Ходьба человека (анатомическая характеристика). Биомеханика бега и ходьбы: что нужно знать о биомеханике мышц человека

Ходьба - это автоматизированная локомоция, направленная на выполнение конкретной двигательной задачи. Локомоторный акт представляет собой целесообразное действие, которое управляется центральной иннервационной программой. В основе ходьбы лежит деятельность спинального генератора шагательных движений в виде системы интернейронов и мотонейронов, а также мышц-антагонистов с взаимными тормозными связями. Ходьба является координированным процессом. Согласованные движения отдельных частей тела синергичны и требуют минимального управления, что облегчает движения. Для осуществления ходьбы отсутствует необходимость в постоянном контроле ЦНС за положением конечности и за степенью мышечной активности. Ходьба является автоматизированным процессом, что позволяет расходовать энергию на оптимальном уровне. Нарушение автоматизма вызывает увеличение энергозатрат и требует дополнительных усилий со стороны ОДС и ЦНС.

Во время ходьбы под действием силы тяжести и реакции опоры происходит последовательное чередование подъемов и падений тела над поверхностью опоры, когда все тело и отдельные его сегменты совершают маятникообразные движения. Все тело целиком представляет собой обратный маятник, точкой опоры которого служит стопа. Общий центр масс (ОЦМ) тела у взрослого расположен выше опоры на уровне второго поясничного позвонка L2. Тело, подобно маятнику, производит колебательные движения над точкой опоры. При ходьбе движения маятника осуществляются за счет отталкивания от опоры. Опорная нога, туловище и голова образуют обратный маятник, а переносимая нога работает как прямой маятник. При ходьбе после отталкивания от опоры маятник выходит из состояния неустойчивого равновесия и начинает падать вперед. Он совершает наклон в голеностопном суставе над стопой, которая фиксирована на опоре. По мере увеличения угла наклона тела под действием ускорения свободного падения происходит увеличение его кинетической энергии. Падение маятника прекращается в результате изменения положения ног. Во время движения тела вперед одна из ног остается фиксированной на опоре, а другая сгибается в тазобедренном суставе и выносится вперед по типу прямого маятника. Вынос бедра облегчен за счет наклона вперед всего тела. Во время выноса бедра происходит разгибание голени в коленном суставе и ее вынос также по типу прямого маятника. Вынесенная нога совершает процесс переноса по воздуху и упирается на опору впереди тела, в результате чего происходит прекращение падения маятника и восстановление вертикального положения тела. Опорная нога, которая осталась позади тела, совершает отталкивание от опоры и перенос по воздуху как прямой маятник.

Маятникообразные движения тела вызывают изменение положения ОЦМ. Наклон тела вперед приводит к понижению ОЦМ, а отталкивание от опоры вызывает его подъем. За время двойного шага опускание и подъем.ОЦМ происходит дважды. Самое высокое положение ОЦМ достигает в реакция опоры фазу двойной опоры, когда одна нога опирается на пятку, а другая нога - на носок. Маятниковый механизм дает существенную энергетическую выгоду за счет повторяемости и устойчивости движений. Повторяемость движений уменьшает затраты энергии при локомоции. Маятниковый механизм является энергосберегающим видом передвижения, что влияет на все параметры ходьбы. Устойчивость движений обеспечивает постоянство воспроизведения циклов движения и снижает необходимость в их активном управлении. Низкие затраты энергии и легкость управления являются факторами оптимизации локомоции.

Для всей ОДС, и для нижней конечности в частности, характерны колебания, которые обладают собственной частотой. При ходьбе в конечностях возникают вынужденные колебания. Система управления движением использует колебательные свойства нижних конечностей и связанное с колебаниями явление резонанса. Существует определенная частота вынуждающей силы, при которой колебания ОДС оказываются восприимчивыми к действию этой силы. Для того чтобы собственная частота конечности совпала с частотой вынужденных колебаний, система управления движением изменяет моменты инерции в суставах ноги. Резонанс позволяет осуществлять концентрацию мышечного усилия для выполнения ходьбы, а также минимизировать затраты энергии на ходьбу. Изменение скорости движения вызывает изменение частоты колебаний конечности, которая подстраивается под частоту сокращающихся мышц путем изменения углов движения в суставах ноги. Координация сгибания и разгибания в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах приводит к уменьшению энергозатрат. Оптимум мышечного резонанса и передачи энергии наблюдается при скорости ходьбы 1,4 м/с.

У ходьбы имеются кинематические параметры: длина шага, ритм, скорость, продолжительность периода опоры, углы ротации и наклона таза, подгибания в коленном суставе, а также соотношение углов движения во всех суставах и т. д. Период, на протяжении которого одна из ног отталкивается от опоры, переносится по воздуху и приземляется на опору, пока другая нога находится на опоре, называется двойным шагом. У взрослого при ходьбе в произвольном темпе ритм ходьбы колеблется в пределах 92-98 шагов в минуту, средняя скорость ходьбы составляет 1,1-1,2 м/с. Длина двойного шага составляет 1,4 м. При скорости движения 1,04 м/с длина двойного шага составляет 76% роста тела. Ходьба состоит из чередующихся между собой периодов опоры и переноса по воздуху. По отношению к времени двойного шага период переноса составляет 36%, период опоры - 64%. В состав периода опоры входят: фаза опоры на пятку - 7%, фаза опоры на всю стопу, или одноопорная фаза,- - 38%, фаза опоры на носок - 18%. Двухопорная фаза, когда имеется опора на пятку одной ноги и носок другой ноги, составляет 13%. Пропорциональное соотношение всех параметров во время ходьбы обеспечивает сохранение энергии при ее переходе из потенциальной в кинетическую путем поглощения ударных нагрузок, а так5ке при минимизации смещения ОЦМ и плавности ускорения движений.

Основной динамической характеристикой ходьбы является реакция опоры. Это сила, с которой во время ходьбы нога приземляется на опору и отталкивается от нее. Реакция опоры состоит ij3 вертикального, продольного и поперечного компонентов, действующих в соответствующих направлениях. В составе реакции опоры выделяют передний толчок и задний толчок. Передний толчок происходит, в фазу опоры на пятку. Задний толчок происходит в фазу опоры на носок. В фазу опоры на всю стопу происходит вначале уменьшение переднего толчка, а затем нарастание заднего толчка. Величина толчков превосходит вес тела. Во время ходьбы реакция опоры начинается с фазы переднего толчка, когда стопа касается пяткой опорной поверхности. Возникает несколько моментов сил, которые обусловлены точкой приложения реакции опоры. В сагиттальной плоскости область контакта пятки с опорой расположена в проксимальной части пяточной области. Вектор реакции опоры проходит позади осей коленного и голеностопного суставов, что способствует сгибанию в коленном суставе. Стопа находится под действием двух моментов. Наружный сгибательный момент вызван действием веса переднего отдела стопы. Он преобладает над внутренним моментом, который обусловлен эксцентрическим сокращением передней большеберцовой мышцы с целью торможения подошвенного сгибания. По мере установки стопы на опоре происходит сгибание пяточной кости. Она тянет за собой вниз таранную кость, которая ротируется вовнутрь и увлекает за собой большеберцовую кость. Начинается внутренняя ротация голени. Во фронтальной плоскости точка контакта пятки с опорой расположена латеральнее оси голени и подтаранного сустава, что вызывает наружный эверсионный момент в подтаранном суставе. Происходит эверсия пятки, которая занимает от 8% до 15% периода опоры. При эверсии пяточной кости оси таранно-ладьевидного и пяточно-кубовидного суставов располагаются параллельно, что способствует низкой жесткости средне-плюсневого сустава, амортизации переднего толчка, уменьшению ударной и торсионной силы, которая действует на голеностопный сустав и голень. В фазу переднего толчка увеличивается активность малоберцовой мышцы. Она пронирует стопу, обеспечивает прилегание к опоре медиального края стопы, что повышает устойчивость тела. Малоберцовая мышца преодолевает тягу задней большеберцовой мышцы, которая работает в эксцентрическом режиме и удерживает стопу от резкого опускания. Фаза переднего толчка занимает 7% от времени двойного шага. Во время переднего толчка идет сгибание коленного сустава, амплитуда которого достигает 10°. Благодаря движениям в средне-плюсневом, подтаранном и коленном суставах происходит амортизация реакции опоры, и она не передается на туловище.

Наступает фаза опоры на всю стопу, во.время которой происходит прислоение к опоре всей подошвенной поверхности стопы. В фазу опоры на всю стопу большеберцовая кость совершает движение в двух плоскостях. В горизонтальной плоскости большеберцовая кость продолжает ротацию вовнутрь. В сагиттальной плоскости большеберцовая кость, как часть обратного маятника, совершает ротацию на блоке таранной кости в направлении сзади наперед. Происходит разгибание голени в голеностопном суставе. Наружный разгибательный момент, который обусловлен действием веса тела, перенесенным на ногу, преобладает над внутренним сгибательным моментом, обусловленным эксцентрическим сокращением трехглавой мышцы, препятствующей разгибанию в голеностопном суставе. В фазу опоры на всю стопу реакция опоры претерпевает уменьшение. Под действием наружного момента происходит опускание свода стопы до минимума за весь период опоры. Наружный момент преобладает над внутренним, который обусловлен действием задней большеберцовой мышцы, препятствующей опусканию свода. Эксцентрическая активность задней большеберцовой мышцы нарастает по мере увеличения нагрузки на стопу. За счет работы малоберцовой мышцы происходит пронация и отведение стопы в переднем отделе. Момент отведения, создаваемый малоберцовой мышцей, преобладает над моментом приведения, создаваемым задней большеберцовой мышцей. Отведение переднего отдела стопы способствует понижению ее свода. Продолжительность фазы опоры на всю стопу составляет 38% времени двойного шага. Фаза стояния на всей стопе переходит в фазу заднего толчка, когда угол наклона голени вперед колеблется в пределах от 8° до 25°, в среднем составляя 15-20°. В фазу заднего толчка движению тела сообщается пропульсия. Задний толчок начинается с отрыва пятки от опоры. Перед отрывом пятки происходит окончание пронации стопы и начало супинации. После отрыва пятки равнодействующая реакции опоры проходит впереди от коленного сустава, что создает разгибательный момент, который способствует разгибанию колена и уменьшению нагрузки на мышцы-разгибатели голени. В голеностопном суставе на смену разгибания приходит сгибание. Внутренний сгибательный момент в голеностопном суставе, вызванный концентрическим сокращением задней группы мышц голени, преобладает над наружным моментом, вызванным действием веса тела. Благодаря содружественному сокращению трехглавой, малоберцовой и задней большеберцовой мышц происходит резкое нарастание реакции опоры. Трехглавая мышца производит сгибание стопы, в результате чего осуществляется отталкивание от опоры. Высокая активность трехглавой мышцы сохраняется на протяжении всего заднего толчка. Напряжение малоберцовой мышцы способствует стабилизации 1-го плюснефалангового сустава и пяточно-кубовидного сустава. Задняя большеберцовая мышца осуществляет инверсию стопы, наружную ротацию большеберцовой кости и приведение переднего отдела стопы. При инверсии оси таранно-ладьевидного и пяточно-кубовидного суставов они утрачивают свое параллельное положение и устанавливаются под углом друг к другу вплоть до прямого, что увеличивает жесткость средне-тарзального сочленения. Приведение стопы в средне-тарзальном суставе сопровождается увеличением ее свода. Момент ротации большеберцовой кости наружу, обусловленный тягой задней большеберцовой мышцы, преобладает над моментом внутренней ротации, обусловленным тягой малоберцовой мышцы. В фазу заднего толчка задняя большеберцовая мышца и малоберцовая мышца действуют одновременно, что приводит к увеличению жесткости переднего отдела стопы. Происходит улучшение рычажных свойств переднего отдела стопы во время отталкивания от опоры, что облегчает работу трехглавой мышцы. Передняя группа мышц остается неактивной.

