第四讲神经肌肉工作的生物力学

1、第四讲 神经肌肉工作的生物力学内容： 1.神经-肌肉工作的杠杆原理2.骨骼肌工作的条件3.骨骼肌的工作性质4. 肌肉力量、伸展、稳定训练的力学原则目的： 1.掌握神经-肌肉工作的基本力学原理。2.了解骨骼肌的工作条件及其性质，掌握肌肉力量、伸展、稳定训练的力学原则。要求：按照课堂教学要求听讲，思维活跃，结合训练实际分析问题。方法：教学采用教员主讲式、教学探讨式。重点：神经-肌肉工作的杠杆原理。难点：骨骼肌工作的条件。时间：90分钟地点：多媒体教室一、神经肌肉工作的杠杆原理（一）肌力的方向肌拉力线：从骨骼肌的定点中心到动点中心作一直线。它决定了肌的发力方向。肌拉力角：从肌肉的动点到关节中心连一直

2、线，该直线与肌拉力线之间的夹角，叫肌拉力角。肌拉力角大，则力臂就大。力臂增大，肌肉的做功效率就高。在进化过程中，一些大块肌肉通过突起的骨结构，如结节、粗隆、嵴等来增大肌拉力角。尤其是籽骨，更为显著。这样就增大了肌肉做功的效率，即增大了转动力矩。（二）杠杆原理一根直的或弯的硬棒，在力的作用下，绕兰个固定点(支点)或固定轴(支轴)转动，并克服一个阻力做功，这根硬棒就称为杠杆。杠杆星人类使用的最古老的工具之一，如撬棒等。在人体中，坚硬的骨相当于一根硬棒，它在肌拉力的作用下能够绕关节转动，并克服阻力做功，故称为骨杠杆。骨、关节、肌肉的许多运动符合杠杆原理，可以用杠杆原理加以说明。1、人体骨杠杆人体骨杠

3、杆具有3个点和2个臂，即支点、力点和阻力点以及力臂和阻力臂，骨杠杆的支点是关节中心(O)；力点是原动肌的附着点(F)；阻力点(R)视具体情况而定，可以是环节的重力，或是其他物体的阻力，或是本身对抗肌张力等。骨杠杆的力臂是从关节中心到肌拉力线的垂直距离(OA)；其阻力臂是从关节中心到阻力作用线的垂直距离(OR)。肌力与力臂的乘积为肌力矩；阻力和阻力臂的乘积为阻力矩。一根杠杆要保持平衡，必须使力矩等于阻力矩，这就是所谓的杠杆原理。肌力矩和阻力矩分别表示肌力和阻力对骨杠杆所产生转动作用的大小。当肌力矩等于阻力矩时，肌肉做静力性工作；当肌力矩大于阻力矩时，肌肉做克制性工作(向心工作)；当肌力矩小于阻力

4、矩时，肌肉则做退让性工作(离心工作)。2、骨杠杆分类根据骨杠杆上支点、力点和阻力点的位置关系，可将其分为3种类型，并代表杠杆的3种用途：传递与平衡力、省力以及增大幅度和速度。(1)第一类杠杆平衡杠杆：支点在力点与阻力点中间。例如，颅与脊柱的连结，支点位于寰枕关节的额状轴上，力点在支点的后方(斜方肌等肌肉的作用点)，阻力点(头的重心)位于支点的前方(图3195)。又如，肘关节伸的动作，支点是肘关节中心，力点在支点的后方(肱三头肌在尺骨鹰嘴上的附着点)，阻力点(前臂和手的重心)在支点的前方。此类杠杆的作用主要是传递力和平衡力(支点可以靠近力点或阻力点)，亦可增加速度和幅度(支点靠近力点)，而且还可

