Оптические волокна. Классификация. / Habr
Оптические волокно стандарт де-факто при построении магистральных сетей связи. Протяженность волоконно-оптических линий связи в России у крупных операторов связи достигает > 50 тыс.км.Благодаря волокну мы имеем все те преимущества в связи, которых не было раньше.
Вот и попробуем рассмотреть виновника торжества — оптическое волокно.
В статье попробую написать просто о оптических волокнах, без математических выкладок и с простыми человеческими объяснениями.
Статья чисто ознакомительная, т.е. не содержит уникальных знаний, всё что будет описано может быть найдено в куче книг, однако, это не копипаст, а выжимка из «кучи» информации только лишь сути.
Классификация
Чаще всего волокна подразделяют на 2 общих типа волокон
1. Многомодовые волокна
2. Одномодовые
дадим пояснение на «бытовом» уровне что есть одномод и многомод.
Представим гипотетическую систему передачи с волокном воткнутым в нее.
Нам надо передать двоичную информацию. Импульсы электричества в волокне не распространяются, ибо диэлектрик, поэтому мы будим передавать энергию света.
Для этого нам нужен источник световой энергии. Это могут быть светодиоды и лазеры.
Подумаем как свет вводится в волокно:
1) Световое излучение имеет свой спектр, поэтому если сердцевина волокна широкая (это в многомодовом волокне), то больше спектральных составляющих света попадет в сердцевину.
Например мы передаем свет на длине волны 1300нм (к примеру), сердцевина многомода широкая, то и путей распространения у волн больше. Каждый такой путь и есть моды
2) Если же сердцевина маленькая (одномодовое волокно), то путей распространения волн соотвественно уменьшается. И так как дополнительных мод гораздо меньше, то и не будет и модовой дисперсии (о ней ниже).
Это основное отличие многомодового и одномодового волокон.
Многомодовые в свою очередь делятся на волокна со ступенчатым показателем преломления (step index multi mode fiber) и с градиентным (graded index m/mode fiber).
Одномодовые делятся на ступенчатые, стандартные (standard fiber), со смещенной дисперсией (dispersion-shifted) и ненулевой смещенной дисперсией (non-zero dispersion-shifted)
Конструкция оптического волокна
Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.
Сердцевина (которая и является основной средой передачи энергии светового сигнала) изготавливается из оптически более плотного материала, оболочка — из менее.
Диаметры сердцевины равные 50мкм и 62,5мкм являются признаками многомодовых оптических волокон, а 8-10мкм, соответственно, одномодовым.
Оболочка же, как правило, всегда имеет диаметр размером 125мкм.
Как видно диаметр сердцевины одномодового волокна имеет намного меньший размер, нежели диаметр многомодового. Меньший диаметр сердцевины позволяет уменьшить модовую дисперсию (о которой, возможно, будет написано в отдельной статье, а также вопросы распространения света в волокне), а соответственно увеличить дальность передачи. Однако, тогда бы одномодовые волокна вытеснили многомоды, благодаря более лучшим «транспортным» характеристикам, если бы не необходимость использовать дорогие лазеры с узким спектром излучения. В многомодовых волокнах используются светодиоды с более размазанным спектром.
Поэтому для недорогих оптических решений, таких как локальные сети интернет-провайдеров применения многомода случается.
Профиль показателя преломления
Вся пляска с бубном у волокна с целью увеличения скорости передачи была вокруг профиля показателя преломления. Так как основным сдерживающим фактором увеличения скорости является модовая дисперсия.
Кратко суть в следующем:
когда излучение лазера поступает в сердцевину волокна, то сигнал передается по ней в виде отдельных мод (грубо: лучей света. А на самом деле разные спектральные составляющие вводимого сигнала)
Здесь отображены 3 профиля преломления:
ступенчатый и градиентный для многомодового волокна и ступенчатый для одномодового.
Видно, что в многомодовых волокнах моды света распространяются по различным путям, но, из-за постоянного коэффициента преломления сердцевины с ОДИНАКОВОЙ скоростью. Те моды, которые вынуждены идти по ломанной линии приходят позже, чем моды, идущие по прямой. Поэтому исходный сигнал растягивается во времени.
Это позволяет увеличить скорость передачи и получить распознаваемый сигнал на приеме.
Области применения оптических волокон
Многомодовое волокно | Одномодовое волокно | |
MMF 50(62.5)/125 Градиентное |
SF 9/125 ступенчатое |
SF 9/125 со смещенной дисперсией (с ненулевой смещенной дисп.) |
ЛВС(GigaEther,FDDI,ATM) | Протяженные ЛВС, магистрали SDH | Сверхпротяженные магистрали SDH |
К этому можно добавить, что магистральные кабели теперь все почти идут с ненулевой смещенной дисперсий, что позволяет использовать на этих кабелях спектральное волновое уплотнение (WDM) без нужды замены кабеля.
А при построении пассивных оптических сетей часто используют многомодовое волокно.
Спасибо тем, кто конструктивно критиковал.
PS
если будет интересно, то могут появиться статьи о
— дисперсии
— типах волоконно-оптических кабелей (не волокон)
— системах передачи, используемых для wdm/dwdm уплотнения.
— процедура сварки оптических волокон. и типы сколов.
habr.com
кварцевые и не только / ЭФО corporate blog / Habr
Время от времени на Хабре появляются различные статьи на тему волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), что неудивительно, поскольку оптическая связь сегодня является одним из основных способов передачи информации. Оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно оптическому волокну мы во многом обязаны резким увеличением объема и скорости передаваемой по всему миру информации за последние годы и, в частности, развитием Интернета. Более того, с каждым годом оптическое волокно становится все ближе к потребителю и осваивает все новые сферы применения.
Мы уверены, что каждый уважающий себя IT-специалист должен иметь хотя бы общее представление о ВОЛС, независимо от того, чем конкретно он занимается. Предлагаемая вашему вниманию статья посвящена разновидностям и классификации оптических волокон. Конечно, сейчас можно легко найти очень много разной информации на эту тему. Но, как вы увидите дальше, и нам есть что рассказать. Тем более что на Хабре пока тема оптического волокна освещена, как нам кажется, в недостаточной степени.
Компания «ЭФО» занимается поставками импортных электронных компонентов на российский рынок с 1991 года. Последние 15 лет (с 2001 г.) наша программа поставок включает волоконно-оптические и оптоэлектронные компоненты. Исторически сложилось, что основными нашими клиентами являются представители разных отраслей промышленности.
«ЭФО» имеет несколько специализированных сайтов под разные группы продукции. Оптической связи посвящен сайт infiber.ru, которым занимаются сотрудники Отдела волоконно-оптических компонентов. Сайт содержит каталог волоконно-оптической продукции, которую мы поставляем. Также здесь публикуются новости производителей и статьи, написанные сотрудниками отдела. Наш сайт создан недавно, но активно развивается.
