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 плюсне-фаланговых 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.

Вертикальная и продольная силы опорной реакции, а также не­которые кинематические характеристики, зарегистрированные современными способами тензометрирования и осциллографиро-вания, показаны на рис. 15.21 и рис. 15.22.

Движения общего центра тяжести (ОЦТ) тела и переме­щение тела в целом. Компоненты силы опорной реакции связаны с движением ОЦТ при локомоциях. Если пренебречь незначи­тельным аэродинамическим сопротивлением, то из принципа Д'Аламбера следует, что компоненты F. и F. векторов равнодей­ствующих сил опорной реакции на стопах правой и левой ног за­висят от ускорения Wi центра тяжести тела следующим образом: т W. = F_n. + F_M — G_r (i = 1, 2, 3), где т — масса и G — вес тела.

Из этой зависимости могут быть выведены, в частности, неко­торые общие свойства вертикальной силы при локомоциях. После однократного интегрирования по времени одиночного шага по­лучим уравнение для проекции импульсов сил на гравитационную вертикаль:

Отмечено, что за одиночный шаг среднее по времени значение вертикальных сил равно весу тела и это физически очевидно, так как иначе тело опускалось бы или поднималось. Точно так же вы­явлено, что средние значения продольных и боковых сил, а также момента сил реакции опоры приблизительно равны нулю.

Если учесть одновершинный, близкий к треугольнику, харак­тер изменения вертикальной силы при беге и наличие фазы поле­та, то на основании данных формул можно получить следующее ориентировочное правило для оценки величины вертикальной силы при локомоциях человека: при ходьбе F₃ < 2G, при беге F > 2G. Двойное интегрирование исходной зависимости для действующих сил по времени дает точные значения величин перемещения об­щего центра тяжести тела в пространстве. Эти исследования были выполнены при ходьбе (G. Demeny, 1887; Н. Elftman, 1938; G А Са-vagna, R. Margaria, 1966; V. Ihman, 1966) и беге (W.O Fenn 1930" Н. Elftman, 1940 и др.).

Пт^{ССЛеД0ВаНИЯ многих} авторов показывают, что центр тяжести ЩТ) перемещается подобно шарику в желобе с полуэллиптическим сечением, занимая наивысшее положение на правой или левой стенке желоба в момент вертикали и наинизшее на дне желоба — во время двойной опоры. Кривая перемещения ЦТ напоминает си­нусоиду, причем ее амплитуда составляет от 4 до 6 см.

При беге ЦТ перемещается как бы по стенке перевернутого же­лоба и занимает свое самое низкое положение во время опоры и самое высокое положение в середине свободного полета тела фис. 15.23). На проекции сбоку кривая перемещений ЦТ, так же

как и при ходьбе, напоминает синусоиду. Однако ее амплитуда, как следует из ориентировочного правила для величин опорных реакций при локомоциях, больше, чем при ходьбе, и составляет приблизительно 10—12 см (Д.А. Семенов, 1939; Н.А. Бернштёйн и др., 1940; J. Saunders et al. 1953).

Следует отметить, что исследования движений ОЦТ тела ино­гда выявляют небольшую асимметрию ходьбы у здоровых людей, эта асимметрия резко возрастает у больных (J. Gersten et al, 1969), и ее регистрация вместе с наблюдением других кинематических нарушений может служить диагностическим целям (М. Murray, 1967; М.П. Полян, А.С. Витензон, 1969; и др.).

Периодичность траектории движения ОЦТ тела характеризу­ется не только временем цикла, но и расстоянием, на которое ЦТ сместится в пространстве за время локомоторного цикла, и, в час­тности, за время двойного шага.

Ихнографическим методом исследования установлено, что сле­ды стоп при ходьбе располагаются на следовой дорожке иначе, чем

при беге (Д.А. Семенов, 1939; D.P. Roche, 1972 и др.). Во время нормальной ходьбы стопа ставится на опору с пятки, но при беге такая постановка наблюдается только когда скорость невелика, это можно увидеть при беге пожилого человека. При быстром беге человек обычно опирается (отталкивается от грунта) пальцами сто­пы (см. рис. 15.23). Следы при беге лежат (расположены) ближе к средней линии, а разворот стоп, в отличие от ходьбы, практиче­ски отсутствует.

