Сухожилия какую нагрузку выдержать
Содержание статьи
Прочны ли мы?
Это было много лет назад, когда испытывали парашют русского изобретателя Котельникова. Генерал, руководивший испытанием, вдруг засомневался: что если у парашютиста… оторвутся ноги? Опыты с куклой-манекеном прошли успешно, но выдержит ли человек мощный рывок раскрывшегося парашюта? С тех пор миллионы прыжков доказали безопасность парашютной техники, но почти ничего не внесли в теорию прочности наших мышц, костей и связок.
Как то в Праге собрались хирурги, ортопеды, спортсмены, анатомы и другие специалисты из многих стран мира. Они на время оставили свою работу, перестали читать лекции, перестали лечить. И лишь затем, чтобы обсуждать только один-единственный вопрос — повреждения ахиллова сухожилия. Ему посвятили целый международный симпозиум… Да, врачи, к сожалению, нередко констатируют травму именно этого сухожилия. Подкожные разрывы его — беда гимнастов, акробатов, волейболистов и футболистов. Те, кто, увы, избегает заниматься спортом, тоже не избавлены от такой неприятности. Даже многоопытные медики становятся жертвой коварного сухожилия: немецкий хирург Гюнтер, вальсируя, разорвал его и слег в больницу.
Кстати, ахиллово, или пяточное, сухожилие — самое толстое, самое крепкое из всех сухожилий человека. Оно начинается от икроножной мышцы, которая еще называется трехглавой, и прикрепляется к пятке. Разорвать его нарочно очень трудно. Если прикрепить к нему груз в 0,5 тонны и то выдержит! Почему же оно повреждается при прыжках, беге, танцах? Да потому, что нельзя сразу начинать упражнения с резких движений, нужна предварительная разминка; немного попрыгать, побегать. Мышцы могут выдержать большую нагрузку, но они не любят резких движений, рывков. Об этом хорошо знают опытные мастера спорта.
Развивается авиация и ракетная техника, организм человека вынужден приспосабливаться к массе всяких воздействий: перегрузке, невесомости, вибрации. Ученые стали больше интересоваться прочностью сосудов человека, ведь их стенки при перегрузках испытывают большое напряжение. И не только для авиации интересно знать прочность сосудов. Во многих странах болезни сердца и сосудов стоят на первом месте. Среди них — очень распространенная болезнь, связанная с подъемом кровяного давления. Если у человека вдруг подскочит кровяное давление, кровеносный сосуд может не выдержать и разорваться. Поэтому ученые решили определить их прочность. Лет 50-60 назад исследователи просто брали сосуды животных, наполняли их ртутью, смотрели, когда сосуд под тяжестью ртути разорвется.
Сейчас, применяя физико-математические методы, измерив давление и скорость кровотока при помощи специальных аппаратов, можно определить прочность сосудов у здорового или больного человека. Если у него высокое кровяное давление, а сосуд поражен болезнью и хрупок, то его можно заменить искусственным, сотканным из особых тканей.
Постепенно в медицину проникали методы испытания материалов, применяемых прежде только в технике. Простые «испытательные» работы разрослись до целой науки. Она будет заниматься изучением сопротивления биологических материалов, так же как инженеры изучают сопротивление строительных и промышленных материалов. Это биосопромат.
Мы говорили о прочности стенок сосудов. Но у человека есть и клапаны. В венах и в сердце. В сердце к краям каждой створки клапана прикрепляются тонкие сухожильные нити, идущие от внутренней оболочки сердца. От прочности сухожилий, которые то растягиваются, то сжимаются в такт ударам сердца, зависит и «прочность» сердца. Нити эти испытывали на прочность машинами, употребляемыми прежде только в лабораториях техники. Оказалось, все сухожильные нити выдерживают нагрузку в 2-3 килограмма при нормальном давлении крови 125-130 мм ртутного столба. Но когда давление крови увеличивается, скажем, до 260- 280 мм ртутного столба, то нагрузка на все сухожильные нити будет уже от 4,4 до 6,6 кг. Заметим, что в технике при постоянной нагрузке запас прочности принимается 3-4-кратным, при переменной нагрузке 5-6-кратным. Но, увы, история сердечных заболеваний показывает — «нити сердца» иногда терпят аварию. Следовательно, запас их прочности невелик, у инженеров зависти не вызовет, и здесь искать какие-либо сверхнадежные материалы вряд ли имеет смысл.
Теперь о прочности костей. Сравним их с известными строительными материалами. «Живая» кость приблизительно в пять раз прочнее железобетона, как на сжатие, так и на растяжение. Сопротивляемость кости к разрыву выше, чем у дуба, и приближается к прочности чугуна. Но каких-либо особых рекордов прочности здесь тоже нет.
