Работа мышц

Цель этого урока - показать, что энергия, которая расходуется при мышечном сокращении, освобождается в результат те распада и окисления органических веществ, содержащихся в мышцах, что при этом распаде образуется углекислый газ и другие продукты, которые уносятся кровью; дать знания о статической и динамической работе мышц и процессах утомления. Опыты используются для достижения второй цели. Хотя термины "статическая работа" и "динамическая работа" учитель не называет, необходимо следить, чтобы учащиеся хорошо усвоили разницу между этими понятиями, поскольку закон средних нагрузок и среднего ритма относится только к динамической работе. Опытная часть урока связана преимущественно с выяснением причин утомления и закономерностей, лежащих в основе поддержания наибольшей работоспособности. При решении экспериментальных задач преследуется также цель научить школьников применять принцип единственного различия между контролем и опытом.

После того как учащиеся получат информацию об энергетике мышечных сокращений (разумеется, в объеме учебника), можно провести опыты, выясняющие работоспособность человека при статической и динамической работе мышц.

Задание 1. Выяснить, что утомительнее: удерживать груз на весу или непрерывно поднимать и опускать его.

К доске вызывается испытуемый. Ему в руки дают гантель в 5 кг или портфель, предлагают встать лицом к классу так, чтобы его спина не касалась доски. Испытуемому предлагают отвести руку горизонтально в сторону вдоль доски и меловой чертой отмечают уровень, на котором находится его рука с грузом (рис. 15). Глаза испытуемого закрыты. После того как испытуемый занял эту позу, включают секундомер, и школьники наблюдают за своим товарищем. Вначале рука неподвижна, затем она начинает опускаться ниже отметки, после чего рывком возвращается в исходное положение. (Отклонение от нормы вызывает рефлексы, восстанавливающие норму.) Затем уставшая мышца начинает дрожать, и, наконец, рука опускается. Это время засекают по секундомеру.

Рис. 15. Опыт, выясняющий время наступления утомления при статической работе

Второй опыт, раскрывающий динамическую работу, делают после небольшого перерыва: испытуемому предлагают поднимать и опускать груз на высоту сделанной ранее отметки на доске той рукой, которая у него слабее. Обычно эти движения не затрудняют учащегося и могут продолжаться долго без видимого утомления. Поэтому опыт проводят не до конца, а всего лишь на 30 с дольше предыдущего. Вывод из опыта: поднимать и опускать груз легче, чем держать его на весу, - для учащихся очевиден.

Объяснение опыту могут дать сами учащиеся. При удержании груза одновременно работают мышцы, поднимающие руку, и мышцы, опускающие ее. При подъеме и опускании груза эти мышцы работают поочередно.

При любой работе часть мышц всегда функционирует в статическом режиме.

Наиболее удобно разъяснить эту мысль на репродукции скульптуры И. Д. Шадра "Булыжник - оружие пролетариата" (рис. 16).

Рис. 16. И. Д. Шадр 'Булыжник - оружие пролетариата' (перерисовка скульптуры)

Внимание учащихся надо обратить на расставленные ноги рабочего, которые твердо фиксируют туловище. Опора необходима при броске. Туловище и руки напряжены, броска еще нет, но человек уже прикидывает расстояние до цели, как бы воспроизводит в своем сознании порядок будущих действий. Здесь можно напомнить школьникам, что мышцы лишь исполнительные органы, само движение, включающее как статические, так и динамические элементы, определяется деятельностью нервной системы.

Осуществить бросок можно разными способами: камень полетит, если движение сделать руками, правда недалеко; если же в движении будут участвовать, кроме рук, мышцы туловища и ног, булыжник полетит дальше, бросок будет мощнее. Рассматривая репродукцию скульптуры И. Д. Шадра, надо отметить, что его герой выбрал для броска наиболее рациональный способ. Отталкиваясь от этой мысли, можно провести беседу с учащимися о значении рациональных движений при выполнении спортивных и трудовых движений^*. Это позволит понять роль тренеров и наставников, помогающих людям овладеть рациональными спортивными и трудовыми навыками.

^* (См.: Зверев И. Д. Основы системы обучения анатомии, физиологии и гигиене в средней школе. Л., Просвещение, 1971, с. 204-216, 236-239.)

После рассмотрения статической и динамической работы можно перейти к изучению факторов, влияющих на утомление при динамической работе. Для этого используют эргометр.

Школьный эргометр монтируют на учительском столе до урока (рис. 17). С помощью струбцины к столу прижимают приспособление для фиксации руки и измерительное устройство. Последнее состоит из шкалы со стрелкой, показывающей амплитуду движения пальца, и лентопротяжного механизма. На барабан лентопротяжного механизма наматывают измерительную ленту, конец которой пропускают под барабан, отжав прижимный валик таким образом, чтобы лента попала в специальный лоток. Нить с грузом от 1 до 3 кг перекидывают через блок с храповым колесом, а петлю для пальца прикрепляют к стойке. В этом положении прибор консервируется^*.

^* (Задания 2 и 3 для своего выполнения требуют много времени, поэтому на уроке не стоит выполнять их в полном объеме. Усовершенствованная программа предусматривает лишь общее знакомство с приемами измерения динамической работы путем демонстрации.)