При ходьбе длина шага зависит от многих причин, одной из су­щественных является длина ног (или рост человека), подвижность (амплитуда) в тазобедренном и голеностопном суставах и т. д. Ши­рокая постановка ног и сильный разворот носков укорачивают дли­ну шага (Д.А. Семенов, 1939). Длина одиночного шага изменяется приблизительно от 0,5 до 1 м и при ходьбе в удобном темпе состав­ляет 0,7—0,8м (R.Drillis, 1951;М.Р. Murray etal., 1964;K.Chatinier et al, 1970 и др.). С увеличением темпа ходьбы длина шага сначала возрастает (приблизительно до 0,9 м при темпе 150 шагов в мину­ту), а затем несколько уменьшается (Д.А. Семенов, 1939).

Исследования (D. Grieve, 1968; М. Milner, A. Quanbury, 1970 и др.) показали, что между частотой и длиной шага при ходьбе су­ществует прямая зависимость.

При беге с ростом темпа длина шага увеличивается незначитель­но: в среднем от 2 до 2,2 м у мужчин и от 1,7 до 1,9 м у женщин (Д.А. Семенов, 1939).

Естественной зависимостью между длиной L одиночного шага, темпом п и средней скоростью v поступательного перемещения человека является формула v = Ln.

Средняя скорость, с которой в большинстве случаев передвига­ется человек, находится в пределах 1,3—1,6 м/с (R. Drillis, 1951; К. Chatinier et al. 1970); ее величина близка к скорости наиболее эко­номной ходьбы, устанавливаемой в результате анализа энерготрат организма. Физические возможности человека позволяют ему дос­тигать при беге максимальной скорости около 10 —12 м/с.

Биомеханика(биодинамика) бега

Бег — способ передвижения, при котором фаза опоры одной ногой чередуется с безопорной фазой полета, когда обе ноги нахо­дятся в воздухе (рис. 15.19, б; 15.23).

Временные фазы бега (А)

Кинематографическим методом выявлены фазы бега, или цикл движений, начинающийся касанием одной из ног земли и продол­жающийся до тех пор, пока эта же нога вновь не коснется земли (см. рис. 15.23). Каждый цикл включает фазу опоры на одну ногу и фазу маха (т. е. возвращение ноги вперед), когда тело не опирает­ся на эту ногу.

На рис. 15.23, б показан полный двигательный цикл. Он начина­ется в момент отталкивания правой ногой (А) и заканчивается в положении (Д), когда левая нога снова покидает землю. Момент постановки и отталкивания используются для выделения раз­личных фаз бегового цикла.

При умеренных скоростях бега мах ногой длится примерно втрое дольше, чем опорный период (C.J. Dillman, 1970; D. Slocum, S.L. James, 1968). В течение фазы возвращения вперед имеется два периода, ко­гда тело находится в воздухе: один — непосредственно после отрыва данной конечности, и второй — следующий за отрывом от земли про­тивоположной ноги.

Опорный период (Б). Период опоры (от Б до В), при котором тело продолжает двигаться вперед. В последней стадии фазы опо­ры (В) тело снова выталкивается вперед. Второй безопорный пе­риод заканчивается, когда правая нога касается земли (Г) и затем тело поворачивается относительно опорной ноги до тех пор, пока она не отталкивается от земли, давая начало новому циклу бега.

От скорости бега зависит, какая часть ступни первой касается земли. Так, кинематографический анализ бега показывает, что при малых скоростях нога ставится на опору с пятки или на всю ступ­ню, а при более высоких скоростях опора начинается с латераль­ной стороны ступни.

Движение в суставах опорной конечности, определяемых кине­матографическим методом свидетельствуют, что немедленно после контакта ступни с землей в течение короткого промежутка време­ни в коленном суставе продолжается сгибание, а в голеностопном происходит тыльное сгибание. Когда центр тяжести (ЦТ) обгоняет опорную ногу и опорное бедро наклоняется вперед от вертикали, голеностопный сустав сгибается, а в коленном и тазобедренном суставах происходит разгибание, в результате чего ЦТ продвига­ется в направлении вверх и вперед.

