四、骨骼肌的生物力学特性

人体中600多块肌肉，每块肌肉有着不同的形态结构，决定了每块肌肉有着不同的力学特性，实施不同的力学机能。人体在运动的过程当中，肌肉在实施着收缩过程的同时，也完成了牵拉的功能；即便在环节因受重力或外界负荷力引发的环节运动过程中，肌肉也起到了实施力量传递、牵拉和能量吸收的功能。这表明，肌肉收缩和抗牵拉是同一功能中不可分割的两个方面，任何一个功能缺陷均可导致骨骼肌损伤的发生。人体生物运动链的有序运动不仅需要肌肉收缩提供动力，还需要运动链结构中功能不同的更多肌群相互配合与协调，并在运动链中有序完成。

（一）骨骼肌运动生物力学基础

骨骼肌通过收缩为人体提供动力，其发力不仅受到结构、神经和生理因素的影响，也会受到肌肉收缩形式、身体姿势、收缩速度等因素的制约。

1．骨骼肌的力学模型

人体骨骼肌的的力学特性十分复杂，它与构成骨骼肌的各组成成分的力学特性，骨骼肌在发力时的兴奋状态和疲劳程度均有关系。要想通过运动生物力学原理研究骨骼肌力学问题，需要通过模型模拟人体结构和机能特性。肌肉力学模型在已有肌肉力学性质研究基础之上结合肌肉的结构特性对肌肉进行抽象的结构。当前力学研究过程中，广泛被人们接受的是肌肉三元素模型。

收缩元：肌节中肌动蛋白微丝和肌球蛋白微丝，兴奋时可产生主动张力。

并联弹性元：肌束膜和肌内膜等结缔组织，被牵拉时可产生弹力，是被动张力。

串联弹性元：肌微丝、横桥润盘和两端的肌腱结构，收缩元兴奋后使肌肉具有弹性。

整块肌肉可以认为是由很多这样的模型混联在一起构成的，模型的串联构成了肌肉的长度，模型的并联形成肌肉的纵断面。可以认为，整块肌肉的力学特性是由模型组成的系统来决定的，其混联关系可以理解为：肌肉长度的增加对其收缩速度具有正面的影响，但不会影响肌肉的收缩力量；而肌肉的横断面增加则会增加肌肉的收缩力量，但不会影响肌肉的收缩速度。

2．骨骼肌的力学特性

骨骼肌长度与骨骼肌收缩力量的关系指肌肉收缩前的初始长度对肌肉收缩时产生张力的影响。根据肌肉结构的三元结构力学模型，整体肌肉收缩的张力由收缩元产生的主动张力和并联弹性元、串联弹性元产生的被动张力相加形成的。

2.1 骨骼肌的张力-长度特性

依据肌肉力学模型的性质，肌肉张力-长度特性是肌肉三元素力-长度特性的综合表现。

2.1.1 骨骼肌主动张力-长度特性

通过将离体肌肉固定在若干个长度上，施加同样的强度电刺激后检测张力。结果发现，收缩元表现出的张力随长度而变化，表现出最大张力的长度可称为静息长度（又称最适初长度），约为平衡长度的1.25倍。微观上看，静息长度时粗、细肌丝之间的横桥联系数目最多，因而整体上产生了最大的张力。

在大于肌肉的静息长度时，随着肌肉长度的增加，肌原纤维被拉开，横桥联系数目减少，肌肉张力跟着下降。达到极限时，横桥再无联系，张力下降为零。同理，肌肉短于静息长度时，横桥重叠使其联系数目减少，也可导致张力下降。（图2.3）

2.1.2 骨骼肌被动张力-长度特性

肌肉的平衡长度是指肌肉被动张力为零时肌肉所能达到的最大长度。当肌肉受到拉伸时，可产生被动张力。由于结缔组织类似粘弹性体，因此其被动张力与长度变化为非线性关系。

2.1.3 骨骼肌总体张力-长度特性

在体肌肉活动时其主动张力和被动张力是同时存在的，应为主动张力和被动张力之和，可称为肌肉的总张力。

肌肉力量训练从结构成分的角度上来分析，应包括主动收缩成分的训练与被动成分的训练。这两种成分的功能性发展影响着肌肉的总体功能性提高。目前的力量训练过程中，人们更多关注肌肉主动收缩功能的训练，而对被动抗牵拉能力的功能训练认识不足，导致肌肉大强度运动训练中出现拉伤的风险性较大。

