Первым делом хочу поблагодарить Андрея Замятина, в сообществе которого нашлась информация об этом важном и фундаментальном законе. К сожалению, в школьную программу закон квадрата-куба не входит, потому для многих атлетов и тренеров информация из статьи станет относительно новой.
Популярное изложение закона квадрата-куба можно найти в статье.
Вы когда нибудь задумывались, почему насекомые могут падать с какой угодно высоты без повреждений, а человек и более крупные животные получают тяжелые травмы при падении с высоты? Почему животные и люди вырастают только до определенных размеров?
Дело в том, что площадь поверхности тел пропорциональна квадрату их размеров, а масса тела пропорциональна кубу размеров. По мере увеличения размеров тела, масса растет гораздо быстрее (она пропорциональна третьей степени размера!), чем площадь (которая зависит от квадрата размеров) .
У муравья очень высокое отношение площади поверхности тела к его массе в связи с маленькими размерами, и поэтому, при падении с высоты сопротивление воздуха ограничивает его скорость, ведь сопротивление воздуха пропорционально площади поверхности тела. У человека меньшее отношение площади поверхности тела к массе, поэтому при падении сопротивление воздуха имеет меньшее значение по сравнению с массой тела, что приводит к бОльшей скорости падения.
Сопротивление воздуха при падении имеет колоссальное значение, которое вы можете оценить по знаменитому видео, которое сняли астронавты на Луне. В безвоздушном пространстве скорость падения пера и молотка, в соответствии с законами Ньютона, получается одинаковой, что противоречит нашему жизненному опыту. В земных условиях скорость падения пера очень низкая, за счет высокого отношения площади поверхности к массе пера.
Огромное значение имеет соотношение площади и объёма тел с точки зрения терморегулирования. Дело в том, что тепло производится в теле пропорционально объёму тела (объему активных клеток), а скорость рассеивания тепла (то есть охлаждения) пропорциональна площади поверхности тела. Поэтому, жители крайнего севера имеют округлые фигуры- шар имеет малое отношение площади к объему, а жители жаркой Африки имеют вытянутые фигуры- цилиндр имеет бОльшее отношение площади к его объему. В условиях Севера имеет значение снижать потери тепла , поэтому важно иметь меньшую площадь поверхности тела, в жарких условиях все наоборот. Аналогичную зависимость можете увидеть в пропорциях тела у детенышей наземных млекопитающих: пока ребенок маленький, не может самостоятельно активно двигаться, активно искать пищу и вырабатывать много тепла, форма его тела округлая, с относительно короткими конечностями, что позволяет меньше рассеивать тепла в окружающее пространство. Когда детёныш подрастает и может активно двигаться, то пропорции тела резко становятся более вытянутыми и приспособленными для активного передвижения, но при этом скорость потери тепла увеличивается.
Одна из причин, почему некоторые животные вырастают до больших размеров, связана с тем, что большому животному требуется меньше ресурсов относительно его массы тела. Причина в скорости потери тепла: у больших животных скорость потери тепла не слишком велика, по сравнению с ее производством в теле. У мелких животных площадь поверхности тела велика по сравнению с их массой, поэтому скорость потери тепла большая, что требует постоянного поиска и потребления ресурсов. БОльшей скоростью потери тепла объясняется высокая скорость обменных процессов у мелких животных: они вынуждены большую часть времени проводить в поисках пищи.
Для примера, лабораторные мыши в среднем потребляют примерно 10 г корма в день при массе крупных особей до 20-30 г, а слоны при массе 4000-5000 кг потребляют в день примерно 50 кг сухой пищи (или 300 кг влажных листьев). Нетрудно подсчитать, что количество мышей, суммарной массой как средний слон, будут потреблять 1600-2000 кг корма в день!
Можно привести еще много бытовых примеров влияния закона квадрата-куба, от чистки овощей или заготовки дров. Любознательный читатель сможет сам понять, что я имел в виду.
А причем здесь спорт?
Закон квадрата-куба имеет непосредственное отношение к спорту.
Дело в том, что сила мышц пропорциональна площади поперечного сечения мышц, которая в свою очередь пропорциональна квадрату размеров, а масса конечностей пропорциональна кубу размеров тела. Получается, что по мере увеличения размеров тела, поперечное сечение мышцы увеличивается, но с меньшей скоростью, чем масса. Муравей может поднять вес в 50 раз превышающий собственный, а более крупные создания такими показателями похвастаться не могут.
Аналогичная зависимость прослеживается у людей, пример из тяжелой атлетики.
Можно сделать важный вывод, что для увеличения удельной силы (отношения силы к массе тела) необходимо снижать массу тела. Конечно, в снижении массы тела есть разумный минимум, ниже которого не стоит опускаться по соображениям здоровья. Снижение процента жира ниже 5-8 у мужчин и 12-14 у женщин может иметь негативные последствия для здоровья, ведь жировая ткань не просто балласт с запасом питательных веществ, но и важный орган, имеющий значение для гормональной и терморегуляции.
