Lihastyö ja voima

Luustolihaksia muodostavan lihaskudoksen tärkein ominaisuus on supistuvuus, joka johtaa lihaksen pituuden muutokseen hermoimpulssien vaikutuksesta. Lihakset vaikuttavat nivelten yhdistämien vipujen luihin. Tässä tapauksessa jokainen lihas vaikuttaa niveleen vain yhteen suuntaan. Yksiaksiaalisessa nivelessä (sylinterimäinen, lohkon muotoinen) luuvipujen liike tapahtuu vain yhden akselin ympäri, joten lihakset sijaitsevat tällaisen nivelen suhteen molemmilla puolilla ja vaikuttavat siihen kahteen suuntaan (fleksio - ojennus; adduktio - loitonnus, rotaatio). Esimerkiksi kyynärnivelessä jotkut lihakset ovat koukistajia, toiset ovat ojentajia. Toisiinsa nähden nämä vastakkaisiin suuntiin niveleen vaikuttavat lihakset ovat antagonisteja. Yleensä kaksi tai useampi lihas vaikuttaa kuhunkin niveleen yhteen suuntaan. Tällaisia toimintasuunnassa ystävällisiä lihaksia kutsutaan synergisteiksi. Kaksiaksiaalisessa nivelessä (ellipsoidi, kondyli, satulanmuotoinen) lihakset on ryhmitelty sen kahden akselin mukaan, joiden ympäri liikkeitä suoritetaan. Pallonivelessä, jossa on kolme liikeakselia (moniaksiaalinen nivel), lihakset ovat vierekkäin useilta sivuilta ja vaikuttavat siihen eri suuntiin. Esimerkiksi olkanivelessä on lihaksia - koukistajia ja ojentajia - jotka liikkuvat etuakselin ympäri, loitontajia ja lähentäjiä - sagittaaliakselin ympäri ja rotaattoreita - pituusakselin ympäri (sisäänpäin suuntautuvat - pronaattorit ja ulospäin suuntautuvat - supinaattorit).

Tietyn liikkeen suorittavien lihasryhmien välillä voidaan erottaa päälihakset, jotka suorittavat kyseisen liikkeen, ja apulihakset, joiden apualot nimestä itsestään käy ilmi. Apulihakset mallintavat liikettä ja antavat sille yksilöllisiä ominaisuuksia.

Lihasten toiminnallisten ominaisuuksien mittaamiseen käytetään indikaattoreita, kuten niiden anatomista ja fysiologista poikkileikkausta. Anatominen poikkileikkaus on lihaksen pituusakseliin kohtisuorassa olevan ja vatsan läpi leveimmässä kohdassaan kulkevan poikkileikkauksen koko (pinta-ala). Tämä indikaattori kuvaa lihaksen kokoa ja paksuutta. Lihaksen fysiologinen poikkileikkaus on kaikkien tutkittavan lihaksen muodostavien lihassyiden kokonaispoikkileikkauspinta-ala. Koska supistuvan lihaksen voima riippuu lihassyiden lukumäärästä ja poikkileikkauksen koosta, lihaksen fysiologinen poikkileikkaus kuvaa sen voimaa. Fusiformisissa, nauhamaisissa lihaksissa, joissa on yhdensuuntainen kuitujärjestely, anatomiset ja fysiologiset poikkileikkaukset ovat samat. Erilainen kuva on pennate-lihaksissa, joissa on suuri määrä lyhyitä lihaskimppuja. Kahdesta samankokoisesta lihaksesta, joilla on sama anatominen poikkileikkaus, pennate-lihaksella on suurempi fysiologinen poikkileikkaus kuin fusiform-lihaksella. Pennate-lihaksen lihassyiden kokonaispoikkileikkaus on suurempi ja kuidut itse ovat lyhyempiä kuin fusiform-lihaksessa. Tässä suhteessa pennate-lihaksella on suurempi voima kuin jälkimmäisellä, mutta sen lyhyiden lihassyiden supistumisalue on pienempi. Pennate-lihaksia löytyy paikoista, joissa tarvitaan merkittävää lihasten supistumisvoimaa suhteellisen pienellä liikeradalla (säären, jalkaterän lihakset, jotkut kyynärvarren lihakset). Pitkistä lihassyistä rakennetut nauhamaiset, fusiformiset lihakset lyhenevät supistumisen aikana enemmän. Samalla ne kehittävät vähemmän voimaa kuin pennate-lihakset, joilla on sama anatominen poikkileikkaus.

Lihastyö. Koska lihaksen päät ovat kiinnittyneet luihin, sen lähtö- ja kiinnityspisteet tulevat lähemmäksi toisiaan supistumisen aikana, ja lihakset itse suorittavat tietyn määrän työtä. Näin ollen ihmiskeho tai sen osat muuttavat asentoaan, kun vastaavat lihakset supistuvat, liikkuvat, voittavat painovoiman vastuksen tai päinvastoin antavat periksi tälle voimalle. Toisissa tapauksissa, kun lihakset supistuvat, keho pidetään tietyssä asennossa suorittamatta liikettä. Tämän perusteella erotetaan toisistaan lihastyön voittaminen, antaminen ja pitäminen.