Как уже упоминалось, в этой статье мы хотели рассказать не столько о самом оптическом волокне, сколько о его разновидностях и классификации. Большинство читателей, скорее всего, знает разницу между одномодом и многомодом, но мы хотим дать более детальную информацию, чтобы Вы могли легко ориентироваться в многообразии современных волокон и их свойствах и не испытывали затруднений с вопросами, которые возникают в практической работе, например:
- Что означает OM4 в спецификации к оптическому волокну и чем оно отличается от OM1, OM2 и OM3?
- Какие материалы используются при производстве волокон и кабелей? Что такое пластиковое оптическое волокно?
- Где следует использовать волокно со смещенной дисперсией и в каких случаях дисперсия должна быть нулевой?
- Что означают аббревиатуры POF и HCS (PCS)?
Опыт общения с заказчиками показывает, что эти и другие вещи, связанные с классификацией волокон, известны далеко не всем (напомним, наши клиенты в основном работают в промышленности и чаще всего являются специалистами каждый в своей области). Поэтому считаем, что подобная информация будет крайне полезной. Очень надеемся, что одной статьей наше совместное обсуждение темы ВОЛС на Хабре не закончится.
Немного забегая вперед, отметим, что одной из главных особенностей этой статьи мы считаем знакомство читателей с волокнами POF и HCS, поскольку 1) эти волокна набирают все большую популярность в промышленности и других сферах и 2) в отличие от традиционных кварцевых волокон они не так хорошо освещены в русскоязычном интернете.
И последнее. Недавно мы разместили на нашем сайте пять статей, в которых более подробно рассказывается об оптическом волокне и его основных типах. Кому информации, изложенной ниже, окажется недостаточно, добро пожаловать к нам на сайт!
Исходя из поставленной задачи (представить классификацию оптических волокон), мы не хотели бы сильно углубляться в теоретические основы волоконно-оптической связи. Но для того чтобы информация была понятна широкому кругу читателей, начнем все-таки с того, что представляет собой оптическое волокно, каким образом по нему передается сигнал и каковы его некоторые основные характеристики.
Оптическое волокно (оптоволокно) – это волновод с круглым поперечным сечением, по которому передается электромагнитное излучение оптического диапазона (обычно ближний ИК и видимый свет). Оптическое волокно состоит из двух основных частей: сердцевины и оптической оболочки. Диаметр этой структуры сравним с толщиной человеческого волоса. Сверху на оптоволокно наносится защитное акриловое покрытие. Для дальнейшей защиты используются различные упрочняющие и защитные элементы. Конструкция, содержащая одно или несколько оптических волокон и различные защитные элементы, покрытые общей оболочкой, называется волоконно-оптическим кабелем.
Информационный сигнал передается по оптическому волокну в виде модулированного светового излучения. Благодаря явлению полного внутреннего отражения (вспомните школьный курс геометрической оптики), свет, попавший в оптоволокно, распространяется по нему на большие расстояния. Сердцевина и оптическая оболочка волокна изготавливаются из материалов с незначительно отличающимися показателями преломления (показатель преломления сердцевины больше). Поэтому световые волны, попавшие в сердцевину под углами, меньшими некоторого критического значения, многократно переотражаются от оболочки. Если при этом выполняются условия для распространения в волноводе (свет – это не только поток частиц, но и электромагнитная волна), то такие световые волны, называемые модами, распространяются на значительные расстояния.
Помимо разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки важную роль играет профиль показателя преломления сердцевины, то есть зависимость величины показателя преломления от радиуса поперечного сечения оптоволокна. Если показатель преломления остается одинаковым во всех точках сечения сердцевины, такой профиль называется ступенчатым, если плавно уменьшается от центральной оси к оболочке, – градиентным. Встречаются и более сложные профили. Профиль показателя преломления оказывает большое влияние на характеристики оптического волокна как среды передачи информации.
Среди большого числа характеристик и параметров, описывающих оптическое волокно как среду передачи данных, отметим наиболее важные – затухание (потери) и дисперсию.
Затухание – это постепенное ослабление мощности оптического сигнала по мере распространения по оптоволокну, вызванное разными физическими процессами. Величина затухания имеет сложную зависимость от длины волны излучения и измеряется в дБ/км. Затухание служит одним из главных факторов, ограничивающих дальность передачи сигнала по оптическому волокну (без ретрансляции).
Дисперсия – это уширение оптического импульса, передаваемого по оптоволокну, во времени. При высокой частоте следования импульсов такое уширение на некотором расстоянии от передатчика приводит к перекрыванию соседних импульсов и ошибочному приему данных. Дисперсия ограничивает как дальность, так и скорость передачи информации.
Рассказав (или напомнив) читателю об этих базовых понятиях, перейдем к тому, ради чего все это излагалось, – к классификации оптических волокон. Существует огромное количество различных оптических волокон, поэтому сразу сделаем оговорку, что мы не будем касаться так называемых специальных волокон, используемых в научных исследованиях и разных специфических применениях, а также волокон, которые пока являются скорее технологиями будущего. Мы сосредоточимся на тех типах оптических волокон, которые уже сегодня широко используются в телекоммуникациях. А таких типа четыре.
Основными критериями, по которым проводится классификация, можно считать следующие два:
- Материал, из которого изготавливается сердцевина и оптическая оболочка. Оптоволокно может изготавливаться не только из кварцевого стекла, но и из других материалов, в частности из полимеров.
- Количество распространяющихся мод. В зависимости от геометрических размеров сердцевины и оболочки и величины показателя преломления в оптическом волокне может распространяться только одна или же большое количество пространственных мод. Поэтому все оптические волокна делят на два больших класса: одномодовые и многомодовые.
Таким образом, можно выделить четыре больших класса оптических волокон (ссылки ведут к соответствующим статьям на infiber.ru):
- Кварцевое многомодовое волокно.
- Кварцевое одномодовое волокно.
- Пластиковое, или полимерное, оптическое волокно (POF).
- Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS).
На рисунке ниже изображены поперечные сечения этих четырех типов волокон (соотношение размеров сохранено).
Поговорим подробнее о каждом из этих типов.
1. Кварцевое многомодовое волокно
Кварцевые волокна являются самым известным и распространенным типом оптических волокон. Поскольку многомодовые и одномодовые кварцевые волокна сильно отличаются по своим характеристикам и применению, удобнее рассмотреть их по отдельности.
Многомодовое кварцевое волокно имеет и сердцевину, и оптическую оболочку из кварцевого стекла. Как правило, такое оптоволокно имеет градиентный профиль показателя преломления. Это необходимо, чтобы снизить влияние межмодовой дисперсии. Как было показано выше, моды распространяются в оптическом волокне по разным траекториям, а значит, время распространения каждой моды также отличается. Это приводит к уширению передаваемого импульса. Градиентный профиль уменьшает разницу во времени распространения мод. За счет плавного изменения показателя преломления моды высшего порядка, которые попадают в волокно под бо́льшим углом и распространяются по более длинным траекториям, имеют и бо́льшую скорость, чем те, которые распространяются вблизи сердцевины. Полностью устранить влияние межмодовой дисперсии невозможно, поэтому многомодовое волокно уступает одномодовому по дальности и скорости передачи информации.