5、省力(支点靠近阻力点)。但平衡杠杆在人体中较少见。(2)第二类杠杆省力杠杆：阻力点在力点和支点的中间，如站立时提踵，以跖趾关节为支点，人体重力通过距骨体向下，位于支点和力点(小腿三头肌在跟骨上的止点)的中间。此类杠杆因为阻力点在中间，阻力臂始终小于力臂，所以用较小的肌拉力即可克服较大的阻力，故称省力杠杆。在人体中此类杠杆亦较少见。(3)第三类杠杆速度杠杆：力点在阻力点和支点为中间，此类杠杆在人体中最为普遍。例如，肱二头肌屈前臂的动作，支点在肘关节中心，力点(肱二头肌在桡骨粗隆上的止点)在支点和阻力点(铅球重心)的中间。又如，三角肌外展上臂伪动作，支点在肩关节中心，力点(三角肌在肱骨上的止点)在

6、支点和阻力点(手臂重心)中间。股四头肌伸小腿踢球，也是第三类杠杆。这类杠杆因为力点在中间，力臂始终小于阻力臂，一定要用较大的肌拉力才能克服较小的阻力，不能省力(故又称为费力杠杆)，但可使阻力点移动的速度和幅度增大而获得速度，故称速度杠杆。由此可见，利用杠杆省力不省功，得之于力则失之于速度(或幅度)，得之于速度(或幅度)则失之于力，这是机械学中的等功原理。3、人体动作中杠杆原理的应用(1)利用杠杆省力：根据杠杆原理，利用杠杆省力的方法有二：增大力臂和缩短阻力臂。在人体骨杠杆中，肌拉力的力臂一般都很短，但在长期的进化过程中，仍可通过一些身体结构来增大一些肌肉的力臂。如通过籽骨增大肌肉力臂，人体最大

7、的籽骨髌骨增大了股四头肌的力臂，股骨颈和大转子增大了臀中肌的力臂(图3198)。研究表明：活动多且肌肉强壮的人，其骨上的粗隆与结节就越明显。所以通过体育锻炼能够增大肌肉的力臂，改善肌肉的发力条件。 阻力臂短也能省力。如提起重物时，让重物越靠近身体，就越省力。人体在运动时，总是自然地要适应这个规律，如在走路时，重心总是要偏向支撑腿侧，看起来人走的是一条直线，但重心移动的轨迹是忽左忽右地向前的，尤其是某些髋关节外展肌群虚弱的病人，为了减小臀中肌的负担，重心更加偏向一边以致容易导致畸形。(2)利用杠杆获得速度：身体动作中的许多动作不要求省力而要求获得较大的运动速度和运动幅度，如投掷、踢球和挥拍击球等

8、，此要求可以通过增大阻力臂、缩短力臂来实现。人体中绝大多数肌肉的起止点一般靠近关节中心，即力臂较短，虽然费力，却有利于获得速度。然而在运动中，为了获得更大的速度，需要将身体中几个环节组成一个长的杠杆臂，如在做投掷或击打动作时，为了提高肢体末端的运动速度，应尽量伸展肢体；有时甚至附加阻力臂，如在棒球、曲棍球和链球等项目中，利用球棒(棍)或链索等延长了人体的手臂，使阻力臂变长，进而使球的运动速度增大。(3)利用杠杆训练力量：通过训练发展肌肉的力量，就是要使该肌肉或肌群以一定的速度重复地克服一定的阻力矩。肌肉力量增大了，即可克服更大的阻力矩。阻力矩包含两个因素：阻力和阻力臂。因此，在实际肌肉力量训练

9、中，既可以采用增加阻力(负荷重量)的练习方法，亦可采用延长阻力臂(增大阻力点移动的距离和速度)的手段。如悬垂举腿是发展屈髋肌群和腹肌的练习。练习时可采用3种方式：屈膝悬垂、直腿悬垂和负重悬垂(小腿踝部绑沙袋)。其中负重悬垂举腿姿势重力矩最大(因阻力臂最长)，施加于屈髋肌群和腹肌的负荷亦最大。同样原理，在为锻炼腹肌力量常采用的仰卧起坐练习中，将手臂放在不同位置及负重与否，腹肌亦将承受不同的负荷。(三)关节运动顺序运动中需要克服大的阻力、需要快的速度时，虽然运动链中各个关节同时用力，但总是大关节最先产生运动，然后依据关节的大小出现一定的先后顺序。其意义在于主动强化训练大关节，发挥其潜力，利于训练的