Рис. 17. Школьный эргометр (по И. В. Козырю и П. И. Суворовой): А - вид прибора сзади: 1 - основание прибора; 2 - обойма; 3 - барабан; 4 - блок с храповым колесом; 5 - направляющий ролик; 6 - прижимный ролик; 7 - катушка для измерительной ленты; 8 - направляющий лоток; 9 - пружина. Б - школьный эргометр в действии (вид прибора спереди): 1 - шкала; 2 - стрелка; 3 - струбцина; 4 - ремешок для пальца; 5 - основание приспособления для фиксирования руки; 6 - стойка; 7 - планка для держателей; 8 - держатели

Задание 2. Доказать, что наибольшую работу человек сможет совершить при средних нагрузках.

Для того чтобы учащиеся могли решить этот вопрос теоретически, учитель предлагает им доказать, что при подъеме очень тяжелых или очень легких грузов полезная работа будет равна нулю или близка к нулю. Последнее сделать нетрудно, если вспомнить формулу работы A=gmh, где А - работа, g - ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с², m - масса поднимаемого груза, a h - высота, на которую груз удалось поднять. Если масса будет очень большой, человек не сможет поднять груз, и кинетическая работа окажется равной нулю, поскольку нулю будет равна высота подъема (несмотря на то что человек будет затрачивать усилие, совершая статическую работу). Если же масса груза будет близка к нулю, человек легко поднимет груз на нужную высоту, но произведение высоты на число, мало отличающееся от нуля, будет тоже небольшим. Отсюда следует, что наибольшая работа будет совершаться тогда, когда нагрузка будет не максимальной и не минимальной, а средней. Однако эту среднюю нагрузку теоретически рассчитать невозможно. Ее определяют опытным путем.

Перед проведением опыта полезно рассказать, что впервые изучать работоспособность человека начал И. М. Сеченов. Его исследованиями был заложен целый раздел физиологии, разросшийся теперь в самостоятельную науку физиологию труда. После этого можно перейти к определению работоспособности мышцы в зависимости от массы поднимаемого груза. Испытуемый надевает петлю на палец. Затем он садится на стул, рукой захватывает стойку прибора так, чтобы рука фиксировалась держателями, и начинает пальцем поднимать гирю. Величину каждого подъема класс наблюдает по показаниям стрелки шкалы, которая точно отражает движение пальца испытуемого. По стрелке можно видеть, как постепенно слабеет мышечная сила, как нарушается ритм движения, начинается дрожание мышц, вызванное усталостью^*. Общую высоту, на которую был поднят груз, определяют по мерной ленте путем вычитания начального показания из конечного. Прибор устроен так, что при каждом подъеме груза мерная лента продвигается на столько сантиметров, на сколько был поднят груз. Эти данные суммируются и дают возможность сразу определить суммарную высоту, а по ней проделанную работу. Техника и методика этого опыта хорошо изложена в стабильном учебнике, поэтому пособие можно использовать для инструктирования работы учащихся и для закрепления их знаний. Подбирать для учащихся среднюю нагрузку на уроке не стоит, так как на это потребуется много времени. Основное внимание лучше уделить методике измерения и логике экспериментального доказательства.

^* (Шкала прибора дана в условных единицах. Для определения работы в джоулях надо массу выразить в килограммах, высоту подъема на 1 условную единицу в долях метра, после чего произвести расчет по формуле работы A=gmh.)

Задание 3. Доказать, что работоспособность мышц зависит от ритма работы.

Задача задания состоит в том, чтобы учащиеся подумали над конструкцией опыта. Они должны изучить работу при высоком, среднем и редком ритме и проверить ее эффективность, но для этого они должны обдумать условия эксперимента. Сделать это можно так. По просьбе учителя восьмиклассники выписывают в тетрадях факторы, которые могут повлиять на ход опыта. Вот примерная форма записи:

1. Утомление зависит от нагрузки, поэтому для всех вариантов опыта надо брать груз одной и той же массы.

2. Разные люди обладают различной физической силой, поэтому для опыта нельзя брать разных людей. Все варианты опыта должны быть поставлены на одном испытуемом.

3. Левая рука обычно слабее правой (у левшей наоборот). Поэтому опыт надо поставить на одной руке.

4. На производительность оказывает влияние предшествующая нагрузка. Результаты будут хуже, если человек устал.

5. Сгибание и разгибание пальца - два действия, поэтому надо условиться, чтобы при всех вариантах опыта считать удары одинаково.

После обсуждения условий опыта преподаватель разъясняет учащимся, что в классе добиться полной чистоты эксперимента невозможно, поскольку обеспечить полноценный отдых трудно. Поэтому здесь будет показан лишь принцип постановки опыта. Чтобы получить достоверные результаты, необходимо ставить опыт с соблюдением всех условий много раз, с тем чтобы избежать случайных результатов. Только после этого учитель проводит демонстрационный эксперимент. Учащиеся измеряют работу мышц, сгибающих палец при ритме 60 раз в 1 мин и в ритме 120 раз в 1 мин.

После выполнения работы учащиеся формулируют закон среднего ритма и приводят подкрепляющие его примеры из жизни. (Взрослому человеку трудно идти с маленьким ребенком, ведя его за руку, потому что взрослому приходится идти в слишком медленном для него темпе.) О том, что быстрый ритм также вызывает утомление, всем известно.

В заключение занятия учитель рассказывает о физиологии труда и знакомит учащихся с .конкретными рекомендациями этой науки: установление ритма на конвейере с учетом закона среднего ритма и средних нагрузок, устройство приспособлений, облегчающих статические напряжения рабочего, и т. д. Здесь же можно рассказать о пользе активного отдыха, с тем чтобы еще раз вернуться к этому вопросу на следующем занятии.