运动生理学—第二章 肌肉活动
第三节 肌肉的收缩形式与力学特征
一、肌肉的收缩形式
肌肉收缩表现产生张力或/和长度变化。
依肌肉收缩的张力和长度变化，运动生理学将肌肉收缩的形式分为缩短收缩，拉长收缩和等长收缩三类。
（一）缩短收缩
缩短收缩：缩短收缩是指肌肉收缩所产生的张力大于外加的阻力时，肌肉缩短，并牵引骨杠杆做相向运动的一种收缩形式。缩短收缩时肌肉起止点互相靠近，又称向心收缩。
特点：张力大于外加阻力，肌长度缩短。
作用：是肌肉运动的主要形式，是实现动力性的基础（如挥臂、高抬腿等）。
实例：如运动练习中的前臂弯举、高抬腿跑、挥臂扣球等练习，参与工作的主动肌就是做缩短收缩。
肌肉进行缩短收缩时，因负荷移动方向和肌肉用力的方向一致，肌肉做正功。
依据整个关节运动范围肌肉张力与负荷的关系，缩短收缩又有非等动收缩和等动收缩之分。
非等动收缩（等张收缩）：非等动收缩是肌肉克服恒定负荷的一种收缩形式，由于不同关节角度杠杆得益不同和受肌肉收缩长度变化的影响，在整个关节移动范围内肌肉收缩产生的张力和所遇负荷阻力是不等同的，收缩的速度也不相同。
特点：由于不同关节角度杠杆得益不同和受肌肉收缩长度变化的影响，在整个关节移动范围内肌肉收缩产生的张力和所遇负荷阻力是不等同的，收缩的速度也不相同。
作用：在非等动收缩中所能举起的最大重量只能是张力最小的关节角度所能承受的最大负荷，用非等动收缩发展力量只有关节力量最弱点得到最大锻炼。
实例：例如，屈肘举起恒定负荷时，肱二头肌的张力在关节角度为115度～120度时最大，关节角度为30度时最小。
等动收缩：等动收缩是指通过专门的等动练习器械，使肌肉产生的张力在整个关节范围内，能始终与负荷等同，肌肉能以恒定速度或等同的强度收缩。该器械使负荷随关节运动进程得到精确调整，即在关节角度的张力最弱点负荷最小，而在关节角张力的最强点负荷最大。
特点：在整个关节范围内肌肉产生的张力能始终与负荷等同，肌肉能以恒定速度或等同的强度收缩。
作用：采用等动收缩发展力量可使肌肉在关节整个运动范围都得到最大锻炼。
实例：自由泳的手臂划水动作，就是等动收缩。在做最大等动收缩时，肌肉产生的张力在整个关节范围都是其能力的100%。
（二）拉长收缩
拉长收缩（离心收缩）：当肌肉收缩所产生的张力小于外力时，肌肉积极收缩但被拉长，这种收缩形式称为拉长收缩。拉长收缩时肌肉起止点相离，又称离心收缩。
特点：肌肉收缩产生的张力方向与负荷移动方向相反，肌肉做负功。
作用：在人体运动中拉长收缩起着制动、减速和克服重力等作用。
实例：运动实践中拉长收缩又往往与缩短收缩形成所谓牵张—缩短环，即肌肉在缩短收缩前先进行拉长收缩，使肌肉被牵拉伸长，这样，在紧接着的缩短收缩时，便可产生更大的力量或输出功率。
（三）等长收缩
等长收缩：当肌肉收缩产生的张力等于外力时，肌肉积极收缩，但长度不变，这种收缩形式称为等长收缩。
特点：等长收缩时负荷未发生位移，肌肉没有做外功，但仍消耗很多能量。
作用：等长收缩是肌肉静力性工作的基础，在人体运动中对运动环节固定、支持和保持身体某种姿势起重要作用。
二、肌肉收缩的力学特征
肌肉收缩的力学特征：肌肉收缩的力学特征，指的是肌肉收缩时的张力与速度、长度与张力的关系，此外，还有肌肉做功和功率问题等。
（一）肌肉收缩的张力与速度关系
当肌肉在后负荷（指肌肉开始收缩时才遇到的负荷或阻力）的条件下收缩时，最初肌肉因遇到阻力而不能缩短，只表现张力的增加，但当肌肉张力发展大于外加的负荷阻力时，肌肉开始以一定的速度缩短，负荷被移动。