2.2 骨骼肌张力-速度特性

2.2.1 骨骼肌向心收缩力-速度特性：

目前对该特性的研究主要依据希尔方程

（a+T）（V+b）=b（T0+a）

依据希尔方程，对肌肉收缩的力量-速度关系建立坐标系，对指导肌肉力量训练负荷安排有着重要的理论意义。

肌肉收缩速度为零时，体现了肌肉的绝对力量值。速度较小时，肌肉收缩力量较大，体现了肌肉收缩在克服较大负荷时所表现速度的能力。速度较大时，肌肉的收缩力量较小，体现了肌肉收缩保持较大收缩速度下发挥力量的能力。大强度的负荷训练安排，主要体现为力量的提高；小强度负荷的快速运动训练，主要为速度力量的优化。当肌肉的力量与速度都产生适应性提高，则表现出肌肉做功能力的提高。（图2.4）

2.2.2 骨骼肌离心收缩力-速度特性

肌肉离心收缩中，肌肉张力随着被拉伸速度的增加而增加，当达到一个临界速度，力量就变成为一个不随速度变化的常力，其大小约等于最适肌肉长度的最大等长收缩力的1.5～2.0倍。（图2.5）另外，肌肉的粘滞性受拉伸速度的影响，拉伸速度越高粘滞性越大。

缓冲类动作中的肌肉离心，是在部分纤维反射性激活状态下有控制的肌肉拉伸，是肌肉的主动退让；肌肉整体结构承载，能力的吸收主要依靠肌肉的粘弹性能。肌肉强直状态下的拉伸在运动过程中少见，表现为肌肉的僵硬，运动过程中是导致肌肉的损伤发生的原因之一。

2.3 骨骼肌张力梯度特性

肌肉的发力需要一定的时间，在许多运动中往往要求运动员在极短时间内发挥出最大力量以表现出运动能力，称为肌力变化梯度。

A、B两名运动员：运动员A的最大力值大，但力的梯度小；运动员B相反，力的梯度大，但最大力值小。如果运动持续时间长，两名运动员都有时间达到自己的最大力值，则力值大的运动员A占优势；若运动进行时间的短，则力梯度大的运动员B占优势。

一般肌肉达到最大力量所需的时间为300～400ms。但一些运动项目优秀运动员力的发挥时间要比此时间短的多，如优秀短跑运动员蹬地持续时间少于100ms，跳远运动员蹬地时间少于180ms，跳高运动员蹬地时间少于250ms等。在这种情况下，运动员往往来不及发挥出最大力量，因此运动员用力的效果很大程度上依赖于力的梯度。

2.4 骨骼肌收缩功率

人体运动能力的大小，运动成绩的高低，主要取决于人体运动过程中完成动作的肌肉功率的大小，也就是说取决于肌肉的化学能转化为机械能的速度与效率。

从事不同专项的运动员，因其先天因素以及项目训练的适应性不同，在肌肉功率方面也表现出明显的专项特征。如对短跑、中长跑和长跑运动员伸膝功率进行比较显示，以短跑运动员最大功率为100%，则中距离选手为80%，而长距离选手为70%。短跑选手与跳高选手比较，虽最大功率相近，但最大瞬时肌力和速度有差异，短跑运动员以发挥速度占优势，而跳高运动员则以发挥力量占优势。

2.5 人体运动中骨骼肌的力学特性

2.5.1 人体运动中骨骼肌纤维预激活

骨骼肌收缩在生理条件下是神经冲动刺激下，骨骼肌纤维“兴奋-收缩”偶联，骨骼肌纤维缩短进而输出力量的过程。研究这一过程发现，收缩成分的偶联与肌力输出存在着时间上的不同步，也就是说，骨骼肌纤维兴奋后能够快速的达到激活状态高峰，不过肌肉整体张力的发展过程要慢的多。通过三元结构力学模型分析，肌肉进入激活状态后，收缩元兴奋产生的张力，首先会被其串联的弹性成分形变所吸收；其后，随着形变的积累，当串联弹性元形变和张力进一步发展，肌肉整体张力累积至一定程度，收缩元的主动张力才从整体表现出来，即直接对肌肉起止点施加力量，结果肌肉整体收缩力量输出。

骨骼肌进行预激活，对人体快速动员肌肉力量，启动爆发性力量具有重要意义。处于激活状态的肌肉，有一定的预张力，即在弹性成分中累积一定的能量储备，可以促使收缩元的主动张力更加快速的从整体表现出来，直接牵拉肌肉起止点。研究证实，进行科学训练的跳远运动员在起跳前15～25ms时，起跳动作所用到的原动肌已经出现肌电活动，这表明人体运动中骨骼肌纤维预激活对提高运动成绩具有积极作用。

2.5.2 骨骼肌松弛与非代谢能量再利用

骨骼肌的起止点附着于骨，随着时间的拉长，肌肉的张力会逐渐变小而松弛，这是由肌肉的粘弹特性所决定。人体运动过程中，被拉长的肌肉出现松弛时，肌肉的弹性下降从而造成肌肉收缩力的降低。如纵跳练习时，下蹲之后有/无停顿，运动员在两种情况下的起跳力量、弹跳高度有较大的差异。原因主要是停顿时间大于肌肉松弛出现的时间，肌肉所产生的弹性势能就会完全耗散掉，后继动作就只能单纯依靠肌肉收缩力来完成。肌肉非代谢能的再利用能力的提高，需要进行针对性训练，如肌肉超等长训练来完成。

