שרירים רק מושכים
שריר יודע לעשות דבר אחד: להתקצר, ולמשוך את מה שהקצוות שלו קשורים אליו. הוא לא יכול לדחוף. השרירים שמזיזים את השלד קשורים לעצמות בגידים, חבלים קשיחים של קולגן, וכל אחד מהם חוצה מפרק, כך שכשהוא מתקצר הוא מסובב עצם אחת סביב השנייה.
כדי להחזיר מפרק למקומו צריך שריר שני בצד השני, ולכן שרירים עובדים בזוגות מנוגדים (אנטגוניסטיים). במרפק, השריר הדו־ראשי (הביצפס), בחזית הזרוע העליונה, מכופף אותו, והשריר התלת־ראשי (הטרייצפס), מאחור, מיישר אותו. כשאחד מהזוג מושך, השני נרפה ונמתח בעדינות. (לעיתים קרובות שניהם מתכווצים מעט יחד, וכך המפרק נשאר יציב.)
נסו: החליפו את משימה מהחזקת משקולת לדחיפת כבל למטה. הזוהר עובר מהשריר הדו־ראשי לתלת־ראשי: דחיפה למטה דורשת את החצי השני של הזוג.
מנוף שמפסיד בכוונה
האמה היא מנוף, והמרפק הוא נקודת המשען שלו, בדיוק כמו המוט של מכונה פשוטה. מה שמסובב מנוף הוא מומנט הכוח: הכוח כפול המרחק שלו מנקודת המשען. כדי שהאמה תישאר במקומה, מומנטי הכוח משני צידי המרפק חייבים להתאזן:
המשקל שביד נמצא כ־33 cm מהמרפק, אבל הגיד של השריר הדו־ראשי מתחבר לעצם החישור רק כ־4.5 cm ממנו. לכן השריר צריך למשוך בערך פי 33 חלקי 4.5, כלומר פי שבעה בערך מהמשקל, ועוד קצת כדי להחזיק את האמה עצמה, ששוקלת כ־1.6 kg. החזיקו 5 kg, משקל של 49 ניוטון, כשהאמה אופקית, והשריר הדו־ראשי מושך בכ־410 N, חזק כמו שהייתם צריכים למשוך כדי להרים שק של 42 kg.
גם הכוחות עצמם חייבים להתאזן, ולא רק המומנטים שלהם, כי שום דבר כאן לא מאיץ (כמו בחוקי התנועה). השריר מושך את האמה למעלה הרבה יותר חזק ממה שהמשקל מושך אותה למטה, ולכן הקצה של עצם הזרוע לוחץ על האמה במרפק בהפרש, כ־345 N. החץ האפור בסצנה מראה את הכוח הזה על המפרק.
נסו: קבעו את עומס על 16 kg כשזווית המרפק על 90°, זווית ישרה. השריר הדו־ראשי צריך למשוך בכ־1,200 N, קרוב לגבול שלו, והזרוע מתחילה לרעוד.
למה כל כך קרוב למפרק?
כל מנוף מחליף כוח בתנועה. מכיוון שהגיד נמצא 4.5 cm מהמרפק והיד 33 cm ממנו, כל סנטימטר שהשריר מתקצר מזיז את היד כשבעה סנטימטרים, ופי שבעה מהר יותר. שריר יכול להתקצר רק בכשליש מאורכו, ולא מהר במיוחד, ולכן גיד שקרוב למפרק הוא הדרך של שריר קצר להניף את היד בקשת רחבה בשבריר שנייה, כדי לזרוק, להכות או להושיט יד. כך גם הזרוע נשארת דקה, והשרירים שלה מונחים לאורך העצם.
השריר התלת־ראשי עושה את אותה החלפה בצורה קיצונית עוד יותר. הגיד שלו עוטף את זיז המרפק (האולקרנון), החוד הגרמי של המרפק, רק כ־2 cm מאחורי המפרק. כדי לדחוף למטה כבל של 5 kg כשהאמה אופקית צריך כ־660 N, בערך פי 13 מהמשיכה של הכבל.
שני השרירים משתמשים באמה כשני סוגים של מנוף. אצל השריר הדו־ראשי המשיכה פועלת בין נקודת המשען לבין העומס, וזה מנוף מסוג שלישי, כמו פינצטה. אצל התלת־ראשי נקודת המשען נמצאת בין המשיכה לבין העומס, וזה מנוף מסוג ראשון, כמו נדנדה. בשני המקרים הגוף מעדיף מהירות וטווח על פני כוח.
