【筋肉のテコ構造】筋肉に存在する3つのテコとは?

ハテナちゃん
筋肉にはテコの原理が働いているんですか?

人間の関節の大部分は「回転運動」によって動作がなされています。

運動の原理を知っておくことは、日常生活や競技パフォーマンスを高める上では非常に重要です。

「筋肉の3大テコ」の話は意外と知らない人(苦手な人)が多いので、今回はシンプルにまとめてみようと思います。



回転運動の基本:トルク

テコの話に入る前に、まずは「トルク」について説明しましょう。

ハテナちゃん
トルクって何ですか??

トルクというのは「回転力」のことです。

これは「力×モーメントアーム」の計算式によって導き出されます。

<*詳しく知りたい方へ(サラッと理解したい方は読み飛ばして次へ)>

力とは「質量×重力加速度」であり、単位はN(ニュートン)です。例えば10kgのダンベルを支える力は「10kg×9.8m/s2=98N」となります。

またモーメントアームというのは、支点からの距離(長さ)のことです。

支点から1m離れた部分に10kgのダンベルがある場合は「98N×1m=98Nm」となります。1Nm(ニュートンメートル)は1J(ジュール)ですので、この時のトルク(固定状態)の大きさは「98J」となります。

つまり、重くなるか or 遠くなるかによってトルクの大きさは変化します。

例えば、下のイラストをご覧ください。

支点から左側(青)は、5cmのところに10kgの重りがあります。

また支点から右側(赤)は、50cmのところに1kgの重りがあります。

「10kg×5cm」も「1kg×50cm」もトルク(回転力)は同数値であるため、上のテコはピタッと釣り合います。

Tomy
近いほど重さが必要で、遠くなればなるほど軽くなっていくということですね!

まずはこの関係性を理解することが、筋肉のテコ構造を学ぶ上では重要になります。

 

第1のテコ

では「第1のテコ」から見ていきましょう。

このテコは最もシンプルな構造であり、支点を挟んで重り(抗力)と押す力(筋力)が反対方向に存在している形です(シーソーモデル)。

もしこの2つの力が支点から同距離であれば、重い方に傾きます。

またもしこの2つの力が同じ重さであれば、支点から遠い方に傾きます。

Tomy
支点を中心とした回転動作ですね。

人間の体では「肘の伸展動作(上腕三頭筋)」が代表的です。

上腕三頭筋の収縮によって尺骨が引き寄せられ、肘が伸びようとしていますね。

この時、抗力が”どこにかかるか”が重要です。

上のイラストを見ればわかるように、肘の支点と上腕三頭筋の停止は非常に近い位置関係にあります(これはすなわち「筋力のモーメントアームが小さい」ということを意味します)。

もし抗力が肘から遠いところ(例えば手の甲や指先)にかかってしまえば、抗力のモーメントアームはとても大きくなります。

すると筋力と抗力を釣り合わせるためには、筋力は抗力の何十倍も力発揮をしなければならなくなります。

ハテナちゃん
筋肉というのは、想像以上に大きな力発揮をしているんですね!

 

第2のテコ

続いては「第2のテコ」です。

これは支点から見て、重り(抗力)と押す力(筋力)が同じ方向にあります。

その上で押す力(筋力)のほうが支点から”遠い”という構造です。

筋力のほうが遠いわけですから、実際の重さ(抗力)よりもはるかに小さな力でひょいとお持ち上げられます。

人間の体では「ふくらはぎ(腓腹筋)」の構造が代表的です。

つま先が支点、脛骨に抗力(体重)、アキレス腱を経て腓腹筋に筋力がかかります。

ジャンプ動作やランニング動作では、体重の2〜3倍の負荷がかかることもあります。

その負荷に耐え、なおかつその負荷以上に力発揮するためにはこういった構造(筋力のモーメントアームが大きい)が必要になるわけです。

Tomy
人間の体というのは、非常によくできていますね。

 

