Мышцы в действии

Одна из функций мышц – их сокращение. Когда мышца закончила сокращаться, ей не остается ничего иного, как расслабиться. Она не может нейтрализовать или отменить предыдущее действие. К примеру, если вы сжимаете бицепс, ваша рука сгибается в локте. Если вы придадите своей руке такое положение, что предплечье будет располагаться сверху и опираться на плечо в результате сокращения бицепса, а затем расслабите бицепс, предплечье по-прежнему будет находиться в том же положении. Если определенным образом передвинуть плечо, сила гравитации станет тянуть предплечье вниз, и тогда ваша рука, вытянувшись, свободно повиснет. Но как вы сможете вытянуть руку вопреки силе гравитации, если расслабленные бицепсы этого не делают?

Ответом на этот вопрос является наличие второй мышцы, сокращение которой служит для того, чтобы вызвать движение, противоположное движению бицепса. Напротив бицепса находится вторая мышца, по-латыни называемая triceps brachii (то есть трехглавая мышца плеча). Она названа так, потому что имеет три места прикрепления мышцы, два на плечевой кости и одно на лопатке. Фиксированное место прикрепления ее находится на локтевой кости, на стороне, противоположной той, где находится место прикрепления бицепса.

Когда трицепс сокращается, предплечье, если оно согнуто под действием сжатия бицепса, распрямляется. Действительно, сгибание руки – это результат действия не какой-то одной мышцы по ее собственному усмотрению, а хорошо скоординированное действие обеих мышц. Сила одной мышцы может распределяться очень медленно и постепенно при наличии другой мышцы, которая почти нейтрализует ее силу, по не полностью. (Это похоже на опускание рояля с помощью веревки, перекинутой через систему блоков. Действие одной силы гравитации было бы катастрофическим, но, поскольку большая часть гравитационного притяжения нейтрализуется посредством противовеса, управляемого человеком или группой людей, рояль опускается плавно.)

Вы можете сильно сжать бицепс, вообще не шевеля рукой, если трицепс равнозначно отвечает на напряжение. Держите предплечье под прямым углом к плечу и напрягите бицепс, не двигая рукой. Вы почувствуете, что трицепс на другой стороне плечевой кости тоже напрягается.

Мышцы всегда действуют по меньшей мере парами, а обычно даже в более сложных скоординированных группах, так что одна мышца или группа мышц уравновешивают другую. Если есть ряд сухожилий, которые сгибают пальцы, соответствующее количество таких же сухожилий на другой стороне пальцев могут распрямлять их.

Иногда мы можем полагаться на силу притяжения, чтобы отменять работу мышцы. Одна из функций большой икроножной мышцы задней части голени состоит в том, чтобы поднимать нас на цыпочки. Никакой равной по величине мышцы на другой стороне большеберцовой кости не требуется, чтобы опустить нас с положения «на цыпочках». Этой цели служит сила притяжения. Именно по этой причине фронтальная часть ноги, можно сказать, не имеет мышц, и мы можем чувствовать большеберцовую кость сразу под кожей от начала и до конца.

Кости и прикрепленные к ним мышцы составляют систему рычагов. Простейшая форма рычага – это детские качели в виде доски с точкой опоры в центре рычага, имеющие с двух концов два приблизительно равных веса (обычно в виде маленьких мальчиков или девочек). Единственная цель состоит в том, чтобы изменить направленность силы так, что, когда один ребенок опускается, другой взлетает вверх, и суть такой забавы достигается именно таким образом.

Обычно же точка опоры располагается ближе к одному концу рычага, который таким образом разделяется на короткий отрезок и длинный. Относительно небольшое давление на конце длинного отрезка поднимет вверх относительно большой вес на конце короткого отрезка. Действительно, равновесие достигается тогда, когда результат силового воздействия и длина отрезка рычага равны на том и другом конце. Если, например, длинный отрезок в десять раз превышает короткий, тогда, приложив силу в один фунт на длинном отрезке, можно поднять вес в 10 фунтов на коротком отрезке рычага.