После отрыва пятки от опоры начинается разгибание в плюснефаланговых суставах, амплитуда которой при ходьбе босиком достигает 60°. Движение в плюснефаланговых суставах оказывает влияние на качество переката стопы. Последовательный процесс нереката - вначале через головки плюсневых костей, затем через пальцы - приводит к постепенному увеличению рычага отталкивания на 1/3, что обеспечивает плавность ускорения движения тела. При отталкивании 9т опоры задний отдел стопы оказывается под действием двух разнонаправленных сил. Во-первых, это натяжение ахиллова сухожилия, которое осуществляет тракцию пяточной кости кверху. Во-вторых, это натяжение подошвенного-апоневроза. При разгибании пальцев на угол более 30й возникает результирующая сила, прижимающая пяточную кость к костям среднего отдела стопы и стабилизирующая задний отдел стопы. Разгибание в плюснефаланговых суставах сменяется их сгибанием. Под действием мышц-сгибателей пальцев и большого пальца происходит отталкивание пальцами от опоры. Во время опоры непальцы вектор реакции опоры смещается кзади от коленного сустава, что вызывает в нем образование сгибательного момента. Сгибание колена облегчает-перенос ноги по воздуху в последующий период ходьбы.

Участие в опоре отдельных пальцев зависит от вьыбора одной из осей, которые используются при перекате через передний отдел стопы. На уровне плюснефалангрвых суставов 2-я плюсневая кость является наиболее выступающей в дистальном направление, что приводит к образованию двух осей переката, в результате чего в переднем отделе образуется поперечная ось через головки 1-й и 2-й плюсневых костей и косая ось через головки 2-й и 5-й плюсневых костей. Плечо рычага при перекате через поперечную ось на 1/5 больше, чем при перекате через косую ось. Относительно большая длина рычага компенсируется участием в отталкивании большого пальца, сила которого превышает силу остальных: пальцев в 2 раза. Наличие двух осей переката позволяет разнообразить процесс ходьбы, осуществить отталкивание в соответствии с колебаниями туловища и обеспечить эффективность передвижения по неровной поверхности. Перекат стопы оканчивается после отрыва пальцев от опоры. Продолжительность фазы опоры на носок составляет 18% времени двойного шага.

После периода опоры наступает период переноса ноги по воздуху, который облегчен благодаря сгибанию голени в коленном суставе. В начале периода переноса стопа остается согнутой в голеностопном суставе, после чего наступает ее разгибание под действием концентрического сокращения передней большеберцовой мышцы. Разгибание продолжается до следующего контакта стопы с опорой и достигает максимума перед передним толчком. Разгибание стопы облегчает перенос ноги над поверхностью опоры. При разгибании стопы возникает ее эверсия в подтаранном суставе. Продолжительность периода переноса ноги по воздуху составляет 34% от времени двойного шага.

Для нормальной ходьбы необходимо равновесие всех мышечных сил. Недостаточность каждой из мышц приводит к мышечному дисбалансу и вызывает нарушение ходьбы. При недостаточности задней большеберцовой мышцы наступает преобладание мышц-эверторов, действие которых проявляется в зависимости от фаз переката. В фазе переднего толчка и фазе опоры на всю стопу преобладающая тяга малоберцовых мышц приводит к быстрому наступлению эверсии, которая сопровождается отведением в среднетарзальном суставе. В фазу заднего толчка преобладающая тяга малоберцовых мышц лишает свод стопы необходимой жесткости. Во время отталкивания от опоры происходит эверсия пятки, отведение переднего отдела стопы, уплощение ее свода и растяжение прыжковой связки. При недостаточности малоберцовой мышцы доминирует тяга задней большеберцовой мышцы. Во время ходьбы наступает уменьшение эверсии и преобладание инверсии, что приводит к растяжению латеральных связок голеностопного сустава. При недостаточности малоберцовой мышцы в фазе заднего толчка отсутствует стабилизация 1-й плюсневой кости, что ведет к снижению опороспособности медиального края стопы. При недостаточности трехглавой мышцы происходит ослабление отталкивания от опоры, что не поддается компенсации со стороны других мышечных групп голени и частично восполняется работой четырехглавой мышцы бедра. Во время отталкивания от опоры имеет место недостаточная стабилизация заднего отдела стопы и неполное ограничение наружной ротации голени на фиксированной стопе, что частично компенсируется напряжением задней большеберцовой и малоберцовой мышц.

^ Ходьба в норме
Ходьба - автоматизированный двигательный акт, осуществляющийся в результате сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей.

Отталкиваясь от почвы, нога приводит тело в движение - вперед и несколько вверх и вновь совершает размах в воздухе.

Последовательность положения конечности взрослого человека при ходьбе показана на рис. 15.16. При ходьбе тело поочередно опирается то на правую, то на левую ногу.

Рис. 15.16. Ходьба в норме. Ширина и длина шага (а). Отклонение центра тяжести (ЦТ) во время ходьбы по вертикальной оси на 5 см (б). Отклонение ЦТ в сторону на 2,5 см (в) (по S. Hoppenfeld, 1983)
Акт ходьбы отличается чрезвычайно точной повторяемостью отдельных его компонентов, так что каждый из них представляет точную копию в предыдущем шаге.

В акте ходьбы деятельное участие принимают также верхние конечности человека: при выносе вперед правой ноги правая рука движется назад, а левая - выносится вперед. Руки и ноги человека при ходьбе совершают движения в противоположных направлениях.

Движение отдельных звеньев свободной ноги (бедра, голени и стопы) определяется не только сокращением мышц, но и инерцией. Чем ближе звено к туловищу, тем меньше его инерция и тем раньше оно может последовать за туловищем. Так, бедро свободной ноги перемещается вперед раньше всего, поскольку оно ближе всего к тазу. Голень, будучи дальше от таза, отстает, что ведет к сгибанию ноги в колене. Точно так же отставание стопы от голени вызывает сгибание в голеностопном суставе (см. рис. 15.16).

Последовательное вовлечение мышц в работу и точная координация их сокращений при ходьбе обеспечиваются у человека ЦНС и главным образом корой больших полушарий головного мозга. С точки зрения нервного механизма, ходьба представляет собой автоматизированный цепной рефлекс, в котором афферентная импульсация, сопровождающая каждый предыдущий элемент движения, служит сигналом для начала следующего.

^ Функциональный анализ ходьбы. Ходьба - это сложное циклическое локомоторное действие, одним из основных элементов которого является шаг (рис. 15.17).

При ходьбе, как и при других видах локомоторного движения, перемещение тела в пространстве происходит благодаря взаимодействию внутренних (сокращение мышц) и внешних (масса тела, сопротивление опорной поверхности и др.) сил. В каждом шаге, совершаемом правой и левой ногой, различают период опоры и период маха. Наиболее характерной особенностью всех видов ходьбы по сравнению с бегом и прыжками является постоянное опорное положение одной ноги (период одиночной опоры) или двух ног (период двойной опоры). Соотношение этих периодов обычно равно 4:1. Как период опоры, так и период маха может быть разделен на две основные фазы, а именно: период опоры - на фазы переднего толчка и заднего толчка, разделенные моментом вертикали; маха - фазы заднего шага и переднего шага, между которыми также находится момент вертикали.

Рис. 15.17. Степень сокращения мышц туловища и нижней конечности

в течение двойного шага при обычной ходьбе (по данным электромиографического анализа, произведенного B.C. Гурфинкелем в ЦНИИТе протезирования и протезостроения). Черным цветом показано максимальное сокращение, двойным штрихом - сильное сокращение, одинарным - среднее сокращение, точками - слабое сокращение, белым показано расслабление мышцы: 1 - прямая мышца живота; 2 - прямая мышца бедра; 3 - передняя большеберцовая мышца; 4 - длинная малоберцовая мышца; 5 - икроножная мышца; 6 - полусухожильная мышца; 7 - двуглавая мышца бедра; S - большая ягодичная мышца; 9 - мышца, натягивающая широкую фасцию; 10 - средняя ягодичнаямышца;11 - крестовоостистая мышца

Фаза переднего толчка. После заключительной фазы переднего шага начинается постановка стопы на почву при почти выпрямленном, но не закрепленном коленном суставе и согнутом, слегка отведенном и супинированном бедре. Стопа становится на опорную поверхность пяткой, после чего она совершает двойной перекат: с пятки на носок и снаружи внутрь. Этот перекат происходит под влиянием силы тяжести тела и последовательного включения в работу короткой малоберцовой мышцы, поднимающей наружу край стопы и далее мышц - длинной малоберцовой, задней большеберцовой, длинного сгибателя большого пальца стопы и длинного сгибателя пальцев, поддерживающих продольную дугу (свод) стопы. Такое движение стопы имеет двоякое значение: увеличение длины шага и растягивание мышц заднего отдела голени, участвующих в отталкивании тела. В начальном периоде опоры приобретает большое значение рессорная функция, выполняемая суставами стопы и незакрепленным суставом колена. Далее под действием тяжести и инерции тела нога несколько сгибается в коленном суставе и разгибается в голеностопном суставе при уступающей работе четырехглавой мышцы и мышц заднего отдела голени, что еще более повышает буферные свойства конечности.

^ Момент вертикали. К моменту вертикали нога выпрямляется и приводится за счет сокращения большей части мышц бедра и отчасти под влиянием силы тяжести. В это время стопа опирается на грунт всей подошвой, причем большинство ее мышц своим сокращением способствует сохранению сводов и участвует в функции удержания равновесия тела.

Фаза заднего толчка тела (отталкивание от опорной поверхности). В связи с этим контактирующая с грунтом конечность удлиняется за счет разгибания во всех ее суставах. В тазобедренном суставе вновь происходит некоторое отведение, но в отличие от переднего толчка, сопровождаемое небольшим поворотом бедра (внутрь). Ведущая роль в этой фазе принадлежит четырехглавой, полу сухожильной, полуперепончатой, длинной головке двуглавой и главным образом ягодичным мышцам.

Фаза заднего шага. В начале этой фазы (непосредственно после окончания заднего толчка) маховая нога находится в положении разгибания, некоторого отведения и поворота внутрь, что приводит к повороту таза вместе с туловищем в противоположную сторону. Из этого положения нога, производящая шаг, начинает совершать сгибание в тазобедренном и коленном суставах,

дополняемое незначительным поворотом ее наружу, что взаимосвязано с вращением таза в сторону маховой ноги. В это время основная нагрузка падает на мышцы: подвздошно-поясничную, приводящие, заднего отдела бедра и отчасти на разгибатели стопы.

^ Момент вертикали. Маховая нога выпрямлена в тазобедренном суставе и достигает максимального сгибания (по сравнению с другими фазами) в суставе колена. Сокращены главным образом мышцы заднего отдела бедра.

^ В фазе переднего шага мышцы заднего отдела бедра расслабляются и благодаря силе инерции и кратковременному баллистическому сокращению четырехглавой мышцы голень выбрасывается вперед. После этого начинается новый цикл движения.