10、完成。小关节是人体动作的支撑点，对动作完成后身体的平衡保持有重要作用，还可影响动作时间，提高速度。不需要克服大的阻力、需要快的速度的运动，可以不采用这一顺序。二、骨骼肌工作条件（一）骨骼肌的配布骨骼肌是人体运动的原动力，全身有数百块肌肉参与躯体的随意运动，而每一块肌肉在运动中发挥着不同的作用。肌肉的配布主要与人体的进化和关节运动轴有关。1、肌肉配布与直立行走及劳动特点有关人体各部肌肉的体积、数量及灵活性，皆与各肢体所承受的负荷和机能活动关系密切。由于直立行走的缘故，下肢肌较上肢肌发达，且下肢的伸肌比屈肌明显发达。躯干的伸肌也较屈肌发达。由于长期劳动的影响，上肢屈肌较伸肌发达，支配手指运动的肌肉

11、数目多，且均细小而灵活。2、肌肉配布与关节运动轴有关运动环节绕每个运动轴皆可作方向相反的两种运动，那么关节的任何一个运动轴的两侧皆应配布两组作用相反的肌群。因此，单轴关节应有两群作用相反的肌肉；双轴关节应有四群作用不同的肌肉，而多轴关节必然就有六群作用不同的肌肉。（二）骨骼肌的起止和工作术语1、骨骼肌的起点和止点每块肌肉的附着点，可分为起点与止点。起点通常是指靠近身体正中面或在四肢近侧端的附着点；止点则是指远离身体正中面或在四肢远侧端的附着点。在肌肉收缩时，相对固定或运动幅度较小的骨附着点，称为定点；相对运动或运动幅度较大的骨附着点，称为动点。肌肉的起点和止点是固定不变的；动点和定点可因环节工

12、作条件的变化而相互转化。2、骨骼肌的工作术语近固定与远固定(近侧支撑与远侧支撑)。当肌肉收缩时，起点相对固定，称为近固定(或近侧支撑)。此时，起点为定点，止点则为动点。当肌肉收缩时，止点相对固定，称为远固定(或称远侧支撑)。此时，止点为定点，起点则为动点。例如，做推铅球动作时，伸肘关节的肱三头肌是近固定工作；而做俯卧撑动作时，伸肘关节的肱三头肌则是远固定工作。上固定(上支撑)与下固定(下支撑)。在分析人体头颈和躯干肌肉工作时，若肌肉以其上端(靠近颅侧)附着点为定点，下端(靠近足侧)附着点为动点进行收缩，则该肌的工作条件为上固定(或上支撑)；相反则为下固定(或下支撑)。例如，在做“仰卧举腿”动作

13、时，腹直肌是上固定工作；而在做“仰卧起坐”动作时，腹直肌则是下固定工作。无固定：人体头颈和躯干肌肉收缩时，两端的附着骨都运动，则称为无固定工作，如挺身跳远的腾空动作，腹直肌和竖脊肌等都是无固定工作。人体的任何运动都是由若干个不同的动作组成的。这些动作，无论简单与复杂，皆由人体运动的执行者运动器官来完成，同时亦离不开心血管和内脏器官的保障以及感觉器官、神经和内分泌器官的调节。因此，对人体运动动作的分析应该包括运动时人体运动器官的活动特点及其相互关系、人体与器械的机械运动形式、神经活动特征、呼吸规律、心血管活动规律以及物质能量代谢特征和人的心理活动状态与规律等内容，这即为广义的动作分析。然而，在如

14、此广泛的动作分析内容中可以清楚地看到：体育动作的解剖学分析，即人体运动器官的活动特点及其相互关系是动作分析的核心内容。人体完成动作的基本结构包括骨、关节和骨骼肌(即肌肉)。骨的形态结构决定了人体运动的骨杠杆类型和各环节的大小与运动幅度，关节的形态结构决定了人体各环节的具体运动形式和肌肉配布规律，而肌肉则通过其收缩与舒张牵引骨在关节处实现人体的各种形式的运动；同时又由于肌肉在骨上的附着方式和位置不同，决定了肌肉在不同关节角度状态下可以引起环节不同形式的运动，进而使人体运动时能够表现出多样、复杂的动作。因而，在对人体运动进行动作分析时，首先应做解剖学分析，分析运动时人体各环节的运动形式、肌肉收缩特