2.5.3 骨骼肌粘滞性

肌肉收缩舒张过程中表现出粘性特征，同时也是肌肉收缩或被拉长时肌纤维之间、肌肉之间发生摩擦所致。它使肌肉在收缩或被拉长时会产生阻力而额外消耗一定的能量。其大小主要和温度有关，温度低时粘滞性大，反之则小。因此在进行训练与比赛前，必须先做好充分的准备活动，以增加体温，从而减小肌肉的粘滞性，提高肌肉收缩和放松的速度，并可避免肌肉拉伤，尤其在深秋及冬季时节更时如此。

2.5.4 负荷对骨骼肌收缩力学特性的影响

肌肉收缩时总会遇到一定的阻力，当负荷增大时对肌肉收缩的影响包括：

动作潜伏期延长：肌肉张力的发展是需要有一个过程的，只有当肌肉张力发展到大于其起止点的阻力时，肌肉才开始使载荷产生移位。因此，肌肉张力发展过程的长短与载荷的大小有关，二者呈正比关系。

收缩幅度减小：牵拉小负荷运动比较容易且动作幅度也会大。反之，当负荷增加时运动幅度会变小，直到负荷大到一定程度，而致肌肉不能完成该动作则肌肉无法缩短。

收缩速度下降：在零负荷条件下，肌肉牵拉引起环节运动的速度可达最大，随着负荷的增加，完成速度也会跟着下降，负荷大到一定程度，肌肉无法完成动作，收缩速度下降为零。

（二）骨骼肌损伤的运动生物力学

运动损伤是指体育运动中所发生的各种身体组织损害，其中，骨骼肌是常见的运动损伤，除肌肉挫伤外，体育运动中的肌肉损伤主要表现为肌肉的微细损伤、肌肉急性拉伤，以及由急性损伤转化或长期过用导致的肌肉慢性损伤。从生物力学分析肌肉的损伤一般分两种情况，一个是过载，一个是肌肉过度使用，其具体诱因是一个多因素影响的复杂过程。

1．肌肉急性拉伤

1.1 骨骼肌损伤的结构——功能缺陷

让健美运动员从事如推铅球、百米、投掷标枪等力量相关项目是否合适呢？答案当然是否定的，原因主要是这类项目容易导致肌肉拉伤。其主要原因由于健美训练中肌肉的收缩成分与连接成分在结构与功能上的不适应。

健美运动员虽然也积极主动收缩肌肉，但其所受外力负荷较小，当承受较大的负荷并进行大强度剧烈运动时，肌肉结构成分承受牵拉能力不足形成了肌肉结构——功能缺陷。

1.2 骨骼肌神经控制与协调性

协调性表现为肌肉内部纤维动员、肌群之间的协同以及精确的神经控制，肌肉的伸展性与弹性是协调性的重要方面。疲劳导致的肌肉僵硬、肌肉协调控制功能紊乱是协调性下降的主要诱因。

1.3 骨骼肌离心工作过度

一般观点认为，运动中肌肉拉伤易发生于肌肉力量收缩期。判断依据为：①离心收缩运动中肌肉被动拉长，肌肉内积聚大量的弹性能量，该能量的再利用导致肌肉收缩力量加大超出肌肉承载能力；②在相同的运动强度下，离心收缩的能力耗氧量（与参与收缩的肌纤维数量有关）低于向心收缩，且随着运动强度的上升，离心运动耗氧量增加的速率也低于向心收缩，这导致同等强度下肌肉离心收缩激活肌纤维所受承载大于向心收缩，从而使其拉伤的可能性加大。

1.4 对抗肌群与原动肌群间肌肉力量不平衡

有研究表明，对抗肌与原动肌之间肌肉力量不平衡是导致肌肉拉伤的原因之一。比如，临床医学研究发现，短跑运动员腘绳肌拉伤是由于腘绳肌和大腿肌前群肌肉力量的不平衡造成的，该不均衡易导致腘绳肌拉伤。为有效预防肌肉拉伤，可对对抗肌进行有针对性的肌力训练和柔韧性练习。

2．肌肉的慢性损伤

从力学角度看，肌肉的慢性损伤一种可能是由于多次重复性肌肉损伤转化而来，比如运动员肌肉拉伤后带伤进行训练，导致肌肉新旧损伤的累积转变为慢性病变，也就是急性肌肉损伤积累所致。另一种可能是长期固定姿势形成过度使用导致疲劳，进而发生慢性病变。比如长期伏案工作人员颈背部肌肉劳损、搬运工人腰部肌肉劳损，这些都属于过用性慢性损伤。