Центр тяжести тела (ЦТ) при ходьбе (рис. 15.18, а) наряду с поступательными движениями (вперед), совершает еще движения боковые и в вертикальном направлении. В последнем случае размах (вверх и вниз) достигает величины 4 см (у взрослого человека), при этом туловище опускается больше всего именно тогда, когда одна нога опирается всей подошвой, а другая вынесена вперед. Боковые движения (качания в стороны) центра тяжести доходят до 2 см.

Колебания ОЦТ тела в стороны связаны с перемещением на опорную ногу всей массы тела, благодаря чему траектория ОЦТ тела проходит непосредственно над площадью опоры. Чем ходьба быстрее, тем эти колебательные движения меньше, что объясняется влиянием инерции тела.

Размер шага в среднем принимается за 66 см, при спокойной ходьбе продолжительность его - около 0,6 сек.

Помимо мышц нижних конечностей при ходьбе включаются в динамическую работу почти все мышцы туловища, шеи и верхних конечностей.

В связи с последовательным чередованием растяжения, сокращения и расслабления различных мышечных групп, что происходит во время ходьбы, значительная нагрузка на всю мышечную систему обычно не вызывает выраженного утомления. В значительной мере это также объясняется тем, что ритмические движения всего тела облегчают нормальную вентиляцию легких и улучшают кровообращение всех органов, включая центральную нервную систему (ЦНС). Таким образом, ходьба - это наилучший вид физической тренировки.

^ Кинематические и динамические характеристики человека между продольными осями смежных сегментов конечности можно измерять (так называемые межзвенные углы). На рис. 15.18 приведены графики межзвенных углов в тазобедренном суставе (ТБС), коленном (КС), голеностопном (ГСС) и плюснефаланговом (ПФС) при ходьбе в норме.

Характерной особенностью графиков этих углов (ангулограмм) является довольно стабильная периодичность. У разных людей меняются только продолжительность периода и диапазон изменений угла (амплитуда). В норме эти амплитуды составляют: в ТБС 26- 30°; в КС в опорный период шага 12-15°; в переносный период - 55-62°; в ГСС подошвенное сгибание равно 17-20°; тыльное - 8-10°. В ПФС всегда имеется тыльное сгибание при переносе (10-12°), при опоре сначала идет выпрямление до 0°, а при заднем толчке (от заднего толчка опорной ноги тело устремляется вперед) в ПФС снова происходит сгибание до 10-12°.

При ходьбе человек взаимодействует с опорной поверхностью, при этом возникают силовые факторы, называемые главным вектором и главным моментом сил реакции опоры. Типичные графики вертикальной и продольной составляющих главного вектора опорной реакции при ходьбе в произвольном темпе в норме представлены на рис. 15.18. Для графика вертикальной составляющей главного вектора опорной реакции характерно наличие двух вершин, соответствующих переднему (опора на пятку) и заднему (отталкивание передним отделом стопы) толчкам. Амплитуды этих вершин превышают массу человека и достигают 1,1-1.25Р (Р - масса человека).

Рис. 15.18. Перемещение общего центра тяжести (ОЦТ) тела при обычной

ходьбе (а). Графики межзвенных углов и опорных реакций при ходьбе

в норме: ТБС, КС, ГСС, ПФС - соответственно, тазобедренный, коленный,

голеностопный, плюснефаланговый суставы; Rz, Ry - вертикальная

и продольная компоненты опорной реакции (б)
Продольная составляющая главного вектора сил реакции опор имеет тоже две вершины разных знаков: первая, соответствующая переднему толчку, направлена вперед; вторая, соответствующая заднему толчку, направлена назад. Так оно и должно быть - отталкиваясь опорной ногой, человек устремляет все тело вперед. Максимумы продольной составляющей главного вектора опорной реакции достигает 0,25Р.

Есть еще одна составляющая главного вектора опорной реакции - поперечная. Она возникает при переступании с одной ноги на другую и ее максимум достигает 8-10% от массы человека.

^ Временная структура шага. Локомоции человека - процесс периодический, в котором через приблизительно равные промежутки времени повторяются сходные положения тела. Наименьшее время, прошедшее от данного положения до его повторения, является временем цикла. При ходьбе и беге время цикла называют по числу сделанных шагов «временем двойного шага». Каждая нога в своем циклическом движении находится либо на опоре, либо переносится на новое место опоры (рис. 15.19).

При беге момент опоры меньше момента переноса; наблюдается период свободного полета над опорой (см. рис. 15.19).

Рис. 15.19. Кинограммы ходьбы (а) и бега (б) на протяжении одиночного шага

и диаграммы времени двойного шага (по Е. Muybriage, 1887; Д.А. Семенову, 1939).

а - начало, е - конец опоры ноги, а и е - левая, а"е" - правая нога, ае - время опоры левой ноги, а"е" - время опоры правой ноги; вверху ае" и а"е" - время двойных опор при ходьбе, внизу е"а и еа" - время полета при беге. Непрерывная линия - опора, штриховая - перенос ноги
^ Внешние силы и силы реакции опоры
На тело человека, идущего или бегущего по поверхности Земли, действуют извне аэродинамические силы сопротивления атмосферы, силы реакции опоры.

Аэродинамические силы распределены по поверхности тела и возрастают приблизительно пропорционально площади фронтальной проекции поверхности тела и квадрату скорости движения.

Одной из наиболее существенных сил является сила реакции опорной поверхности, воздействующая на стопы человека. В соответствии с кинетостатическим принципом Д"Аламбера, эти силы равны и противоположны силам аэродинамического сопротивления, весу частей тела и силам инерции, появляющимся в теле вследствие изменения скоростей движения его частей. Поэтому величина опорных реакций может служить своеобразным индикатором, показывающим одновременное действие всех сил на организм при локомоции.

В течение опорного времени тело человека получает необходимый импульс, являющийся результатом активного действия мускулатуры.

Опорные реакции неравномерно распределены на некоторой сравнительно небольшой площади контакта между стопой и поверхностью опоры. Распределение изменяется в течение времени опоры: вначале давление создается на пятку, затем при постановке всей стопы на опору оно возникает в области плюсневых костей (см. рис. 15.19) и здесь в момент отталкивания от опоры давление достигает максимальной величины. Местоположение максимума давления на стопу изменяется при изменении темпа локомоции, вида локомоции (бег, прыжки, ходьба и пр.). Наиболее часто этот максимум располагается посредине стопы в районе головок плюсневых костей (см. рис. 15.19).

По правилам механики силовое взаимодействие между стопой и опорой может быть представлено одним равнодействующим вектором силы и одним равнодействующим вектором момента сил (см. рис. 15.19). При измерениях с помощью динамометрических платформ, установленных на одном уровне с опорной поверхностью, регистрируются шесть эквивалентных компонент этих двух векторов. Из них три компоненты являются проекциями вектора равнодействующей силы: вертикальная сила - это проекция на нормаль к поверхности платформы (совпадающая с гравитационной вертикалью),

продольная и боковая силы - проекции, расположенные в горизонтальной плоскости, соответственно, по направлению движения и перпендикулярно направлению движения тела (рис. 15.20). Остальные три компоненты - это проекции равнодействующего вектора момента сил на те же направления. Так как продольная и боковая компоненты момента сил зависят только от величины вертикальной силы и от значения координат предполагаемой точки приложения этой силы на плоскости динамометрической платформы, то, приравнивая указанные компоненты момента нулю, находят уравнение для вычисления двух координат точки приложения вертикальной силы.

При ходьбе графики компонент опорной реакции имеют два максимума (рис. 15.21). Первый максимум удерживает тело от падения вперед и возникает на опоре приблизительно в конце отталкивания с носка противоположной ноги. Сила реакции опоры приложена к пятке тормозящей ноги и направлена вверх-назад и слегка внутрь стопы. Момент сил во время опоры на пятку сравнительно невелик, а направление его действия выражено нечетко. Второй максимум на графиках компонент опорных реакций, названный задним толчком, возникает в конце опорной фазы ноги приблизительно перед началом перенесения опоры на противоположную ногу. При заднем толчке реакция опоры приложена в области плюснефаланговых суставов и направлена вверх-вперед и слегка внутрь стопы. Преодолевая инерцию тела и вес, эта сила разгоняет тело в направлении движения, а также способствует боковому движению в сторону противоположной ноги, пятка которой ставится на опору. Между главными максимумами находится пауза в изменениях величины опорной реакции. В это время стопа полностью стоит на опоре и в некоторый момент времени, названный моментом вертикали, тело находится над стоящей стопой, а переносная нога проходит рядом с опорой. Сила реакции опоры приложена вблизи середины стопы и направлена вертикально вверх. Момент сил реакции опоры препятствует развороту стопы носком наружу.

Отмечены небольшие величины боковой силы и момента сил. Это связано с тем, что локомоции осуществляются преимущественно в сагиттальной плоскости, а небольшие боковые силы возникают из-за стремления тела компенсировать небольшие отклонения от сагиттального направления.

В.Л.Уткин "Биомеханика физических упражнений"

БИОМЕХАНИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

Ходить и бегать для здоровья!

Ходьба и бег относятся к самым древним способам передвижения.

За 70 лет жизни человек совершает в среднем 500 миллионов шагов и преодолевает путь, приблизительно равный расстоянию от Земли до Луны (384 тыс. км.).

Мы привыкли, что идти пешком — это значит идти медленно. Но в наш век больших скоростей и ходьба стала стремительной. Победитель Кубка мира в спортивной ходьбе в 1983 г. прошел 20 км со средней скоростью 15,9 км/ч.

Результаты в беге также не стоят на месте. Мужчины в 100-метровом спринте перешагнули десятисекундный барьер, а женщины освоили марафон.

Будучи «фундаментальными человеческими движениями», ходьба и бег интересны сами по себе. Но, кроме того, ввиду своей общедоступности они используются для изучения общих закономерностей циклических локомоций.

Рис. 69. Скорость как произведение длины и частоты шагов; пунктир — изоспида
(все точки изоспиды соответствуют одной и той же скорости)

Рис. 70. Простейшие хронограммы обычной ходьбы, спортивной ходьбы, бега трусцой и спринтерского бега;
периоды опоры заштрихованы; вверху — левая нога, внизу — правая (по В. Е. Панфилову, Nigg, Denoth, M. А. Каймин, В. В. Тюпе)

КИНЕМАТИКА ХОДЬБЫ И БЕГА.
ТОПОГРАФИЯ РАБОТАЮЩИХ МЫШЦ

Как и во всех циклических локомоциях, при ходьбе и беге скорость передвижения прямо пропорциональна длине шага и темпу (рис. 69):

где v — скорость передвижения (м/с); l — длина шага (м); п — частота шагов (1/мин). Чтобы определить темп ходьбы или бега, обычно регистрируют число шагов в минуту, или частоту шагов ( Так же поступают и в конькобежном спорте. Но в плавании, гребле и велоспорте определяют темп как число циклов в минуту, а длиной шага считают расстояние, преодолеваемое за один цикл. В велоспорте это расстояние называется укладкой ) .

Одна и та же скорость может быть достигнута при разных сочетаниях длины и частоты шагов. Кривая, все точки которой соответствуют одной и той же скорости, называется изоспидой. На рис. 69 изображены две изоспиды. Видно, что увеличить скорость можно тремя способами: повысив длину шага, подняв темп и увеличив одновременно и длину, и частоту шагов.