15、征以及在不同动作阶段肌肉工作的变化规律等内容。对体育动作所进行的解剖学分析即为狭义的动作分析，简称动作分析。本节将重点阐述动作结构分析的原理、方法及其在体育实践中的应用。（三)肌肉工作的协作关系任何一个最简单的动作，都不是只由一块肌肉收缩发力就能完成的，而是需要由多块肌肉的协调配合。根据肌肉在动作中的作用不同，可以区分为原动肌、对抗肌、固定肌和中和肌。1、原动肌在完成某一动作中起主要作用的肌肉或肌群称为原动肌，即原动肌就是主动收缩直接完成动作的肌肉或肌群。例如，悬垂举腿时，大腿在髋关节处屈，则髂腰肌、股直肌和缝匠肌等肌肉是原动肌。当一个动作只包括一个环节的运动时，原动肌只有一组，如射击时的扣板

16、机动作，只有指指的一个环节运动，原动肌就只有一组。当一个动作是由多个环节运动组成时，那么，每一个环节运动都有一组原动肌，有几个环节运动就有几组原动肌，如跑步时的后蹬动作，下肢有骨盆、大腿、小腿、足等4个环节运动，原动肌也至少有4组。因此，应根据动作的具体情况确定原动肌的组成。 根据原动肌在骨杠杆转动中的效率，将在一组原动肌中起主要作用的原动肌称为主动肌，起次要作用的原动肌称为副动肌或次动肌。例如，上述悬垂举腿动作中，髂腰肌是大腿前屈的主动肌，而缝匠肌、耻骨肌等则是副动肌或次动肌。2、对抗肌 与原动肌作用相反的肌群称为对抗肌(antagonis)。从位于关节运动轴的位置来讲，对抗肌位于原动肌的对

17、侧，因此，只要确定了某个动作的原动肌，对抗肌也就明确了。例如，在悬垂举腿动作中，使大腿屈的髂腰肌等肌肉是原动肌，那么，位于其对侧的伸肌臀大肌和股后肌群(腘绳肌)等肌肉则是对抗肌。一个动作是否能够准确、协调地完成，不仅取决于原动肌的力量大小及神经对肌肉精确的调控能力，而且也与对抗肌的力量和协调伸展能力有关。当关节一个运动轴两侧的原动肌与对抗肌肌肉力量与柔韧性发展不均衡时，则易导致运动中动作变形和肌肉拉伤。另外，在一些快速起动、快速停止等动作中，对抗肌的协调配合还有预防关节损伤等作用。3、固定肌当肌肉收缩时，其拉力可使该肌所附着的两骨发生相向运动。为了充分发挥原动肌的拉力对动点骨的作用，就需要有其

18、他肌群固定原动肌的定点骨。这些起固定原动肌的定点骨的肌肉称为固定肌。例如，前臂弯举动作中，前臂在肘关节处做屈伸运动时，上臂的屈伸肌群以及肩胛骨各功能对抗的肌群同时收缩，且收缩力相等，以固定在上臂和肩胛骨的肱二头肌和肱肌的附着点，为前臂运动创造条件。又如，在做向前踢腿动作肘，为了保持躯干直立姿势，需要脊柱屈伸肌群同时收缩，以固定髂腰肌的定点骨。 4、中和肌原动肌对定点骨具有两种以上的作用时，为了有效地发挥其中一种作用，需要有其他肌肉抑制另外的作用。这些用以抵消原动肌多余功能的肌肉称为中和肌。例如，在向前踢腿时，若不需要出现大腿旋外的动作，则需要臀小肌和臀中肌等旋内的肌肉收缩发力，抵消髂腰肌收缩时