Рабочими для многомодового волокна обычно являются длины волн 850 и 1300 (1310) нм. Типичное затухание на этих длинах волн – 3,5 и 1,5 дБ/км соответственно.
Классификация. Кварцевое многомодовое волокно было первым типом волокна, которое стало широко применяться на практике. Распространение получили два стандартных размера многомодовых волокон (диаметр сердцевины/оболочки): 62,5/125 мкм и 50/125 мкм.
Общепринятая классификация многомодовых кварцевых волокон приводится в стандарте ISO/IEC 11801. Этот стандарт выделяет четыре класса многомодовых волокон (OM – Optical Multimode), отличающиеся шириной полосы пропускания (параметр, характеризующий межмодовую дисперсию и определяющий скорость передачи информации):
- OM1 – стандартное многомодовое волокно 62,5/125 мкм;
- OM2 – стандартное многомодовое волокно 50/125 мкм;
- OM3 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером;
- OM4 – многомодовое волокно 50/125 мкм, оптимизированное для работы с лазером, с улучшенными характеристиками.
Фраза «оптимизированное для работы с лазером» напоминает о том, что изначальна для передачи сигнала по многомодовому волокну использовались светодиоды (LED). С появлением полупроводниковых лазеров стали разрабатываться волокна более совершенной структуры, названные оптимизированными для работы с лазерами.
Применение. Многомодовое волокно применяется в непротяженных линиях связи (обычно сотни метров), причем волокно 50/125 мкм (OM2, OM3, OM4) используется в основном в локальных сетях и дата-центрах, а волокно 62,5/125 мкм часто применяется в индустриальных сетях. В гигабитных приложениях рекомендуется применять волокна классов OM3 и OM4. Причина, по которой многомодовое волокно до сих пор не вытеснено одномодовым волокном, обладающим лучшими характеристиками, заключается в меньшей стоимости компонентов линии (активное оборудование, соединительные изделия). Цена снижается из-за большего диаметра сердцевины многомодового волокна, и, соответственно, меньших требований к точности изготовления и монтажа компонентов.
2. Кварцевое одномодовое волокно
В одномодовом волокне, как следует из названия, распространяется только одна (основная) мода излучения. Это достигается за счет очень маленького диаметра сердцевины (обычно 8-10 мкм). Диаметр оптической оболочки такой же, как и у многомодового волокна – 125 мкм. Отсутствие других мод положительно сказывается на характеристиках оптоволокна (нет межмодовой дисперсии), увеличивая дальность передачи без ретрансляции до сотен километров и скорость до десятков Гбит/с (приводим стандартные значения, а не те «рекордные», которые достигаются в исследовательских лабораториях). Затухание в одномодовом волокне также крайне низкое (менее 0,4 дБ/км).
Диапазон длин волн для одномодового волокна достаточно широк. Обычно передача осуществляется на длинах волн 1310 и 1550 нм. При использовании технологии спектрального уплотнения каналов используются и другие длины волн (об этом чуть ниже).
Классификация. Ассортимент кварцевых одномодовых волокон весьма разнообразен. Международный стандарт ISO/IEC 11801 и европейский EN 50173 по аналогии с многомодовым волокном выделяют два больших класса одномодовых волокон: OS1 и OS2 (OS – Optical Single-mode). Однако в связи с существующей путаницей, связанной с этим делением, не рекомендуем ориентироваться на эту классификацию. Гораздо более информативными являются рекомендации ITU-T G.652-657, выделяющие больше типов одномодовых волокон.
В таблице ниже представлена краткая характеристика этих волокон и их применение. Но прежде – пара комментариев. Межмодовая дисперсия, отсутствующая в одномодовом волокне, является не единственным механизмом уширения оптического импульса. В одномодовом волокне на первый план выходят другие механизмы, прежде всего, хроматическая дисперсия, связанная с тем, что ни один источник излучения (даже лазер) не испускает строго монохроматичное излучение. При этом существует длина волны, при которой коэффициент хроматической дисперсии равен нулю. В большинстве случае работа на этой длине волны оказывается предпочтительной, но не всегда.
Тип волокна | Описание | Применение |
---|---|---|
G.652. Одномодовое волокно с несмещенной дисперсией | Наиболее распространенный тип одномодового волокна с точкой нулевой дисперсии на длине волны 1300 нм. Различают 4 подкласса (A, B, C и D). Волокна G.652.C и G.652.D отличаются низким затуханием вблизи «водного пика» («водным пиком» называют область большого затухания в стандартном волокне около длины волны 1383 нм). | Стандартные области применения. |
G.653. Одномодовое волокно с нулевой смещенной дисперсией | Точка нулевой дисперсии смещена на длину волны 1550 нм. | Передача на длине волны 1550 нм. |
G.654. Одномодовое волокно со смещенной длиной волны отсечки | Длина отсечки (минимальная длина волны, при которой волокно распространяет одну моду) смещена в область длин волн около 1550 нм. | Передача на длине волны 1550 нм на очень большие расстояния. Магистральные подводные кабели. |
G.655. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией | Это волокно имеет небольшое, но не нулевое, значение дисперсии в диапазоне 1530-1565 нм (ненулевая дисперсия уменьшает нелинейные эффекты при одновременном распространении нескольких сигналов на разных длинах волн). | Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (DWDM). |
G.656. Одномодовое волокно c ненулевой смещенной дисперсией для широкополосной передачи | Ненулевая дисперсия в диапазоне длин волн 1460-1625 нм. | Линии передачи со спектральным уплотнением каналов (CWDM/DWDM). |
G.657. Одномодовое волокно, не чувствительное к потерям на макроизгибе | Волокно с уменьшенным минимальным радиусом изгиба и с меньшими потерями на изгибе. Выделяют несколько подклассов. | Для прокладывания в ограниченном пространстве. |
Применение. Одномодовое кварцевое волокно, безусловно, является самым распространенным типом оптоволокна. С его помощью можно организовать передачу высокоскоростного сигнала на очень большие расстояния, а применение технологии спектрального уплотнения каналов (CWDM/DWDM) позволяет в разы увеличить пропускную способность линии связи. Одномодовое волокно часто применяется и на коротких дистанциях, например, в локальных сетях.
3. Пластиковое оптическое волокно (POF)
О кварцевом оптическом волокне знают практически все. Но помимо него существует еще два типа оптических волокон, заслуживающие внимания. Прежде всего, речь идет о пластиковом, или полимерном, оптическом волокне (POF – Plastic/Polymer Optical Fiber). Это многомодовое волокно большого диаметра со ступенчатым показателем преломления, сердцевина и оболочка которого изготовлены из полимерных материалов, прежде всего, из полиметилметакрилата (по-простому, оргстекла). Чаще всего можно встретить POF с соотношением диаметров сердцевины и оболочки 980/1000 мкм.