Lihastyön voittaminen tapahtuu, kun lihaksen supistumisvoima muuttaa ruumiinosan, raajan tai sen nivelen asentoa kuormitettuna tai kuormittamattomana ja voittaa vastuksen voiman.

Alempiarvoinen työ on työtä, jossa lihasvoima antaa periksi ruumiinosan (raajan) painovoimalle ja sen kantamalle kuormalle. Lihas työskentelee, mutta se ei lyhene, vaan pikemminkin pitenee; esimerkiksi silloin, kun on mahdotonta nostaa tai pitää kiinni suuren massan omaavaa esinettä. Keho on laskettava lattialle tai muulle pinnalle suurella lihasvoimalla.

Pitotyötä tehdään, jos lihasten supistumisvoima pitää kappaleen tai kuorman tietyssä asennossa liikkumatta avaruudessa. Esimerkiksi henkilö seisoo tai istuu liikkumatta tai pitää kuormaa samassa asennossa. Lihasten supistumisvoima tasapainottaa kappaleen tai kuorman massaa. Tässä tapauksessa lihakset supistuvat muuttamatta pituuttaan (isometrinen supistuminen).

Voitto- ja periksiantamistyötä, jossa lihasten supistumisvoima liikuttaa kehoa tai sen osia avaruudessa, voidaan pitää dynaamisena työnä. Pitotyötä, jossa koko kehon tai sen osan liikettä ei tapahdu, voidaan pitää staattisena työnä.

Nivelten yhdistämät luut toimivat vipuvarsina lihasten supistuessa. Biomekaniikassa erotetaan ensimmäisen luokan vipuvarsi, jossa vastus- ja lihasvoiman kohdistamispisteet ovat tukipisteen eri puolilla, ja toisen luokan vipuvarsi, jossa molemmat voimat kohdistetaan tukipisteen toiselle puolelle, eri etäisyyksille siitä.

Ensimmäistä kaksihaaraisen vivun tyyppiä kutsutaan "tasapainovivuksi". Tukipiste sijaitsee voiman vaikutuspisteen (lihaksen supistumisvoima) ja vastuspisteen (painovoima, elinmassa) välissä. Esimerkki tällaisesta vivusta on selkärangan ja kallon välinen yhteys. Tasapaino saavutetaan, jos kohdistetun voiman vääntömomentti (niskakyhmyyn vaikuttavan voiman tulo käsivarren pituudella, joka on yhtä suuri kuin etäisyys tukipisteestä voiman vaikutuspisteeseen) on yhtä suuri kuin painovoiman vääntömomentti (painovoiman tulo käsivarren pituudella, joka on yhtä suuri kuin etäisyys tukipisteestä painovoiman vaikutuspisteeseen).

Toisen tyyppinen vipu on yksihaarainen. Biomekaniikassa (toisin kuin mekaniikassa) sitä on kahta tyyppiä. Tällaisen vivun tyyppi riippuu voiman kohdistuspisteen ja painovoiman vaikutuspisteen sijainnista, jotka molemmissa tapauksissa ovat samalla puolella tukipistettä. Toisen tyyppisen vivun ensimmäinen tyyppi (voiman kohdistusvarsi) esiintyy, kun lihasvoiman kohdistusvarsi on pidempi kuin vastusvarsi (painovoima). Tarkasteltaessa jalkaterää esimerkkinä voimme nähdä, että tukipiste (kiertoakseli) on jalkapöydänluiden pää ja lihasvoiman kohdistuspiste (triceps surae -lihas) on kantaluu. Vastuspiste (kehon painovoima) on sääriluiden ja jalkaterän liitoskohdassa (nilkanivel). Tässä vivussa voima kasvaa (voiman kohdistusvarsi on pidempi) ja vastuspisteen liikenopeus pienenee (sen varsi on lyhyempi). Toisen tyyppisessä yksivartisessa vivussa (nopeusvivussa) lihasvoiman kohdistusvarsi on lyhyempi kuin vastusvarsi, johon kohdistuu vastakkainen voima, painovoima. Painovoiman voittamiseksi, jonka kohdistuspiste on huomattavan kaukana kyynärnivelen pyörimispisteestä (tukipiste), tarvitaan huomattavasti suurempi kyynärnivelen lähellä (voiman kohdistuspisteessä) kiinnittyneiden koukistajalihasten voima. Tässä tapauksessa pidemmän vivun (vastuspisteen) nopeus ja liikealue kasvavat, mutta voiman kohdistuspisteessä vaikuttava voima pienenee.