张力—速度曲线：肌肉在后负荷作用下表现的张力与速度的这种关系描绘在直角坐标系上可得到一条曲线，称张力—速度曲线。
表现：后负荷越大，肌肉产生的张力也越大，肌肉缩短开始也越晚，缩短的初速度也越小；反之亦然。在一定的范围内，肌肉收缩产生的张力和速度大致呈反比关系。
①当后负荷增加到某一数值时，张力可达到最大，但收缩速度为零，肌肉只能做等长收缩。
②当后负荷为零时，张力在理论上为零，肌肉收缩速度达到最大。
③肌肉收缩的张力—速度关系提示，要获得收缩的较大速度，负荷必须相应减少；要克服较大阻力，即产生较大的张力，收缩速度必须减慢。
原因：肌肉收缩的张力—速度关系是由肌肉的性质决定的。肌肉张力和收缩速度可能分别被两种独立的机制所控制。肌肉收缩产生张力的大小取决于活化的横桥数目，而收缩速度则取决于横桥上能量释放的速率。当后负荷增大时，使更多的横桥处于活化状态，从而增大肌肉收缩的张力，同时抑制ATP水解，降低能量释放率，使收缩速度变慢。
机制：肌肉收缩产生张力的大小取决于活化的横桥数目，而收缩速度则取决于横桥上能量释放的速率。
（二）肌肉收缩的长度与张力关系
肌肉收缩的长度—张力曲线：如果在坐标图上将肌肉在不同前负荷作用下长度与张力的变化绘制下来，就可以得到一条曲线，称为肌肉收缩的长度—张力曲线。
表现：若在肌肉收缩前加于肌肉一定负荷（称前负荷），使肌肉收缩前就处于某种被拉长状态，即改变肌肉初长度，实验表明，最初增大肌肉收缩的初长度，肌肉收缩时产生的张力也增加；但当初长度增大超过某一长度时，张力反而减小。适宜初长度时，肌肉收缩产生的张力最大。
原因（机制）：长度—张力关系可用肌肉收缩的肌丝滑行理论加以解释。
①肌肉长度处于适宜水平时，粗、细肌丝处于最理想的重叠状态，因而起作用的横桥数目最多，故表现出收缩张力最大。
②当肌肉拉得太长、粗、细肌丝趋向分离，起作用的横桥数目减少，肌肉张力反而下降。
③当肌肉过于缩短，细肌丝中心端在肌小节中央交错，起作用的横桥数目也减少，肌张力将急剧下降。
（三）肌肉的做功、功率和机械效率
1.肌肉的做功
该力对物体做了功：在物理学中，把一个物体在力的作用下移动称作该力对物体做了功，其值等于力和物体沿力方向移动距离的乘积。
肌肉在做非等长收缩时做了功，在作等长收缩时物体没有产生位移，因而没有做功。
肌肉做功时克服的阻力，包括肌肉的内阻力和外阻力，因此，肌肉做功相应分为内功和外功。肌肉克服外阻力，如举起重物做了外功。
2.肌肉收缩的功率
功率：物理学中把单位时间所做的功称为功率。
爆发力：通常把力和速度的乘积称为爆发力，P（功率）=F（力）·V（速度）。因此，功率又称为肌肉收缩的爆发力。
肌肉作等长收缩时功率等于零，在非等长收缩时，功率等于力与速度的乘积。
由于肌肉收缩时张力与速度呈反比关系，要满足肌肉收缩力和收缩速度同时都达到最大，从而获得最大功率，实际上是不可能的。功率的最大值出现在速度和张力的最佳值处。
3.肌肉收缩的机械效率
肌肉收缩的机械效率：肌肉收缩的机械效率（η）等于完成的机械功（W）与消耗的总能量（E）的比值，即η=W/E。
人体肌肉收缩的机械效率一般为25%~30%。人体肌肉收缩的机械效率不是常数，而是以肌肉活动条件为转移的，其大小取决于肌肉活动时的负荷和收缩速度。适宜的负荷和适宜收缩速度所实现的机械效率最高。而适宜负荷和适宜速度也不是固定不变的，它们取决于神经肌肉的机能状态。