БИОМЕХАНИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

 

1. Кинематика ходьбы и бега.

2. Динамика ходьбы и бега.

3. Энергетика ходьбы и бега.

4. Оптимизация ходьбы и бега.

 

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

1. КИНЕМАТИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

Как и во всех циклических локомоциях при ходьбе и беге ско­рость передвижения прямо пропорциональна длина шага и темпу.

V - скорость

l - длина шага

n - частота шагов.

Чтобы определить темп ходьбы или бега, обычно регистрируют число шагов в минуту, или частоту шагов.

Увеличить скорость можно тремя способами:

- повысить длину шагов;

- поднять темп;

- увеличить одновременно и длину и частоту шагов.

 

 

 

Скорость   как   произведение длины  и  частоты  шагов; пунктир – изоспида (все точки  изоспиды соответствуют одной и той же скорости

 

Ходьба обычная - 1.7 м/сек (6 км/час).

При ходьбе ОЦТ колеблется вертикально и горизонтально.

Спортивная ходьба - 4.0 м/сек (14 км/час).

Бег - легкий 3.0 м/сек   (11 км/час);

       - средний 6.5 м/сек (23 км/час);

       - высокий 10.0 м/сек (     -       ).

Сила лобового сопротивления - это сила, с которой внешняя среда препятствует движению тела относительно нее. Величина лобо­вого сопротивления зависит от площади поперечного сечения тела, его обтекаемости, скорости движения, а также вязкости среды.

По хронограммам ходьбы и бега 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;

 

Зависимость сопротивления сре­ды   от    формы тела  (движение справа налево).  Лобовая поверхность у тел а, б, в, г, д одинаковая; числа характери­зуют   величину   сопротивления   среды

 

 

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

 

Траектория центра тяжести тела:

а—при ходьбе, б—при беге

 

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

Более подробная хронограмма (полуцикл обычной ходьбы со­стоит из пяти фаз (римские цифры).

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.

Фазовый состав бега состоит их четырех фаз (римские цифры),

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.

 

 

Простейшие хронограммы обычной ходьбы, спортивной ходьбы, бега трусцой и спринтерского бега; периоды опоры заштрихованы: вверху – левая нога, внизу – правая (по В. Е. Панфилову, Nigg. Denоth,  М. А. Каймин, В. В. Тюне)

 

Вторая половина цикла симметрична первой.

2. ДИНАМИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

Человек является самодвижущейся системой, поскольку перво­причиной его движений служат внутренние силы, создаваемые мышцами, приложенные к подвижным звеньям тела.

Силы инерции замедляют разгон и торможение.

Силы тяжести (при массе тела 50 кг сила тяжести близка к 500 Н)

/50 кг х 9.8 м/с2 = 500 Н (Ньютонов)

Сила лобового сопротивления - это сила, с которой внешняя среда препятствует движению тела относительно нее. Величина лобо­вого сопротивления зависит от площади поперечного сечения тела, его обтекаемости, скорости движения, а также плотности и вязкости среды.

 

Фазы ходьбы,   граничные   позы   и   элементарные  действия (по Д. Д. Донскому, переработано)

 

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.

На величину силы действия на опору влияют свойства дорожки и материал, из которого сделана 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. 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.

(1 кг – 10 Н.- т.е., чтобы иметь идентичную нагрузку на опорно-двигательный аппарат спортсмену, при обуви с амортизирующей по­дошвой и на амортизирующей дорожке, в отличии от жесткой обуви и жесткой дорожке, необходимо иметь на себе дополнительный груз /в противоположность сказанному происходит экономия энергозатрат и уменьшается нагрузка на опорно-двигательный аппарат/).

По законам механики, среднее напряжение тормозящих мышц должно быть во столько раз больше веса бегуна, во сколько высота свободного падения его тела превышает амортизационное сгибание опорной ноги. При вертикальных колебаниях ОЦТ тела при беге, равных 8-10 см, на долю свободного падения приходится около 75% и на амортизацию 25%. Следовательно, среднее значение тормозящей силы мышц в фазе передней опоры превышает вес бегуна примерно в 3 раза. Еще большей величины должно быть напряжение мышц при отталкивании.

Среднее значение величины сопротивления (напряжения растя­гиваемых мышц) прямо пропорционально величине кинетической энергии тела и обратно пропорционально пути, на протяжении которого сопротивление действует.

Поэтому невозможно погасить высокую скорость бега на ма­леньком отрезке пути в 15м.

Бег по кривой (по виражу). При беге по кривой постоянно изме­няется направление бега. Для движения по кривой необходимо действне центростремительной силы.

3. ЭНЕРГЕТИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

При ходьбе происходит рекуперация энергии, т.е. ее сохранение путем перехода кинематической энергии в потенциальную энергию и обратно, а при беге этот вид рекуперации практически отсутствует. Зато при беге значительно более выражен другой вид рекуперации, когда кинематическая 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.

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. (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 (Н.М.).

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ХОДЬБЫ И БЕГА

Для оптимизации ходьбы и бега прежде всего необходимо минизировать непроизводительные энергозатраты;

- выбор оптимальной скорости, длины шага и темпа;

- снижение вертикальных и поперечных колебаний (ОЦМ).

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

 

Движения таза при ходьбе:

а — увеличение длины шага

за счет поворота таза

(по Д. А. Семенову,

цит. по Д. Д. Донскому. 1960 r.)

 

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 нагрузкой, для больных и ослабленных такая нагрузка является развивающей. Пороговая ин­тенсивность бега в спорте считается оптимальной при формировании основ выносливости.

ЗАДАЧА.

Спринтер бежит стометровую дистанцию за t = 10 сек. Длина его ног l1= 1.0 м , а средняя длина шага составляет l = 2.0.

НАЙТИ: Среднюю скорость движения его стопы в цикле шага (V).

РЕШЕНИЕ. Определим частоту /темп/ движений одной ноги спринтера: на всей дистанции обе ноги произведут 50 шагов (100 : 2), или 50 вращательных циклов, одна нога соответственно n - 25 циклов за 10 циклов. Следовательно, средняя скорость /частота/ вращатель­ных движений ноги спринтера составит:

Зная длину звеньев его ноги 11, найдем среднюю скорость его стопы:

 

V = l1W (1,0 х 2,5 = 2,5м/сек).