Spierwerk en kracht

De belangrijkste eigenschap van het spierweefsel dat skeletspieren vormt, is contractiliteit, wat leidt tot een verandering in spierlengte onder invloed van zenuwimpulsen. Spieren werken in op de botten van hefbomen die door gewrichten met elkaar verbonden zijn. In dit geval werkt elke spier slechts in één richting op het gewricht. In een uniaxiaal gewricht (cilindrisch, blokvormig) vindt de beweging van de bothefbomen slechts rond één as plaats, waardoor de spieren zich ten opzichte van zo'n gewricht aan beide zijden bevinden en er in twee richtingen op inwerken (flexie - extensie; adductie - abductie, rotatie). In het ellebooggewricht bijvoorbeeld zijn sommige spieren flexoren, andere extensoren. Ten opzichte van elkaar zijn deze spieren, die in tegengestelde richtingen op het gewricht inwerken, antagonisten. In de regel werken twee of meer spieren in één richting op elk gewricht. Dergelijke spieren, die vriendelijk zijn in de werkingsrichting, worden synergisten genoemd. In een biaxiaal gewricht (ellipsoïde, condylair, zadelvormig) zijn de spieren gegroepeerd volgens de twee assen, waarrond de bewegingen worden uitgevoerd. In een kogelgewricht, dat drie bewegingsassen heeft (een multiaxiaal gewricht), liggen de spieren aan meerdere kanten naast elkaar en werken ze in verschillende richtingen. Zo heeft het schoudergewricht spieren - flexoren en extensoren - die bewegingen uitvoeren rond de frontale as, abductoren en adductoren - rond de sagittale as, en rotatoren - rond de longitudinale as (naar binnen - pronatoren en naar buiten - supinatoren).

Binnen een spiergroep die een bepaalde beweging uitvoert, kunnen we de hoofdspieren onderscheiden die de beweging uitvoeren, en de hulpspieren. De hulpfunctie van deze spieren wordt door de naam zelf aangegeven. De hulpspieren modelleren de beweging en geven deze individuele kenmerken.

Voor de functionele kenmerken van spieren worden indicatoren zoals hun anatomische en fysiologische dwarsdoorsnede gebruikt. De anatomische dwarsdoorsnede is de grootte (oppervlakte) van de dwarsdoorsnede loodrecht op de lengteas van de spier en lopend door de buik in het breedste deel. Deze indicator karakteriseert de grootte van de spier, zijn dikte. De fysiologische dwarsdoorsnede van de spier is de totale dwarsdoorsnede van alle spiervezels waaruit de te bestuderen spier bestaat. Omdat de kracht van een samentrekkende spier afhangt van het aantal spiervezels en de grootte van de dwarsdoorsnede, karakteriseert de fysiologische dwarsdoorsnede van de spier zijn kracht. In spoelvormige, lintvormige spieren met parallelle vezelrangschikking vallen de anatomische en fysiologische dwarsdoorsneden samen. Een ander beeld is er bij pennate spieren, die een groot aantal korte spierbundels hebben. Van twee gelijke spieren met dezelfde anatomische dwarsdoorsnede heeft de pennate spier een grotere fysiologische dwarsdoorsnede dan de fusiforme spier. De totale dwarsdoorsnede van spiervezels in een pennate spier is groter en de vezels zelf zijn korter dan in een fusiforme spier. In dit opzicht heeft een pennate spier meer kracht dan de laatstgenoemde, maar het contractiebereik van de korte spiervezels is kleiner. Pennate spieren komen voor waar een aanzienlijke spiercontractiekracht nodig is met een relatief klein bewegingsbereik (spieren van het onderbeen, de voet, sommige spieren van de onderarm). Fusiforme, lintvormige spieren, opgebouwd uit lange spiervezels, worden tijdens contractie sterker verkort. Tegelijkertijd ontwikkelen ze minder kracht dan pennate spieren, die dezelfde anatomische dwarsdoorsnede hebben.

Spierarbeid. Omdat de uiteinden van de spier aan de botten vastzitten, komen de oorsprongs- en aanhechtingspunten dichter bij elkaar tijdens de contractie, en verrichten de spieren zelf een bepaalde hoeveelheid arbeid. Zo veranderen het menselijk lichaam of de delen ervan van positie wanneer de overeenkomstige spieren samentrekken, bewegen, de zwaartekracht overwinnen of juist bezwijken onder deze kracht. In andere gevallen, wanneer de spieren samentrekken, wordt het lichaam in een bepaalde positie gehouden zonder een beweging uit te voeren. Op basis hiervan wordt onderscheid gemaakt tussen overwinnen, toegeven en vasthouden van spierarbeid.

