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　　上述三种肌肉收缩形式有关知识总结如表 l— l

　　三、肌肉收缩的力学特征

　　(一)肌肉收缩的张力—速度关系

　　肌肉收缩的张力与速度关系是指负荷对肌肉收缩速度的影响。实验发现，肌肉的收缩速度岁肌肉收缩时所对抗的负荷量(称后负荷)的变化而变化，即随负荷的增加而减小。实验中逐步增加肌肉的负荷，肌收缩产生的张力虽逐渐增大，但肌收缩的速度和缩短的长度即逐渐减小;当负荷增加到超过某一数值时，肌肉全然不能缩短，此时，肌缩短的速度及长度均等于零，但肌肉所产生的张力即达到最大(简称 P0)。由于此时肌肉缩短的距离为零，放从理论上讲，肌肉此时是没有做功的。在同样的实验中当逐渐减小肌肉的负荷时，肌肉收缩的速度和缩短的长度也逐次增大，但发展的张力即逐次减小。当负荷减小到零时，肌缩短的速度达到最大，简称最大缩短速度(Vmax)。此时肌肉的张力即为零，放从理论上讲，肌肉此时也是没有做功的。

　　若将上述不同负荷时肌肉的张力—速度变化绘成对应的坐标图，即可得到图2—23所示的曲线，称为张力—速度关系曲线，图中曲线和横座标轴相交的一点。肌肉完全不能缩短，张力达到最大(此点相当于等长收缩的最大肌力。在曲线和纵坐标相交的一点，表示肌肉产生的张力为零，但缩短速度最大，相当于零负荷时，肌肉能表现的最大收缩速度。

　　在这两个极端之间，曲线为双曲线式，说明肌肉产生的张力和当时的缩短速度呈反比。

　　肌肉收缩的力量随收缩速度而变化的关系，在不同收缩形式中变化的类型不一样。在缩短收缩中，肌肉收缩的力量随收缩速度的增加而下降;在拉长收缩中，随着收缩速度的增加，开始时力量却有所增加，其后才下降(图2—24)。

　　肌肉的这种张力—速度关系曲线特性，主要取决肌肉的性质。肌肉收缩时产生的张力和速度的变化，是分别由两种独立的机制控制的。肌收缩时产生张力的大小，取决于活化的横桥效低能量释放串，从而使肌收缩速度减慢。当负荷减低时，单位时间的能量释放速率增加，因而肌收缩速度亦增加。零负荷时肌肉收缩速度与活化的横桥数目无关，可用这样一个事例加以解释，例如，一个人拖着一根无负荷的绳以最大速度每小时跑10km，那么三个成更多的人排在一起跑的速度也是一样的。

　　根据张力—速度关系曲线来分析，在其他条件相同的情况下。如果要使收缩有较大的速度，负荷必须做相应的减少;如果要克服较大约阻力，则收缩速度将不可能维持原有的数值;如果要完成最大的物理功，则负荷过大过小皆非所宜，以中等负荷较为理想。所以，在运动或劳动实践中，张力—速度关系可用于确定最佳作业的最适负荷或速度，一般肌肉以1/3Fmax和1/3Vmax工作时可以发挥最大爆发力(功率)(图2—25) 。

　　研究表明，肌肉收缩的张力—速度关系曲线可通过训练而改变。与无训练者相比，有训练的运动员的张力—速度关系曲线向右上方偏移，亦即是在相同的力量下，可发挥更大的速度;或在相同的速度下，可表现出更大的力量(图2—26)。

　　金子公宥等报告，训练时采用的负荷不同(负荷分别为最大力量(P0)的0%、30%、60%和100%)对张力—速度曲线产生的影响不同。无负荷(0%P0)的最大向心收缩训练，最有效地增进最大速度;而100%P0的等长训练，则使最大力量增进最多，因而它们的张力—速度曲线在训练后的特点，是分别在速度或力量上有较大的改变。在30%P0和60%P0训练组，表现为运动速度和力量的全面增进，因而其张力—速度曲线在训练后成平行的改变(图2—27)

