A VÁZIZOM BIOMECHANIKÁJA

A vázizom felépítése

Mi az izmok alapfunkciója? Kontrakció Mi az izomkontrakció? A kontrakció az izom aktív állapota Mi történik az izomban a kontrakció alatt? Az izom feszülése növekszik, amely által (1)erőt fejtenek ki az eredési és tapadási helyekre , (2)forgatónyomatékot hoznak létre.

Az izomkontrakció alapegysége a szarkomér

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

Egy szarkomer működésének 3D animációja

Az erőkifejtés, munkavégzés alapegysége a kereszthíd

Egy szarkomérben 240 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)

A erőkifejtés alapegysége Kereszthíd

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

Az izom három komponenses modellje IC Fex EC PEC CE SEC CE – kontraktilis elem PEC – párhuzamos elasztikus komponens SEC – sorba kapcsolt elasztikus komponens

IZOMETRIÁS KONTRAKCIÓ

Tetanusz izomkontrakció erő-idő görbéje F0 RTD= dF/dt 1/2Rt dF dt Idő a RTDmax

Akaratlagos izometriás köntrakció 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

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

Izületi szög – nyomaték összefüggés Nyomaték (Nm) 140 120 100 80 flexor 60 extensor 40 20 5 15 30 45 60 75 90 flexor 63.6 57.4 56.9 49.5 50.5 45.7 36.1 extensor 61.5 85.5 107.4 120.9 119.5 117 103.9

Testhelyzet

Testhelyzet

Az izmok felépítettsége (arhitektura)

Párhuzamos rostlefutású Tollazott Az izom erőkifejtésének iránya egybe esik az izomrostok erőkifejtésének irányával Az izom erőkifejtésének iránya nem esik egybe az izomrostok lefutásának irányával

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)

Akaratlagos izometriás erő (nyomaték) kifejtés kezdetének időbeli lefolyása Freund, H. (1983)

Az izmok elektromos aktivitása és az erőkifejlődés gyorsasága 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 (Fo +a) HILL EGYENLET ERŐ (F + a) (V + b) = konstans = b (Fo +a) NYOMATÉK (M + a) ( + b) = konstans = b (Mo +a) ω

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

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

A rövidülési sebesség párhuzamos lefutású és tollazott izmokban 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

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

Hol raktározódik az elasztikus energia az izomban? Rövid nyújtás: sorba kapcsolt elasztikus elemekben (pl. inak) Hosszú nyújtás: sorba kapcsolt elasztikus elemekben (pl. inak, kereszthíd) Párhuzamos elasztikus elemekben (pl. izompólya, rost membrán)

Maximálisan ingerelt izolált izom Fex EC Izometriás

IC EC Fex

Intakt izomban a nyújtás kiválthatja a nyújtási reflexet, A nyújtásos reflex hatására az izom feszülése növekszik (több motoros egység kerül bekapcsolásra és/vagy a működő motoros egységekben több kereszthíd kapcsolat keletkezik amely bizonyos feltételek alatt növelheti az izom feszülését.

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

Az izmok excentrikus kontrakció alatt 1,2-1,8-szor nagyobb erőkifejtésre képesek, mint izometriás kontrakció során

Hill 1938 Béka gastrocnemius Fec / Fic = 1.8

NYÚJTÁSOS - RÖVIDÜLÉSES CIKLUS

A külső erő munkát végez az izmon elhasználva a rendelkezésére álló energiát, amelynek egy része az izomban, mint elasztikus energia tárolódik. Mivel a külső erő már nem tud munkát végezni az izmon, az izom végez munkát a külső ellenállással szemben felhasználva a tárolt elasztikus energiát.

SSC IC EC CC Fex

NYÚJTÁSOS – RÖVIDÜLÉSES CIKLUS

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

MECHANIKAI HATÁSFOK

Guggoló helyzetből felugrás Izületi hajlítás-nyújtás-felugrás

Stretch reflex

SSC IC EC CC Fex

Gyors feszülésnövekedés (short range stiffness) Aktív feszülés Visszamaradó feszülés

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