Отмечено (D.B. Slocum, S.L. James, 1968), что в опорной фазе точкой опоры рычажной системы нижней конечности является по­ясничный отдел позвоночника.

Период опоры при увеличении скорости бега значительно умень­шается. В опорном периоде выделяют фазы амортизации и отталки­вания. В фазе отталкивания суставы опорной ноги разгибаются. При беге выявлены вертикальные колебания тела, которые носят волно­образный характер (по движениям головы, таза, центра тяжести).

Отмечено, что в период опоры ЦТ снижается, а в фазе отталки­вания — поднимается. Вертикальное снижение во время периода опоры не такое большое, как вертикальное падение в фазе полета.

Маховое движение ноги (В). Анализ бега спринтеров показы­вает, что когда маховая конечность движется вперед, то сгибание колена и пронос пятки выполняются бегуном ближе к тазу. Второй характерной чертой является высокий подъем колена;'бедро пово­рачивается до горизонтали перед телом в момент, когда противопо­ложная опорная нога покидает землю (F.C. Clouse, 1959; J. Dittmer, 1962;W.O. Fenn, 1931; D. Slocum, S.L. James, 1968 и др.). Угол между бедром и горизонталью, проведенной через тазобедренный сустав, становится меньше, когда бедро поднимается ближе к горизонтали.

Движение ноги при беге можно разделить на две фазы. Во вре­мя контакта с землей нога поддерживает тело и выталкивает его вперед. После отталкивания нога движется из положения сзади в положение впереди туловища — эта фаза маха (переноса) или фаза возвращения ноги.

Когда стопа касается земли, суставы ноги (тазобедренный, ко­ленный, голеностопный) кратковременно сгибаются, амортизируя приземляющееся тело. Как только тело продвинулось достаточно вперед, конечность разгибается, двигая тело вверх и вперед.

Длительность сгибания и разгибания колена во время периода опоры уменьшается при увеличении скорости. Обнаружено, что во время опоры высококвалифицированные бегуны полностью и быстро разгибают тазобедренный сустав, делая это раньше, чем стопа покидает землю (точку опоры, место отталкивания).

Обнаружено, что при максимальном проталкивании высококва­лифицированный спортсмен выносит коленный сустав маховой но­ги вверх-вперед тела.

В начале фазы маха, когда бедро быстро сгибается в тазобед­ренном суставе, происходит также быстрое сгибание голени в ко­ленном суставе.

Длина и частота шага (Г). Поскольку скорость бега равна произведению длины на частоту шагов, C.J. Dillman (1970) отме­тил, что длина шага от отрыва правой ноги до отрыва левой ноги во всех случаях превышала 192 см.

Частота шага увеличивается со скоростью бега и она выше в короткий период начального ускорения, чем при беге на дистан­ции. Но линейная зависимость между частотой шага и скоростью бега наблюдается лишь до скорости примерно 6,1 м/с, увеличение скоро­сти за этой точкой происходило больше за счет частоты, чем длины шага (W. Fenn, 1930; P. Hogberg, 1952; R. Osterhoudt, 1969 и др.).

G.H. Dyson (1971) показал, что частота шага соревнующихся спортсменов высокого класса меняется в пределах 4,5—5,0 шагов в секунду.

На рис. 15.24 показана связь между длиной одиночного шага и скоростью бега. Кривая рисунка показывает, что при низких ско­ростях (3,5—6,5 м/с) длина шага увеличивается практически ли­нейно по мере того, как дискретно растет скорость. При больших

скоростях по мере того, как бегун дискретно увеличивает скорость бега, длина одиночного шага меняется относительно мало, а неко­торые исследователи сообщают о небольшом уменьшении длины шага при максимальных скоростях (пунктирная линия на рис. 15.24). С ростом скорости частота одиночных шагов увеличива­ется. На рис. 15.25 показана зависимость между частотой шагов и скоростью. В зоне низких скоростей (3—б м/с) отмечается не­большое увеличение частоты шагов по мере дискретного возрас­тания скорости. Если же скорость увеличивается от умеренно быст­рой до максимальной (6—9 м/с), наблюдается пропорционально большее увеличение частоты шагов.