הזווית משנה את המנוף
כשמיישרים את הזרוע, המשקל תלוי קרוב יותר מתחת למרפק, ולכן המומנט שלו קטן; הוא הגדול ביותר כשהאמה אופקית. אבל גם קו המשיכה של השריר הדו־ראשי מתקרב אל המרפק כשהזרוע מתיישרת, וזרוע המנוף שלו קטנה כמעט באותו קצב. לכן המשיכה שהשריר צריך משתנה הרבה פחות ממה שאפשר לחשוב: כשביד יש כמה קילוגרמים או יותר, היא נשארת בין פי שש לפי עשר מהמשקל בערך, עד שהזרוע כמעט ישרה. זרוע המנוף של התלת־ראשי נשארת בערך קבועה, ולכן הכי קשה לדחוף כבל למטה כשהאמה אופקית, וקל כשהזרוע כמעט ישרה.
מה שכן משתנה עם הזווית הוא כמה חזק השריר מסוגל למשוך, וכדי להבין את זה צריך להסתכל לתוכו.
בתוך השריר
העבירו את התקרבות לתוך השריר לסיבי שריר. שריר הוא צרור של צרורות: הוא עטוף ביריעה של רקמת חיבור, ובתוכו צרורות של סיבי שריר, וכל צרור עטוף שוב. סיב שריר הוא תא אחד, אבל תא ענק. הוא נוצר כשתאים רבים מתמזגים, ולכן יש בו מאות גרעינים ממש מתחת לקרום שלו, והוא יכול להיות ארוך סנטימטרים רבים כשרוחבו פחות מעשירית המילימטר. בין הסיבים עוברים נימים שמביאים חמצן ודלק.
בתוך כל סיב דחוסים מיופיברילים (סיבונים), מוטות בעובי של כאלפית המילימטר שעוברים לכל אורכו. הם מפוספסים, והפסים שלהם מסתדרים בשורה לרוחב הסיב, ולכן שריר כזה נקרא שריר מפוספס. דגם הפסים חוזר כל 2 עד 3 אלפיות המילימטר: היחידה החוזרת הזאת היא סרקומר, ולסיב באורך 10 cm יש כ־40,000 סרקומרים בשורה בכל מיופיבריל.
שריר מושך רק כשהעצב שלו אומר לו. תא עצב תנועה אחד בחוט השדרה שולח את הסיב שלו אל השריר, ושם הוא מתפצל אל קבוצה של סיבי שריר שפזורים בו; התא והסיבים שלו יחד הם יחידה מוטורית, וכולם מתכווצים יחד כשהוא יורה (ראו מערכת העצבים).
נסו: בסיבי שריר, שנו את עומס. ככל שהעומס גדל, יותר סיבים נדלקים. מערכת העצבים מדרגת את הכוח בכך שהיא מפעילה יותר יחידות מוטוריות, הקטנות קודם, ובכך שהיא גורמת לכל אחת מהן לירות מהר יותר.
חוטים מחליקים
העבירו את התקרבות לתוך השריר הלאה לחוטי חלבון כדי לראות סרקומר אחד. הוא נמשך מדסקית Z אחת לבאה. חוטים דקים של החלבון אקטין מעוגנים בכל דסקית Z ומגיעים לכיוון האמצע. חוטים עבים של מיוזין יושבים באמצע, ביניהם, וכל אחד מהם מוקף בשישה חוטים דקים; מהם בולטים מאות ראשי מיוזין.
כשאות עצבי מגיע אל הסיב, הוא משחרר בתוכו סידן, והסידן חושף על האקטין את המקומות שראשי המיוזין יכולים להיאחז בהם. כל ראש עובר אז מחזור: הוא אוחז באקטין, מתנדנד וגורר אותו כעשר מיליוניות המילימטר לכיוון האמצע (מהלך הכוח), משתחרר, ונדרך מחדש. כל מחזור צורך מולקולה אחת של ATP, הדלק שמייצרת הנשימה התאית, ודווקא ה־ATP הוא שמשחרר את הראש, ולכן השרירים ננעלים ומתקשים אחרי המוות. ראש אחד מושך בכוח של כמה טריליוניות של ניוטון בלבד, אבל מיליארדים מהם מושכים יחד.
