Лекция 9*, 10.*
Вопрос 11. Мышечная работа
1. Мышечная
работа – это целенаправленная деятельность скелетных мышц, обеспечивающая
выполнение двигательных действий (от простых движений до сложных спортивных
упражнений). С физиологической точки зрения мышечная работа представляет собой
процесс преобразования химической энергии, запасенной в макроэргических
соединениях (АТФ, креатинфосфат, гликоген, жиры), в механическую энергию
сокращения мышц и тепловую энергию. Результатом мышечной работы является внешнее
механическое действие (перемещение тела, преодоление сопротивления, удержание
позы) или внутреннее напряжение без видимого движения.
Мышечная работа
характеризуется двумя основными параметрами: мощностью (интенсивностью) и
длительностью. Эти параметры находятся в обратно пропорциональной зависимости:
чем выше мощность, тем меньше время, в течение которого работа может
выполняться.
2. Мощность
работы и зоны мощности
Мощность работы
(или интенсивность нагрузки) определяется количеством энергии, расходуемой в
единицу времени. В физиологии спорта и физического воспитания принято выделять
четыре зоны относительной мощности работы, основанные на предельном времени
выполнения упражнения с максимальной для данной зоны
интенсивностью.
2.1. Зона
максимальной мощности
Длительность
работы: от 3-5 до 20-30 секунд.
Физиологическая
характеристика: Работа выполняется на пределе функциональных возможностей
организма. Энергообеспечение осуществляется почти исключительно за счет
анаэробных процессов, в первую очередь за счет распада креатинфосфата
(алактатный анаэробный процесс). Кислородный запрос (потребность в кислороде)
очень высок, но удовлетворить его во время работы невозможно. Кислородный долг
достигает максимальных величин. Характерно значительное накопление продуктов
анаэробного распада (лактата) только к концу работы. Примеры: спринтерский бег
(60-100 м), прыжки, метания, подъем штанги с максимальным
весом.
2.2. Зона
субмаксимальной мощности
Длительность
работы: от 30-40 секунд до 3-5 минут.
Физиологическая
характеристика: Ведущую роль в энергообеспечении играет анаэробный гликолиз
(лактатный анаэробный процесс). Интенсивность работы такова, что организм уже не
может поддерживать ее только за счет креатинфосфатного механизма и подключает
расщепление гликогена до молочной кислоты. Это приводит к резкому нарастанию
концентрации лактата в мышцах и крови, вызывая значительные сдвиги
кислотно-щелочного равновесия (ацидоз). Кислородный долг очень велик. Аэробные
процессы (окисление) успевают включиться, но не могут удовлетворить потребности
в энергии. Примеры: бег на 400-800 м, плавание на 100-200
м.
2.4. Зона
умеренной мощности
Длительность
работы: от 40-60 минут до нескольких часов.
Физиологическая
характеристика: Энергообеспечение осуществляется преимущественно за счет
аэробных процессов с окислением как углеводов, так и жиров. Интенсивность работы
ниже предельной, что позволяет системам транспорта кислорода
(сердечно-сосудистой и дыхательной) полностью удовлетворять кислородный запрос.
Устанавливается устойчивое состояние (steady state). Концентрация лактата в
крови незначительно превышает уровень покоя. Кислородный долг образуется лишь в
начале работы. Ведущую роль играют запасы гликогена в мышцах и печени, а также
жировые депо. Примеры: марафонский бег, шоссейные велогонки, лыжные марафоны,
длительные пешие походы.
3. Суммарные
траты энергии
Суммарные
энерготраты при мышечной работе складываются из:
Основного обмена
– энергии, необходимой для поддержания жизнедеятельности в состоянии
покоя.
Рабочей прибавки
– энергии, израсходованной непосредственно на выполнение мышечной
работы.
Энергии,
затраченной на восстановление после работы (ликвидация кислородного
долга).
Суммарные траты
энергии зависят от мощности и длительности работы. В зонах максимальной и
субмаксимальной мощности общие энерготраты за короткое время относительно
невелики, но мощность расхода энергии (в ккал/мин или Дж/с) чрезвычайно высока.
В зонах большой и особенно умеренной мощности суммарные энерготраты могут
достигать огромных величин (несколько тысяч килокалорий), хотя интенсивность
расхода энергии в единицу времени ниже.
4. Режимы
работы мышц
В зависимости от
характера изменения длины мышцы и ее напряжения выделяют основные режимы
мышечной работы.
4.1.