В сравнении с кварцевым волокном POF имеет очень большие потери (100-200 дБ/км). С другой стороны, минимум потерь находится в видимом диапазоне (520, 560 и 650 нм). Это, а также очень большой размер поперечного сечения, позволяет использовать в качестве источников излучения дешевые светодиоды. Большой диаметр также значительно упрощает процесс работы с пластиковым волокном. Процесс изготовления патч-корда (оптического шнура) требует меньших навыков и времени, а все необходимые приспособления имеют значительно меньшую стоимость. На рисунке ниже представлены пластиковые патч-корды с коннекторами семейства Versatile Link (VL) от компании Broadcom Limited (ранее Avago Technologies).
Таким образом, главные преимущества пластикового волокна – это низкая стоимость компонентов и простота работы с ним. При этом POF присущи все те особенности оптического волокна, которые дают ему преимущества перед другими видами связи. В их числе невосприимчивость к электромагнитному излучению и изолирующие свойства (защита от высоких напряжений), меньшие габариты и вес.
Классификация. Хотя выпускаемые пластиковые волокна отличаются по размеру, используемым полимерам, профилю показателя преломления и другим параметрам, подавляющую часть всех пластиковых волокон составляет POF 980/1000 мкм из полиметилметакрилата.
Применение. Область применения POF – короткие низкоскоростные линии связи (до 200 Мбит/с на несколько десятков метров). Преимущества POF проявляются в тех случаях, когда простота эксплуатации и низкая стоимость линии связи важнее, чем характеристики самой передачи. POF часто используется в промышленных линиях связи, автомобильной электронике, медицине и разного рода датчиках. Кроме того, пластиковое волокно может с успехов применяться и в различных специальных/корпоративных сетях передачи данных, например, для связи в пределах квартиры или офиса (к слову, эта область применения в России пока только начинает развиваться).
4. Кварцевое волокно с полимерной оболочкой (HCS)
И, наконец, последний тип оптического волокна, с которым мы бы хотели познакомить читателей, представляет собой нечто среднее (во всех отношениях) между кварцевым и пластиковым волокном. У этого типа волокна много названий, но мы привыкли называть его кварцевым волокном с полимерной (жесткой) оболочкой и обозначать HCS (Hard Clad Silica). Также распространена аббревиатура PCS (Polymer Clad Silica).
HCS-волокно – это многомодовое оптическое волокно большого диаметра с сердцевиной из кварцевого стекла и оболочкой из полимерного материала. Наибольшее распространение в телекоммуникациях получило HCS-волокно с диаметром сердцевины и оболочки 200/230 мкм и ступенчатым показателем преломления. В других областях, таких как медицина и научные исследования, могут использоваться HCS-волокна с бо́льшим диаметром сердцевины (300, 400, 500 мкм…).
По своим оптическим характеристикам HCS-волокно также занимает промежуточное положение между кварцевым оптоволокном и POF. Минимум затухания стандартного HCS-волокна приходится на длину волны 850 нм и составляет единицы-десятки дБ/км. Для работы с HCS-волокном часто можно использовать те же активные компоненты, что и для POF (с длиной волны 650 нм) или для многомодового кварцевого волокна (светодиоды с длиной волны 850 нм).
Достаточно большой размер HCS-волокна, как и в случае POF, упрощает и удешевляет процесс работы с ним.
Классификация. Как уже упоминалось, в телекоммуникациях в основном используется HCS-волокно 200/230 мкм.
Применение. В целом, области применения HCS схожи с областями применения POF, с той лишь только разницей, что расстояние передачи при использовании HCS-волокна увеличивается до нескольких километров (благодаря меньшему затуханию).
Подведем итоги. Как видим, зачастую выбор оптического волокна для создания линии связи не ограничивается выбором одномод VS многомод. Ассортимент оптических волокон достаточно разнообразен, и в зависимости от ситуации наилучшим решением может оказаться использование того или иного типа волокна из тех, что были описаны в данной статье.
Напоследок благодарим всех читателей за внимание. Надеемся, что статья оказалась не только познавательной, но и полезной (или окажется таковой в будущем). С нетерпением ждем комментариев и вопросов.
habr.com
Характеристики оптического волокна
Самый древний и вместе с тем и самый распространённый способ передачи сигналов, почти до первой половины XIX века, был световой, или посредством огней и других световых сигналов, или же помощью особых приборов с подвижными частями, различные взаимные положения которых и должны составлять условные знаки. Была высказана мысль (Бушредер, в 1725 г.), что вавилонская башня могла служить для оптического телеграфирования. У китайцев для той же цели зажигаются яркие огни на башнях, расположенных вдоль всей Великой Китайской стены. Такой способ передачи известий, посредством огней, применялся и позднее у всех диких народов, в особенности в Африке.
Оптические кабели используют точно такой же принцип – передача информации на дальние расстояния с помощью света. С той лишь разницей, что при использовании современных систем передач скорость может достигать до 10 Гбит/с.
Оптические кабели в отличие от электрических не требуют дефицитных материалов и изготавливаются, как правило, из стекла и полимеров. Помимо экономии меди достоинствами оптических кабелей являются:
- Высокая пропускная способность
- Малое ослабление сигнала и независимость его от частоты
- Высокая защищенность от внешних электромагнитных помех
- Малые габаритные размеры и масса
- Надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания)
В качестве источника излучения для ВОЛС используется лазер. Лазер – оптический квантовый генератор. Лазер обладает когерентным излучением, то есть согласованным во времени и пространстве движением фотонов, и имеет узконаправленный луч. В отличие от обыкновенного света, основанного на тепловой природе возникновения и излучающего очень широкий непрерывный спектр частот, лазерный луч имеет электромагнитную основу и представляет собой монохроматический (одноволновый) луч.
Передача света происходит в тонком световоде (тоньше человеческого волоса). Световод представляет из себя совокупность сердцевины и оболочки, вдоль границы которой распространяется световой сигнал. И сердцевина, и оболочка состоят из кварца с разным показателем преломления. Поверх сердцевины накладывается покрытие (буфер), которое служит в целях защиты и обеспечивает гибкость.
Волны по световоду в заданном направлении передаются за счет отражений их от границы раздела сердцевины и оболочки, имеющей разные показатели преломления. Граница раздела сред характеризуется соотношением между длиной волны и поперечным диаметров сердцевины. Если длина волны меньше диаметра сердцевины передача сигнала будет осуществляться за счет многократного отражения от раздела сред с различными характеристика. Много непонятных слов? Сейчас поясним все по порядку.
Для того, чтобы понимать как луч света свободно проходит через световод и никуда не излучается, необходимо знать закон преломления из курса физики. При переходе света из одной среды в другую направление света может меняться.