Для того чтобы понять, как человек ходит или бегает, прежде всего нужно изучить фазовый состав этих локомоций. На рис. 70 представлены простейшие хронограммы ходьбы и бега. Из них видно, что по мере увеличения скорости передвижения:

при ходьбе сокращается период двойной опоры (когда обе ноги находятся на земле) вплоть до почти полного его исчезновения при спортивной ходьбе;

при беге увеличивается отношение длительности периода полета (когда обе ноги не касаются опоры) к длительности периода опоры.

Вопросы для самоконтроля знаний

1) Как можно отличить ходьбу от бега?

2) Почему на соревнованиях по спортивной ходьбе спортсмена снимают с дистанции, если в хронограмме его действий появляется период полета?

Сведения о скорости, темпе, длине шага, длительностях опоры, переноса ноги и полета необходимы для совершенствования тактики ходьбы и бега и дают самое общее представление о технике. Но их недостаточно, чтобы ответить на два очень важных вопроса:

1) Как организовано двигательное действие ?

2) Как им овладеть?

Для ответа на эти вопросы прежде всего нужны более подробные хронограммы.

На рис. 71 показано, что каждый полуцикл обычной ходьбы состоит из пяти фаз (римские цифры). Фазы отделены друг от друга пятью граничными позами (арабские цифры). Шагающий человек на рисунке изображен в граничных позах. Назовем эти позы и фазы между ними для одного полуцикла:

1 — отрыв стопы правой ноги от опоры;

I — подседание на левой (опорной) ноге, ее сгибание в коленном суставе;

2 — начало разгибания левой ноги;

II — выпрямление левой ноги, ее разгибание в коленном суставе;

3 — момент, когда правая нога в процессе переноса начала опережать левую;

III — вынос правой ноги с опорой на всю стопу левой ноги;

4 — отрыв пятки левой ноги от опоры;

IV — вынос правой ноги с опорой на носок левой ноги;

5 — постановка правой ноги на опору;

V — двойная опора, переход опоры с левой ноги на правую.

Во втором полуцикле фазы и граничные позы те же, только в их названиях правую ногу нужно заменить левой, а левую — правой.

Рис. 71. Фазы ходьбы, граничные позы и элементарные действия

Рис. 72. Мышцы туловища и ног, на которые приходится основная нагрузка при ходьбе (по В. С. Гурфинкелю):

1 — прямая м. живота; 2 — четырехглавая м. бедра; 3 — передняя большеберцовая м.;4 —длинная малоберцовая м.; 5 — трехглавая м. голени; 6 — полусухожильная м.; 7 — двуглавая м. бедра; 8 — большая ягодичная м.; 9 — напрягатель широкой фасции; 10 — средняя ягодичная м.; 11 — м., выпрямляющаяпозвоночник; цифры в кружках — номера граничных поз в соответствии с рис. 71

Рис. 73. Фазы и граничные позы бега
(по Д. Д. Донскому, переработано)

Когда говорят о фазовом составе двигательного действия, имеют в виду движения всего тела (в данном случае обеих ног). Но для понимания механизмов ходьбы нужно знать, какие элементарные действия выполняются каждой ногой. По времени они не всегда совпадают с фазами ходьбы (см. рис. 71). В периоде опоры выполняются: амортизация, перекат с пятки на всю ступню, отталкивание и перекат со всей ступни на носок. В периоде переноса ногасначала сгибается, а затем разгибается в коленном суставе. Из элементарных действий формируются фазы.

Топография мышц, работающих при ходьбе, показана на рис. 72.

Фазовый состав бега показан на рис. 73. Каждая половина цикла состоит из четырех фаз (римские цифры), отделенных друг от друга граничными позами (арабские цифры). В том числе:

1 — отрыв левой стопы от опоры;

I — разведение стоп;

2 — начало выноса левой ноги вперед;

II — сведение стоп с выносом левой ноги вперед;

3 — постановка правой стопы на опору;

III — амортизация, или подседание со сгибанием правой (опорной) ноги;

4 — начало разгибания правой ноги;

IV — отталкивание с выпрямлением правой ноги до отрыва от опоры.

Вторая половина цикла симметрична первой. В названиях фаз и граничных поз правая нога заменяется левой и наоборот.

Топография работающих мышц у бегуна ясна из рис. 41. Из сравнения рис. 41 и 72 видно, что нагрузка при беге ложится в основном на те же мышцы, что и при ходьбе. Однако неодинакова межмышечная координация (последовательность включения и выключения мышц). И кроме того, степень напряжения мышц при беге существенно больше.

ДИНАМИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

Человек является самодвижущейся системой, поскольку первопричиной его движений служат внутренние силы, создаваемые мышцами и приложенные к подвижным звеньям тела. К внутренним относятся и силы инерции, приложенные к центрам масс разгоняемых и тормозимых звеньев тела («фиктивные» силы инерции) или к другим звеньям тела либо к внешним предметам («реальные» силы инерции) (рис. 74).

Сила инерции (F ин) равна произведению массы всего тела или отдельного звена на его ускорение и направлена в сторону, противоположную ускорению. Поэтому сила инерции замедляет и разгон, и торможение.

Наряду с внутренними на человека действуют внешние силы. При ходьбе и беге к ним относятся: сила тяжести, сила реакции опоры, сила сопротивления воздуха (см. рис. 74).

Рис . 74. Силы, действующие на человека во время ходьбы и бега: G — сила тяжести, F ин — сила инерции, Р — вес тела, R ст иR дин — статический идинамический компоненты реакции опоры, F B — сила сопротивления воздуха; обратите внимание: 1) F — сила действия ноги на опору (как и сила реакции опоры) содержит двесоставляющие: вертикальную и горизонтальную; 2) если линия действия опорной реакции не проходит через общий центр масс тела, то возникает опрокидывающий момент (показано круговой стрелкой)

Сила тяжести (гравитационная сила) приложена к центру масс и равна произведению массы тела на ускорение земного тяготения:

Например,при массе тела 50 кг сила тяжести близка к 500 Н.

Сила лобового сопротивления воздуха приложена к центру поверхности тела. Она увеличивается пропорционально квадрату скорости. Например, при скорости 9 м/с сила лобового сопротивления воздуха в 4 раза больше, чем при скорости 4,5 м/с, и в 9 раз больше, чем при скорости 3 м/с. Расчеты показывают, что при скорости бега 8 м/с ее величина достигает 20 Н.

Сила реакции опоры не является движущей силой. Но ее измеряют и изображают графически (см. рис. 74), для того чтобы определить результат совместного действия всех сил (и внутренних, и внешних). Как же формируется опорная реакция?

Отталкиваясь от опоры, человек воздействует на нее с силой отталкивания, которая состоит из двух компонентов: статического — веса (постоянного и равного силе тяжести) и динамического компонента. Динамический компонент может иметь место только при движениях, выполняемых с ускорением, когда все тело или отдельные звенья разгоняются или тормозятся. Наиболее отчетливо это видно на динамограммах подтягивания, приседания и т. п. (см. в главе 12).

Объясните, почему у вертикально стоящего человека вес равен силе тяжести, а у человека в позе, изображенной на рис. 74, вертикальная составляющая веса меньше силы тяжести и, кроме того, появляется горизонтальная составляющая веса.

Динамограммы ходьбы и бега имеют более сложную форму (рис. 75), чем, например, динамограмма приседания. Это объясняется тем, что динамический компонент силы действия ноги на опору зависит от разнонаправленных сил инерции многих сегментов тела. Каждая из них приложена к центру масс ускоряемого или тормозимого сегмента, но передается через опорную ногу на опору. Эти силы инерции возникают при движениях, сопровождающих ходьбу и бег, в том числе:

1) при маховых движениях; например, при отталкивании правой ногой маховое движение левой ноги увеличивает силу действия правой ноги на опору. Впечатляют следующие цифры: при спринтерском беге вклад маховых движений обеих рук в опорную реакцию достигает 20%, а вклад маховой ноги к середине периода опоры — 50%;

2) при сгибании или разгибании опорной ноги; например, в начале фазы амортизации сгибание опорной ноги бегуна приводит к возникновению силы инерции, уменьшающей силу действия на опору.

В конечном итоге силы действия ног на опору отображают всю совокупность внутренних и внешних сил, действующих на тело человека. То же можно сказать и о силе реакции опоры, которая равна по величине силе действия на опору, но противоположно направлена. Как видно из рис. 74, сила действия на опору (а также и реакция опоры) имеет две составляющие: вертикальную и горизонтальную. Их величины изменяются во времени, о чем судят по динамограмме ходьбы или бега (рис. 75).

Горизонтальная составляющая динамограммы бега и ходьбы состоит из двух полуволн: отрицательной и положительной. Отрицательная полуволна соответствует начальной фазе периода опоры, когда происходит неизбежное торможение. Ее следует по возможности уменьшать, для чего непосредственно перед постановкой ноги на опору надо делать активное «загребающее» движение.

Рис. 75. Вертикальная (сплошная линия) и горизонтальная (пунктир) составляющие силы действия на опору в обычной ходьбе и спринтерском беге
(по М. А. Каймин, В. В. Тюпе)

Рис. 76. Динамограмма бега трусцой по жесткому (сплошная линия) и мягкому (пунктир) покрытию
(по Nigg, Denoth)

В результате раньше начинается вторая, положительная полуволна динамограммы, показывающая, как изменяется во времени сила, продвигающая тело бегуна или ходока вперед. Ее величина у высококвалифицированных бегунов достигает 500—600 Н.

Значительно больше амплитуда вертикальной составляющей динамограммы. При беге она достигает у мастеров спорта 2800 Н, а у новичков 1300 Н. При ходьбе амплитуда вертикальной составляющей всреднем достигает 1000 Н.

На величину силы действия на опору влияют свойства дорожки и материал, из которого изготовлена обувь. Разница в величине вертикальной составляющей опорной реакции при ходьбе в обуви с жесткой кожаной подошвой и подошвой из микропористой резины достигает 350 Н.

Мягкое покрытие дорожки и обувь с амортизаторами делают технику ходьбы и бега более соответствующей критерию комфортабельности (рис. 76). Тем самым уменьшается давление на суставы и межпозвоночные диски. Эти перегрузки вреднее, чем принято думать. И не случайно те, кто бегает трусцой по асфальту и в жесткой обуви, часто жалуются на боли в пояснице и суставах.

ЭНЕРГЕТИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

При ходьбе и беге механическая энергия определяется скоростями движения тела и его звеньев и их расположением, т. е. кинетической и потенциальной энергией. При ходьбе и беге человек затрачивает энергию не только на горизонтальные, но и на вертикальные и поперечные перемещения общего центра масс.

В зависимости от фазы цикла величина кинетической и потенциальной энергии тела изменяется. Характер этих изменений в ходьбе и беге принципиально различен. Кинетическая и потенциальная энергия в ходьбе изменяется в противофазе; например, в момент постановки ноги на опору максимум кинетической энергии совпадает с минимумом потенциальной, а в беге — синфазно (например, в высшей точке полета максимум кинетической энергии совпадает с максимумом потенциальной). Следовательно, при ходьбе происходит рекуперация энергии, т. е. ее сохранение путем перехода кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации и обратно, а при беге этотвид рекуперации практически отсутствует. Зато при беге значительно более выражен другой вид рекуперации, когда кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию сокращающихся мышц, действующих подобно пружине.

