人体四肢肌肉配布的生物力学特征.doc

人体四肢肌肉配布的生物力学特征.doc 人体四肢肌肉配布的生物力学特征 人体的运功行为依赖于骨骼肌的活动。其中，四肢肌最为关键。溯其源由，人体运动形式的千变万化与运动状态的瞬息更易多以四肢肌工作为主导。故此，由四肢肌的形态、位置、起止、结构、种类诸方面生物力学特征所现出来的综合功能效应与运动行为有着密切的关系。但感到欠缺的是，在运动解剖学和运动生物力学领域内，这方面的理论颇为贫乏，致使我们在研究人体运动行为构成与完善的生物力学时缺少科学的理论基础。鉴于此点，我们打破“人体解剖学”、“运动生理学”和“力学”等学科的界限，以系统论观点为指导思想，在宏观层次上探讨四肢肌上述各方面配布的生物力学特征，并力图阐释这些特征与其综合功能效应之间的相互规律，为动作技术提供理论依据。 研究 1、参阅多本人体解剖学专著，依记载按肌纤维排列形式将四肢肌及部分躯干肌进行分类。 2、各专著中对个别肌肉分类的记载不统一者或无记载者，作者观察肌肉标本重新确定。 3、在四例男性附骨肌肉标本上测量部分扇形肌肉起、止部的最大对应边长度，并算出二者比例指数以反映肌纤维辐射或集中程度。 4、同上法测量部分扇形肌肉起始部对应终止部的辐射角度，以描述前者对后者的多向控制能力。 结果与分析 (一)四肢近侧端肌肉的配布特征 四肢近侧端肌肉在此是指于肱骨和股骨近侧端的肌肉，由研究得知，位于这些部位的主要作用肌其显著特征是:肌肉形态扁阔，多呈扇形或三角形，其起始部宽广，终止部集中，且整块肌肉可以分为若干部段。 显然，四肢近侧端肌肉的这些特征，是与人体运动时躯干与四肢的相互作用关系所密切相关的。它们既要适应所处位置的功能需要，又要服从于毗邻结构的约束。我们从以下两方面进行讨论。 1、近侧支撑时，肌力可以集中施于动点，且具有向多控制性。 由于四肢近侧端肌肉多呈扇形或三角形，起始面积大于终止面积，所以，在近侧支撑状态下这些肌肉由收缩产生的肌力可以集中地施于动点(肱骨或股骨近侧端的肌肉止点)。如上肢处的胸大肌、背阔肌、三角肌、肩胛下肌和下肢处的臀大肌、臀中肌、臀小肌、髂腰肌等，它们的起始部都比较宽广，而终止部很小。设肌肉起始边缘长与对应终止边缘长之比为辐射指数，则此指数越大其肌力集中程度较高。从运动特征来看，上述肌肉的止点离肩关节或髂关节很近，当上 肢或下肢绕冠状轴或矢状轴转动时，这些肌肉处于“费力杠杆”的工作形式之中。宽广的起始面可以发起更多的肌纤维，此即意味着肌力较强，而强有力的肌力集中地施于动点，这就能满足上肢和下肢在此类费力杠杆运动中的需要。 不仅如此，扇形肌肉广阔的起始面以及肌肉分部段的特点还可以使动点受到肌肉所置面的多方向的肌力牵拉，即动点受到多向控制。当上述肌肉做动力性工作时，由于肩关节和髋关节都是多轴关节，其运动的可能性空间很大。所以，多方向地控制动点，可使其运动的速度、幅度和方向更加精确;而肌肉做静力性工作时，多向控制功能又可以从多角度固定游离肢的位置，以增强其稳定性。 2、远侧支撑时，躯干整体性运动加强，且具有保护性 与上述情况相反，当处于远侧支撑时，四肢近侧端肌肉牵拉躯干向位于上肢或下肢的定点移动。肌力由定点发出，施于肌肉广阔的起始面上，从而力量分散。这种“分散”现象对躯干及肩带和盆带具有保护作用。因为这些部分的骨为扁骨或不规则骨，其抗拉强度差于四肢的长骨，如股骨的抗 77张强度为12.1×10N/?