第3のテコ

最後が「第3のテコ」です。

これも「第2のテコ」と同じように、支点から見て重り(抗力)と押す力(筋力)が同じ方向にあります。

ただ「第3のテコ」は、筋力の方が支点に”近い”という構造です。

モーメントアームが小さい分だけ、筋力は重さ(抗力)以上に力を発揮する必要があります。

イメージをするとスコップの使い方です。

(引用:ひろろーぐ

上の写真のように、右手で柄の先端を固定して左手で雪を持ち上げようとすると、左手には雪の重さ以上の負荷がかかってしまいます。

(*ちなみにスコップの効率的な使い方は「第1のテコ」の応用です。左手をなるべく雪の近くにして固定し(支点にする)、右手を下に押すことによって雪を持ち上げるとすんなり動いてくれます)

実際の筋肉でいうと「肘の屈曲動作(上腕二頭筋)」が代表例です。

 

上腕二頭筋の停止が、肘関節の中心近くに付着しているのがお判りいただけるかと思います。

肘を曲げて重りを持ち上げるという動作は、実際の重り以上の負荷が筋肉にかかっているわけですね。

 

「力学的有効性」について

ここまで見てきた中で、疑問が湧いてはきませんか?

「第1のテコ」や「第3のテコ」などは、筋力にとって不利な構造です。

それなのにどうして存在しているんだろう…?ということです。

意外にも実際の人体には「第2のテコ」構造は非常に少なく、ほとんどが筋力に不利な構造となっています。

こういった構造のことを「力学的有効性が低い(1.0を下回る)」と表現します。

Tomy
実際の抗力以上に力を発揮しなければならない、という意味ですね。

しかしながら、この構造はデメリットだけではありません。

支点に近い位置に筋力が存在しているということは、”先端に速度をもたらすことができる”ことを意味しています。

つまり、中心に近い部位をぐっと引っ張れば、先端がピュッと走る、というイメージです。

力の大きさは筋力を発達させること(筋肥大を起こすこと)で解決できますが、速度の問題は構造上で解決しておかなければ後天的には手に入れられません。

自然界にはおいては、自分の命を守るためにも「速度」は非常に重要です。

それゆえにこういった構造になっているわけですね。

 

トレーニングへの応用

この考え方はトレーニングへどのように応用すればよいのでしょうか。

筋肉のテコ構造において重要なのは、重くなるか・遠くなるか、によってトルクの大きさが変化するということです。

トレーニングで筋肉に負荷をかける際は、その関節中心(支点)よりもなるべく遠くに重りを持つようにしましょう。

例えば「アームカール」と呼ばれる、上腕二頭筋のトレーニングはまさに「第3のテコ」の応用です。

下のイラストをご覧ください。

肘を大きく曲げた状態が「上」、肘を伸ばした状態が「下」です。

ダンベルの重さ(抗力)が一定でも、上の方がモーメントアームが小さいため、筋力にかかる負担は小さくなります。

一方で肘を伸ばしながら前腕を水平にした位置は、支点〜ダンベル(抗力)までのモーメントアームが最も大きくなるため、負荷が大きくかかるようになります。

この考え方はスクワットやデッドリフトなどの基本的種目にすべて当てはまります。

トレーニング中はなるべく大きく可動域を使い、関節中心からの「距離」という考え方を意識していきましょう。

 

まとめ

今回は筋肉のテコ構造についてまとめてみました。

こういった動作分析は「バイオメカニクス」とも呼ばれ、運動効率を考える上では必須の考え方です。

興味のある方は、ぜひこちらの本も熟読ください(面白いですよー!)

では今日も最後までお読みいただきありがとうございました。

うぱ
今日もありがとうぱ!

 

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ABOUTこの記事をかいた人

千葉県出身。 現在は「健康」×「教育」の仕事に従事。 将来の夢は「全ての人が毎日ストレッチする文化を創ること」。 ”歯磨きすること”と同じくらいの感覚で、体のケアをする文化が広まれば、きっと世界を変えていける!と信じている。 マイペースで群れることが嫌いな典型的なB型気質。同居人(?)”うぱ”とののんびりライフを進行中。 ◯順天堂大学スポーツ健康科学部スポーツ科学科(スポーツ医科学専攻)卒 ◯日本ストレッチング協会会員:認定ストレッチインストラクター<JSA-CSI> ◯NSCA-JAPAN正会員<NSCA-CPT> ***筋肉勉強サイト「筋肉のハナシ」も絶賛運営!詳細はこちら→「http://kinniku-no-hanashi.com」!