Цикл ходьбы состоит из. Механизм движений: мышцы, участвующие в ходьбе

Проводя биомеханический анализ какого-то движения или вида двигательной деятельности, изучают:

Топографию работающих мышц;
- кинематику, динамику и энергетику;
- оптимальные двигательные режимы.
Длина шага (l)

Рис. 7 Изоспиды - кривые равных скоростей.

Ходьба и бег относятся к циклическим локомоциям, при которых скорость передвижения (V, м/мин) равна произведению темпа (n, 1/мин) на длину шага (l, м): V = l * n. Поэтому, одна и та же скорость может быть достигнута при разных сочетаниях длины и частоты шагов. (рис.7).

Ходьба отличается от бега тем, что не имеет периодов полета. В каждом шаге возникает период двойной опоры: переносная нога уже поставлена на опору, а толчковая еще не отделилась от нее. Цикл ходьбы состоит из трех фаз: задний шаг, передний шаг и переход опоры (двойная опора). Фаза переход опоры по длительности примерно в 5 раз меньше одиночной опоры.
Бег состоит из периодов полета и опоры. Период полета состоит из двух фаз: разведения и сведения стоп. С момента постановки стопы на опору начинается период опоры. Он состоит так же из двух фаз: подседания и отталкивания с выпрямлением опорной ноги.

При сохранении общего построения (деление на фазы и их взаимодействие) бег с разной скоростью имеет существенные различия в длине, частоте шагов, их ритме, кинематических и динамических характеристиках. Средняя скорость бега колеблется от 10 м/с (в беге на 100м) до 5 м/с (в марафоне). Длина шага меняется значительно: 100м - 2,20м, 5000м - 2,05м. Частота шагов меняется существеннее: 100м - 4,3 1/с, 5000 - 2,8 1/с. В достижении высокой частоты шагов большую роль играют безопорные фазы полета, активность сведения стоп в полете.

Рис. 9 Хронограммы ходьбы (вверху) и бега; читателю предоставляется возможность самостоятельно найти на эти хронограммы периоды переноса ноги, полета, опоры, двойной опоры.
Соотношение длительности периодов опоры и полета изменяется не в очень больших пределах: в спринте 0,46, а в беге на 5000м - 0,53. Время опоры почти в 2 раза меньше, чем время полета, причем это наиболее резко проявляется в спринте.

Рис. 10 Энергозатраты (вверху) и энергетическая стоимость метра пути (внизу в зависимости от скорости ходьбы у тренированного молодого человека.

Рис. 11 Возрастные изменения величин оптимальных (наиболее экономичных) величин скорости ходьбы и бега; вертикальные линии показывают, в каких пределах лежат 95% всех значений

Все эти факты необходимо учитывать при физическом воспитании молодежи и при организации "групп здоровья" и других оздоровительных мероприятий.

Рис.12 Произвольно выбираемые (показано стрелками) людьми разного возраста режимы циклической мышечной работы умеренной относительной мощности; зона экономичных режимов; двойной стрелкой показана скорость, выбираемая больными ишимической болезнью сердца.

В зависимости от того, какая часть всей мышечной массы активна, физическую работы делят на локальную (менее 1/3), региональную (от 1/3 до 2/3) и глобальную (более 1/3). Ходьба и бег относятся к мышечной деятельности глобального характера. Топография мышц, работающих при ходьбе и беге, изучена методом электромиографии (рис.9). При технической подготовке из кинематики циклических локомоций важнейшее значение имеют хронограммы. Они дают наглядное графическое изображение ритма движений (рис.10). А при тактической подготовке необходимо регистрировать скорость передвижения, динамику скорости (или "раскладку"), длину и частоту шансов. При углубленном анализе кинематики ходьбы и бега регистрируют, кроме того, величины суставных углов, линейных и угловых скоростей и ускорений отдельных звеньев тела.