Человек стоит, сидит и двигается благодаря хорошо сконструированному природой опорно-двигательному аппарату. Аппарат этот — позвоночный столб и конечности — включает в себя активную часть — мышцы и пассивную — кости, хрящи, связки. Ученых всегда интересовало, как прочность костей связана с возрастом. Теперь методами биосопромата установили: чтобы сломать реберный хрящ в возрасте 15-20 лет, требуется сила в 13,1 кг, а в возрасте 60 лет всего 1,5 кг.
Прочность хряща уменьшается в десять раз! Отчего же? К шестидесяти годам в костях и хрящах накапливаются отложения солей кальция. А они придают хрящам хрупкость. Отложение солей? Но ведь с подобными неприятностями сталкивается и техника; в ее химических реакторах, змеевиках и трубопроводах тоже откладываются соли. Конечно, техники или медики найдут способ борьбы с отложениями. И тогда те, кто первыми решат проблему, смогут, быть может, помочь другим: медики — техникам или наоборот.
Основное звено в опорно-двигательном аппарате — позвоночник. Он состоит из позвонков, между которыми располагаются межпозвоночные хрящевые диски. Эти диски — своеобразные рессоры, амортизаторы при ходьбе, беге и прыжках. Оказалось, что позвонок выдерживает нагрузку от 400 до 600 кг, а межпозвоночные хрящи — от 700 до 2000 кг. Хрящ прочнее кости. Однако на деформацию растяжения он показал себя менее прочным, чем позвонок. Так что межпозвоночные диски, состоящие из хряща, менее прочны, чем кости, однако более эластичны и упруги, поэтому-то они добросовестно выполняют свою рессорную функцию.
Наши суставы, как правило, имеют связки из плотной соединительной ткани. Назначение связок — тормозить движения, ограничивать их. Связки должны быть эластичными, упругими и в то же время прочными. Самой прочной оказалась связка надколенника, выдерживающая на разрыв от 42 до 239 кг, а связки, расположенные сбоку локтевого сустава, наиболее слабые. Они выдерживают лишь от 1 до 16 кг.
Как известно, почти все мышцы прикрепляются к костям. Нужно ли знать их прочность? Вспомним, что одному ахиллову сухожилию посвятил свою работу целый международный симпозиум. А чтобы определить запас прочности этого сухожилия, провели сложные наблюдения на спортсменах. Использовали целый комплекс аппаратуры, куда входили динамографическая платформа с регистрацией всех составляющих опорной реакции спортсмена при прыжке и вектор-динамографическая приставка. На экране электронного осциллорафа получали данные о величине и направлении усилий. Вектор-динамограмма фотографировалась, а момент отталкивания снимал киноаппарат. После математических расчетов оказалось, что во время прыжка ахиллово сухожилие испытывает усилие почти в 100 килограммов! Оно имеет четырехкратный запас прочности.
Таков краткий «биосопроматный» очерк прочности нашего тела. Надо сказать, что в общем, обижаться нам не приходится. В 1960 году гоночная машина «Синяя птица» английского спортсмена Кэмбелла, мчавшаяся со скоростью 350 миль в час, трижды перевернулась в воздухе и разбилась вдребезги. Гонщик встал, отряхнулся и пешком направился к санитарной машине. Это вовсе не исключительное везение. Статистика дорожных происшествий знает тысячи случаев, когда автомашина переворачивается на полном ходу, почти разрушается, а пассажиры отделываются легкими ушибами.
Как найти точные характеристики сопротивляемости биологических тканей разным механическим воздействиям? Этому посвящается большая исследовательская работа, которая еще только начинается. Биологи, врачи, анатомы, биохимики, ортопеды приглядываются к методам физиков и механиков.
Сможет ли техника повысить прочность организма? Вероятно, да. Но пути этого неясны. Будут ли это какие-либо «внешние скелеты» — каркасы на шарнирах, управляемые биотоками, или химические составы, укрепляющие костные ткани, или еще что-то, сейчас неизвестное даже в принципе? Замечательные операции современных хирургов по вживлению искусственных клапанов сердца и сосудов — первые, но многообещающие усилия. И в связи с этими операциями можно сделать одно замечание. Инженеров всегда восхищала надежность работы нашего сердца. Но нет принципиальных препятствий к созданию полностью искусственного сердца. Несомненно, что по надежности оно не должно уступать «настоящему». Более того, нет опять-таки принципиальных трудностей в создании сердечного электронно-механического аппарата, превосходящего по надежности свой живой прототип.
Вещи из мира техники и объекты живой природы имеют границы своей прочности, но граница эта не абсолютна, она условна и отодвигается по мере развития науки. Прогнозы оптимистичны! Надо только заметить, что внешнее копирование живых «деталей» не сулит успеха. Секреты надежности живых организмов следует искать в очень глубинных процессах.
Автор: А. Обысов.