　　(二)肌肉收缩的长度—张力关系

　　肌肉收缩的长度张力关系是指肌肉收缩前的初长度对肌肉收缩时产生的张力的影响。如果在肌肉收缩前就给予肌肉一定的负荷(称为前负荷)，使肌肉拉长以改变其初长度，将可看到：随着前负荷的增大，肌肉的初长度逐渐增加，肌肉的收缩效果也逐渐增大，当肌肉初长度增加到某一长度时，肌肉将产生最大的收缩效果。此时若让肌肉进行等长收缩，肌肉将产生最大的张力;此时，若让肌肉在不同后负荷下进行缩短收缩，其每一后负荷下所产生的收缩速度，都要较其处于其他长度时为大，说明其作功能力增大。但当前负荷进一步增加，而使肌肉初长度超过此限度后，收缩效果将随前负荷的继续增加而逐渐减小。由此可见，每一肌肉都存在一个最适的初长度或最适前负荷，肌肉在此长度下收缩时，可产生最大的收缩效果或作功能力，若初长度较长成较短时，其收缩效果下降。一般认为，人体中肌肉最适初长度稍长于肌肉在身体中的“静息长度”(大约为静息长度的125%)此长度被认为接近在人体内自然条件下最大可能的伸长，但亦有人认为它实际上较此为短。

　　图2—28表示一肌肉所产生的主动张力与肌肉初长度的关系。主动张力是肌肉收缩过程中肌球蛋白与肌动蛋白相互作用所产生的张力。此外，如果肌肉在收缩前受到牵技，还将产生被动张力。被动张力是由于结缔组织和肌中其他弹性成分受到牵拉时而产生的阻力所引起。由图可见，肌肉的主动张力在肌肉初长度稍长于静息长度时最大，超出此长度后，主动张力即逐渐下降。

　　肌肉在最适初长度时为何能产生最大的张力?肌肉收缩力量的大小;主要取决于参与收缩的横桥的数目，根据肌肉收缩时肌丝相互关系的分析，最适初长度时粗丝和细丝处于最理想的重选状态，使收缩时起作用的横桥数目达到最太，因而能产生最大的力量(图2—29 A)。如果肌肉拉得太长，细丝和粗丝趋向分离，参加作用的横桥数目减少，故力量下降(图2—29 B)。肌肉过于缩短时，细丝中心端在肌节中央发生交错(重选)，起作用的横桥亦将减少(图2—29 C)，同时肌原纤维变形，故张力急剧下降。

　　(三)肌肉收缩能力的改变对肌肉收缩的影响

　　上述的两种关系曲线是指当肌肉收缩的外部条件(前、后负荷)的改变对肌肉收缩力学的影响，在这种情况下，肌肉本身的功能状态显然是处于恒定状态下。但肌肉本身的状态也是可以改变的，它也可以影响肌收缩的效率。例如，缺氧、膝中毒、肌肉能源物质缺乏，以及其它可引起肌收缩过程各环节如兴奋—收缩偶联、横桥功能特性改变的因素：都可降低肌肉的收缩效果。而钙离子，咖啡因，肾上腺素等体液因素则可通过影响肌肉的收缩机制而提高肌肉收缩效果。通常，把可以影响肌肉收缩效果的肌肉内部功能状态的改变，定义为肌肉收缩能力的改变，以区别于肌肉收缩时外部条件即前、后负荷改变所导致的收缩效果的改变。这样的区分虽然在概念上比较容易。但在自然在体条件下，这种区分即是较困难的，很难简单地根据肌肉力学等项指标，来衡量出我们所定义的所谓肌肉收缩能力的改变。但肌肉收缩能力改变的深入研究，对探讨训练对肌肉能力的影响具有重要的意义，上述的训练引起的肌肉力量—速度曲线向右上偏移的变化，可能是由肌肉收缩能力的改变引起的。

　　四、肌肉的机械功和功率

　　(一)肌肉的机械功

　　从物理学角度来考察，功是作功多少的具体量度。在任何作功过程中，都存在一定购力，以及在力的作用下所发生的位移。所以，功等于沿位移方向作用于物体的力与力的作用点的位移的乘积，即功(J)等于作用力(F)与其通过距离(D)的乘积

　　J(功)=F(力)× D(距离)

　　因之，肌肉的机械功等于肌肉收缩时所产生的张力( 达因或牛顿)乘其缩短的距离(cm或 m)

　　例如，一块肌肉收缩时，产生张力10kg，缩短的距离为0.2m。其机械功为：

　　10×9.8×0.02=1.96( J)

　　又如，一运动员将重50kg的杠铃上举1 m高，此时其做机械功将为50×9.8× l=490( J)