Направление света меняется за счет того, что разные среды имеют разную плотность. Плотность среды влияет на скорость распространения света. Чем меньше плотность, тем больше скорость распространения света. В общем случае, данная зависимость выражается простой формулой.
где c – скорость света в вакууме, n – показатель преломления.
Таким образом, показатель преломления показывает во сколько раз скорость распространения света в данной среде меньше чем в вакууме.
Итак, мы выяснили, что в направления света в разных средах меняется. Но каким образом? Ответ на этот вопрос дает закон преломления (или закон Снеллиуса).
Падающий и преломленный лучи и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:
Световод волокна состоит из сердцевины и оболочки. Луч света распространяется по сердцевине, отражаясь от оболочки. Нам необходимо знать условие, при котором падающий луч будет полностью отражаться и, соответственно, не будет преломления. Отражения не будет, когда угол β равен 90 градусов. Синус 90 градусов равен единице.
Получим условие полного внутреннего отражения
Область определения арксинуса от -1 до 1. Так как изначально угол
То и область определения арксинуса будет от 0 до 1, иными словами
Очевидно, что данное условие будет выполняться только при
Иными словами, условие полного внутреннего отражения будет выполняться тогда, когда луч падает из более плотной среды n1 в среду менее плотную n2.
Плотность сердцевины должна быть больше плотности оболочки волокна. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) и имеет диаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 или 62,5 мкм (для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины — 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространяться по ней, многократно отражаясь от оболочки.
Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец световода. Как видно из рисунка ниже световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла θmax, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения. Этот телесный угол характеризуется апертурой. Апертура – это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.
Структурная схема волоконно-оптической линии связи
Сигнал от абонента поступает на ИКМ – импульсно-кодовый модулятор. ИКМ выполняет преобразование сигнала в цифровую форму. ПК – преобразователь кода, изменяет код от абонента на тот, который используется в оптических линиях. ЭОП – электронно-оптический преобразователь. Представляет из себя лазер, либо светодиод. Преобразует электрический сигнал в оптический. СУ – согласующее устройство, предназначено для согласования параметров линии передачи. После СУ оптический сигнал направляется в световод. На его пути стоит Р – регенератор, который выполняет восстановление сигнала по форме, мощности, амплитуде и фазе. На приме находится ЭОП – электро-оптический преобразователь. По сути это фотодиод. Он выполняет функцию преобразования оптического сигнала в электрический.
Типы оптических волокон
С точки зрения волновой теории энергия в оптическом волокне сосредотачивается в определенных областях сердцевины, которые получили название мода. Одной их характеристик оптического волокна является количество мод – участков распространения энергии.
Все оптические волокна делятся на две основные группы:
- Многомодовые волокна, в которых возникает несколько областей распространения энергии – мод. Каждая мода распространяется по своей траектории и в итоге они поступают на выход в разные моменты времени. Это приводит к искажению сигнала.
- Одномодовые волокна, в которых энергия распространяется по одному направлению.
Многомодовые волокна также отличаются профилем показатели преломления. Профиль показателя преломления представляет зависимость показателя преломления от центра оси волокна. По показателю преломления многомодовые волокна делятся на ступенчатые и градиентные.
У градиентного волокна показатель преломления зависит от радиуса. Для многомодового волокна градиентный показатель преломления имеет лучшие характеристики, чем ступенчатое. Это связано с тем, что межмодовая дисперсия значительно меньше, что приводит к большей пропускной способности. Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность.
В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты оптических волокон:
- Многомодовое градиентное волокно 50/125 (G.651)
- Многомодовое градиентное волокно 62.5/125 (G.651)
- Одномодовое ступенчатое волокно с несмещенной дисперсией 8-10/125 (G.652)
- Одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (G.653)
Источники и приемники излучения
Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Требования к источникам излучения, применяемым в ВОЛС:
- Излучение должно вестись на длине волны, соответствующей одному из окон прозрачности: 850, 1300, 1550 нм
- Необходимая частота модуляции для обеспечения требуемой длины волны
- Необходимая мощность для передачи на дальние расстояния
В настоящее время используется два основных источника излучения: светодиод (LED) и полупроводниковый лазерный диод (LD). Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр.
Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) выполняют обратное преобразование: оптический сигнал в электрический. Требования к приемникам излучения в ВОЛС высокая чувствительность и высокое быстродействие. В качестве ПРОМ используются p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды.
Затухание в оптическом волокне
Оптическое волокно характеризуется двумя важными параметрами: затухание и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками.
Затухание – уменьшение мощности оптического сигнала. Измеряется в децибелах.
P1 – мощность на входе, Вт. P2 – мощность на выходе, Вт.
Затухание в оптическом волокне может зависит от разных причин. Рассмотрим классификацию потерь.
Кабельные потери обусловлены скруткой, деформацией и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек. Изгибы приводят к нарушению условия полного внутреннего отражения.
Собственные потери обусловлены неидеальными свойствами оптического волокна. Затухание рассеивания возникает за счет неоднородностей сердцевины волокна. Неоднородности проявляется в том, что волокно имеет участки с немного отличающимися показателями преломления. Свет попадания на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. Затухание поглощения состоит как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощения), так и из потерь, связанных с поглощением света в примесях. Причиной поглощения в ультрафиолетовом диапазоне является резонанс электронных оболочек атомов кремния. Причиной поглощения в инфракрасном диапазоне является резонанс атомов кремния как системы. Поглощения света на примесях обуславливается резонансном гидрооксидных групп OH, в результате чего на длинах волн 1000 нм, 1998 нм возникает резкое увеличение затухание, которое проявляется в увеличении джоулева тепла.
Существует три окна прозрачности оптического волокна: 850 нм, 1310 нм, 1550 нм.
Неоднородность затухания света в оптическом волокне в разных диапазонах длин волн обусловлена неидеальностью среды, наличием примесей, резонирующих на разных частотах.
Затухание в разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина — 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны 1550 нм, поэтому третье окно прозрачности используется для организации связи на большие расстояния (DWDM, SDH). Во втором окне прозрачности (1310 нм) затухание выше— 0,36 дБ/км , однако для этой длины волны характерна нулевая дисперсия, поэтому второе окно используется на городских и зоновых сетях небольшой протяжённости (PON). Первое окно прозрачности (850 нм) используется в офисных оптических сетях; использование этого окна прозрачности незначительно. Затухание на 850 нм составляет 0,5 дБ/км.
Дисперсия в оптическом волокне
Дисперсия – рассеивание во времени модовых и частотных составляющих сигнала. Дисперсия приводит к уширению импульсов. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться так, что становится невозможным их выделение на приеме.
Дисперсия имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на входе и выходе кабеля длины L.
Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами:
- Различием скоростей распространения направляемых мод (межмодовая дисперсия)
- Направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией)
- Свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией)
Межмодовая дисперсия относится только к многомодовому волокну. Обусловлено разными путями распространения мод.