Энергозатраты на 1 м пути при ходьбе меньше, чем при беге, но только при низких скоростях передвижения. При высоких скоростях бег, наоборот, экономичнее ходьбы (см. рис. 53). Зона, где более выгоден бег, отделена от зоны, где более выгодна ходьба, граничной скоростью. Граничная скорость определяется числом Фруда (Ф), которое вычисляется по формуле

где g — ускорение земного тяготения (м/с 2); v —скорость передвижения человека (м/с); L o —высота общего центра масс тела в основной стойке (м).

Рис. 77. Энергетическая стоимость метра пути при различных сочетаниях длины и частоты шагов: пунктир — изоспиды; сплошные линии— линии одинаковых величин частоты пульса; стрелками указаны оптимальные по экономичности сочетания длины и частоты шагов

Если число Фруда меньше единицы (Ф<1), то выгоднее ходьба, а при Ф>1 выгоднее бег. Граничная скорость соответствует условию Ф=1 и, следовательно, может быть рассчитана по формуле

Энергетические затраты зависят от многих факторов, в том числе от сочетания длины и частоты шагов. При слишком коротких или чересчур длинных шагах (что соответствует недостаточной или чрезмерной силе отталкивания) энергозатраты на 1 м пути выше, чем при оптимальном сочетании длины и частоты шагов (рис. 77). Например, отклонение длины шага от оптимальной величины на 6% при беге со скоростью 4 м/с увеличивает энергетические затраты, приходящиеся на метр пути в среднем на 1 Дж.

Какой вид передвижения (бег или ходьба) более экономичен и почему?

ОПТИМИЗАЦИЯ ХОДЬБЫ И БЕГА

Для оптимизации ходьбы и бега прежде всего необходимо минимизировать непроизводительные энергозатраты.

Это важно и в том случае, когда критерием оптимальности служит экономичность и когда основной целью является повышение соревновательного результата.

Вопрос для самоконтроля знаний

Какой критерий оптимальности является основным, когда спортсмен стремится максимизировать среднедистанционную скорость?

В процессе оптимизации ходьбы и бега решаются следующие задачи:

1) Выбор оптимальной скорости, длины шага и темпа. Наиболее экономичные величины скорости, длины шага

и темпа изменяются с возрастом (рис. 78). Из рисунка видно, что у детей и пожилых людей уровни оптимальных показателей ниже (за исключением темпа у детей), чем у здоровых людей в возрасте расцвета двигательных возможностей. На их величину оказывает влияние ряд факторов: состояние здоровья, спортивная квалификация, степень тренированности, утомление, качество обуви и т. д.

2) Снижение вертикальных и поперечных колебаний о. ц. м.

Рис. 78. Возрастные изменения оптимальной по экономичности скорости и оптимального сочетания длины и ча стоты шагов при ходьбе (А) и беге (Б); вертикальными отрезками показаны доверительные интервалы, в пределы которых попадает 95% всех случаев

В ходьбе и беге полезной работой является только горизонтальная внешняя работа. Вертикальные и поперечные перемещения тела относятся к непроизводительным движениям. Однако ошибочно думать, что, устранив вертикальные перемещения тела совсем, можно сделать ходьбу и бег более экономичными. Наоборот, при полном отсутствии вертикальных колебаний их энергетическая стоимость возрастает, так как движения становятся скованными и теряется та часть энергии, которая при естественной технике движений рекуперируется. Существует оптимальная величина размаха вертикальных колебаний о. ц. м., при которой энергозатраты при ходьбе и беге минимальны.

Для устранения непроизводительных перемещений тела целесообразно использовать повороты таза (рис. 79). Благодаря поворотам таза не только уменьшаются вертикальные и боковые колебания тела, но также удлиняется шаг и ускоряется постановка стопы на опору.

Задание для самоконтроля знаний

Пройдите по комнате своей обычной походкой. А затем измените походку следующим образом: активно выполняйте подгребающее и отталкивающее движения опорной ногой и в то же время поворачивайте таз так, как показано на рис. 79. Вы заметите, что стук каблука об опору стал значительно меньше — походка сделалась мягче.

Почему так получилось? Как это отразилось на скорости и экономичности ходьбы?

Наряду с оптимальной скоростью, о которой уже рассказывалось, имеет важное значение зона экономичных режимов передвижения (рис. 80). Зоной экономических режимов называется диапазон скоростей от оптимальной (наиболее экономичной) до пороговой, соответствующей уровню анаэробного порога (Анаэробный порог — это интенсивность физической нагрузки, начиная с которой из-за значительного усиления анаэробного метаболизма происходит накопление лактата в крови. Подробное объяснение этого феномена в курсе биохимии ). Уменьшение скорости бега и ходьбы по сравнению с оптимальной нерационально, так как приводит к возрастанию энергетической стоимости метра пути. Бег со скоростью выше пороговой вызывает накопление в организме молочной кислоты и других продуктов метаболизма, а это приводит к сильному утомлению.

Передвижение с наиболее экономичной скоростью используется в качестве поддерживающей физической нагрузки, для больных и ослабленных такая нагрузка является развивающей. Пороговая интенсивность бега в спорте считается оптимальной при формировании основ выносливости.

Рис. 79. Движения таза при ходьбе: а — увеличение длины шага за счет поворота таза (по Д. А. Семенову, цит. по Д. Д. Донскому, 1960 г.)

Рис. 80. Границы зоны экономических режимов при ходьбе, беге и передвижении на лыжах (пунктир): о — оптимальная (наиболее экономичная) скорость; ■ — анаэробный порог: 1 — мальчики 5—7 лет; 2 — мальчики 11 — 12 лет; 3 — мужчины 55—65 лет; 4 — юноши 15— 17 лет; 5 — женщины 20—22 лет; 6 — мужчины 20—25 лет; 7 — мальчики 5—7 лет; 8 — женщины 20—22 лет; 9 — мальчики 11 — 12 лет; 10 — нетренированные мужчины 20— 22 лет; 11 —тренированные девушки 15— 16 лет; 12 — тренированные юноши 15— 16 лет; 13 — тренированные мужчины 21—24 лет; 14 — тренированные девушки 15—17 лет; 15 — тренированные юноши 15—17 лет; 16 — тренированные мужчины 18—26 лет; 17 — высокотренированные мужчины 19—24 лет; 18 — мужчины 45—60 лет после инфаркта миокарда

Материал предоставлен

Ходьба человека

Сюда перенаправляется запрос «Прямохождение ».

Ходьба человека — наиболее естественная локомоция человека.

1. Автоматизированный двигательный акт, осуществляющийся в результате сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей .
2. Разновидность двуногого передвижения, при котором опора на одну ногу циклично сменяется двуопорным периодом, а затем опорой на другую ногу. При ходьбе контакт с опорой не теряется, в отличие от бега, при котором двуопорные периоды заменяются отрывом от опоры обеих ног — периодом полета.
3. Самый доступный вид физической нагрузки .

Другие определения

Существуют и другие определения, характеризующие эту локомоцию:

• Череда рефлекторно контролируемых падений. Ходьбу образно описывают как «управляемое падение». При каждом шаге человек наклоняется вперед и начинает падение, которому препятствует выдвинутая вперёд нога. После того как она касается земли, на неё переносится вес тела, колено подгибается, амортизируя падение, и выпрямляется, возвращая тело на исходную высоту.
• Ходьбу рассматривают с позиции модели прямого и обратного маятника, рассматривая сегменты конечностей и тело как систему физических маятников.

​

Ходьба с позиции физического маятника

• По образному выражению Бернштейна, который объединил биомеханику и нейрофизиологию двигательного аппарата в единую науку физиологию движений, ходьба это:
  • «…синергии, охватыващие всю мускулатуру и весь двигательный аппарат сверху донизу» ;
  • «…циклический акт, то есть движение, в котором периодически повторяются вновь и вновь одни и те же фазы» .
• Ходьба — это двигательное действие, результат реализации двигательного стереотипа, комплекса безусловных и условных рефлексов.
• Ходьба — это двигательный навык, который представляет собой цепь последовательно закреплённых условно рефлекторных двигательных действий, которые выполняются автоматически без участия сознания.
• Создатель аэробики Кеннет Купер называл ходьбу разновидностью аэробной нагрузки, формой оздоровительной тренировки.

Не следует путать виды ходьбы с видами походки.

Ходьба — двигательный акт, разновидность двигательной активности. Походка — особенность ходьбы человека, «манера ходить, поступать» .

Задачи ходьбы как важной локомоторной функции:

• Безопасное линейное поступательное перемещение тела вперёд (главная задача).
• Удержание вертикального баланса, предотвращение падения при движении.
• Сохранение энергии, использование минимального количества энергии за счёт её перераспределения в течение цикла шага.
• Обеспечение плавности передвижения (резкие движения могут являться причиной повреждения).
• Адаптация походки для устранения болезненных движений и усилий.
• Сохранение походки при внешних возмущающих воздействиях или при изменении плана движений (стабильность ходьбы).
• Устойчивость к возможным биомеханическим нарушениям.
• Оптимизация передвижения, прежде всего, повышение эффективности безопасного перемещения центра тяжести с наименьшим расходом энергии.

Параметры ходьбы

Общие параметры ходьбы

Наиболее общими параметрами, характеризующими ходьбу, являются линия перемещения центра масс тела, длина шага, длина двойного шага, угол разворота стопы, база опоры, скорость перемещения и ритмичность.

• База опоры — это расстояние между двумя параллельными линиями, проведёнными через центры опоры пяток перпендикулярно линии перемещения.
• Короткий шаг — это расстояние между точкой опоры пятки одной ноги и центром опоры пятки контралатеральной ноги.
• Разворот стопы — это угол, образованный линией перемещения и линией, проходящей через середину стопы: через центр опоры пятки и точку между 1 и 2 пальцем.
• Ритмичность ходьбы — отношение длительности переносной фазы одной ноги к длительности переносной фазы другой ноги.
• Скорость ходьбы — число больших шагов в единицу времени. Измеряется в единицах: шаг в минуту или километров в час. Для взрослого — 113 шагов в минуту.

Биомеханика ходьбы

Ходьбу при различных заболеваниях изучает раздел медицины — клиническая биомеханика; ходьбу как средство достижения спортивного результата или повышения уровня физической подготовленности изучает раздел физической культуры — спортивная биомеханика. Ходьбу изучают многие другие науки: компьютерная биомеханика, театральное и балетное искусство, военное дело. Основой для изучения всех биомеханических наук является биомеханика ходьбы здорового человека в естественных условиях. Ходьбу рассматривают с позиции единства биомеханических и нейрофизиологических процессов, которые определяют функционирование локомоторной системы человека .

Биомеханическая структура ходьбы = пространственная структура ходьбы + временная структура ходьбы + кинематика ходьбы + динамика ходьбы + иннервационная структура ходьбы

Пространственная структура ходьбы (длина шага, база шага, угол разворота стопы) определяется в результате проведения ихнометрии. Ихнометрия позволяет регистрировать в пространстве точки соприкосновения стопы с опорой. На этом основании определяют пространственную структуру ходьбы.

Временная структура ходьбы, обычно основана на анализе результатов подографии. Подография позволяет регистрировать моменты контакта различных отделов стопы с опорой. На этом основании определяют временные фазы шага.

Кинематику ходьбы изучают с использованием контактных и бесконтактных датчиков измерения углов в суставах (гониометрия), а также с применением гироскопов — приборов, позволяющих определить угол наклона сегмента тела относительно линии гравитации. Важным методом в исследовании кинематики ходьбы является методика циклографии — метод регистрации координат светящихся точек, расположенных на сегментах тела.