　　肌肉机械功的大小，与肌肉的生理横断面的大小和肌肉长度有关。

　　这是因为，前者影响功中的力量因素，后者影响功中的距离因素。

　　1.肌肉的生理横断面 实验证明，肌肉的生理横断面与肌肉收缩的力量成正比，在人体约为4—10kg/cm2。肌肉的生理横断面，是肌肉所有肌纤维横断面积的总和，与肌纤维行走的方向成直角。在其他条件相同下，肌肉的生理横断面愈大，包含肌纤维也愈多，它所产生的力也愈大。肌肉力量与生理横断面这种关系，在无训练者比有训练者表现得更为明显，因为通过系统的训练，肌肉力量增加的比率常常大于肌肉体积增加的比率，从而使这种关系减弱，这可能是由于训练能引致更多的运动单被同时地募集。虽然如此，在有训练者，肌力与肌肉横断面的这种关系同样是紧密存在的，肌肉的横断面仍然是预测他们的肌肉力量的最好指标。 人体肌肉中，肌纤维排列的方式有多种，有的与肌肉的纵轴平行，称平行肌，如肱二头肌，有的与肌肉纵轴成千角度，称半羽状和羽状肌，如臀大肌和肼肠肌。由于肌肉的生理横断面与肌纤维行走方向成直角，故在相同的体积下羽状肌的生理横断面积比平行肌大得多(图2—30)。但另一方面，羽状肌的肌纤维长度及羽状肌全长的十甚至—十，所以其缩短距离即较小，故羽状肌结构见于那些能产生很大力量而缩短不多的肌肉中。

　　在实践中，肌肉的横断面积可通过测定肢体的围度大小来粗略地估计。此围废不仅包括肌肉，还包括脂肪和骨，也未考虑到上述肌纤维排列方面的差别。虽然如此，据研究报道，股体围度与肌肉力量的相互关系虽弱于肌肉横断面与肌肉力量的相互关系，两者间仍存在明显的直线关系，故可粗略地用作预计人体力量的指标。

　　当一块肌肉在对抗它能勉强移动的负荷下收缩时，所产生的最大张力或最大力量，叫既肉的绝对力量。肌肉每一单位横断面积所能发挥的最大力量，称为比肌力或肌肉对相对力量。由于人体体重与肌肉重量密切相关，放在运动实践中，通常把整个人体所能举起的最大重量称为绝对力量，而把每千克体重能举起的重量称为相对力量。如一个体重为60kg的运动员，全力蹲举的最大重量为180kg，那么，180kg就是其绝对力量。相对力量即为180÷60=3kg/每公斤体重。

　　据研究，一个人的绝对力量或相对力量与其体重有一定关系。一般说来：体重较重的人，其绝对力量较大，而相对力量即较小，亦即绝对力量与体重成正相关，相对力量与体重成负相关，圈2—31表示了这种相互关系。这种关系可帮助说明体操运动员的身材为何倾向比足球运动员或铅球运动员小。体操运动员在成功地完成体躁动作中，需要有高水平的相对力量来很好控制身体在空间和器械上运动，而象足球这类需要用力把对物体射(推)向远处的运动，大的绝对力量或体重即较为有利。一般说来，对那些负荷仅为自己的体重的运动项目中，如跑、跳、技巧、跳水等相对力量是很重要的;那些需要推、抛离物体的项目如投掷等，绝对力量较为重要。

　　2.肌肉长度 肌肉的长度决定肌肉能缩短的最大距离。肌纤维平行排列的肌肉，在其他条件相同时，其机械功大小与肌肉长度成正相关。肌肉愈长，缩短的距离愈大，肌肉作功能力就愈太，但这种情况亦只适用于不太长的肌肉。由于肌纤维不太长，因而分布于肌肉全长的肌纤维几乎能够在同时发生兴奋。在肌纤维很长的多关节肌肉中，如缝匠肌，肌肉的机械功与其长度并不完全成正比关系，这是因为，兴奋与收缩总是发生在肌肉的某些部位，未兴奋部位由于被伸长而在很大程度减小收缩能力，故作功能力的增大赶不上肌肉长度的增加。在羽状肌中，肌肉的的机械功取决于最大肌束的长度，以及最大肌束与中央肌腱成的角度。至于肌肉初长度与功的关系前面已经述及了。

　　(二)功率

　　在功的概念中，没有涉及做功所需要的时间，如果两群肌肉做的功一样多，那么，在较短时间完成这一功(亦即收缩速度快的)的肌肉，显然其能力较大。因此，我们把单位时间(T)内所完成的功(J)，称为功率(P)，即：

　　P=J/T=F× D/T

　　由于 D/T等于速度，故还可将功率表述为力与速度的乘积FV在国际单位制中，功率的单位是 J·S为 W(瓦特)。如上例的运动员，在 l s内将50kg重的杠铃上举l m其功率将是

　　50×9.8× l/ 1s=490焦耳/ 1s秒=490W(瓦特)

　　功率在运动中是很重要的，在大多数运动中，肌肉能在最短时间内完成更大的功即实现更大的功率是获得成功的重要因素，赛跑(尤其是短跑)、跳、投掷等。