P. S. О чем еще думают британские ученные: Также рассуждая о прочности человеческого организма не стоит забывать о такой важной его части, как зубы, от прочности которых также много чего зависит. Ведь малая прочность наших зубов часто приводит к зубному кариесу, и дальше приходится нам заниматься лечением зубов, искать хорошего стоматолога, да и само занятие это малоприятное и недешевое. Так что лучше беречь свои зубы, их прочность, и чтобы эта прочность была стойкой не стоит пренебрегать гигиеной (обязательно чистить зубы с утра и вечером), не злоупотреблять сладким, и вообще питаться здоровой и полезной пищей.
Источник
Мышцы и сухожилия. Как улучшить спортивные показатели и избежать травм
Переводчик: Татьяна Архарова
Редактор: Вероника Рис
Источник: Bas Van Hooren
Сухожилия передают усилие от наших мышц к костям, и правильное взаимодействие между мышцами и сухожилиями очень важно для работоспособности спортсмена и предотвращения травм.
При сокращении (напряжении) мышцы сухожилие растягивается и остается таким, пока мышца сокращена. Когда сильная мышца тянет «слабое» сухожилие, оно может очень сильно растягиваться (Рис. 1). Это, в свою очередь, может привести к микротравмам, разрывам в волокнах сухожилий.
Когда растяжение сухожилия происходит часто, и оно не успевает заживать, это может в конечном итоге привести к травмам, таким как тендинопатия. Когда мышца становится сильнее и крупнее, сухожилие должно «подстраиваться», чтобы предотвращать чрезмерное напряжение и связанные с ним повреждения. Увеличение жёсткости сухожилий позволяет им меньше растягиваться и служит защитным механизмом.
Сильные мышцы нуждаются в жёстких сухожилиях.
Рис.1 Верхние изображения. Слева: дисбаланс между мышцой и сухожилием. Мышца, сильно растягивающая сухожилие. Справа: баланс между мышцой и сухожилием. Сокращение мышцы приводит к снижению напряжения в сухожилии. Ниже: изображения сухожилий крыс с растяжением под микроскопом. A — сухожилия без растяжения с ровными, параллельными волокнами коллагена; B — небольшое растяжение сухожилия характеризуется некоторой деформацией волокон; C — умеренное растяжение, наблюдается расширение пространства между волокнами; D — сильное растяжение, неровность волокон, увеличение пространства между волокнами.
Дисбаланс из-за тренировок
Мышцы и сухожилия приспосабливаются к механическим нагрузкам и чувствительны к механическим воздействиям. Процесс, с помощью которого механический стимул превращается в биохимический ответ, называется механотрансдукцией.
Благодаря биохимическому ответу происходит адаптация. Но время адаптации и механические стимулы, которые и вызывают эти адаптации, могут различаться в тканях мышц и сухожилий. Недавние эксперименты in vivo (в живом организме) показали, что высокоинтенсивные тренировки приводят к адаптациям в тканях сухожилий. Также было показано, что умеренная продолжительность нагрузки (3 секунды + релаксация) привела к лучшей адаптации, в отличие от более короткой (1 секунда + релаксация) или более длительной (12 секунд).
Таким образом, тренировки, в особенности плиометрические (прыжковые тренировки) или с низкой интенсивностью, могут привести к дисбалансу между мышцами и сухожилиями, и в итоге привести к травмам.
Существуют ли доказательства дисбаланса?
В недавнем перекрестном исследовании Mersmann и коллеги выяснили, что у волейболистов наблюдается больший дисбаланс в силе мышц-разгибателей коленного сустава и коленной чашечки по сравнению с просто активными людьми их же возраста. Авторы предположили, что этот дисбаланс может способствовать повреждению связок коленной чашечки в результате плиометрической тренировки.
Более «слабое» сухожилие по отношению к более сильной мышце может привести к травме сухожилия, но и слишком жёсткое сухожилие по отношению к более слабой мышце также может привести к травме. Жёсткое сухожилие меньше растягивается, например, ахиллово сухожилие во время бега.
Спортивные показатели
«Слабое» сухожилие может привести не только к травмам, но и к плохим спортивным показателям, так как снижается работоспособность из-за более быстрого сокращения мышечных волокон. В результате силовые показатели хуже. Слишком жёсткое сухожилие тоже может привести к ухудшению показателей. Поэтому нахождение «золотой середины» не только снижает риски травм, но и положительно влияет на показатели спортсмена.
Что нужно для баланса?
Дисбаланса можно избежать с регулярными силовыми тренировками. Чтобы упражнения были эффективными для мышц и сухожилий, они должны соответствовать нескольким критериям:
1. Механическая нагрузка:
Эксперименты in vivo показывают, что растяжение около 5% является оптимальным для тренировки жёсткости сухожилия. Эти результаты совпадают с результатами другой недавней работы, в которой соизмеримое растяжение привело к наибольшему увеличению фосфорилирования.
