MOZGATÓRENDSZER SZÖVETEI AKTÍV - IZOM PASSZÍV - ÍN SZALAG PORC CSONT

A VÁZIZOM BIOMECHANIKÁJA

Maximum 80 dolgozik egyszerre 430 izom 35- 45 % Maximum 80 dolgozik egyszerre Zatziorsky, 1998

A kontrakció az izom aktív állapota Mit csinálnak az izmok? Kontrahálódnak Mi az izomkontrakció? A kontrakció az izom aktív állapota Mi történika az izomban a kontrakció alatt? Az izom feszülése növekszik

SKELETAL MUSCLE A vázizom felépítése

Az izomkontrakció mikrostruktúrális alapjai

Szarkomérek 2 dimenziós, elektron mikroszkópos képe

A vékony és vastag filamentumok átfedésének jelentősége Minél nagyobb az átfedés a két filamentum között (legsötétebb sáv), annál nagyobb erőkifejtésre képes az izom

A szarkomér komplett szerkezete

Hosszváltozás Rövidülés Nyugalmi hossz 2.0-2.2 μm 1.6-1.7 μm

Hosszváltozás Nyújtás 3.5 mm

Egy szarkomérben 240-280 kereszthíd található 1 cm-ben 4500 szarkomér és 1.1 millió kereszthíd található Egy kereszthíd 20 pJ munkát végez Sartorius izomban 462 000 szarkomér és 21 344 400 kereszthíd (McComas)

Az izomkontrakció létrejötte

A erőkifejtés alapegysége Kereszthíd Nature 352 (25 July, 1991): pages 284 & 352, "Biomechanics goes quantum," The power stroke is 10 nm; the myosin head is about 20 nm long.

A single cycle of attachment, swivel, and detachment of the myosin head will produce a linear translation of the myofilaments of about 10 nm. If all cross-bridges in a myofibril cycle once synchronously, a relative movement equal to about 1% of the muscle length will occur, but obviously muscles shorten by more than 1%. The total shortening of a sarcomere during contraction may exceed 1,000 nm; therefore the relative movement of a thin and thick filament would be half this amount or 500 nm. To achieve this magnitude of change in total length when each cross-bridge cycle produces a 10-nm shortening, a minimum of 50 cycles must occur. The flexor muscles of the human upper arm can contract at the rate of 8 m/sec (Wilkie DR: J Physiol (Lond) 110:249-280, 1949), during which they can shorten by as much as 10 cm. This contraction rate gives a contraction rate for the sarcomere of 160 nm/msec. If a stroke of the cross-bridge is taken to be 10 nm, then at this rate there will be a minimum of 16 strokes/msec. Thus, the swivel time for the cross-bridge must be of the order of 60 sec. Calculations for the frog's sartorius muscle, which can shorten at up to 4 cm/sec, indicate a swivel time of about 1 msec, but this contraction occurs at a lower temperature than those in mammals. In any case, it is clear that the swiveling of the cross-bridge must be a fast mechanical process. At the right is an animation that shows the repeated nature of the process

Mit csinál az izom a kontrakció alatt ? Erőt fejt ki és forgatónyomatékot hoz létre A feszülését megváltoztatja az idő függvényében Megváltoztatja hosszát az idő függvényében Munkát végez Teljesítményt produkál Energiát tárol és hasznosít

AZ IZOMKONTRAKCIÓ TÍPUSAI

AZ IZOMKONTRAKCIÓ TÍPUSAI IZOMETRIÁS (statikus) ANIZOMETRIÁS (dinamikus) Excentrikus Koncentrikus Nyújtásos - rövidüléses ciklus iZOKINETIKUS (állandó sebesség) IZOTÓNIÁS (állandó gyorsulás)

IZOMETRIÁS KONTRAKCIÓ

KONCENTRIKUS KONTRAKCIÓ

EXCENTRIKUS KONTRAKCIÓ

NYÚJTÁSOS-RÖVIDÜLÉSES CIKLUS

Izokinetikus Izotóniás V t V t Változó sebesség, állandó gyorsulás Állandó sebesség F t F t Változó feszülés Állandó feszülés