Если вы атлет циклических видов спорта, то для повышения результата важно снижать массу тела с одновременным ростом удельной силы (отношения силы мышц к массе тела). Для повышения силы нужны силовые упражнения с высоким отягощением (от 80% и более того веса, который вы можете поднять на 1 раз). Не переживайте, качалка не приведет к набору мышечной массы, если вы контролируете питание. Важно понимать, что набор массы идет только за счет лишних калорий, не возможно набирать массу тела только из воздуха!
Итак, мы подходим к основной теме статьи.
Как вы знаете, мышцы состоят из множества мелких (диаметром сотые доли миллиметра) мышечных волокон.
Из статьи можете узнать о том, что диаметр мышечных волокон I типа, имеющих наибольшую выносливость, составляет около 50 мкм. При этом диаметр волокон IIb, (наиболее сильные, но при этом быстро утомляемые), может составлять 100 и более мкм (напомню, что увеличение диаметра в 2 раза приводит к увеличению площади, а следовательно силы, в 4 раза!).
В циклических видах спорта существуют идеи, касающиеся увеличения производительности мышц: при помощи низкоинтенсивной силовой тренировки можно увеличить диаметр мышечных волокон I типа, что якобы приведет к росту выносливости.
Действительно, существуют данные, что низкоинтенсивная силовая тренировка (30-50% от 1ПМ, например, статодинамика) или тренировка с пережатием кровотока (blood flow restiction, BFR), могут положительно воздействовать на гипертрофию выносливых мышечных волокон I типа.
На первый взгляд все выглядит логично и складно, я сам недавно склонялся к таким же идеям. Но закон квадрата-куба накладывает свои ограничения.
Площадь мышечного волокна растет пропорционально квадрату его диаметра, а объём, и соответственно потребление питательных веществ (чем больше объем, тем больше потребителей питательных веществ можно упаковать внутри мышечного волокна), растет пропорционально кубу диаметра.
На микрофотографии ниже можете увидеть капилляры (светлые точки), окружающие мышечные волокна I и IIа типов.
Как видите, доставка питательных веществ осуществляется при помощи капилляров, которые окружают мышечные волокна по его периметру. Количество капилляров растет относительно быстро (12 недель) пропорционально увеличению площади мышечных волокон.
Если сформулировать немного иначе, то доставка питательных веществ зависит от квадрата диаметра волокна, а потребление- от куба его диаметра.
Именно законом квадрата-куба объясняется тот факт, что выносливые мышечные волокна I типа имеют средний диаметр в 2 раза меньше, чем не выносливые волокна II типа, и на силовую тренировку в плане гипертрофии откликаются гораздо хуже. По мере роста объема волокон I типа доставка питательных веществ начинает отставать от потребления питательных веществ и волокно испытывает дефицит энергии.
Решение этой проблемы может заключаться в увеличении количества мышечных волокон (гиперплазии).
В статье А. Самсоновой можно найти примеры, каким образом происходит увеличение размера (гипертрофия) мышцы. Физиологи выяснили, что происходит это за счет увеличения диаметра мышечных волокон.
Из этой же статьи вы найдете данные исследований, в которых увеличение размера мышц вследствии тренировок объяснили только увеличением диаметра мышечных волокон. На иллюстрации ниже можно увидеть количество мышечных воколон в мышце нетренированных людей, бодибилдеров и элитных бодилбилдеров.
Увеличение количества мышечных волокон у взрослых людей к настоящему времени не доказана, хотя есть данные, что у бодибилдеров находили аномально небольшие мышечные волокна, которые можно трактовать как волокона, которые только начинают зарождаться. Но также можно найти и другие объяснения этому факту, возможно дело во влиянии стероидов.
Выводы:
1. Как бы не казались привлекательными идеи, связанные с избирательным увеличением выносливых волокон I типа для улучшения выносливости, надо признать, что закон квадрата-куба накладывает ограничения на предельный размер волокон, когда они все еще остаются эффективными с точки зрения выносливости. Ограничение связано как с быстрым (кубическим) увеличением массы мышцы, так и с отставанием в росте доставки питательных веществ от роста потребления внутри волокна по мере увеличения его площади. По видимому, предельный эффективный размер волокон I типа не слишком больше, чем изначальный размер (связано с тем, что волокна I типа, как правило, активно используются в повседневной деятельности ). Исключением являются люди с изначально малой мышечной массой.
2. Для роста выносливости, об этом будут статьи дальше, важно использовать протоколы силовой тренировки, не приводящие к заметной гипертрофии, но увеличивающие силу. Это протоколы тренировок с большим отягощением (80 и более процентов и 1 ПМ почти в отказ). Рост силы без гипертрофии возможен за счет улучшения нервно-мышечной связи (больше волокон включается в работу), а также за счет улучшения межмышечной координации (учимся выключать мышцы антагонисты, и включать синергисты). Не забываем контролировать питание, чтобы после силовых тренировок масса тела не увеличивалась!
3. Силовые тренировки с низкой интенсивностью (30-50% от 1ПМ) для выносливости можно порекомендовать только атлетам, которые по состоянию здоровья(травмы) не могут выполнять силовые с большим отягощением. Это будет лучше, чем не делать силовые вовсе. Можно делать статодинамику, или BFR. С последним надо быть осторожнее, есть данные, что при сильном пережатии можно повредить мышцы.
Автор: Тимур Спирин
Больше интересных статей читайте в нашей группе вк.