Изотонический (динамический) режим
Характеризуется
изменением длины мышцы при относительно постоянном напряжении (нагрузке). В этом
режиме мышца выполняет преодолевающую (концентрическую) работу, когда она
укорачивается, преодолевая внешнее сопротивление, или уступающую
(эксцентрическую) работу, когда мышца, напрягаясь, плавно удлиняется под
действием внешней силы. Большинство циклических (бег, плавание) и многих
ациклических (броски, махи) упражнений выполняются в изотоническом
режиме.
4.2.
Изометрический (статический) режим
Характеризуется
напряжением мышцы без изменения ее длины. Мышечные волокна развивают усилие, но
не производят внешней механической работы (с точки зрения физики, работа равна
нулю, так как нет перемещения). При этом физиологическая «работа» и энерготраты
очень значительны. Примеры: удержание позы, фиксация суставов, упражнения типа
«планка», вис на перекладине.
4.3.
Плиометрический (смешанный, «растяжение-сокращение») режим
Это комплексный
режим, при котором эксцентрическое сокращение (растяжение под нагрузкой)
мгновенно сменяется концентрическим (преодолевающим). Этот режим использует
энергию упругой деформации мышечно-сухожильных структур, накопленную в фазе
растяжения, что позволяет развить большую мощность в фазе сокращения. Это
ключевой режим для проявления взрывной силы и реактивной способности. Примеры:
все прыжковые упражнения (в глубину, в длину, в высоту), спринтерский бег,
метания.
5.
Статические усилия, их роль в физическом воспитании
детей
Статические
(изометрические) усилия играют важную, но специфическую роль в физическом
воспитании детей.
Положительные
аспекты:
Развитие силы и
силовой выносливости: Помогают укрепить мышечный корсет, связочный аппарат, что
важно для формирования правильной осанки и профилактики
травм.
Повышение тонуса
мышц: Необходимо для улучшения нервно-мышечного контроля.
Обучающий и
корректирующий эффект: Позволяют ребенку сконцентрироваться на ощущении
конкретной мышцы или группы мышц, что полезно при разучивании сложных
двигательных навыков и коррекции осанки.
Безопасность:
При правильном дозировании менее травмоопасны для суставов и позвоночника по
сравнению с динамическими упражнениями с отягощениями.
Ограничения и
меры предосторожности при работе с детьми:
Повышение
системного артериального давления: Статическое напряжение вызывает резкое
повышение внутригрудного и внутрибрюшного давления (проба Вальсальвы), что
приводит к скачку артериального давления и последующему его падению после
прекращения усилия. Детская сердечно-сосудистая система может быть не готова к
таким нагрузкам.
Быстрое развитие
утомления центральной нервной системы.
Невозможность
формирования навыка быстроты: Статические упражнения не способствуют развитию
скорости движений.
Заключение.
В физическом воспитании детей дошкольного и младшего школьного возраста
статические упражнения должны использоваться дозированно, в виде кратковременных
(5-10 секунд) напряжений, преимущественно в игровой форме (например, «замереть в
позе цапли»). Акцент делается на формирование осанки, укрепление мышц живота и
спины. Длительные, интенсивные статические нагрузки (силовые удержания) не
рекомендуются. Приоритет должен отдаваться динамическим, игровым и
плиометрическим упражнениям, соответствующим естественной двигательной
активности ребенка и направленным на гармоничное развитие всех физических
качеств.
Вопросы для
самоконтроля:
1. Объясните
взаимосвязь между мощностью (интенсивностью) и длительностью мышечной работы. На
основании какого критерия выделяют четыре зоны мощности (максимальная,
субмаксимальная, большая, умеренная)? Для каждой зоны укажите характерные
примеры физических упражнений.
2. Сравните
механизмы энергообеспечения мышечной работы в зонах субмаксимальной и умеренной
мощности. Какие процессы преобладают в каждой из этих зон и как это влияет на
накопление лактата и величину кислородного долга?
3.
Охарактеризуйте основные режимы работы мышц (изотонический, изометрический,
плиометрический). Приведите конкретные примеры двигательных действий из
различных видов спорта или физических упражнений, где преимущественно
используется каждый из этих режимов.
4. Каковы
физиологические особенности и ограничения применения статических
(изометрических) усилий в физическом воспитании детей? Дайте рекомендации по
безопасному и эффективному включению статических упражнений в занятия с детьми
младшего школьного возраста.
Вопрос 12. Вегетативное обеспечение мышечной работы
1. Любая
мышечная деятельность предъявляет повышенные требования к организму. Для ее
выполнения необходимо энергетическое и пластическое обеспечение, доставка
кислорода, удаление продуктов метаболизма и поддержание постоянства внутренней
среды — гомеостаза. Эти задачи решаются вегетативными (автономными) системами
организма: сердечно-сосудистой, дыхательной, выделительной и системами
нейрогуморальной регуляции. Их слаженная работа, перестраивающаяся в
соответствии с потребностями двигательного аппарата, и называется вегетативным
обеспечением мышечной работы.
