Egy erő munkája a testre ható erőtől és a test elmozdulásától függ. Az erő munkavégzése egy rövid folyamat során az $F$ erőnek és a test $s$ elmozdulásának az erő irányába eső (erővel párhuzamos) $s_{\parallel }$ összetevőjének a szorzata:
$$W=F\cdot s_{\parallel }$$
A munka tehát mindenképp nulla lesz, ha az elmozdulásnak az erő irányába eső összetevője nulla. Nézzünk egy konkrét esetet: a megfeszített karizmunkkal egy súlyzót tartunk, méghozzá mozdulatlanul:
Ekkor az általunk a súlyzóra kifejtett \(F\) tartóerő egy mozdulatlan testre hat, vagyis az \(s\) elmozdulás most nulla, így az elmozdulásnak az \((s_{\parallel})\) erő irányú komponense is nulla, vagyis az általunk kifejtett \( F\) erő $W=F\cdot s_{\parallel }$ munkavégzése biztosan nulla. De akkor vajon miért fárad el a karizmunk, ha így, mozdulatlanul tartunk valamit, feszítve az izmunkat?
A jelenség neve: izometriás összehúzódás (változatlan izomhossz melletti izomtevékenység). Ettől megkülönböztetésül beszélünk izotóniás összehúzódásról is, amikor az izomköteg hossza csökken (például felemeljük a súlyzót).
Az ellentmondás csak látszólagos. Nem voltunk elég alapos megfigyelők.
A jelenség mechanizmusa
Ugyan kívülről nézve úgy látjuk, hogy a kezünkben tartott súlyzó mozdulatlan, és az izmunk is mozdulatlan, de ez csak a látszat. Az izomkötegeinkben található izomsejtek ugyanis nem tudnak elmozdulás nélkül erőt kifejteni, csak összehúzódás közben. Nem úgy működnek, mint egy rugó vagy egy kötél, akikre ha ráaksztunk egy testet, akkor mozdulatlan állapotban is képesek folyamatosan erőt kifejteni. Egy izomsejt csak az összehúzódása során képes erőt kifejteni, ezért csak egy olyan rövidke ideig tudja az erőt biztosítani, amíg el nem éri a teljesen összehúzódott állapotát. Ezután már "nincs hová", még jobban összehúzódnia, ezért innentől már nem képes húzóerő kifejtésére. A teljesen összehúzódott állapot után egyféleképpen tud újra erőt kifejteni: ha először visszanyeri az eredeti, hosszabb méretét, majd újra összehúzódik. Legegyszerűbb esetben az összehúzódásos erőkifejtés után következik egy "visszatágulás", ami alatt az izomsejt nem fejt ki erőt, csak megnő a hossza. Ezért mozdulatlan erőkifejtéskor az izomsejtek ciklikusan működnek:
- összehőzódnak, ezalatt fejtenek ki húzóerőt
- kitágulnak, ami alatt nem fejtenek ki erőt
és a ciklus kezdődik előről. erőkifejtés van-nincs-van-nincs stb. Tehát egyetlen izomsejt felváltva dolgozik, aztán nem dolgozik, aztán megint dolgozik, megint nem dolgozik. De nem csak egyetlen izomsejt van, hanem rengeteg, egymás mellett párhuzamosan egymással (nemcsak fizikailag, hanem funkcionálisan is). A látszólagos nyugalom alatt hol az egyik izomsejt húz (ami alatt az ő belsejében hat erő és történik elmozdulás), hol egy másik izomsejt húz. Ezen elemi kontrakciós aktusok során mindegyik esetben van erő és erő irányú elmozdulás, így van munkavégzés és energiafelhasználás is.
Az izomsejtek kontrakciója tehát két értelemben is felváltva történik. Minden egyes izomsejt időben felváltva húz, nem húz, húz, nem húz stb. Továbbá a sok-sok izomsejt térben felváltva dolgozik: egyesek épp húznak, mások épp nem.
Miért nem látjuk a felváltva zajló összehúzódásokat? Mert egy izomszálban az összehúzódás során egymás mellett elmozduló hosszúkás fehérje molekulák (aktin és miozin) nagyon vékonyak, nagyságrendileg mindössze $10^{-8}\ \mathrm{m}$ átmérőjűek.
Hová lesz az energia, amit az izometriás munkavégzésünk közben "leadunk", hiszen a mozdulatlanul tartott nehezék nem vesz át tőlünk energiát (sem a mozgási energiája, sem a helyzeti energiája nem növekszik)?
Mintha az izomsejt részei elcsúsznának egymáson, miközben csúszási súrlódási erő keletkezik közöttük. Vagyis az izomsejtekben disszipálódik, szétszóródik, "hővé alakul" a felfelé húzó izomsejt által végzett munka.
"Fizikai értelemben nem végez munkát"
A legtöbb tankönyv arra az ellentmondásra, hogy "miért fárad el az izmunk (és igényel táplálék formájában energiautánpótlást), ha mozdulatlanul tartunk egy terhet", általában azt írja, hogy a "ilyenkor fizikai értelemben nem történik munkavégzés". Például az OFI (Oktatáskutató- és Fejlesztő Intézet) 2013-as kiadású Fizika 9. tankönyv (ISBN 978-963-19-7435-5) 161. oldalán:
A fenti maszatolás helyett a valóság az, hogy azért fárad el az izmunk, mert igenis történik munkavégzés, mert valójában van elmozdulás, csak nem ott, ahol (tévesen) keresssük, a mozdulatlanul tartott súlyzónál, hanem az emberi szem számára láthatatlanul kicsi izomsejtek belsejében. Egyébként ha alaposan megnézzük, egy "mozdulatlanul" kézben tartott test igazából nem is mozdulatlan, hanem kicsit "remeg". Mivel a sok-sok izomsejtünk nem képes mindig pont annyit húzni, amennyi a mozdulazlansághoz kellene, hanem az egyik századmásodperc során kicsit több erőt fejtenek ki (ekkor kissé felemelkedik a tárgy), a másik századmásodperc során pedig kicsit kevesebbet (ekkor a tárgy kissé lesüllyed). Tehát igazából két helyen nem vesszük észre, hogy van elmozdulás, amikor (hibásan) azt mondjuk, hogy "nincs elmozdulás, ezért nincs munkavégzés sem".
Látványos animációs film az izom működéséről, az apró részletekig:
Nem üzemszerű izomösszehőzódás
És mi történik, ha a szinte mozdulatlan izom túl nagy terhelést kap? Például az egyik végén lévő ínszalag leválik a csontról... Csak erős idegzetűeknek!