Как в экспериментах in vivo, так и in vitro, меньшие нагрузки (с меньшим весом отягощения) приводили к меньшей адаптации/фосфорилированию. Чтобы получить достаточную нагрузку на сухожилие, мышца должна сильно сокращаться. Использование веса больше 85-90% от максимального произвольного сокращения приводит к сильному сокращению мышц и достаточной нагрузке (~5%) на сухожилие, чтобы привести к адаптации.
2. Продолжительность нагрузок:
При короткой продолжительности нагрузок, например, как при плиометрической тренировке, снижается процесс адаптации в тканях сухожилий. Исследования in vivo показывают, что продолжительность сокращений около 3 секунд с периодом отдыха 3 секунды приводит к адаптации сухожилий, что свидетельствует об эффективной механотрансдукции (процесс, через который силы и другие механические сигналы преобразуются в клеточные сигналы).
Более короткие (1 секунда) и более длинные (10 секунд) сокращения привели к снижению фосфорилирования.
3. Период отдыха:
К сожалению, не было проведено исследований in vivo для определения оптимального периода отдыха между подходами. Только в экспериментах in vitro изучалось воздействие на сухожилия повторной тренировки без отдыха и с периодом отдыха около 6 часов. Данные говорят о том, что между тренировками сухожилий требуется как минимум 6 часов отдыха.
4. Другие факторы:
Хотя тип сокращения — концентрический, эксцентрический или изометрический — не имеет первостепенного значения в случае адаптации сухожилий, важно учитывать некоторые преимущества и недостатки разных типов тренировок.
При динамической — концентрически-эксцентрической — тренировке сухожилие испытывает большие нагрузки только в течение некоторого времени. Поэтому рекомендуется увеличить продолжительность упражнения примерно до 6 секунд, чтобы стимул был достаточным для эффективной механотрансдукции. Также можно делать те упражнения, при которых нагрузка на сухожилия высока, например, сгибание колена под 60 градусов во время выполнения приседа.
Преимущество изометрических тренировок состоит в том, что продолжительность и интенсивность легче контролировать по сравнению с динамическими упражнениями. Упражнения также можно легче модифицировать, чтобы не травмировать сухожилия. Изометрические упражнения рекомендуется выполнять 3 раза в неделю с примерно 2 минутами перерыва между подходами (Рис. 2).
Рисунок 2. Тренировка сухожилия [Bohm et al.]
Есть предположение, что тренировки с низкой механической нагрузкой, такие как подъёмы голеней, могут привести к дисбалансу между силой мышц и сухожилий, поскольку малая механическая нагрузка оказывает больше влияния на мышцы, чем на сухожилия. Недавний систематический обзор показал, что силовая тренировка высокой интенсивности имеет потенциальные преимущества по сравнению с эксцентрическими упражнениями при тендинопатии ахиллова сухожилия, хотя эффект мал.
В нескольких исследованиях для лечения тендинопатии использовалась относительно долгая продолжительность мышечных сокращений. Например, Rio с коллегами обнаружили, что изометрические сокращения мышц уменьшают боль в долгосрочной перспективе у людей с тендинопатией связки надколенника. Тем не менее, недавние исследования не обнаружили такого же эффекта у пациентов с тендинопатией ахиллова сухожилия.
При тендинопатии можно травмироваться, и при нагрузке повреждённого сухожилия здоровая ткань сухожилия «защищает» менее прочную и травмированную ткань. Так как здоровые волокна больше напрягаются, повреждённые не получают стимулов к адаптации. Решить это можно с помощью так называемой «релаксации напряжения». Поскольку неповреждённые волокна коллагена медленно расслабляются, повреждённая ткань становится более «нагруженной» и, таким образом, адаптируется.
Желатин
Коллагеновые волокна под микроскопом
Недавно было показано, что приём 15 г желатина в сочетании с ~225 мг витамина С за час до тренировки приводит к увеличению синтеза коллагена по сравнению с плацебо. Это может использоваться для профилактики травм или во время реабилитации в сочетании с ранее описанными упражнениями.
Недавнее исследование, в котором приняло участие 18 человек, показало, что лечебная физкультура при тендинопатии ахиллова сухожилия дала лучшие результаты с приёмом 2,5 г желатина за 30 минут до выполнения упражнений.
Также напоминаем, что гидролизированный коллаген имеет большую биодоступность. 15 г гидролизата коллагена в день эквивалентны 15 г желатина, и даже больше из-за лучшей способности усваиваться.
Дополнительно: СМТ — Научный подход выпускает гидролизат коллагена отличного качества с разными вкусами. Одна порция содержит 5 г необходимого вещества — 3 порции могут заменить вышеописанный желатин с витамином С. Заказать себе домой коллаген можно по ссылке.
Источник