Динамические характеристики ходьбы изучают с применением динамографической (силовой) платформы или тензометрических стелек (динамометрия). При опоре силовую платформу регистрируют вертикальную реакцию опоры, а также горизонтальные её составляющие. Для регистрации давления отдельных участков стопы применяют датчики давления или тензодатчики, вмонтированные в подошву обуви.

Физиологические параметры ходьбы регистрируют при помощи методики электромиографии — регистрации биопотенциалов мышц. Электромиография, сопоставленная с данными методик оценки временной характеристики, кинематики и динамики ходьбы, является основой биомеханического и иннервационного анализа ходьбы.

Временная структура ходьбы

Простая двухконтактная подограмма

Основной метод исследования временно́й структуры — метод подографии. Например исследование ходьбы с применением самой простой, двухконтактной электроподографии заключается в использовании контактов в подошве специальной обуви, которые замыкаются при опоре на биомеханическую дорожку. На рисунке изображена ходьба в специальной обуви с двумя контактами в области пятки и переднего отдела стопы. Период замыкания контакта регистрируется и анализируется прибором: замыкание заднего контакта — опора на пятку, замыкание заднего и переднего — опора на всю стопу, замыкание переднего контакта — опора на передний отдел стопы. На этом основании строят график длительности каждого контакта для каждой ноги.

Временная структура шага

График самой простой двухконтактной подограммы изображается в виде подограммы правой ноги и подограмма левой ноги. Красным цветом выделена подограмма правой ноги. То есть той ноги, которая в данном случае начинает и заканчивает цикл ходьбы — двойной шаг. Тонкой линией обозначают отсутствие контакта с опорой, затем мы видим время контакта на задний отдел стопы, на всю стопу и на передний отдел. Локомоторный цикл состоит из двух двуопорных и двух переносных фаз. По подограмме определяют интервал опоры на пятку, на всю стопу и на её передний отдел. Временные характеристики шага выражают в секундах и в процентах к продолжительности двойного шага, длительность которого принимают за 100 %.

Все остальные параметры ходьбы (кинематические, динамические и электрофизиологические) привязывают к подограмме — основному методу оценки временной характеристики ходьбы.

Кинематика ходьбы

Исследование динамики ходьбы

Проводя кинематический анализ ходьбы, прежде всего, определяют перемещение общего центра масс тела и угловые перемещения в крупных суставах нижних конечностей и в суставах стопы.

Кинематический анализ проводят, исследуя эти движения в трех основных анатомических плоскостях тела: в сагиттальной, в горизонтальной и во фронтальной плоскости. Движения сегментов тела соотносят с фазами временной характеристики ходьбы.

Регистрация движений сегментов тела проводится как контактным, так и бесконтактным методом. Исследуют линейные и угловые перемещения, скорость и ускорение.

Основные методы исследования: циклография, гониометрия и оценка движения сегмента тела при помощи гироскопа.

Метод циклографии позволяет регистрировать изменение координат светящихся точек тела в системе координат.

Гониометрия — изменение угла ноги прямым методом с применением угловых датчиков и неконтактным по данным анализа циклограммы.

Кроме того, применяют специальные датчики гироскопы и акселерометры. Гироскоп позволяет регистрировать угол поворота сегмента тела, к которому он прикреплен, вокруг одной из осей вращения, условно названной осью отсчета. Обычно гироскопы применяют для оценки движения тазового и плечевого пояса, при этом последовательно регистрируют направление движения в трех анатомических плоскостях — фронтальной, сагиттальной и горизонтальной.

Оценка результатов позволяет определить в любой момент шага угол поворота таза и плечевого пояса в сторону, вперед или назад, а также поворот вокруг продольной оси. В специальных исследованиях применяют акселерометры для измерения в данном случае тангенциального ускорения голени.

Для исследования ходьбы используют специальную биомеханическую дорожку, покрытую электропроводным слоем.

Важную информацию получают при проведении традиционного в биомеханике циклографического исследования, которое, как известно, основано на регистрации методом видео- кинофотосъёмки координат светящихся маркеров, расположенных на теле испытуемого.

Динамика ходьбы

Идущий мужчина.

Динамика ходьбы не может быть изучена методом прямого измерения силы, которая продуцируется работающими мышцами. До настоящего времени отсутствуют доступные для широкого использования методики измерения момента силы живой мышцы, сухожилия или сустава. Хотя следует отметить, что прямой метод, метод имплантации датчиков силы и давления непосредственно в мышцу или сухожилие применяется в специальных лабораториях. Прямой метод исследования вращающего момента осуществляется также при использовании датчиков в протезах нижних конечностей и в эндопротезах суставов.

Представление о силах, воздействующих на человека при ходьбе, может быть получено или в определении усилия в центре масс всего тела, или путём регистрации опорных реакций.

Практически, силы мышечной тяги при циклическом движении можно оценить, только, решая задачу обратной динамики. То есть зная скорость и ускорение движущегося сегмента, а также его массу и центр масс, мы можем определить силу, которая вызывает это движение, следуя второму закону Ньютона (сила прямо пропорциональна массе тела и ускорению).

Реальные силы при ходьбе, которые можно измерить — это силы реакции опоры. Сопоставление силы реакции опоры и кинематики шага позволяют оценить величину вращающего момента сустава. Расчет вращающего момента мышцы может быть произведён исходя из сопоставления кинематических параметров, точки приложения реакции опоры и биоэлектрической активности мышцы.

Сила реакции опоры

Сила реакции опоры — сила, действующая на тело со стороны опоры. Эта сила равна и противоположна той силе, которую оказывает тело на опору.

Сила реакции опоры это сила, действующая на тело со стороны опоры. Эта сила равна и противоположна той силе, которую оказывает тело на опору. Если при стоянии сила реакции опоры равна весу тела, то при ходьбе к этой силе прибавляются сила инерции и сила, создаваемая мышцами при отталкивании от опоры.

Для исследования силы реакции опоры обычно применяют динамографическую (силовую) платформу, которая вмонтирована в биомеханическую дорожку. При опоре в процессе ходьбы на эту платформу регистрируют возникающие силы — силы реакции опоры. Силовая платформа позволяет регистрировать результирующий вектор силы реакции опоры.

Динамическая характеристика ходьбы оценивается путём исследования опорных реакций, которые отражают взаимодействие сил, принимающих участие в построении локомоторного акта: мышечных, гравитационных и инерционных. Вектор опорной реакции в проекции на основные плоскости разлагается на три составляющие: вертикальную , продольную и поперечную . Эти составляющие позволяют судить об усилиях, связанных с вертикальным, продольным и поперечным перемещением общего центра масс. Сила реакции опоры включает в себя вертикальную составляющую, действующую в направлении вверх-вниз, продольную составляющую, направленную вперед-назад по оси Y, и поперечную составляющую, направленную медиально-латерально по оси X. Это производная от силы мышц, силы гравитации и силы инерции тела.

Вертикальная составляющая силы реакции опоры

Вертикальная составляющая вектора опорной реакции.

График вертикальной составляющей опорной реакции при ходьбе в норме имеет вид плавной симметричной двугорбой кривой. Первый максимум кривой соответствует интервалу времени, когда в результате переноса тяжести тела на опорную ногу происходит передний толчок, второй максимум (задний толчок) отражает активное отталкивание ноги от опорной поверхности и вызывает продвижение тела вверх, вперёд и в сторону опорной конечности. Оба максимума расположены выше уровня веса тела и составляют соответственно при медленном темпе примерно 100 % от веса тела, при произвольном темпе 120 %, при быстром — 150 % и 140 %.

Минимум опорной реакции расположен симметрично между ними ниже линии веса тела. Возникновение минимума обусловлено задним толчком другой ноги и последующим её переносом; при этом появляется сила, направленная вверх, которая вычитается из веса тела. Минимум опорной реакции при разных темпах составляет от веса тела соответственно: при медленном темпе — примерно 100 %, при произвольном темпе 70 %, при быстром — 40 %.

Таким образом, общая тенденция при увеличении темпа ходьбы состоит в росте значений переднего и заднего толчков и снижении минимума вертикальной составляющей опорной реакции.

Продольная составляющая силы реакции опоры

Продольная составляющая вектора опорной реакции это, по сути, срезывающая сила равная силе трения, которая удерживает стопу от переднезаднего скольжения. На рисунке изображён график зависимости продольной опорной реакции в зависимости от длительности цикла шага при быстром темпе ходьбы (оранжевая кривая), при среднем темпе (пурпурная) и медленном темпе (синяя).

График продольной составляющей опорной реакции имеет также два, но разнонаправленных максимума, соответствующих переднему и заднему толчкам и минимум равный нулю между ними. Величина этих максимумов при медленном темпе составляет 12 % и 6 %, при произвольном темпе — 16°/ и 24 %, при быстром — 21 % и 30 %.

Продольная составляющая характеризуется аналогичной тенденцией увеличения переднего и заднего толчков при повышении темпа ходьбы.

Поперечная составляющая силы реакции опоры

Поперечная (медиолатеральная) составляющая вектора опорной реакции , так же как и продольная, порождена силой трения.

График поперечной составляющей опорной реакции по форме напоминает перевернутый график вертикальной составляющей. Кривая также располагает двумя максимумами, приуроченными к фазам переднего и заднего толчков и направленными медиально. Однако в самом начале цикла выявлен ещё один максимум, имеющий противоположное направление. Это короткий период опоры на наружный отдел пятки.

При увеличении темпа ходьбы все максимумы возрастают (красная линия), их значения составляют от веса тела: при медленном темпе — 7 % и 5 %, при произвольном темпе — 9 % и 8 %, при быстром — 13 % и 7 %. Зависимости этих величин от темпа ходьбы показаны на рисунке. Таким образом, чем выше темп ходьбы, тем больше сила и соответственно энергия, которая расходуется на преодоление силы трения.

Точка приложения силы реакции опоры

Реакция опоры — эти силы приложенные к стопе. Вступая в контакт с поверхностью опоры, стопа испытывает давление со стороны опоры, равное и противоположное тому, которое стопа оказывает на опору. Это и есть реакция опоры стопы. Эти силы неравномерно распределяются по контактной поверхности. Как и все сила такого рода их можно изобразить в виде результирующего вектора, который имеет величину и точку приложения.

Точка приложения вектора реакции опоры на стопу иначе называется центром давления. Это важно, для того чтобы знать, где находится точка приложения сил, действующих на тело со стороны опоры. При исследовании на силовой платформе эта точка называется точкой приложения силы реакции опоры.

Траектория приложения силы реакции опоры

Траектория силы реакции опоры в процессе ходьбы изображается в виде графика: «зависимость величины силы реакции опоры от времени опорного периода». График представляет собой перемещение вектора реакции опоры под стопой.

Нормальный паттерн, траектория перемещения реакции опоры при нормальной ходьбе представляет собой перемещение от наружного отдела пяти вдоль наружного края стопы в медиальном направлении к точке между 1 и 2 пальцем стопы. Траектория перемещения вариабельна и зависит от темпа и типа ходьбы, от рельефа поверхности опоры, от типа обуви, а именно от высоты каблука и от жёсткости подошвы. Паттерн реакции опоры во многом определяется функциональным состоянием мышц нижней конечности и иннервационной структурой ходьбы.