Fex IC EC PEC CE SEC CE – kontraktilis elem PEC – párhuzamos elasztikus komponens SEC – sorba kapcsolt elasztikus komponens

IZOMETRIÁS KONTRAKCIÓ

ERŐ – IDŐ JELLEMZŐK 1. Rángásos 2. Tetanuszos

RÁNGÁS Erõ (N) 1/2 Fp Idõ (s) Csúcserő (Fp) Kontrakciós idő (tp) Félrelaxációs idő (1/2 Rt) Size principle recruitment order, different contraction time (30 - 120 ms), time delay 5 ms,

Tetanusz F0 RTD= dF/dt 1/2Rt dF dt Idő a RTDmax

Izometriás nyomaték – idő görbe RTD = dM / dt RTDr = dMr / dtr M0 dF dt

A maximális izometriás erő nagyságát befolyásoló tényezők Izomhossz (erő- hossz összefüggés) Izületi szög (nyomaték – izületi szög összefüggés) Az izom élettani keresztmetszete (hipertrófia) Izomfelépítés, architektúra (tollazottsági szög) Testhelyzet

Az izom hossz-feszülés görbéje IC 2006.01.10.

Izületi szög – nyomaték kapcsolat Növekvő - csökkenő M Növekvő Csökkenő Neutrális Izületi szög

Testhelyzet

A maximális izometriás erő és az egy ismétléses maximum (1RM) viszonya

Clean and jerk Snatch 1RM = 135 kg 37.7% 68.0% 82.9% 61.3% 65.8% 79.0%

Az erőkifejlődés meredeksége (explozív erő)

Akaratlagos izometriás erő (nyomaték) kifejtése hosszabb-rövidebb időt vehet igénybe Freund, H. (1983)

Normál Gyors

KONCENTRIKUS KONTRAKCIÓ

A koncentrikus kontrakció létrejöhet súlyokkal kontrollált sebességgel állandó szögsebesség növekvő sebességgel állandó gyorsulással növekvő gyorsulással

Normál koncentrikus kontrakció IC CC Fi = 0 G > 0 Fi = G Fi > G G > Fi

Erő (nyomaték) – sebesség összefüggés

Teljesítmény – sebesség görbe P = F · v (Nm/s, Watt) P = M · ω (Nm rad/s, Watt)

(F + a) (V + b) = konstans = b (F0 +a) HILL EGYENLET ERŐ (F + a) (V + b) = konstans = b (F0 +a) NYOMATÉK (M + a) ( + b) = konstans = b (M0 +a) ω

A görbék jellemzői Fo (Mo) - mért Vo – számolt vagy becsült P0 Fo (Mo) - mért Vo – számolt vagy becsült Po - számított F Po-nál - számított a/F0 F, F% F% Po-nál - számított a/Fo (= b/Vo) - F -V görbe alakja V0

Néhány változó értéke A maximális teljesítmény az izom azzal a teher (súly) nagysággal éri el, amely a maximális statikus erő 30-40 százaléka. Példa: Ha maximális statikus erő 1000 N, akkor a maximális teljesítmény az izom akkor éri el, ha 300-400 N súlyerőt kell mozgatni meghatározott úton a lehető legrövidebb idő alatt.