Кажется, что поднять 10 фунтов очень легко, но конечно же все имеет цену. И эта цена проявляется в расстоянии, к которому должна прилагаться сила. Если сила в 1 фунт приложена к отрезку рычага длиной 10 дюймов, 10-фунтовый вес поднимется только на 1 дюйм. Сколько мы выигрываем в силе, столько проигрываем в расстоянии и общей работе, которая представляет собой силу, умноженную на расстояние.

Рычаг тогда не увеличивает работу, а просто обменивает расстояние на силу. Когда необходимо поднять тяжелый вес усилием, неадекватным этой задаче, если прилагать его непосредственно к поднимаемому предмету, рычаг, описанный ранее, как раз то, что надо.

Существует также возможность, что точка опоры располагается на одном конце рычага, а сила и поднимаемый вес скорее на той же стороне, а не на противоположной. Если вес ближе к точке опоры, чем сила, ситуация не меняется. Сила меньше веса, но должна пройти большее расстояние.

Предположим, вы захотели встать на цыпочки. Икроножная мышца сокращается и приподнимает пятки вверх. Подъем свода стопы выступает в качестве точки опоры, а вес тела концентрируется где-то посредине между подъемом и пяткой. Если вес тела составляет 150 фунтов, икроножной мышце требуется надавить с силой всего лишь 75 фунтов. Наверняка ей придется приподнять пятку на 3 дюйма, чтобы приподнять тело на 1,5 дюйма, но это, по-видимому, стоит того, чтобы сэкономить 75 фунтов усилия.

И все-таки не всегда желательно увеличивать расстояние, чтобы выиграть в силе. Легко представить обратный рычаг, который намеренно увеличивает силу. У такого рычага вес будет располагаться на конце длинного отрезка, а сила прилагаться на конце короткого отрезка. Если длинный отрезок будет в десять раз превышать короткий, нам придется надавить вниз с силой 10 фунтов, чтобы поднять вес 1 фунт.

Устройство может показаться нелепым, но мы кое-что выигрываем. Однофунтовый вес на длинном отрезке рычага поднимает вверх 10 дюймов на каждый дюйм силы, с которой мы давим на короткий отрезок рычага. Допустим, мы привязали к концу короткого отрезка рычага какой-то тяжелый предмет, который весит достаточно много, чтобы уравновесить небольшой вес на конце короткого отрезка. Теперь мы добавляем собственный вес к короткому отрезку рычага, так что предмет на конце длинного отрезка поднимается, описывая широкую дугу с большей скоростью, чем если бы мы могли двигать его с помощью непосредственного воздействия силы. Мы расходуем силу, чтобы выиграть в расстоянии, и получаем катапульту. То же самое верно и для такого положения, когда вес и сила находятся по одну сторону точки опоры, причем вес находится дальше от точки опоры, чем сила.

Давайте снова вернемся к бицепсу. Сокращаясь, он тянет предплечье вверх. Кости предплечья образуют рычаг с точкой опоры в локте. Бицепс прикрепляется к лучевой кости на расстоянии, которое составляет приблизительно одну четверть от всего расстояния от локтя до ладони, поэтому сила, поднимающая руку, прилагается, видимо, в 3 дюймах от локтя (точки опоры). Вес, который должен быть поднят, однако, сосредоточен в ладони на расстоянии около 12 дюймов от точки опоры. На каждый фунт сосредоточенного в вашей ладони веса, который вы должны поднять, бицепс должен израсходовать силу 4 фунта. Однако ему необходимо всего лишь сократиться на 1 дюйм, чтобы поднять вес на 4 дюйма, и, умножая силу, он придает руке катапультирующее действие, которое дает возможность развить значительную скорость движения.

Именно с помощью таких катапультирующих действий подающий в бейсболе может совершать быструю подачу мяча, а лошади способны переставлять ноги достаточно быстро, чтобы пуститься вскачь.

Величина силы, которую может приложить мышца, совершенно удивительная. Когда вы поднимаетесь с корточек, мышцы, распрямляющие коленный сустав, должны приложить силу около 10 фунтов на каждый фунт поднимаемого веса. Любой человек, который в состоянии поднять 200-фунтовый вес на спину (а это не слишком трудно крупному мужчине в хорошей физической форме), прилагает силу 2000 фунтов, когда распрямляет ноги, по полтонны на каждую ногу.