Наблюдения показывают, что при одной и той же скорости лучшие бегуны имеют более низкую частоту шагов.

Вертикальные движения центра тяжести (ЦТ) (Д). Центр тяжести (ЦТ) тела при беге движется по волнообразной колеба­тельной кривой (М.С. Beck, 1966; F.С. Clause, 1959 и др.). С увели­чением скорости бега величина подъема тела, или вертикальное

перемещение ЦТ, становится меньше, тогда как горизонтальное перемещение увеличивается. ЦТ движется вверх, пока нога вы­прямляется в фазе опоры, и достигает максимальной высоты в момент отрыва от земли непосредственно после нее. Затем ЦТ движется вниз и вперед, достигая низшей точки непосредственно после ка­сания земли опорной ноги (см. рис. 15.23, a). W.O. Fenn (1930) нашел, что общий подъем ЦТ у взрослых спринтеров-мужчин за время опоры равен примерно 6 см.

Положение туловища (Е). Наклон корпуса способствует более сильному проталкиванию вперед, вот почему спринтеры стартуют с колодок и низкого старта (рис. 15.26). Наклон туловища у ряда вы­дающихся спринтеров по данным R. Wickstzom (1970) лежал в пре­делах 12—20° с тенденцией уменьшения (см. рис. 8.8, 8.9).

М. Gagnon (1969) определил, что лучшее время на первых 2,3 и 5,5 метра от стартовой линии достигалось в том случае, когда соответствующие расстояния были предельно малыми. Располо­жение центра тяжести в стартовой позиции возможно ближе к стартовой линии оказалось фактором, наиболее тесно связанным со временем, требующимся на преодоление первых 5,5 м. R.A. Des-rochers (1963), М. Gagnon (1969) обнаружили, что различия в рас­положении колодок влияют на длину и длительность первого ша­га, но не последующих.

Кинематические факторы бега. Факторы, влияющие на ско­рость бега, разнообразны. Так, при беге на короткие дистанции важным является стартовое ускорение и поддерживание макси­мальной скорости до конца бега. А при беге на длинные дистанции спортсмен должен бежать со скоростью, которая обеспечит ему возможность сохранить достаточно энергии, чтобы закончить дис­танцию.

При беге с определенной скоростью спортсмен выбирает опре­деленную длину и скорость одиночных шагов, так что комбинация этих двух величин создает (определяет) желаемую скорость.

Результаты этих исследований свидетельствуют, что имеется выраженная корреляция между ростом, длиной ноги и величиной одиночного шага.

Возрастная биомеханика. Возрастные локомоции. У ново­рожденных двигательный аппарат имеет определенную степень зрелости, что позволяет выполнять целый ряд простейших движе­ний (рис. 15.27).

В первые недели жизни у ребенка появляются условные рефлек­сы, которые отличаются крайней непрочностью, слабостью, и при­обретают относительное постоянство лишь к 3—4 месяцам.

Нарастание тонуса затылочных мышц позволяет двухмесячному ребенку, положенному на живот, поднимать голову. К 2,5—3 ме­сяцам начинается развитие движений рук в направлении к видимо­му предмету (игрушке), а к 5—6 месяцам ребенок точно протяги­вает руку к предмету, с какой бы стороны он ни находился.

В 4 месяца развиваются движения перевертывания со спины на бок, а в 5 месяцев — на живот и с живота на спину.

В возрасте 4—6 месяцев ребенок ползает, в положении на жи­воте поднимает голову и верхнюю часть туловища.

В 6—7 месяцев начинает вставать на четвереньки. С развитием мышц туловища и таза ребенок в возрасте 6—8 месяцев начинает сидеть и делает попытки вставать, стоять и опускаться, придер­живаясь руками за опору.