2.
Анаэробная и аэробная фазы работы
Мышечная работа
с точки зрения энергообеспечения проходит через две взаимосвязанные
фазы:
Анаэробная фаза
(начало работы, работа максимальной и субмаксимальной мощности). В первые
секунды и минуты работы системы кровообращения и дыхания еще не вышли на
необходимый для покрытия кислородного запроса уровень. Энергия вырабатывается
преимущественно за счет анаэробных (бескислородных)
механизмов:
Креатинфосфатный
(алактатный) механизм — обеспечивает кратковременные взрывные
усилия.
Гликолитический
(лактатный) механизм — распад гликогена до молочной кислоты (лактата), что
приводит к сдвигу кислотно-щелочного равновесия (ацидозу). Эта фаза
характеризуется образоватием кислородного долга.
Аэробная фаза
(работа умеренной и большой мощности, устойчивое состояние). По мере усиления
деятельности дыхательной и сердечно-сосудистой систем доставка и утилизация
кислорода начинают соответствовать потребностям мышц. Основным источником
энергии становится аэробное окисление углеводов и жиров с образованием
углекислого газа и воды. Этот процесс эффективен и может поддерживаться
длительное время. Переход к аэробной фазе позволяет компенсировать кислородный
долг и уменьшить накопление лактата.
3. Механизмы
усиления деятельности дыхательной и сердечно-сосудистой систем во время мышечной
работы
Адаптивные
реакции этих систем направлены на увеличение доставки кислорода к работающим
мышцам.
Дыхательная
система:
Увеличение
легочной вентиляции за счет роста частоты и глубины дыхания (минутный объем
дыхания может увеличиться с 6-8 л/мин до 120-150 л/мин у
тренированных).
Усиление
диффузии кислорода в альвеолах и его переноса кровью (благодаря более полной
отдаче кислорода из оксигемоглобина в условиях закисления и повышения
температуры в мышцах — эффект Бора).
Улучшение
кровоснабжения вентилируемых альвеол.
Сердечно-сосудистая
система:
Увеличение
сердечного выброса (минутного объема сердца) в 4-5 раз. Достигается за
счет:
Роста частоты
сердечных сокращений (ЧСС).
Увеличения
ударного объема (количества крови, выбрасываемого за одно сокращение), особенно
у тренированных спортсменов.
Перераспределение
кровотока: сужение сосудов в неактивных органах (ЖКТ, почки) и резкое расширение
сосудов в работающих мышцах. Увеличивается доля мышечного кровотока с 15-20% до
80-85% от сердечного выброса.
Мобилизация
депонированной крови из селезенки, печени, подкожных
сплетений.
4. Гомеостаз
и его поддержание во время мышечной работы
Мышечная работа
нарушает постоянство внутренней среды: повышается температура, накапливаются
ионы водорода (H⁺, ацидоз), CO₂, лактат, изменяется осмотическое давление.
Организм противодействует этим сдвигам:
Буферные системы
крови (бикарбонатная, фосфатная, белковая, гемоглобиновая) нейтрализуют
кислоты.
Терморегуляция:
усиление кожного кровотока и потоотделения для отдачи избыточного
тепла.
Поддержание
водно-солевого баланса через работу почек и потовых желез.
5.
Выделительные системы и их роль в обеспечении постоянства внутренней
среды
Потовые железы:
Удаление воды и солей (NaCl, KCl), продуктов азотистого обмена (мочевина,
аммиак), что способствует терморегуляции и частично разгружает
почки.
Почки: Во время
работы их активность снижается из-за перераспределения кровотока. Однако в
восстановительном периоде они интенсивно выводят конечные продукты метаболизма
(лактат, мочевину, кетоновые тела), ионы водорода, избыток солей, тем самым
восстанавливая кислотно-щелочное и ионное равновесие.
Легкие:
Выведение летучих веществ, в первую очередь углекислого газа (CO₂), что является
ключевым механизмом коррекции кислотно-щелочного состояния (pH
крови).
6. Факторы,
определяющие величину сдвигов во время мышечной
работы
Степень
нарушения гомеостаза и напряженность вегетативного обеспечения зависят
от:
Мощность и
длительность работы: чем выше мощность, тем значительнее вклад анаэробных
источников и выраженнее метаболические сдвиги. Длительная работа требует
совершенной аэробной системы.