Важнейшей динамической характеристикой ходьбы и бега является сила взаимодействия с опорой. Регистрируя ее изменения во времени (при помощи динамографической платформы или вкладываемых в обувь тензостелек), получают диаграмму. Форма диаграммы зависит не только от вида локомоций, но и от техники движений и уровня скоростных и силовых качеств.
С точки зрения энергетики движений ходьба и бег имеют как общие черты, так и существенные различия. Сходны фракции механической работы и графики зависимости энергетических затрат от скорости. Но при беге энергозатраты в единицу времени выше, чем при ходьбе. Другое различие состоит в том, что при ходьбе кинетическая и потенциальная энергия тела изменяются противофазно, а при беге синфазно.

Благодаря нелинейному (квадратичному) характеру зависимости энергетических затрат от скорости ходьбы и бега, имеют место оптимальные скорости, при которых минимальны энергетические затраты на метр пути (рис.11). Величина оптимальной скорости прямо связана с физической работоспособностью человека. Она закономерно изменяется с возрастом (рис.11), а также при спортивных тренировках и оздоровительных занятиях физическими упражнениями.

При каждой скорости (не только при оптимальной) можно найти оптимальное сочетание длины и частоты шагов. Оно зависит не только от скорости, но и от длины ноги и мышечной силы.
В соответствии с принципом минимума энергозатрат любой практически здоровый взрослый человек самостоятельно находит наиболее экономичный режим ходьбы и бега. Но дети выбирают наиболее высокие скорости (рис.12) - это помогает им физически развиваться. У больных и пожилых людей произвольно выбираемая скорость ходьбы, наоборот, ниже наиболее экономичной. Доминирующим критерием оптимальности у них, по видимому, является не экономичность, а безопасность (т.е. профилактика обострения болезни)
Все эти факторы необходимо учитывать при организвции”групп здоровья” и других оздоровительных мероприятий.

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.

Биомеханическая характеристика ходьбы.

Общее название поступательных движений тела – локомоторные движения или локомоции.

Ходьба подобно другим локомоторным движениям осуществляется при участии почти всего двигательного аппарата тела. Благодаря сокращению мышц тело отталкивается от земли, получая толчки, направленные вверх и вперед. Эти толчки сглаживаются действием инерции тела, и все движение приобретает плавный, а не порывистый характер. При отсутствии достаточного сопротивления со стороны поверхности опоры ходьба невозможна.

Полный цикл движений, который характеризует ходьбу, носит название двойного шага. При двойном шаге тело выполняет два так называемых одиночных шага. Одиночный шаг, в свою очередь, состоит из двух простых шагов, заднего и переднего. Если мы представим себе, что через туловище проходит фронтальная плоскость, то движения каждой ноги сзади этой плоскости объединяются под общим названием «задний шаг», а движения спереди этой плоскости – «передний шаг». При каждом двойном шаге тело по пройденному пространству перемещается на три простых шага, хотя по выполненным движениям, производимым правой и левой ногой тело перемещается на три простых шага. При ходьбе тело не теряет соприкосновения с землей: оно опирается на землю то одной, то двумя ногами.

Нога, которая в данный момент опирается о землю, называется опорной ногой, а другая нога называется переносимой или свободной .

Движения ног при ходьбе строго согласованы. Эти движения осуществляются по типу перекрестной координации, что способствует уменьшению вращательных движений туловища вокруг его вертикальной оси. Если человек при ходьбе не производит движений руками, то вращение туловища увеличивается, что заметно при быстрой ходьбе.

Перемещение общего центра тяжести (ОЦТ) при ходьбе происходит волнообразно. Движения каждой ноги можно разбить на 6 фаз:

· фаза приземления и переднего шага опорной ноги;

· фаза вертикали опорной ноги;

· задний шаг опорной ноги;

· задний шаг свободной ноги;

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.

Биомеханика ходьбы и бега применяется для избегания возможности травмироваться во время тренировок. В этот научный термин – биомеханика – входят описания всех действий, которые выполняет организм на занятиях спортом. Кроме того, с помощью биомеханики можно точно подобрать себе , что крайне важно, ведь она делает бег более удобным и также защищает от возможных травм.

После продолжительных исследований врачи-ортопеды смогли проанализировать любые существующие варианты движения ног. довольно гибкие и имеют специальную форму, что позволяет нам занимать различные положения, благодаря чему биодинамика бега становится более удобной и совершенной. Сегодня продолжает быстро развиваться, отдавая предпочтение различным специализациям. И хотя, из-за этого выбирать становится сложнее, мы получаем возможность сохранить свои суставы в тонусе.