19、可能出现的旋外动作，此时臀小肌、臀中肌就起中和肌的作用。又如，“飞鸟”动作中，斜方肌为原动肌，但其上部和下部肌束还分别具有上提和下降功能。所有在完成“飞鸟”动作时，斜方肌的上、下部肌束互为中和肌，以抵消其上提和下降功能，保证斜方肌后缩作用得到充分发挥。身体所有的运动和生活动作皆由上述4种肌肉协调配合完成的，而且肌肉之间的协作关系可以随着环节的运动方向的改变而变化。虽然原动肌是完成一个动作的动力，但是它不仅需要有对抗肌的协调配合，还需要有固定肌固定其定点骨，需要有中和肌抵消其对动点骨的多余运动。因此，在对人体运动作肌电研究时，不应只根据某块肌肉有肌电活动就匆忙断定它是该动作的原动肌，而应深人分析

20、它的作用，正确判断它是起原动肌作用，还是起对抗肌、固定肌或中和肌的作用。(四)单关节肌和多关节肌的工作特点根据肌肉跨过关节的数目可将肌肉分为单关节肌和多关节肌。跨过一个关节的肌肉称单关节肌，如肱肌、肘肌和比目鱼肌等；跨过两个或两个以上关节的肌肉则称为多关节肌，如肱二头肌、股直肌和股后肌群(或腘绳肌)等。1、单关节肌的工作特点 由于单关节肌只跨过一个关节，通常其收缩所产生的肌力主要作用于该关节。如前臂举动作中，肱肌的作用就是使前臂在肘关节处屈。然而，在某些情况下，单关节肌可能还对其邻近关节有一定的间接作用。2、多关节肌的工作特点在进化过程中，上肢和下肢的各个关节分别按照一定模式形成了一些组合动作

21、，如上肢欲把物体拉近身体或把物体围抱住(把食物送进嘴里，抱住小孩等)时要求上肢各个关节(肩关节、肘关节、腕关节、指关节等)都同时屈，而碰到危险欲把物体推离身体，则要求上肢各个关节都同时伸。为了能够快速、精确地完成这些动作，多关节肌便应运而生。上肢的多关节肌大都体现了各关节同时屈或同时伸的特点，如肱二头肌可以使肩关节、肘关节同时屈，肱三头肌使肩关节、肘关节同时伸，前臂屈肌群同时使桡腕关节、各个指关节同时屈，而前臂伸肌群使桡腕关节、各个指关节同时伸。下肢的多关节肌则反映了另一种特点，同时屈髋伸膝或同时伸髋屈膝，这对下肢完成走、跑及踢腿等一些组合动作是有利的。深人研究人体多关节肌的配布规律对于理解人

22、体各环节运动之间的相互关系是十分重要的。多关节肌在运动中具有以下特点： (1)多关节肌的功能性“主动不足”当多关节肌收缩发力时，对其中一个关节充分发挥作用后，对另一个(或其余)关节不能充分发挥作用，这种现象称为多关节肌的功能性“主动不足” (或原动肌的力量不足)。如在大腿充分屈的情况下，再伸直小腿，由于股直肌已在髋关节处屈，它再要使小腿伸就感到力量不足，因此，感到较难完成动作。同理，在大腿充分伸的情况下，再要屈小腿，由于股后肌群(或胴绳肌)的主动不足现象，会感到较难完成这个动作。动作技术的要求是最经济、最省力，但是在平常训练时，则要增加难度，使肌肉的力量和柔韧等素质不断提高。因而，在训练多关节

23、肌时，可以利用多关节肌的特点设计训练动作。例如，训练股直肌力量时，可先屈髋关节，再做弹小腿(膝关节伸直)的动作；又如，在训练股后肌群(或腘绳肌)时，取俯卧姿势，让髋关节先伸，再做小腿屈的动作。 (2)多关节肌的功能性“被动不足”当多关节肌被拉长伸展时，已在其中一个关节被充分拉长后，在另一个(或其余)关节就不能被充分拉长，这种现象称为多关节肌的功能性“被动不足” (或对抗肌的伸展性不足)。如当小腿充分伸直时，胭绳肌被伸展拉长，当大腿在髋关节处再做屈的运动时腘绳肌要进一步被拉长则感到困难，故此时屈髋的幅度明显减小，这就是腘绳肌的“被动不足”现象。针对多关节肌的上述特点，在运动实践中即可根据实际情况

