Биомеханика ходьбы и бега

   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.6), 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.

   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. 6, 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.7).

   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.7. 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.8. Динамограмма бега трусцой по жесткому (сплошная линия) и мягкому (пунктир) покрытию 
 

   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 в среднем 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.8). 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. 
 

   3.3 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 этот вид 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. 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/с2); v —скорость передвижения человека (м/с); Lo —высота общего центра масс тела в основной стойке (м). 

   

   Рис.9. 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.9). 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. 
 

3.4ОПТИМИЗАЦИЯ 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.

   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.10). 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.10. Возрастные изменения оптимальной по экономичности скорости и оптимального сочетания длины и частоты 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.11). Благодаря поворотам таза не только уменьшаются вертикальные и боковые колебания тела, но также удлиняется шаг и ускоряется постановка стопы на опору.

   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.11. Движения таза при ходьбе:

   а —  увеличение длины шага за счет поворота таза

   (по  Д. А. Семенову, цит. по Д.  Д. Донскому, 1960 г.) 

   Рис.12.Границы зоны экономических режимов при ходьбе, беге и передвижении на лыжах (пунктир): о — оптимальная (наиболее экономичная) скорость; ■ — анаэробный порог 
 

   Список  литературы

   1. Легкая  атлетика / Под ред. А.Н. Макарова. - М., 1987.

   2. Легкая  атлетика / Под ред. Е.М. Лутковского  и А.А. Филиппова. - М., 1970.

   3. Легкая  атлетика / Под ред. Н.Г. Озолина,  В.И. Воронкина, Ю.Н. Примакова. - М., 1989.

   4. Макаров  А.Н. Легкая атлетика. - М., 1977.