Хроматическая дисперсия связана с длиной волны. Хроматическая дисперсия обуславливается наличием в спектре передаваемого сигнала множества спектральных составляющих, каждая из которых соответствует определенной длине волны. Грубо говоря, каждая волна распространяется со своей скоростью, от чего возникает дисперсия.
Поддержите проект
Друзья, сайт Netcloud каждый день развивается благодаря вашей поддержке. Мы планируем запустить новые рубрики статей, а также некоторые полезные сервисы.
У вас есть возможность поддержать проект и внести любую сумму, которую посчитаете нужной.
netclo.ru
Характеристики | InfiniCor® 300 | ClearCurve | ||
ОМ4 | ОМ3 | ОМ2 | ||
Диаметр сердцевины | 62,5±2,5 мкм | 50±2,5 мкм | ||
Диаметр оболочки | 125±2 мкм | 125±1 мкм | ||
Диаметр покрытия | 242±5 мкм | |||
Затухание @850нм | <2,9 дБ/км | <2,3 дБ/км | ||
Затухание @1300нм | <0,6 дБ/км | <0,6 дБ/км | ||
Полоса пропускания @ 850нм СИД |
200 МГц*км |
3500 МГц*км |
1500 МГц*км |
700 МГц*км |
Полоса пропускания @1300нм СИД |
500 МГц*км |
500 МГц*км |
500 МГц*км |
500 МГц*км |
Растояние передачи 1Гбит/c | 300 м (550 м) | >1100 м | 1000 м | 750 м (850 м) |
Растояние передачи 10Гбит/c | – | 550 м (600 м) | 300м (400 м) | 150 м (200 м) |
Растояние передачи 40/100Гбит/c | – | 170 м | 140 м (160 м) | – |
Неконцентричность оболочки | <12 мкм | |||
Некруглость сердцевины | <5 % | |||
Некруглость оболочки | <1,0 % | |||
Неконцентричность сердцевины и оболочки | < 1,5 мкм | |||
Перемотка с натяжением | 0,7 ГПа | |||
Числовая аппертура | 0,275±0,015 | 0,200±0,015 | ||
Длина волны нулевой дисперсии
| 1332…1354 нм | 1295… 1315 нм | ||
Наклон кривой дисперсии в нулевой точке | <0,097 пс/(нм2*км) | <0,101 пс/(нм2*км) | ||
Прирост затухания при изгибе @850 нм | <0,5 дБ | <0,05 дБ | ||
Прирост затухания при изгибе @1300 нм | <0,5 дБ | <0,15 дБ | ||
Прирост затухания при изгибе @850 нм | – | <0,1 дБ | ||
Прирост затухания при изгибе @1300 нм | – | <0,3 дБ | ||
Прирост затухания при изгибе @850 нм | – | <0,2 дБ | ||
Прирост затухания при изгибе @1300 нм | – | <0,5 дБ | ||
Сила снятия покрытия | 2,7 Н | |||
Рабочий диапазон температур | -60 до +85 °С | |||
Зависимость от температуры @850/1300 нм
| <0,1 дБ/км | |||
Параметр динамической усталости (Nd) | 20 | |||
Действующее значение группового показателя преломления (Nэфф) | 1,496 на 850 нм | 1,480 на 850 нм |
vols.expert
Основные типы и характеристики мышечных волокон
В этой статье давайте рассмотрим основные типы и характеристики мышечных волокон,а также выясним какое соотношение мышечных волокон преобладает у человека по половому признаку и виду физической деятельности.
Классификация скелетных мышц основана на различиях в тяжёлых цепях молекул миозина, которые преобладают в их составе. Чтобы понять о чём идёт речь и представить общую картину, взглянем на строение мышцы.
Всего существует 3 типа мышечных волокон, но основные принято выделять два типа: быстрые физические (или тип II) и медленные физические (или тип I). Эти типы волокон различаются по своим метаболическим и сократительным характеристикам. Рассмотрим подробную характеристику каждого типа.
Соотношение мышечных волокон у человека
Интересно отметить, что в мышцах верхних и нижних конечностей одного человека соотношение доли быстрых и медленных волокон обычно почти одинаково. Единственным исключением является камбаловидная мышца — сгибатель стопы, участвующий в ходьбе и видах деятельности, связанных с переносом тяжести, для чего необходимы, прежде всего, медленные волокна. У основной массы мужчин, женщин и детей мышцы конечностей состоят на 45—55 % из медленных мышечных волокон. Волокна типов А и Б также представлены примерно в равной мере.
Половые различия в распределении различных типов мышечных волокон практически отсутствуют, они проявляются лишь в абсолютных размерах мышц. Однако если речь идёт о профессиональных спортсменах высокого класса, здесь обнаруживаются заметные отличия. У спринтеров проявляется тенденция к преобладанию в мышцах ног быстрых волокон, в то время как у спортсменов, которым необходима высокая аэробная выносливость, наблюдается доминирование медленных волокон. У легкоатлетов — бегунов на средние дистанции доля медленных и быстрых волокон часто почти одинакова. Преобладание определённого типа мышечных волокон является лишь одним показателем, определяющим успех спортсмена, и не может использоваться как универсальное средство прогноза результативности спортсмена.
Соотношение быстрых и медленных волокон в мышцах человека, очевидно, определяется уже в первые годы его жизни, т. е. является генетически предопределённым и практически не изменяется до самой старости. По мере старения у людей проявляется тенденция к утрате быстрых волокон в результате возрастных изменений и недостаточной двигательной активности.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
street-sport.com
Типы мышечных волокон
Описаны различные типы мышечных волокон, а также гистологические и гистохимические методы их классификации. Дана характеристика различных типов мышечных волокон, описаны их функции, а также расположение в скелетной мышце.
Типы мышечных волокон
Классификации мышечных волокон
В настоящее время общепринято считать, что у человека скелетные мышцы состоят из волокон различных типов. Существуют различные классификации типов мышечных волокон. Различают волокна: красные и белые, медленные и быстрые, тонические и фазические. В середине ХХ века для разделения мышечных волокон на разные типы использовались гистологические методы (А.В. Самсонова с соавт., 2012). Из скелетных мышц посредством биопсии извлекался кусочек мышечной ткани, быстро замораживался и разрезался на тонкие слои. Затем производилось исследование мышечной ткани под микроскопом. Первоначально критерием разделения мышечных волокон на медленные и быстрые являлось количество и расположение митохондрий. Затем предпочтение стали отдавать такому показателю как толщина Z-дисков. Было найдено, что у медленных волокон Z-диски существенно толще, чем у быстрых. В качестве еще одного критерия разделения мышечных волокон на типы использовалась толщина М-диска. При продольных срезах расслабленной скелетной мышцы видно, что медленные мышечные волокна содержат пять М-линий, имеющих одинаковую плотность. Промежуточные мышечные волокна – три линии средней плотности, ясно видимые и две линии, имеющие небольшую плотность. В быстрых мышечных волокнах имеются три линии средней плотности и две внешние, едва различимые.