החוטים עצמם אף פעם לא מתקצרים. הם מחליקים זה על פני זה, דסקיות ה־Z נמשכות פנימה, ואלפי סרקומרים בשורה, שכל אחד מהם מתקצר מעט, מקצרים את השריר כולו. את תאוריית החוטים המחליקים הציעו ב־1954 שני זוגות של חוקרים שעבדו בנפרד: אנדרו האקסלי ורולף נידרגרקה, והיו האקסלי וג’ין הנסון.
נסו: בחוטי חלבון, גררו את זווית המרפק מ־45° ל־160°. דסקיות ה־Z מתרחקות והאקטין מחליק החוצה מבין חוטי המיוזין, בזמן שכל חוט שומר על אורכו.
כשמחזיקים משקל בלי לזוז, כמו בסצנה, הראשים ממשיכים לעבור מחזורים: השריר מושך בלי לזוז, שורף ATP ומייצר חום. זו הסיבה שגם להחזיק משהו בלי לזוז זה מעייף.
הכי חזק באמצע
כמה חזק שריר יכול למשוך תלוי בכמה החוטים שלו חופפים. מותחים אותו, והאקטין מחליק החוצה עד שרק מעט ראשים מגיעים אליו: בסצנה, הסרקומרים של השריר הדו־ראשי בזרוע כמעט ישרה ארוכים כ־3 אלפיות המילימטר. מכווצים אותו, וחוטי האקטין משני הקצוות נדחקים זה אל זה והמיוזין נלחץ אל דסקיות ה־Z: בשריר הדו־ראשי של מרפק כפוף הם מתקצרים עד כ־1.9. באמצע, סביב 2.5, כל ראש יכול להיאחז והשריר בשיא כוחו. זו עקומת האורך־מתיחות של השריר, והקו הכחול בתרשים עוקב אחריה לאורך כל הטווח של המרפק.
כשמחברים את המנוף ואת האורך, מקבלים את מה שמרגישים בחדר הכושר. השריר הדו־ראשי מחזיק 16 kg כשהמרפק בזווית ישרה, אבל אותו משקל כבד מדי כשהמרפק כפוף חזק או כמעט ישר.
נסו: כשעומס על 16 kg, קבעו את זווית המרפק על 45°, אחר כך על 90° ואז על 160°, וראו איפה הקו בצבע ענבר בתרשים עולה מעל הקו הכחול.
מה המודל משאיר בחוץ
הזרוע בסצנה לא זזה. כדי להרים משקל צריך עוד קצת משיכה כדי להאיץ אותו, ושריר מושך פחות כשהוא מתקצר מהר ויותר כשמותחים אותו, ולכן להוריד משקל לאט מרגיש קל יותר מלהרים אותו.
השריר הדו־ראשי מייצג את שלושת השרירים שמכופפים את המרפק: השריר הדו־ראשי עצמו, השריר הזרועי (ברכיאליס) שמתחתיו, והשריר הזרועי־חישורי (ברכיורדיאליס) שבאמה. המשיכות שלהם מחוברות יחד לאורך הקו של השריר הדו־ראשי. זרוע המנוף של התלת־ראשי נחשבת קבועה, 2.1 cm, הגידים נחשבים לא נמתחים, והזרוע העליונה תלויה ישר למטה. הכוחות, 1,300 N למכופפים ו־2,100 N לתלת־ראשי באורך הטוב ביותר שלהם, הם מספרים עגולים לאדם מבוגר וחזק למדי; אנשים שונים זה מזה מאוד. עקומת האורך־מתיחות היא עקומה אידיאלית שבנויה מאורכי החוטים, והמתיחות הקלה של השריר הרפוי לא נכללת.
סיבי השריר והחוטים מצוירים כדי להראות את המבנה שלהם, לא את גודלם. הפסים על הסיב רחוקים זה מזה הרבה יותר משסרקומרים אמיתיים היו בקנה המידה הזה, סריג החוטים פרוש פי שמונה רחב יותר מבמציאות, יש הרבה פחות ראשי מיוזין מאשר בסרקומר אמיתי, והם עוברים את המחזור שלהם לאט פי מאות.