В период подготовки к ходьбе анатомо-физиологические особен­ности ребенка затрудняют процесс овладения равновесием: мы­шечная система нижних конечностей еще слаба, ножки короткие и полусогнуты; общий центр тяжести (ОЦТ) располагается более высоко, чем у взрослого человека; стопы также меньше, чем у взрослого. Поэтому в период обучения ходьбе очень важно помочь ребенку в поддержании равновесия. К концу первого года ребенок свободно стоит и, как правило, начинает самостоятельно ходить. Началом самостоятельной ходьбы можно считать тот день, когда ребенок впервые пройдет несколько шагов. Но в этот период устой­чивость его при ходьбе и прямостоянии незначительна. Равновесие ему удается сохранять, балансируя руками, разведенными в сто­роны и широко расставленными ногами.

К 3—4 годам совершенствуется координация движений, что по­зволяет ребенку при ходьбе и стоя сохранять равновесие, не при­бегая к помощи рук.

В возрасте 4—5 лет ребенку доступны разнообразные и сложные по координации движения: бег, прыжки, гимнастические и акроба­тические упражнения, катание на коньках и т. д. В этом возрасте ре­бенок осваивает и более точные движения, связанные с развитием мелких мышц кисти, предплечья и т. д.

К 6—7 годам заметно увеличивается сила мышц разгибателей туловища, бедра и голени. Важнейшим в формировании двигатель­ных факторов является ходьба, игры, бег и сочетание ходьбы с бе­гом, прыжками.

В возрасте 5—8 лет заметно увеличивается точность и меткость движений (метание мяча и других предметов).

В период от 8 до 11 — 12 лет продолжается дальнейшее совершен­ствование двигательных навыков, особенно в беге, ходьбе, прыжках, метании, гимнастических и акробатических упражнениях.

Вместе с тем у школьников по сравнению с дошкольниками, уве­личивается время вынужденной неподвижности (гиподинамия). На этом этапе важной является роль активных движений как фактора здоровья (бег, игры, ходьба на лыжах, плавание и другие виды ло-комоций).

Показано, что у дошкольников и младших школьников при уве­личении возраста и скорости бега в фазе отталкивания увеличива-ется скорость выпрямления опорной ноги, а при более высокой скорости характерны также большой угол разгибания в коленном суставе и большее продвижение тела вперед от опорной ноги в мо­мент отрыва ее от земли. С возрастом, особенно у лиц преклонно­го возраста, эти показатели значительно меняются.

Центр тяжести (ЦТ) при беге движется по волнообразной ко­леблющейся кривой. С увеличением возраста величина подъема тела или вертикальное перемещение ЦТ, становится меньше, то­гда как горизонтальное перемещение увеличивается.

Отмечены также возрастные изменения временной структуры шага; в частности, до 30 лет время опоры немного и постепенно увеличиваются, а затем остается приблизительно постоянным (K.U. Smith et al., 1960; K.U. Smit., D. Greene, 1962). У пожилых людей, занимающихся бегом, полного разгибания в тазобедренном и коленном суставах до завершения отталкивания не происходит. Кроме того, маховая нога выносится вперед незначительно, бегун держит ее вблизи опорной ноги.

Энергетический обмен при ходьбе и беге (рис. 15.28). Организм получает энергию из окружающей среды в виде потенциальной

энергии, заключенной в химических связях молекул жиров, углево­дов и белков. В результате сложных окислительных процессов обра­зуется энергия.

Выявлено, что 80% энергии, используемой при мышечной дея­тельности, теряется в виде тепла из-за малой эффективности ее превращения, и только 20% превращается в механическую работу.

Мышечная работа существенно изменяет интенсивность обмена. Так, у спортсменов при кратковременных интенсивных упражнениях, выявлено увеличение метаболизма в 20 раз по

Для того чтобы КПД был высоким, скорость движения весел не должна быть намного больше скорости движения лодки. Форма весла должна обеспечивать большое лобовое сопротивление при малой скорости. Быстрые гребные лодки имеют обтекаемую фор­му, но весла у них с широкой, плоской лопастью, которую держат перпендикулярно траектории ее движения в воде, чтобы сделать возможно большим лобовое сопротивление. Величина d' должна быть малой. Для возвратного движения гребцы поднимают весла над водой, так как сопротивление воздуха гораздо меньше, чем при той же скорости в воде. Чтобы еще больше снизить d', лопасти весел поворачивают в горизонтальное положение.

Дата добавления: 2015-05-09