В настоящее время чаще всего используется классификация M.Brook, K.Kaiser (1970), которая основывается на гистохимических методах.
Более подробно строение и функции мышц описаны в моих книгах «Гипертрофия скелетных мышц человека» и «Биомеханика мышц«
Известно, что миофибриллы состоят из саркомеров, а те, в свою очередь – из толстых и тонких филаментов. Основу толстых филаментов составляет белок миозин, а основу тонких – белок актин.
Гистохимические методы основаны на определении активности фермента АТФ-азы миозина. Этот фермент расположен на головках молекул миозина. Фермент АТФ-аза осуществляет высвобождение энергии, необходимой для осуществления сокращения мышечного волокна. Степень активности АТФ-азы варьирует в широких пределах. Установлено, что степень активности АТФ-азы миозина связана с типом миозина, содержащемся в мышечном волокне. В медленных мышечных волокнах активность АТФ-азы низкая, а в быстрых – высокая. Именно высокая активность АТФ-азы миозина способствует высокой скорости сокращения мышечных волокон.
На основе классификации по активности АТФ-азы миозина различают мышечные волокна типа I, типа IIA и типа IIB.
Характеристики мышечных волокон
Медленные и быстрые мышечные волокна различаются метаболизмом, что проявляется в активности ферментов и количестве митохондрий. Медленные мышечные волокна окружены большим числом крупных митохондрий с набором ферментов, катализирующих распад углеводов и жирных кислот. Поскольку этот процесс требует притока большого количества кислорода, вполне естественно, что сеть капилляров, окружающая медленные мышечные волокна более развита и снабжение кислородом, доставленным с током крови, в этих волокнах происходит более интенсивно. В этих волокнах крайне ограничен запас углеводов в виде гликогена и низка активность ферментов гликолиза (М.И. Калинский, В.А. Рогозкин, 1989).
Быстрые волокна типа IIA и IIB характеризуются высокой активностью АТФ-азы миозина, поэтому скорость их сокращения практически в два раза выше, чем у медленных. С высокой скоростью сокращения связан хорошо развитый саркоплазматический ретикулум, который характерен для быстрых мышечных волокон, так как он содержит ионы кальция, необходимые для сокращения мышечного волокна.
Волокна типа IIA имеют набор ферментов для полного окисления углеводов и жирных кислот, такой же, как и в медленных волокнах и к тому же они располагают ферментами гликолиза, то есть способностью расщеплять углеводы до молочной кислоты. Быстрые мышечные волокна типа IIB способны к коротким периодам сократительной активности. Они имеют набор ферментов гликолиза с высокой активностью и небольшое количество митохондрий с окислительными ферментами. Быстрые мышечные волокна типа IIA и IIB имеют большие запасы гликогена, который сразу используется в качестве источника энергии при сокращении скелетной мышцы (табл.1).
Таблица 1 Характеристики мышечных волокон различных типов
Характеристика | I тип | IIА тип | IIВ тип |
Название мышечных волокон | Красные, медленные, устойчивые к утомлению, окислительные | Промежуточные, быстрые, устойчивые к утомлению, окислительно-гликолитические | Белые, быстрые, быстроутомляемые, гликолитические, анаэробные |
Размер мотонейрона | малый | Большой | Большой |
Активность АТФ-азы миозина | низкая | Высокая | Высокая |
Саркоплазматический ретикулум | Слабо развит | Среднее развитие | Хорошо развит |
Плотность капилляров | Высокая | Высокая | Низкая |
Количество миоглобина | Много | Средне | Мало |
Количество митохондрий | Много | Средне | Мало |
Размеры митохондрий | Очень большие | Средние | Небольшие |
Активность ферментов митохондрий | Большая | Большая | Низкая |
Сопротивление утомлению | Высокое | Среднее | Очень низкое |
Запасы гликогена | Низкие | Большие | Большие |
Гликолитическая способность | Низкая | Большая | Большая |
Скорость сокращения | Низкая | Высокая | Высокая |
Площадь поперечного сечения мышечного волокна | Небольшая | Большая | Большая |
Максимальная сила | Небольшая | Большая | Очень большая |
Функции мышечных волокон
Основная функция волокон типа I – выполнение длительной работы низкой интенсивности. Они активны также при поддержании позы. Поэтому антигравитационные мышцы в основном состоят из медленных волокон типа I.
Основная функция мышечных волокон типа II – выполнение быстрых и сильных сокращений.
Расположение мышечных волокон различных типов в скелетных мышцах.
Мышечные волокна объединены в пучки. Их покрывает перимизий. Пучок содержит мышечные волокна различных типов. В пучке мышечные волокна расположены в виде мозаики. Однако доказано, что внутри мышцы больше мышечных волокон типа I, а снаружи – мышечных волокон типа II.
Литература
- Калинский М.И., Рогозкин В.А. Биохимия мышечной деятельности.- Киев: Здоровья, 1989.- 144 с.
- Самсонова, А.В. Методы оценки композиции мышечных волокон в скелетных мышцах человека /А.В. Самсонова, И. Э. Барникова, М. А. Борисевич, А. В. Вахнин //Труды кафедры биомеханики НГУ им. П.Ф. Лесгафта. – Вып. 6.- СПб, 2012.- С. 18-27.
- Сонькин В.Д., Тамбовцева Р.В. Развитие мышечной энергетики и работоспособности в онтогенезе.
- Уилмор Дж. Х., Костилл Д. Л. Физиология спорта и двигательной активности. Киев: Олимпийская литература, 1997. 504 с.
С уважением, А.В.Самсонова
allasamsonova.ru
Типы мышечных волокон
Углеводных запасов в организме хватает в среднем на 95 мин марафонского бега, тогда как жировых запасов хватит на 119 ч. Тем не менее, для утилизации жира требуется больше кислорода. В единицу времени из углеводов может быть синтезировано больше АТФ, чем из жиров. По этой причине углеводы являются самым главным источником энергии во время интенсивных нагрузок. Когда заканчиваются запасы углеводов, вклад жира в энергообеспечение работы резко возрастает, а интенсивность нагрузки снижается. В марафоне это часто происходит в районе 30-километровой отметки — после 90 мин бега.
Каждая мышца содержит различные типы мышечных волокон. Мышечные волокна сильно отличаются по своим функциям, но все они требуют энергии. Необходимо иметь представление о различиях волокон, поскольку каждый тип мышечных волокон тренируется определенным образом.
Условно мышечные волокна разделяются на два типа: красные, или медленные, волокна, которые также называются медленносокращающимися волокнами или волокнами типа I, и белые, или быстрые, волокна, которые также называются быстросокращающимися волокнами или волокнами типа II. Между мужчинами и женщинами не существует разницы в соотношении быстросокращающихся и медленносокращающихся волокон. Реакция на тренировку мышечных волокон у женщин и мужчин одинакова.
