические потенциалы снижаются до подпороговых величин.
Наряду с этим при длительном раздражении нерва происходит постепенное понижение чувствительности постсинаптической мембраны мышечного волокна к ацетилхолину. В результате уменьшается величина потенциалов концевой пластинки. Когда их амплитуда падает ниже некоторого критического уровня, возникновение потенциалов действия в мышечном волокне прекращается. По этим причинам синапсы быстрее утомляются, чем нервные волокна и мышцы.
Следует отметить, что нервные волокна обладают относительной неутомляемостью. Впервые Н.Е. Введенский показал, что нерв в атмосфере воздуха сохраняет способность к проведению возбуждений даже при многочасовом непрерывном раздражении (около 8 часов).
Относительная неутомляемость нерва отчасти зависит от того, что нерв тратит при своем возбуждении сравнительно мало энергии. Благодаря этому процессы ресинтеза в нерве в состоянии покрывать его относительно малые расходы при возбуждении даже в том случае, если это возбуждение длится много часов.
Необходимо отметить, что утомление изолированной скелетной мышцы при ее прямом раздражении является лабораторным феноменом. В естественных условиях утомление двигательного аппарата при длительной работе развивается более сложно и зависит от большего числа факторов.
1. В организме мышца непрерывно снабжается кровью, и, следовательно, получает с ней определенное количество питательных веществ (глюкоза, аминокислоты) и освобождается от продуктов обмена, нарушающих нормальную жизнедеятельность мышечных волокон.
2. В целом организме утомление зависит не только от процессов в мышце, но и от процессов, развивающихся в нервной системе, участвующих в управление двигательной деятельностью.
Так, например, утомление сопровождается дискоординацией движений, возбуждением многих мышц, которые не участвуют в совершении работы.
Занятия спортом, большие физические нагрузки и просто постоянные тренировки с целью поддержания отличной физической формы – все это влияет на состояние мышц. Особенность анатомии мышечной системы – утомляемость после некоторого времени получения нагрузки. Что же такое утомляемость? Как она проявляет себя и как воздействует на процесс тренировок? Все эти сведения обязательно должен знать спортсмен, опытный или начинающий – не важно.
Физиологические особенности мышечной системы: утомление мышц
Утомлением называют специфическое снижение работоспособности, иногда может наблюдаться полная невозможность двигаться или выполнять любую другую физическую работу. Все это является результатом усилений, длительной работы или тренировок, выполняемых достаточно долгое время.
Как проявляется утомление мышц и от чего оно зависит? Главное условие утомления не поступление крови к мышцам, а от волн возбуждения – сокращения, возникающие во время физической деятельности, которыми являются, в том числе и физические нагрузки.
На наступление утомления влияет высота сокращений – чем оно выше, тем быстрее оно проявит себя. В начале работы – физической нагрузки в случае спортивных тренировок, высота сокращений сначала увеличивается, а затем постепенно снижается. Признаками, на которые спортсмен должен в обязательном порядке обратить внимание, утомления являются:
- уменьшение периодических сокращений, производимых мышцами;
- увеличение их временной продолжительности;
- нарастание напряженности.
В первую очередь развитию утомления способствует изменение в обмене веществ, после процессы изменяются и в системе кровообращения. Температура тела постепенно увеличивается, что является основным признаком физической усталости. Важно знать, что чем выше обмен веществ и активнее кровообращение спортсмена, тем позднее наступает слабость и утомление. Во время физических нагрузок – спортивных тренировок, утомление наступает быстрее, если использовать груз – штанги, тренажеры и прочий спортивный инвентарь. Соответственно, если не применять дополнительный спортивный инвентарь – утомление насупит намного позже, но и эффект от тренировки будет ниже.
Медицинские основы утомления мышц
Многочисленные медицинские исследования дали возможность понять природу наступления утомления. Чаще всего помогает в этом обычный электрический ток – раздражение мышц наступает после воздействия направленным небольшим разрядом, как только прекратить подобное воздействие – утомление прекращается.