Er is sprake van een overwinnende spierarbeid wanneer de kracht van de spiercontractie de positie van een lichaamsdeel, ledemaat of een verbinding daarvan verandert, met of zonder belasting, en daarbij de weerstand overwint.

Inferieur werk is werk waarbij de spierkracht bezwijkt onder de zwaartekracht van het lichaamsdeel (ledematen) en de last die het draagt. De spier werkt, maar wordt niet korter, maar juist langer; bijvoorbeeld wanneer het onmogelijk is om een voorwerp met een grote massa op te tillen of vast te houden. Met grote spierinspanning moet het lichaam naar de vloer of een ander oppervlak worden gebracht.

Vasthoudarbeid wordt verricht wanneer de kracht van spiercontracties een lichaam of last in een bepaalde positie houdt zonder te bewegen. Bijvoorbeeld, een persoon staat of zit zonder te bewegen, of houdt een last in dezelfde positie. De kracht van spiercontracties brengt de massa van het lichaam of de last in evenwicht. In dit geval trekken de spieren samen zonder hun lengte te veranderen (isometrische contractie).

Overwinnende en meegevende arbeid, waarbij de kracht van spiercontracties het lichaam of een deel ervan in de ruimte beweegt, kan als dynamische arbeid worden beschouwd. Vasthoudarbeid, waarbij de beweging van het hele lichaam of een deel ervan niet plaatsvindt, is statische arbeid.

Botten die door gewrichten met elkaar verbonden zijn, fungeren als hefbomen wanneer spieren samentrekken. In de biomechanica wordt een hefboom van de eerste klasse onderscheiden, waarbij de weerstandspunten en de krachtsinspanning zich aan verschillende zijden van het draaipunt bevinden, en een hefboom van de tweede klasse, waarbij beide krachten aan één zijde van het draaipunt worden uitgeoefend, op verschillende afstanden ervan.

Het eerste type tweearmige hefboom wordt de "evenwichtshefboom" genoemd. Het draaipunt bevindt zich tussen het aangrijpingspunt van de kracht (de kracht van de spiercontractie) en het weerstandspunt (zwaartekracht, orgaanmassa). Een voorbeeld van zo'n hefboom is de verbinding van de wervelkolom met de schedel. Evenwicht wordt bereikt onder de voorwaarde dat het moment van de uitgeoefende kracht (het product van de kracht die op het achterhoofdsbeen werkt en de lengte van de arm, gelijk aan de afstand van het draaipunt tot het aangrijpingspunt van de kracht) gelijk is aan het moment van de zwaartekracht (het product van de zwaartekracht en de lengte van de arm, gelijk aan de afstand van het draaipunt tot het aangrijpingspunt van de zwaartekracht).

De tweede soort hefboom is eenarmig. In de biomechanica (in tegenstelling tot de mechanica) komen er twee soorten voor. Het type van zo'n hefboom hangt af van de locatie van het krachtaangrijpingspunt en het aangrijpingspunt van de zwaartekracht, die in beide gevallen aan dezelfde kant van het draaipunt liggen. Het eerste type van de tweede soort hefboom (krachthefboom) treedt op wanneer de arm waarmee de spierkracht wordt uitgeoefend langer is dan de arm waarmee de weerstand (zwaartekracht) wordt uitgeoefend. Als we de voet als voorbeeld nemen, zien we dat het draaipunt (rotatieas) de kop van de middenvoetsbeentjes is, en het aangrijpingspunt van de spierkracht (de musculus triceps surae) de calcaneus. Het weerstandspunt (lichaamszwaartekracht) bevindt zich op de kruising van het scheenbeen met de voet (enkelgewricht). Bij deze hefboom is er sprake van een toename in kracht (de arm waarmee de kracht wordt uitgeoefend is langer) en een afname in de bewegingssnelheid van het weerstandspunt (de arm is korter). Bij het tweede type enkelarmige hefboom (snelheidshefboom) is de arm waarmee de spierkracht wordt uitgeoefend korter dan de arm waarmee de weerstand wordt uitgeoefend, waar de tegenkracht, de zwaartekracht, wordt uitgeoefend. Om de zwaartekracht te overwinnen, waarvan het aangrijpingspunt zich op aanzienlijke afstand van het rotatiepunt in het ellebooggewricht (het draaipunt) bevindt, is een aanzienlijk grotere kracht nodig van de buigspieren die aan het ellebooggewricht vastzitten (op het aangrijpingspunt). In dit geval is er een toename in de snelheid en het bewegingsbereik van de langere hefboom (het weerstandspunt) en een afname in de kracht die op het aangrijpingspunt van deze kracht werkt.