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
(по Д. Д. Донскому, переработано)

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., выпрямляющая позвоночник; 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 нога сначала 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 и R_дин — статический и динамический компоненты реакции опоры, F_B — сила сопротивления воздуха; обратите внимание: 1) F — сила действия ноги на опору (как и сила реакции опоры) содержит две составляющие: 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).

Задание для самоконтроля знаний

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 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. 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 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 (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/с²); 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.

Вопрос для самоконтроля знаний

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 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. 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.

источник: http://russtil1.narod.ru/utkin7.html