24、采取相应的措施克服这两种不足所带来的不利影响。一是在运动中注意调节身体各部分的位置，避免出现多关节肌功能性“主动不足”和“被动不足”现象，使多关节肌的力量和伸展性集中在一个关节上，以获得较大的运动效果；二是亦可在多关节肌“主动不足”和“被动不足”的位置上进行训练，以提高这些肌肉的工作能力，适应动作的要求。此外，还应注意单关节肌与多关节肌的协调配合。在一个关节中，往往同时配布有单关节肌和多关节肌。二者若能相互协作、取长补短，则可有利于动作的完成。如多关节肌由于长度长，在运动幅度方面可以弥补单关节肌的不足；而单关节肌发力始终集中在一个关节上，亦可补偿多关节肌发生“主动不足”时的力量。 三、肌肉工作

25、的性质根据肌肉收缩时的变化情况，肌肉工作分为动力性工作和静力性工作。（一）动力性工作肌肉收缩使环节的位置发生改变，肌肉的长度亦有变化，此类工作称为动力性工作(亦称为等张收缩)，其又可分为两种，即克制工作和退让工作。1、向心工作。其表现为：肌肉收缩力矩大于阻力矩，环节朝着肌肉的拉力方向运动，肌肉的动点向定点靠拢；肌肉变短、变粗，触摸时较硬。如持哑铃前臂弯举的举起过程中，肱二头肌和肱肌等肌肉所做的工作即为克制工作。2、离心工作。其表现为：肌肉收缩力矩小于阻力矩，环节背着肌肉的拉力方向运动，肌肉的动点和定点彼此分离；肌肉变长、变细，但触摸时仍较硬。如持哑铃前臂弯举的放下过程中，肱二头肌和肱肌等肌肉所

26、做的工作即为退让工作。运动者通常采用向心性和离心性力量训练手段发展肌肉力量，但离心性力量训练较向心性离心性力量训练更能有效地发展肌肉的力量。因为离心性力量训练不仅可以给肌肉施加更大的负荷，有意识地控制运动速度，而且还能有效地刺激神经、肌肉，增大肌肉的体积或提高肌肉的爆发力，发展肌肉的制动力。 （二）静力性工作肌肉收缩时所产生的力矩，只是平衡阻力矩，使环节保持一定的姿势，肌肉的长度没有明显的变化，此类工作称为静力性工作(亦称等长收缩)。静力性工作又可分为支持工作、加固工作和固定工作。1、支持工作：支持工作是指位于关节基本轴同一侧的肌肉保持持续性收缩，以平衡阻力矩，使相应环节保持静止姿势。支持工作

27、有两种情况。第一，肌肉保持缩短状态下的支持工作。如双杠直角支撑动作中，屈大腿的肌肉(髂腰肌等)所做的工作属于此种工作。第二，肌肉保持拉长状态下的支持工作。如武术中的马步动作中，股四头肌就是在拉长状态下完成支持工作的。2、加固工作：关节周围的肌肉共同收缩，长度不变，其力量用以平衡身体所受到的重力作用，防止身体各个环节在关节处因重力作用而分离。如悬垂举腿动作中，肩关节和肘关节等关节周围的肌群共同收缩，防止上臂及前臂等运动环节在相应关节处分离；而此时髋关节屈肌群和膝关节伸肌群等亦共同收缩，以支持腿在髋关节处屈的姿势。3、固定工作：互相颉顽的肌肉共同收缩，长度不变，其力量互相平衡和抵消，受力作用的环节固定不动。此种情况最常见。例如，前臂弯举动作中，肩关节的伸肌群和屈肌群共同收缩，使上臂固定在原位不动；又如，手倒立时，屈肘与伸肘肌肉亦同时收缩起固定肘关节的作用。四、肌肉力量、伸展、稳定训练的力学原则（一）近固定与远固定训练相结合。适应不同肌拉力方向的需要，肌肉对施加的负荷有专一的适应性，这就是所谓的适应性原则。换句话说即肌肉用力的方式受训练方式，如用力时关节的角度、肌拉力线方向、负荷的重量、完成动作的速度等因素的影响。因此，在训练过程中不能为练力