18
Красные мышечные волокна
Густо усеянные капиллярами красные мышечные волокна снабжаются энергией преимущественно аэробно. Следовательно, красные волокна обладают высокой аэробной способностью и ограниченной анаэробной. Красные волокна важны для выносливости. Они работают относительно медленно и не так быстро устают, и поэтому способны поддерживать работу в течение длительного времени.
Белые мышечные волокна
Белые мышечные волокна с умеренным содержанием капилляров снабжаются энергией преимущественно анаэробно. Белые волокна обладают высокой анаэробной способностью и относительно низкой аэробной, поэтому они максимально используются в скоростносиловых видах спорта (спринтерский бег, метания, прыжки, борьба, тяжелая атлетика). Белые волокна работают быстро и, следовательно, быстро устают. Энергичные взрывные упражнения, которые максимально задействуют белые волокна, могут поддерживаться лишь в течение короткого периода времени.
Белые волокна (волокна типа II) разделяются на волокна типа IIа и IIb. Волокна типа IIа, кроме своей высокой анаэробной способности ресинтеза АТФ, обладают также высокой аэробной способностью. Таким образом, волокна типа IIа поддерживают волокна типа I во время длительной работы на выносливость. Волокна типа IIb являются чисто анаэробными и вряд ли выполняют какую-либо функцию во время нагрузки на выносливость.
В таблице 1.2 дается сравнение свойств красных и белых мышечных волокон.
Соотношение красных и белых мышечных волокон
Чем больше количество быстросокращающихся волокон в мышцах спортсмена, тем выше его спринтерские возможности. Соотношение мед-ленносокращающихся и быстросокращающихся волокон может сильно различаться между людьми, но соотношение мышечных волокон у отдельного человека по существу неизменно. Изначально мы рождаемся либо спринтерами, либо стайерами. У спринтера соотношение медленных и быстрых волокон составляет 50/50, тогда как у марафонца соотношение медленных и быстрых волокон может составлять 90/10. На графике 5 показаны соотношения мышечных волокон у различных типов спортсменов.
Таблица 1 2 Свойства красных и белых мышечных волокон
| Белые волокна | Красные волокна |
|
| (быстросокращающиеся) | (медленносокращающиеся) |
|
| Взрывные/спринтерские | Выносливость |
|
| способности |
|
|
| Умеренная капиллярная сеть | Плотная капиллярная сеть |
|
| Высокие анаэробные способности | Высокие аэробные способности |
|
| Низкие аэробные способности | Низкие анаэробные способности |
|
| Энергообеспечение: лактатная | Энергообеспечение: кислородная |
|
| система, фосфатная система | система |
|
| Количество белых волокон не | Количество красных волокон |
|
| увеличивается под воздействием | увеличивается под воздействием |
|
| тренировки | тренировки |
|
| Продолжительность работы малая | Продолжительность работы |
|
|
| большая |
|
| Выработка лактата высокая | Лактат не вырабатывается |
|
| С возрастом количество белых | С возрастом количество красных |
|
| волокон уменьшается | волокон не уменьшается |
|
| быстро устают | Медленно устают |
|
| Скорость сокращения высокая | Скорость сокращения низкая |
|
| Сила сокращения большая | Сила сокращения маленькая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
От соотношения мышечных волокон зависит тип спортсмена — спринтер или стайер. Однако нельзя сказать, что это соотношение абсолютно неизменно. Следуя четко нацеленной тренировочной программе, спринтер может усовершенствовать свои аэробные качества и повысить выносливость. Правильная тренировка может увеличить количество красных волокон, что, в свою очередь, повлияет на общее соотношение красных и белых волокон. Иначе говоря, под воздействием тренировок белые волокна могут превратиться в красные.
К сожалению, обратное действие невозможно. Спортсмен на выносливость не сможет изменить состав своих мышц, выполняя нагрузки ско-ростно-силового характера. Выраженный стайер всегда будет слабее спринтера. Тем не менее, спринтер может легко превратиться в хорошего стайера, хотя вместе с повышением выносливости у него снизятся спринтерские качества.
С возрастом спринтерские способности спортсмена снижаются быстрее, чем способности к выполнению длительной работы. Скоростно-силовая работоспособность, как правило, снижается вместе с уменьшением количества быстросокращающихся волокон. Способности к выполнению длительной работы могут поддерживаться вплоть до преклонного возраста.
Тип волокна и интенсивность нагрузки
Легкая нагрузка, например ходьба, прогулка на велосипеде или бег трусцой, может поддерживаться в течение многих часов. В данном случае энергия поставляется полностью за счет аэробной системы — посредством окисления жиров в волокнах типа I. Запасы жира практически неисчерпаемы.
При нагрузке средней мощности, например во время бега или езды на велосипеде, все волокна типа I могут через какое-то время стать активными. Помимо окисления жиров повышается доля окисления углеводов, хотя энергообеспечение все еще протекает аэробным путем. Хорошо подготовленные спортсмены могут поддерживать максимальную аэробную нагрузку в течение 1-2 ч. За это время происходит полное истощение углеводных запасов.
При дальнейшем повышении интенсивности, например при соревновательном беге на 10 км, в работу вовлекаются волокна типа Па, а окисление углеводов становится максимальным. Главная роль в энергообеспечении ложится на кислородную систему, однако лактатная система также вносит свой вклад в энергообеспечение нагрузки. Лактатная система имеет в своей природе молочную кислоту как побочный продукт. До определенного уровня
интенсивности соблюдается равновесие между образованием и распадом молочной кислоты (организм еще способен перерабатывать молочную кислоту с той же скоростью, с какой ее производит).
Если уровень интенсивности, а вместе с ней и доля участия лактатной системы в энергообеспечении, продолжают расти, то возможности организма перерабатывать молочную кислоту превышаются. Вследствие накопления молочной кислоты и быстрого истощения углеводных запасов данный тип нагрузки может поддерживаться в течение ограниченного периода времени, в зависимости от тренированности спортсмена.
Во время спринтерской тренировки максимальной мощности или во время выполнения интервалов с высокой интенсивностью повышается роль мышечных волокон типа IIb. Энергообеспечение такой деятельности происходит полностью анаэробным путем с участием углеводов в качестве источника энергии. После таких тренировок сильно возрастают показатели молочной кислоты, и соответственно продолжительность нагрузки не может быть большой. Последовательность вовлечения мышечных волокон в работу представлена в таблице 1.3.
Таблица 1.3 Вовлечение мышечных волокон в работу разной интенсивности
Интенсивность | Активные волокна | Источники | Энергетические |
нагрузки |
| энергии | системы |
Низкая | Тип I | Жиры | Кислородная |
Средняя | Тип I + IIа | Жиры и | Кислородная и |
|
| углеводы | лактатная |
Высокая | Тип I + Тип IIа + IIb | Углеводы | Лактатная и |
|
|
| фосфатная |
studfile.net