，而椎骨则为0.12×10N/?。故此，若肌力集中作用一较小面积，则易引起躯干骨或肢带骨肌附着点撕脱或骨折亦或内部器官损伤。另一方面，躯干向四肢运动，既要形成躯干的整体运动，又要维持内脏器官的稳定性。因此，肌力分散牵拉广大区域，可引起更多的肌肉来固 定或加固所牵拉的部位。加上原动肌(指上下肢近侧端牵拉躯干的扇形肌)宽阔的覆盖面积，就促成了躯干的整体性运动并保证了内脏器官的稳定性。如在“引体向上”动作中，躯干相对于上肢向上运动，其主要作用肌——胸大肌和背阔肌牵拉躯干广大区域，致使脊柱伸肌群和屈肌群紧张以固定躯干，即达到上述两个目的。 (二)上臂和大腿处肌肉的配布特征 上臂和大腿处肌肉配布的典型特征是:屈侧以梭形肌为主，伸侧以羽状肌为主。 上臂屈侧有喙肱肌，肱二头肌和肱肌，它们都是梭形肌(也有记载肱肌为羽状肌):大腿屈侧有股二头肌、半腱肌和半膜肌，三者也是梭形肌(有记载后二者为半羽肌，但即使如此，力量最强、作用最大的股二头肌为梭形肌也可以说明问题)。这种分布使我们联想到梭形肌的结构特征，该类肌肉的肌纤维沿肌肉纵轴平行排列、肌纤维较长，具有很大的收缩量和收缩速度，只是肌力较小。上臂与大腿屈侧以梭形肌为主，可使屈曲动作幅度较大，其运动速度也快。这符合人的“屈肌反射”功能，快速的环节屈曲运动与大幅度的躲避行为可以对人体有很大的保护作用。从另一个角度来看，体育运动中肩、肘关节和膝关节的屈运动并非是那种克服最大负荷的极限运动，如跑、跳项目中的蹬伸动作和投掷、举重的推伸动作这一类“功能性动作”都不是屈动作。相反， 这三个关节的屈运动在“功能性动作”之前的“准备性动作”中出现，而“准备性动作”比“功能性动作”花费的肌力要小得多。故此，上臂与大腿处屈侧以梭形肌为主是与其所跨关节的运动特点相适应的。 与此相左，上臂和大腿伸侧以羽状肌为主。上臂伸侧的主要作用股肱三头肌是羽状肌，它可使肩关节、肘关节伸;大腿伸侧除缝匠肌外的股四头肌四块均为羽状肌，其功能使膝关节伸，只有股直肌兼使髋关节屈。 前文提及，肩、肘、膝三关节伸动作常比屈动作所需发挥的力量要大。梭形肌发挥的肌力次于羽状肌(两类体积相同的肌肉已是如此，况且伸侧肌肉的体积要远大于屈侧肌肉)，故上臂和大腿伸侧配布羽状肌可以胜任费力型的伸动作。如跑、跳运动中的蹬伸和投掷、举重项目中的推伸这一类大负荷运动。不利方面，羽状肌的肌纤维较短且与肌长轴呈斜向排列，其收缩幅度小于梭形肌，故伸动作的“功能性幅度”较小。但在体育实践中看，肩、肘、膝三关节在发挥很大肌力的活动中，其功能性幅度都不是很大而是小于各关节的全伸幅度。换句话说，即大负荷的伸动作几乎没有从全屈位开始的。如膝关节的全屈幅度可达130度，而跑、跳运动中关节伸的功能性幅度(由缓冲结束的屈位到关节蹬伸到最大伸位)只在50度——60度左右。正如所述:“人体全部肌肉中足有四分之三部分是处于这样的位置，即需要比梭形肌发挥更大的力量，同时梭形肌的收缩幅度太大也是没有用的，于是梭形肌便为羽状肌所替代。”这样，羽状肌收缩幅度小的缺点就被其发挥力量大的优点所掩盖。 (三)前臂和小腿处肌肉的配布特征 人体前臂和小腿肌肉在形态方面具有很大的相同性，但在结构和功能方面又有很大的差异。 1、前臂肌肉以梭形肌具多，小腿肌肉以羽状肌为主。这种明显的结构差异取决于前臂与手和小腿与足的功能不 同。