Уровень
физической подготовленности: у тренированных лиц вегетативные системы
мобилизуются быстрее и эффективнее, экономичнее работают в покое и при
стандартной нагрузке, быстрее восстанавливаются. Сдвиги у них при одинаковой
нагрузке менее выражены.
Эмоциональный
фон: стресс, соревновательное возбуждение через активацию симпато-адреналовой
системы могут как повышать работоспособность (мобилизация), так и нарушать
координацию между системами, приводя к излишнему вегетативному
напряжению.
7.
Нервно-гуморальная регуляция вегетативного обеспечения мышечной
работы
Регуляция
происходит по принципу кортико-висцеральных рефлексов и
включает:
Центральное
звено: Кора головного мозга, лимбическая система (эмоции), гипоталамус
(интегратор вегетативных и эндокринных реакций), бульбарные центры (дыхательный,
сосудодвигательный).
Нервный
механизм: Соматические команды из двигательной коры одновременно активируют
вегетативные центры (принцип сопряженного возбуждения). Обратная афферентация от
хемо- и барорецепторов, рецепторов мышц (метаборецепторов) корректирует их
активность.
Гуморальный
(гормональный) механизм: Выброс в кровь адреналина и норадреналина (мобилизация
энергоресурсов, усиление сердечной деятельности), кортизола (обеспечение
глюконеогенеза), альдостерона (задержка натрия и воды), ангиотензина и др. Эти
вещества потенцируют и пролонгируют эффекты нервной
регуляции.
8.
Висцеро-моторная и моторно-висцеральная регуляция
Эти понятия
описывают двустороннюю связь между мышцами и внутренними
органами.
Моторно-висцеральная
регуляция (кортико-висцеральная): Двигательная активность (моторная команда)
рефлекторно и гуморально изменяет функции внутренних органов (висцеральных
систем), как описано выше.
Висцеро-моторная
регуляция: Состояние внутренних органов влияет на двигательную
работоспособность. Например:
Боль, патология
в органах брюшной полости тормозят двигательную активность (рефлекс
Гольца).
Барорецепторная
стимуляция может влиять на мышечный тонус.
Состояние
гипоксии или гиперкапнии изменяет пороги утомления.
9.
Возрастные особенности вегетативного обеспечения мышечной работы и
поддержания гомеостаза
Функциональные
возможности дыхательной и сердечно-сосудистой систем у
школьников:
Сердечно-сосудистая
система: У детей меньше размер сердца, ударный и минутный объем крови.
Компенсация достигается за счет более высокой ЧСС в покое и при нагрузке.
Реакция ЧСС на нагрузку более выражена, а восстановление медленнее, чем у
взрослых. Артериальное давление ниже.
Дыхательная
система: Малая емкость легких, слабость дыхательных мышц, более высокая частота
дыхания. Легочная вентиляция у детей при нагрузке увеличивается преимущественно
за счет роста частоты дыхания, а не глубины, что менее
эффективно.
Устойчивость
детей и подростков к гипоксемии (недостатку кислорода в крови): Дети обладают
более высокой устойчивостью к гипоксии по сравнению со взрослыми, что
объясняется большими адаптационными возможностями ЦНС и тканей. Однако это не
отменяет необходимости строгого дозирования анаэробных
нагрузок.
Особенности
выделительных процессов при мышечной работе у детей:
Потовые железы
менее активны, терморегуляция несовершенна, что повышает риск
перегрева.
Почки:
Функционально незрелы, их концентрационная и фильтрационная способность ниже.
Поэтому выведение метаболитов происходит медленнее, а нагрузка на почки при
интенсивной работе (особенно в условиях дегидратации) выше. Это требует особого
внимания к питьевому режиму и адекватности нагрузок.
Заключение. Эффективность
мышечной работы напрямую зависит от слаженности и мощности вегетативного
обеспечения. Понимание физиологических механизмов, лежащих в основе аэробного и
анаэробного энергообеспечения, адаптации сердечно-сосудистой, дыхательной и
выделительной систем, а также факторов, влияющих на эти процессы (включая
возрастные), является основой для грамотного планирования тренировочного
процесса, контроля за состоянием занимающихся и достижения высоких спортивных
результатов без ущерба для здоровья.
Вопросы для
самоконтроля:
1. Объясните
причинно-следственные связи между фазами энергообеспечения мышечной работы и
адаптивными реакциями сердечно-сосудистой системы.
2.
Проанализируйте, как совместная деятельность выделительных систем (потовых
желез, почек, легких) обеспечивает поддержание гомеостаза в условиях длительной
мышечной работы.
3. Сравните возрастные особенности вегетативного обеспечения мышечной работы у детей и взрослых, объяснив, как эти различия должны учитываться при планировании тренировочной нагрузки.