Иннервационная структура ходьбы

Графики электрической активности некоторых мышц в течение цикла ходьбы здорового человека. Внизу электрическая активность сопоставлена с подограммой. Сплошным цветом на графиках обозначена работа мышц в уступающем режиме, штриховыми линиями — преодолевающая. Красным цветом выделены мышцы-разгибатели, синим — мышцы-сгибатели. Мышцы работают то в уступающем, то в преодолевающем режиме. Мышцы разгибатели активны, главным образом, в опорную фазу цикла (их называют мышцы опорной фазы), а мышцы сгибатели в переносную фазу (их называют мышцы переносной фазы).

Определение внешних вращающих моментов суставов главным образом, нижней конечности является на сегодня единственным объективным методом оценки внутреннего вращающего момента, который определяется мышечным усилием в различные фазы ходьбы (наряду с другими факторами: эластичность связок, сухожилий, геометрия суставной поверхности). А вот о распределении усилий различных групп мышц, о пространственно-временной характеристике работы мышц судят по данным электромиографического исследования. Эти данные соотносят с временной и силовой характеристикой каждой фазы шага и получают достаточно полное представление о работе основного двигателя человека и об управлении этим процессом.

Многоканальная миография с компьютерной обработкой полученного сигнала является традиционным объективным методом изучения иннервационой и биомеханической структуры ходьбы.

В ходьбе участвуют многие мышцы и группы мышц, однако для ходьбы наиболее значимыми мышцами являются мышцы разгибатели (трехглавая мышца голени, четырехглавая мышца бедра, большая и средняя ягодичная), и мышцы-сгибатели (подколенные сгибатели: полуперепончатая и полуперепончатая и бицепс бедра и передняя большеберцовая мышца).

Работа мышц-разгибателей является основным силовым источником для перемещения общего центра масс. Активность мышц разгибателей обусловлена также необходимостью притормаживания движения сегментов в фазу переноса. Сокращение мышц сгибателей направлено на коррекцию положения или движения конечности в переносную фазу. При обычных условиях ходьбы корригирующая функция мышц минимальна. Прямая мышца в составе четырёхглавой бедра обеспечивает амортизацию переднего толчка и последующее разгибание в коленном суставе в фазу опоры. Большая ягодичная мышца обеспечивает разгибание бедра в фазу опоры. Икроножная мышца — отталкивание от опорной поверхности и вертикальное перемещение общего центра масс. Подколенные сгибатели — регуляция скорости движения в коленном суставе. Передняя большеберцовая — коррекцию положения стопы.

Чередование различных режимов деятельности мышц заключает в себе определённый биомеханический смысл: во время уступающей работы увеличивается напряжение мышцы и её рефлекторная активация, кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругой деформации мышц. При этом эффективность уступающей (отрицательной) работы мышц превышает в 2-9 раз эффективность их преодолевающей (положительной) работы.

Во время преодолевающего режима мышца производит механическую работу, при этом потенциальная энергия упругой деформации мышц превращается в кинетическую энергию всего тела или его отдельных частей. На первый взгляд, преодолевающий режим работы мышц обусловливает возникновение и ускорение движений, а уступающий режим — их замедление или прекращение. На самом деле уступающий режим деятельности мышц имеет более глубокое содержание. «Когда тело человека при ходьбе уже приобрело известную скорость, торможение движений отдельного звена приводит к перераспределению кинетического момента и, следовательно, к ускорению движений смежного звена. Благодаря многозвенной структуре двигательного аппарата такой опосредованный способ управления движениями нередко оказывается энергетически более выгодным, чем прямой, ибо позволяет лучше утилизировать ранее накопленную кинетическую энергию» .

Основные биомеханические фазы

Анализ кинематики, опорных реакций и работы мышц различных частей тела убедительно показывает, что в течение цикла ходьбы происходит закономерная смена биомеханических событий. «Ходьба здоровых людей, несмотря на ряд индивидуальных особенностей, имеет типичную и устойчивую биомеханическую и иннервационную структуру, то есть определённую пространственно-временную характеристику движений и работы мышц» .

Полный цикл ходьбы — период двойного шага — слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности.

При ходьбе человек последовательно опирается то на одну, то на другую ногу. Эта нога называется опорной. Контралатеральная нога в этот момент выносится вперед (Это — переносная нога). Период переноса ноги называется «фаза переноса». Полный цикл ходьбы — период двойного шага — слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности. В опорный период активное мышечное усилие конечностей создаёт динамические толчки, сообщающие центру тяжести тела ускорение, необходимое для поступательного движения. При ходьбе в среднем темпе фаза опоры длится примерно 60 % от цикла двойного шага, фаза переноса примерно 40 %.

Началом двойного шага принято считать момент контакта пятки с опорой. В норме приземление пятки осуществляется на её наружный отдел. С этого момента эта (правая) нога считается опорной. Иначе эту фазу ходьбы называют передний толчок — результат взаимодействия силы тяжести движущегося человека с опорой. На плоскости опоры при этом возникает опорная реакция, вертикальная составляющая которой превышает массу тела человека. Тазобедренный сустав находится в положении сгибания, нога выпрямлена в коленном суставе, стопа в положении лёгкого тыльного сгибания. Следующая фаза ходьбы — опора на всю стопу. Вес тела распределяется на передний и задний отдел опорной стопы. Другая, в данном случае — левая нога, сохраняет контакт с опорой. Тазобедренный сустав сохраняет положение сгибания, колено подгибается, смягчая силу инерции тела, стопа принимает среднее положение между тыльным и подошвенным сгибанием. Затем голень наклоняется вперёд, колено полностью разгибается, центр масс тела продвигается вперед. В этот период шага перемещение центра масс тела происходит без активного участия мышц, за счёт силы инерции. Опора на передний отдел стопы. Примерно через 65 % времени двойного шага, в конце интервала опоры, происходит отталкивание тела вперёд и вверх за счёт активного подошвенного сгибания стопы — реализуется задний толчок. Центр масс перемещается вперёд в результате активного сокращения мышц.

Следующая стадия — фаза переноса характеризуется отрывом ноги и перемещением центра масс под влиянием силы инерции. В середине этой фазы, все крупные суставы ноги находятся в положении максимального сгибания. Цикл ходьбы завершается моментом контакта пятки с опорой.

В циклической последовательности ходьбы выделяют моменты, когда с опорой соприкасаются только одна нога («одноопорный период») и обе ноги, когда вынесенная вперед конечность уже коснулась опоры, а расположенная сзади ещё не оторвалась («двуопорная фаза»). С увеличением темпа ходьбы «двуопорные периоды» укорачиваются и совсем исчезают при переходе в бег. Таким образом, по кинематическим параметрам, ходьба от бега отличается наличием двуопорной фазы.

Эффективность ходьбы

Основной механизм, определяющий эффективность ходьбы — это перемещение общего центра масс.

перемещение ОЦМ, Трансформация кинетической (T k) и потенциальной (E p) энергии

Перемещение общего центра масс (ОЦМ) представляет собой типичный синусоидальный процесс с частотой соответствующей двойному шагу в медиолатеральном направлении, и с удвоенной частотой в передне-заднем и вертикальном направлении. Перемещение центра масс определяют традиционным циклографическим методом, обозначив общий центр масс на теле испытуемого светящимися точками.

Однако можно поступить проще, математическим способом, зная вертикальную составляющую силы реакции опоры. Из законов динамики ускорение вертикального перемещения равно отношению силы реакции опоры к массе тела, скорость вертикального перемещения равна отношению произведению ускорения на интервал времени, а само перемещение произведению скорости на время. Зная эти параметры, можно легко рассчитать кинетическую и потенциальную энергию каждой фазы шага. Кривые потенциальной и кинетической энергии представляют собой как бы зеркальное отражение друг друга и имеют фазовый сдвиг примерно в 180°.

Известно, что маятник имеет максимум потенциальной энергии в высшей точке и превращает её в кинетическую, отклоняясь вниз. При этом некоторая часть энергии расходуется на трение. Во время ходьбы, уже в самом начале периода опоры, как только ОЦМ начинает подниматься, кинетическая энергия нашего движения превращается в потенциальную, и наоборот, переходит в кинетическую, когда ОЦМ опускается. Таким образом, сохраняется около 65 % энергии. Мышцы должны постоянно компенсировать потерю энергии, которая составляет около тридцати пяти процентов . Мышцы включаются для перемещения центра масс из нижнего положения в верхнее, восполняя утраченную энергию.

Эффективность ходьбы связана с минимизацией вертикального перемещения общего центра масс. Однако увеличение энергетики ходьбы неразрывно связано с увеличением амплитуды вертикальных перемещений, то есть при увеличении скорости ходьбы и длины шага неизбежно увеличивается вертикальная составляющая перемещения центра масс.

На протяжении опорной фазы шага наблюдается постоянные компенсирующие движения, которые минимизируют вертикальные перемещения и обеспечивают плавность ходьбы.

К таким движениям относят:

• поворот таза относительно опорной ноги,
• наклон таза в сторону неопорной конечности,
• подгибание колена опорной ноги при подъёме ОЦМ,
• разгибание при опускании ОЦМ.

• Характеристика ходьбы здоровых людей в разном темпе :

Параметры:	Медленный темп	Замедленный темп	Произвольный темп	Ускоренный темп	Быстрый темп
Средняя скорость (м/с) / (км/ч)	0,61 / 2,196	0,91 / 3,276	1,43 / 5,288	1,90 / 6,840	2,28 / 8,208
Темп (шаг/мин)	67,8	84,5	109,1	125,0	137,9
Длина шага (метр)	0,51	0,6	0,74	0,84	0,88
Отношение темпа к длине шага (метр*с) −1	2,22	2,35	2,46	2,48	2,61

• При произвольном темпе ходьбы активность мышц минимальна. Этот феномен объясняется совпадением частоты действия вынуждающих мышечных сил к собственной частоте колебаний нижней конечности.
• Оптимальный темп ходьбы запрограммирован частотными характеристиками тела человека, то есть геометрией нижней конечности и упругостью связочно-мышечного аппарата. Он приблизительно равен резонансной частоте нижней конечности.
• При ходьбе устойчивость тела увеличивается в несколько раз по сравнению с устойчивостью при стоянии. Этот биомеханический феномен до настоящего времени не изучен. Существует гипотеза, которая объясняет устойчивость тела при ходьбе колебательными движениями центра голеностопного сустава. Тело человека представляется с позиции перевернутого маятника с центром в области голеностопных суставов, который приобретает устойчивость в вертикальном положении, если его центр совершает колебание вверх-вниз с достаточно высокой частотой (маятник Капицы).
• Победитель Кубка мира в спортивной ходьбе в 1983 г. прошел 20 км со средней скоростью 15,9 км/ч. .
• Риск развития постменопаузального остеопороза существенно ниже, если женщина проходит более 12 километров в неделю.