手的动作灵巧多变，动作幅度较大，速度快，所需力量小。所以，以73.7%的比例分布梭形肌使人的手具有特殊的灵活性。小腿与足则不同，它们无需要做象手那样的灵活性动作，而主要担负支撑动作和大量的大负荷的蹬伸运动。故此，配布了84.6%的羽状类肌肉具有更大的合理性。 2、前臂和小腿肌肉在形状方面的共同特征是，绝大多数肌肉为细长形，体积小，肌腹短而肌腱长。这种特征可使四肢远端的运动产生极大的速度。从运动角度来看，前臂及手和小腿及足的运动速度取决于施于该部的肌力F、肌肉收缩量L和该部的质量m。由动能定理得知，上述环节的运动 2速度V=2FL/m(肌力F在运动中为变量，为了方便讨论，暂将其视为定值)。很明显，环节质量m越小，则运动速度越大。因此前臂和小腿处肌肉细长、体积小可以减小该部的质量，以便发挥更大的运动速度。优秀的跑步运动员小腿细长以及球类运动员前臂细长的形态特征足可以证明这一点。 3、前臂和小腿处肌肉的肌腹短而肌腱长，便于改变其牵拉方向，减少因挤压或摩擦所引起的肌肉损伤。前臂和小腿处的肌肉多止于手和足部，而手和足处的骨数量多，结构复杂，肌肉从起始到终止处迂曲环绕，手挤压或摩擦的机会多。作为细长坚韧的肌腱对此则有较大的适应性。肌腱可以穿行在体积不大的腱鞘中或肌腱密集排列的狭缝中随意华东而得以保护，且这种结构极有利于手和足的形态及灵活性。另者，由于腱鞘装置和手与足处骨的“滑车作用”，肌腱可以在曲折的行程中随意改变牵拉法相。这既适应于手足部机构的约束，又能使其运动灵活多变，同时也可类似韧带产生加固手、足关节的功能。毋庸置疑，肌腱抗压耐摩，其滑动的灵活性和坚固性比肌性纤维要好。“故凡是肌肉经过关节的地方，或易受摩擦的地方，和许多肌肉止点的部分，均被肌腱代替。”如小腿的腓骨长肌在跨踝关节之前已续为长腱并由外踝绕越足底止于第一跖骨近侧端附近，胫骨前肌也在跨踝关节之前续为长腱由内踝蜿蜒伸至第一跖骨底附近。二者多次改变了肌拉力方向(这种改变可以增加肌拉力的力臂，以增强牵拉效果)，共同构成了最易受挤压和摩擦的“肌襟”，以维持足弓并保证足部的整体运动。若此部分 是肌性纤维则根本不能胜任。 结论 人体四肢肌肉的配布于四肢的功能有着极为密切的关系。肌肉在形态、结构、起止点和位置等方面具有明显的规律性的生物力学特征。 1、在四肢近侧端，主要作用肌形态为扇形或三角形，几乎都有分部段现象。其起始部面积远大于终止部。当近侧支撑时，这些肌肉的肌力可集中施于动点，且具有多向控制性;而远侧支撑时，力肌分散施于动点(起点)，这对躯干具有保护作用，且能促成躯干的整体性运动。 2、在上臂和大腿处，屈侧肌肉以梭形肌为主。此规律符合人的“屈肌反射”功能。又由于体育运动中肩、肘、髋、膝四关节的屈运动不属于大负荷的极限运动，通常以快速、大幅度的屈曲动作为多，故配布梭形肌与其功能相统一;而伸侧肌则相反，以羽状肌类具多，这完全适应上述四关节常做的幅度较小、负荷较大的极限运动的功能需要。 3、在前臂和小腿处，其肌肉的共同特征是，肌肉多细长，肌腹短、肌腱长。其作用为，可以减小四肢末端的质量，以利发挥该部的运动速度;同时，较长的肌腱可以在手与足部的多骨区域中活动时，减小因摩擦或挤压而带来的损伤。另一方面，又可以随意改变肌拉力方向。在肌肉分类方面，前臂肌以梭形肌为主，占总肌数73.7%，小腿肌以羽状肌类为主，占总肌数84.6%，它们分别与手的灵巧性特征和足的笨力型特征相统一。