Быстрое восстановление можно объяснить также очень просто – дело в том, что в клетках быстро происходят различные химические реакции, в том числе, изменение химического состава белка. Энергию выделяет и гликоген, распад которого и позволяет наделять мышцы силой, как только энергия заканчивается, наступает усталость, а затем и утомление.
Важно знать для хорошей тренировки
Каждому спортсмену, который выбрал физические тренировки основой для поддержания хорошей формы, важно знать, что запасы гликогена, имеющегося в организме не безграничны – составляют всего лишь около 350 г. Такого запаса хватит, при условии интенсивной нагрузки, хватит на 2 часа, после этого в крови будет отмечено снижение сахара. Все это приведет к снижению работоспособности, а затем и к полной невозможности выполнять работу дальше.
Раньше существовала теория, что в процессе распада гликогена выделяется своеобразное вещество – кинотоксин, который и влияет на утомляемость, однако все проведенные исследования и медицинские наблюдения за спортсменами позволило полностью опровергнуть ее.
Однако доказательства утомления мышц из-за отравления продуктами обмена веществ имеются. Основные элементы, определяющие усталость – фосфорная и молочная кислоты. Процесс усталости начинает проявлять себя в момент их образования. Существует теория засорения организма, согласно которой, остаточные продукты, которые образуются в результате химических процессов в результате обмена веществ, способствуют скорейшему наступлению утомляемости мышц, следовательно, и снижению производительности всего организма.
Накопление фосфорной и молочной кислот постепенно, но в значительной степени к концу тренировок уменьшает работоспособность мышцы. Исходя из этого для хорошей и продуктивной работы мышц, качественной работы и видимых результатов, важно поддерживать необходимый уровень гликогена в крови, а также употреблять большое количество пищи, содержащий белок.
Особенности мышечной структуры (работа и сила мышц)
Как выяснила медицина, мышечное волокно, находящееся в изолированном состоянии, утомляется быстрее, нежели целая мышца, задействованная в работе, даже если нагрузка будет в каждом случае одинаковой. Такое поведение мышечной структуры объяснить достаточно просто: конечные продукты, образующиеся в результате обмена веществ, быстрее удаляются из волокон мышечной ткани.
Важно помнить также, что в тренированной мышце утомляемость наступает позднее, так как синтез веществ происходит в ней быстрее, в нетренированной же все происходит с точностью до наоборот. Особенность – если промыть кровеносные сосуды и удалить из них продукты распада, возникающие в процессе интенсивного обмена веществ, то изолированные мышцы вновь готовы к работе и большим нагрузкам, а спортсмен перестает чувствовать утомление. Это происходит несмотря на то, что не полностью восстановился запас углеводов и кислорода, который также присутствует в тканях и обеспечивает полноценный рабочий процесс.
Полученные данные в результате исследований и наблюдений доказывают, что остаточные продукты, которые неизбежно возникают, как результат распада веществ - одна из основных причин ее утомления при выполнении силовых упражнений.
Существует научно – медицинская теория, именуемая удушением, согласно которой, утомление тканей в том числе и мышечной, наступает в том момент, когда заканчивается кислород. Между тем, известно немало случаев того, когда спортсмен мог выполнять серию упражнений, когда уровень кислорода в клетках и тканях был минимальным. Когда потребление кислорода вновь достигает высоких значений, оно все же не обеспечивает потребность организма в в полном объеме и именно поэтому работа в интенсивном режиме может продолжаться не больше получаса.
Учитывая все эти параметры и особенности работы мышечной системы, спортсмен должен соблюдать следующие правила:
- употреблять много белковой пищи;
- совершать ежедневные прогулки для того чтобы организм смог насытиться кислородом;
- следить за уровнем гликогена;
- не забывать о водном балансе, так как жидкость регулирует правильный обмен веществ.
Таким образом, мышечная утомляемость – процесс сложный, требующий постоянного наблюдения за собственными ощущениями. Не следует заниматься более 30 минут без перерыва, тогда тренировка будет действительно полезной и продуктивной для спортсмена.