Az a/F0 értéke nulla és 1,0 között változhat Az a/F0 értéke nulla és 1,0 között változhat. Soha nem éri el a két szélső értéket. Az emlősök harántcsikos izmaira az jellemző, hogy az a/F0 érték 0,15 és 0,40 közé esik

P = 3184 Watts Weight (F) at P0 = 1752 N F at P0 = 31.8 % a/F0 = 0.42

Az “a” és “b” konstansok meghatározása Fo = 4000 N Fo - F/ V F V Fo-F/V y = bx + a 1 2 3 4 5 6 200 5.5 690 1500 400 5.0 900 600 3.0 1133 900 b= dy/dx a 800 2.6 1230 1000 2.3 1304 300 1200 2.3 1400 0 600 1200 1800 2100 Súlyerő (N)

A rövidülési sebesség különböző izmokban Párhuzamos Pennátusz Izomhossz 20 cm 20 cm rosthossz 20 cm 4 cm Szarkomer hossz 2 um 2 um Szarkomer/rost 100 000 20 000 A szarkomer rövidülési sebessége 10 u/s 10 u/s Az izom rövidülési sebessége 100 cm/s 15 cm/s 15 cm/s

Az izmok felépítettsége (arhitektura)

Tollazottsági szög Aponeurosis Rostok  Aponeurosis

Anatómiai és élettani keresztmetszet

Az élettani keresztmetszet kiszámítása ( PCSA ) izomtömeg x cos a PCSA = rosthossz x sűrűség (1.067 g cm3 )

Élettani keresztmetszet ( PCSA )

Jellemzők Sartorius 448 0.88 0.00 1.7 Vastus lat. 72 0.23 0.12 (6.7) izom rosthossz hosszarány pennáltság PCSA (mm) szög(rad) (cm2) Sartorius 448 0.88 0.00 1.7 Vastus lat. 72 0.23 0.12 (6.7) 30.6 Gastr. med. 37 0.16 0.25 (14.4) 32.4 Soleus 25 0.08 0.48 (27.6) 58.0 1 degree = 0.0174 rad

Az izom specifikus feszülése (tenziója) Egységnyi izomerő = 30- 40 N/ cm2 (PCSA)

EXCENTRIKUS KONTRAKCIÓ

Az excentrikus kontrakció

Mivel a külső erő nagyobb, mint az izom által kifejthető legnagyobb erő, ezért az izom hossza növekszik és feszülése nő.

Mi az oka az izom feszülés növekedésének? az elasztikus elemek ellenállása a motoros egységek tüzelési frekvenciája új motoros egységek bekapcsolása

Nyújtás különböző izomhosszakon

Maximálisan ingerelt izolált izom Fex EC Izometriás

IC EC Fex

Akaratlagos izomkontrakció Nyomaték Szög EMG (VL) EMG (BF)

Hill 1938 Béka gastrocnemius Fec / Fic = 1.8

Intakt izomban a nyújtás kiválthatja a nyújtási reflexet, amely bizonyos feltételek alatt növelheti az izom feszülését.

Gyors feszülésnövekedés (short range stiffness) Aktív feszülés Visszamaradó feszülés

Az izom feszülésének nagysága nyújtás előtt 100 % 80 % 60 % 40 % 20 %

306 Nm 259Nm 75 Nm

Az aktív feszülésnövekedés mértéke függ az izomhossztól a megnyújtás sebességétől az izom kezdeti feszülésétől a nyújtást megelőző feszülés növekedés nagyságától (RTD)

A visszamaradó feszülés mértéke függ az izomhossztól A nyugalmi hossznál nagyobb hosszon jelentősebb

NYÚJTÁSOS - RÖVIDÜLÉSES CIKLUS

A külső erő munkát végez az izmon elhasználva a rendelkezésére álló energiát, amelynek egy része az izomban, mint elasztikus energia tárolódik.

NYÚJTÁSOS – RÖVIDÜLÉSES CIKLUS

SSC IC EC CC Fex

SSC IC EC CC Fex

Nyomaték-idő EMG, Vastus lateralis Mecc Nyomaték-idő IC EC CC EMG, Vastus lateralis

Elasztikus energia tárolás és felhasználás Mechanikai hatásfok rövidülés Pozitív munka Negatív munka nyúlás

A munkavégzés hatásfoka

MECHANIKAI HATÁSFOK

SJ CMJ Az izomnyújtás okozta pozitív munka növekedés

Stretch reflex