NSCA-CSCS｜肌肉骨骼系统的杠杆作用|关节|力矩|力臂|肌力|肌肉

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虽然身体中的很多肌肉不通过杠杆起作用，如面部、舌头、心脏、动脉中的肌肉和括约肌，但运动训练中涉及的动作主要通过骨的杠杆作用产生。为了理解身体如何产生这些动作，需要掌握一些关于杠杆的基本知识。

支点：杠杆的支撑点。

杠杆：坚硬或半坚硬的结构，当受到一个作用方向不经过其支点的力时，会对阻碍其旋转的物体施加力。（图2.1）

力臂（也称杠杆臂或者扭力臂）：力的作用线到支点的垂直距离。力的作用线是通过施力点的无限长的线，并且与力的作用方向一致。

肌力：通过生化作用或者非收缩性组织被拉长时产生的力，将肌肉两端拉向彼此。

阻力：身体外部产生的力（例如重力、惯性力和摩擦力），其作用与肌力相反。

力矩（也称扭矩）：一个力使一个物体倾向于围绕特定支点旋转的程度。其定量为力的大小乘以力臂的长度。

机械效率：动力力臂与阻力力臂之比（图2.1）。当杠杆两边的肌力与阻力的力矩平衡时，肌力与动力力臂的乘积等于阻力与阻力力臂的乘积。因此，机械效率大于1意味着动力（肌力）比阻力小时两边也能够产生相同的力矩。相反，机械效率小于1则表示动力（肌力）必须大于阻力才能维持平衡，此时肌肉处于明显的费力状态。

第一类杠杆（平衡杠杆）

肌力和阻力分别作用于支点两侧的杠杆。（图2.2）展示的是一个第一类杠杆，因为其肌力与阻力分别作用于支点两侧。在进行等长收缩或等速关节旋转时，FM·MM=FR·MR。因为MM远小于MR，所以FM必须远大于FR；这说明了这种排列的费力特点（即需要较大的肌力抵消相对小的外部阻力产生的作用）。

第二类杠杆（省力杠杆）

肌力与阻力作用于支点同一侧的杠杆，且肌力产生作用的力臂长于阻力的力臂，例如踮脚时腓肠肌收缩，进而抬高身体（图2.3）。因为其机械效率优势（肌力力臂长于阻力力臂），完成这一动作所需的肌力小于阻力（体重产生的重力）。

第三类杠杆（速度杠杆）

肌力与阻力作用于支点同一侧的杠杆，但肌力产生作用的力臂比阻力的力臂短（图2.4）。由于其机械效率小于1，肌力必须大于阻力才能产生同样的力矩。

人体中大多数使四肢围绕身体关节转动的肌肉的机械效率小于1（即负机械效率）。这就是为什么内部肌肉收缩的力量远大于身体对外界施加的力。以（图2.2）为例，由于阻力力臂长度是肌力力臂长度的8倍，所以肌力必须是阻力的8倍。

肌肉和肌腱所承受的巨大内部力是导致其损伤的主要原因。在实际的运动中，运动杠杆的具体类型取决于支点的位置。因此，理解机械效率的作用原则比区分运动杠杆类型更重要。在实际活动中，机械效率往往是不断变化的，有如下例子可以参考。

●膝关节伸展和屈曲的运动中，由于膝关节不是一个真正的铰链关节，因此旋转轴的位置随着运动范围地改变而不断变化，并改变股四头肌和腘绳肌活动时的力臂长度。伸膝时，髌骨有助于防止股四头肌肌腱过于接近旋转轴，从而加长了肌力力臂，使机械效率不会大幅下降（图 2.5）。

●在肘部伸展和屈曲的运动中，没有如髌骨一样可保持肌腱的作用线与关节旋转轴的垂直距离相对恒定的结构（图2.6）。

●在使用自由重量的抗阻训练中，阻力力臂相当于杠铃或哑铃质心的垂线与肢体旋转时关节的运动轴在水平线上的距离。因此，阻力力臂在整个运动过程中都在变化（图 2.7）。

由于身体中杠杆的布局特点，大部分骨骼肌都以很大的负机械效率工作。在进行体育运动或其他身体活动时，肌肉和肌腱所承受的力远大于手脚施加于外部物体或地面上的力。