Теперь рассмотрим более подробно, определение своей биомеханики.

Определение типа стопы

Вам нужно выяснить какой тип у вашей стопы : плоский или высокий. Узнать это можно с помощью простой бумаги, оставив на ней мокрый отпечаток. Так можно детально рассмотреть переходы вашей стопы и увидеть плоская она или высокая.

Если ваша стопа плоская, то рекомендуется обратиться к ортопеду для выявления . Если все же у вас плоскостопие, не стоит ставить крест на беге, достаточно воспользоваться ортопедическими стельками для того чтобы нога идеально входила в кроссовки для бега. Однако можно найти подходящие кроссовки, которые будут вам в пору и без стелек. Конечно, бывает и более проблематичный вид – поперечное плоскостопие, компенсация которого будет более сложной. Но использование для стопы, помогут вам адаптироваться к бегу.

Определение гибкости голеностопного сустава

Узнать его гибкость совсем не трудно – на корточки и посмотреть глубину опускания ваших пяток. Стоит отметить, что не каждый профессиональный спортсмен обладает хорошей гибкостью голеностопного сустава.

Направление стоп

В каком направлении находятся ваши стопы во время : в параллельном движению, носки разворачиваются в разные направления или сводятся вовнутрь. Помните, главное, чтобы движение стоп было естественным .

Измерение кривизны ног

Ваши ноши могут иметь прямое, выгнутое наружу или вовнутрь строение. Чтобы его определить , нужно воспользоваться длинным зеркалом.

Направление колена

От строения коленного сустава зависит и то, в каком направлении будет двигаться колено при опоре на него. Часто на тренировках работа ног выстраивается без учета возможной перегрузки коленного сустава, а это чревато различными травмами и даже серьезными повреждениями.

Бег с пятки или носка

Большинство ученых согласно, что определяется у каждого человека на генетическом уровне. Кто-то лучше бегает так, а кому-то удобней по-другому, есть и те, кому привычней ступать на всю стопу при беге. В данном вопросе также возникают проблемы, когда тренеры, не задумываясь о физиологических особенностях спортсменов, требуют от них поступать так, как написано в устарелых учебниках или вовсе по своим идеализированным представлениям.

Часто стопа ставится в другом положении, при увеличении темпа бега , однако, как видно из исследований, вероятней всего это результат не совсем корректной работы тренеров.

Проведя это небольшое исследование, вы получите все, что нужно знать для определения своей биомеханики бега. С помощью этих знаний вы не только сможете подобрать себе , но и улучшите свои навыки в этом спорте.

Также вы сможете подобрать себе , которая будет вам необходима для комфортного бега.

Для тех, кому не понравились способы, как узнать свою биодинамику , описанные выше, есть еще два метода, которые помогут в этом разобраться и заодно выбрать себе обувь.

1. Специализированные магазины.

К сожалению, таких магазинов не встретить в России, так как здесь просто нет центров с необходимым оборудованием , а именно: беговые дорожки, оборудованные камерой и специальной тумбой из стекла. Однако такие спец магазины со спортивной обувью можно встретить повсеместно на улицах Европы, Америки, Австралии или Японии. Сотрудники этих центров сами бегуны и биомеханика для них не пустое слово. Они будут счастливы помочь вам, да еще и сможете обзавестись выгодной покупкой . Так что, если окажитесь заграницей, выходя на пробежку, обязательно поинтересуйтесь у местных бегунов, как найти ближайший магазин со спортивной обувью.

2. С помощью своей старой обуви.

Отыщите свою старую поношенную обувь , лучше, если это будут ботинки, чем что-то другое, так как их постановка наиболее нейтральна. Теперь вам предстоит, подобно Шерлоку Холмсу, подробно изучить улику и выяснить все детали постановки вашей стопы. Для того чтобы все рассмотреть, обратите внимание на такие детали , как: насколько изношена подошва с передней стороны обуви, смещена ли пятка, а также, как сильно был стерт каблук за время ношения ботинок. Конечно, этот вариант довольно грубоват, однако при хорошей внимательности и уровне дедукции вы найдете нужные вам детали!

Видео. Биомеханика ходьбы