Ходьба в норме

[Источник - Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика]

Ходьба - автоматизированный двигательный акт, осуществляющийся в результате сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей.
Отталкиваясь от почвы, нога приводит тело в движение - вперед и несколько вверх и вновь совершает размах в воздухе.
Последовательность положения конечности взрослого человека при ходьбе показана на рис. 15.16. При ходьбе тело поочередно опирается то на правую, то на левую ногу.
Акт ходьбы отличается чрезвычайно точной повторяемостью отдель-ных его компонентов, так что каждый из них представляет точную копию в предыдущем шаге.
В акте ходьбы деятельное участие принимают также верхние конечно-сти человека: при выносе вперед правой ноги правая рука движется назад, а левая - выносится вперед. Руки и ноги человека при ходьбе совершают движения в противоположных направлениях.
Движение отдельных звеньев свободной ноги (бедра, голени и стопы) определяется не только сокращением мышц, но и инерцией. Чем ближе звено к туловищу, тем меньше его инерция и тем раньше оно может последовать за туловищем. Так, бедро свободной ноги перемещается вперед раньше всего, поскольку оно ближе всего к тазу. Голень, будучи дальше от таза, отстает, что ведет к сгибанию ноги в колене. Точно так же отставание стопы от голени вызывает сгибание в голеностопном суставе (см. рис. 15.16).
Последовательное вовлечение мышц в работу и точная координация их сокращений при ходьбе обеспечиваются у человека ЦНС и главным образом корой больших полушарий головного мозга. С точки зрения нервного механизма, ходьба представляет собой автоматизированный цепной рефлекс, в котором афферентная импульсация, сопровождающая каждый предыдущий элемент движения, служит сигналом для начала следующего.
Функциональный анализ ходьбы. Ходьба - это сложное циклическое локомоторное действие, одним из основных элементов которого является шаг (рис. 15.17).
При ходьбе, как и при других видах локомоторного движения, перемещение тела в пространстве происходит благодаря взаимодействию внутренних (сокращение мышц) и внешних (масса тела, сопротивление опорной поверхности и др.) сил. В каждом шаге, совершаемом правой и левой ногой, различают период опоры и период маха. Наиболее характерной особенностью всех видов ходьбы по сравнению с бегом и прыжками является постоянное опорное положение одной ноги (период одиночной опоры) или двух ног (период двойной опоры). Соотношение этих периодов обычно равно 4:1. Как период опоры, так и период маха может быть разделен на две основные фазы, а именно: период опоры - на фазы переднего толчка и заднего толчка, разделенные моментом вертикали; маха - фазы заднего шага и переднего шага, между которыми также находится момент вертикали.

или , чтобы увидеть ссылку
Рис. 15.16. Ходьба в норме. Ширина и длина шага (а). Отклонение центра тяжести (ЦТ) во время ходьбы по вертикальной оси на 5 см (б). Отклонение ЦТ в сторону на 2,5 см (в) (по S. Hoppenfeld, 1983)
или , чтобы увидеть ссылку
Рис. 15.17. Степень сокращения мышц туловища и нижней конечности
в течение двойного шага при обычной ходьбе (по данным электромиографического анализа, произведенного B.C. Гурфинкелем в ЦНИИТе протезирования и протезострое-ния). Черным цветом показано максимальное сокращение, двойным штрихом - сильное сокращение, одинарным - среднее сокращение, точками - слабое сокращение, белым показано расслабление мышцы: 1 - прямая мышца живота; 2 - прямая мышца бедра; 3 - передняя большеберцовая мышца; 4 - длинная малоберцовая мышца; 5 - икроножная мышца; 6 - полусухожильная мышца; 7 - двуглавая мышца бедра; S - большая яго-дичная мышца; 9 - мышца, натягивающая широкую фасцию; 10 - средняя ягодичная мышца; 11 - крестовоостистая мышца

Фаза переднего толчка. После заключительной фазы переднего шага начинается постановка стопы на почву при почти выпрямленном, но не закрепленном коленном суставе и согнутом, слегка отведенном и супиниро-ванном бедре. Стопа становится на опорную поверхность пяткой, после чего она совершает двойной перекат: с пятки на носок и снаружи внутрь. Этот перекат происходит под влиянием силы тяжести тела и последовательного включения в работу короткой малоберцовой мышцы, поднимающей наружу край стопы и далее мышц - длинной малоберцовой, задней большеберцовой, длинного сгибателя большого пальца стопы и длинного сгибателя пальцев, поддерживающих продольную дугу (свод) стопы. Такое движение стопы имеет двоякое значение: увеличение длины шага и растягивание мышц заднего отдела голени, участвующих в отталкивании тела. В начальном периоде опоры приобретает большое значение рессорная функция, выполняемая суставами стопы и незакрепленным суставом колена. Далее под действием тяжести и инерции тела нога несколько сгибается в коленном суставе и разгибается в голеностопном суставе при уступающей работе четырехглавой мышцы и мышц заднего отдела голени, что еще более повышает буферные свойства конечности.

Момент вертикали. К моменту вертикали нога выпрямляется и приводится за счет сокращения большей части мышц бедра и отчасти под влиянием силы тяжести. В это время стопа опирается на грунт всей подошвой, причем большинство ее мышц своим сокращением способствует сохранению сводов и участвует в функции удержания равновесия тела.

Фаза заднего толчка тела (отталкивание от опорной поверхности). В связи с этим контактирующая с грунтом конечность удлиняется за счет разгибания во всех ее суставах. В тазобедренном суставе вновь происходит некоторое отведение, но в отличие от переднего толчка, сопровождаемое небольшим поворотом бедра (внутрь). Ведущая роль в этой фазе принадлежит четырехглавой, полу сухожильной, полуперепончатой, длинной головке двуглавой и главным образом ягодичным мышцам.

Фаза заднего шага. В начале этой фазы (непосредственно после окончания заднего толчка) маховая нога находится в положении разгибания, некоторого отведения и поворота внутрь, что приводит к повороту таза вместе с туловищем в противоположную сторону. Из этого положения нога, производящая шаг, начинает совершать сгибание в тазобедренном и коленном суставах,
дополняемое незначительным поворотом ее наружу, что взаимосвязано с вращением таза в сторону маховой ноги. В это время основная нагрузка падает на мышцы: подвздошно-поясничную, приводящие, заднего отдела бедра и отчасти на разгибатели стопы.

Момент вертикали. Маховая нога выпрямлена в тазобедренном суставе и достигает максимального сгибания (по сравнению с другими фазами) в суставе колена. Сокращены главным образом мышцы заднего отдела бедра.

В фазе переднего шага мышцы заднего отдела бедра расслабляются и благодаря силе инерции и кратковременному баллистическому сокращению четырехглавой мышцы голень выбрасывается вперед. После этого начинается новый цикл движения.

Центр тяжести тела (ЦТ) при ходьбе (рис. 15.18, а) наряду с поступательными движениями (вперед), совершает еще движения боковые и в вертикальном направлении. В последнем случае размах (вверх и вниз) достигает величины 4 см (у взрослого человека), при этом туловище опускается больше всего именно тогда, когда одна нога опирается всей подошвой, а другая вынесена вперед. Боковые движения (качания в стороны) центра тяжести доходят до 2 см.
Колебания ОЦТ тела в стороны связаны с перемещением на опорную ногу всей массы тела, благодаря чему траектория ОЦТ тела проходит непо-средственно над площадью опоры. Чем ходьба быстрее, тем эти колебатель-ные движения меньше, что объясняется влиянием инерции тела.
Размер шага в среднем принимается за 66 см, при спокойной ходьбе продолжительность его - около 0,6 сек.
Помимо мышц нижних конечностей при ходьбе включаются в динамическую работу почти все мышцы туловища, шеи и верхних конечностей.
В связи с последовательным чередованием растяжения, сокращения и расслабления различных мышечных групп, что происходит во время ходьбы, значительная нагрузка на всю мышечную систему обычно не вызывает выраженного утомления. В значительной мере это также объясняется тем, что ритмические движения всего тела облегчают нормальную вентиляцию легких и улучшают кровообращение всех органов, включая центральную нервную систему (ЦНС). Таким образом, ходьба - это наилучший вид физической тренировки.
Кинематические и динамические характеристики человека между продольными осями смежных сегментов конечности можно измерять (так называемые межзвенные углы). На рис. 15.18 приведены графики межзвенных углов в тазобедренном суставе (ТБС), коленном (КС), голеностопном (ГСС) и плюснефаланговом (ПФС) при ходьбе в норме.
Характерной особенностью графиков этих углов (ангулограмм) является довольно стабильная периодичность. У разных людей меняются только продолжительность периода и диапазон изменений угла (амплитуда). В норме эти амплитуды составляют: в ТБС 26- 30°; в КС в опорный период шага 12-15°; в переносный период - 55-62°; в ГСС подошвенное сгибание равно 17-20°; тыльное - 8-10°. В ПФС всегда имеется тыльное сгибание при переносе (10-12°), при опоре сначала идет выпрямление до 0°, а при заднем толчке (от заднего толчка опорной ноги тело устремляется вперед) в ПФС снова происходит сгибание до 10-12°.
При ходьбе человек взаимодействует с опорной поверхностью, при этом возникают силовые факторы, называемые главным вектором и главным моментом сил реакции опоры. Типичные графики вертикальной и продольной составляющих главного вектора опорной реакции при ходьбе в произвольном темпе в норме представлены на рис. 15.18. Для графика вертикальной составляющей главного вектора опорной реакции характерно наличие двух вершин, соответствующих переднему (опора на пятку) и заднему (отталкивание передним отделом стопы) толчкам. Амплитуды этих вершин превышают массу человека и достигают 1,1-1.25Р (Р - масса человека).

или , чтобы увидеть ссылку
Рис. 15.18. Перемещение общего центра тяжести (ОЦТ) тела при обычной
ходьбе (а). Графики межзвенных углов и опорных реакций при ходьбе
в норме: ТБС, КС, ГСС, ПФС - соответственно, тазобедренный, ко-ленный,
голеностопный, плюснефаланговый суставы; Rz, Ry - вертикальная
и продольная компоненты опорной реакции (б)

Продольная составляющая главного вектора сил реакции опор имеет тоже две вершины разных знаков: первая, соответствующая переднему толчку, направлена вперед; вторая, соответствующая заднему толчку, направлена назад. Так оно и должно быть - отталкиваясь опорной ногой, человек устремляет все тело вперед. Максимумы продольной составляющей главного вектора опорной реакции достигает 0,25Р.
Есть еще одна составляющая главного вектора опорной реакции - поперечная. Она возникает при переступании с одной ноги на другую и ее максимум достигает 8-10% от массы человека.
Временная структура шага. Локомоции человека - процесс периодический, в котором через приблизительно равные промежутки времени повторяются сходные положения тела. Наименьшее время, прошедшее от данного положения до его повторения, является временем цикла. При ходьбе и беге время цикла называют по числу сделанных шагов «временем двойного шага». Каждая нога в своем циклическом движении находится либо на опоре, либо переносится на новое место опоры (рис. 15.19).
При беге момент опоры меньше момента переноса; наблюдается пери-од свободного полета над опорой (см. рис. 15.19).

или , чтобы увидеть ссылку
или , чтобы увидеть ссылку
Рис. 15.19. Кинограммы ходьбы (а) и бега (б) на протяжении одиноч-ного шага
и диаграммы времени двойного шага (по Е. Muybriage, 1887; Д.А. Се-менову, 1939).
а - начало, е - конец опоры ноги, а и е - левая, а"е" - правая нога, ае - время опоры левой ноги, а"е" - время опоры правой ноги; вверху ае" и а"е" - время двойных опор при ходьбе, внизу е"а и еа" - время полета при беге. Непрерывная линия - опора, штриховая - перенос ноги

 

Возможно, будет полезно почитать:

• Йога для лица — описание комплекса упражнений для омоложения кожи ;
• Йога для омоложения организма ;
• Опасные упражнения в спортзале, которые стоит вычеркнуть из своей программы ;
• Skyrim: чит-коды оружия, навыков, брони и зaчарования Коды на скайрим эльфийские стрелы ;
• Классический подъем и ласточка ;
• Строение руки - иннервация ;
• Что такое, причины возникновения спастичности, недопущение и лечение Как убрать спастику после инсульта ;
• Способы как вызвать рвоту для похудения ;