Цикл ходьбы. Биомеханика бега. Фазы свободной ноги

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;

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.

Ходьба — это сложное, локомоторное, симметричное, цикличное движение, связанное с отталкиванием тела от опорной поверхности и перемещением его в пространстве. При ходьбе тело никогда не теряет связи с опорной поверхностью. Опора происходит то на одну ногу (одноопорный период), то на обе ноги (двуопорный период). Циклом движений при ходьбе является двойной шаг, который состоит из двух одиночных шагов — одного, произведенного одной ногой, и другого, произведенного другой ногой.

Каждый одиночный шаг, в свою очередь, состоит из двух простых шагов — заднего и переднего. Задний шаг — это та часть одиночного шага, при которой нога находится сзади фронтальной плоскости, проходящей через туловище, а передний шаг — это та часть, при которой нога находится впереди фронтальной плоскости. Границей между задним и передним шагом является момент вертикали.

Если из положения «стойка ноги имеете» вынести вперед левую ногу, будет сделан простой передний шаг, при этом левая нога будет находиться спереди туловища, а правая сзади (двухопорный период). Если затем правую ногу поставить впереди левой, будет сделан одиночный шаг, в котором можно выделить двухопорный период, задний шаг, период вертикали и передний шаг. Два таких одиночных шага(один, сделанный левой другой — правой ногой) и составляют двойной шаг. Таким образом, двойной шаг состоит из двух одиночных или четырех простых шагов. Но поскольку во время ходьбы происходит «наложение» одного шага на другой (заднего на передний), то по пройденному расстоянию двойной шаг состоит из трех простых шагов.

Двойной шаг — сложное движение, поэтому для удобства анализа его целесообразно разделить на отдельные фазы, — менее сложные движения. Двойной шаг состоит из шести фаз, три из них относятся к опорной ноге, три — к свободной:

* (Хотя момент вертикали очень кратковременный, по важности и особенности работы двигательного аппарата его относят условно к фазам. )

Эти шесть фаз двойного шага относятся к одной какой-либо ноге, так как каждая нога в цикле движений при ходьбе (двойном шаге) бывает то опорной, то свободной, повторяя последовательно аналогичные движения (рис. 73).

Ходьба, как и любое другое движение, происходит в результате взаимодействия внешних и внутренних сил. Взаимодействие силы тяжести и силы реакции опоры различно в этом движении в зависимости от его фаз. Сила тяжести действует на протяжении всего цикла движения, а сила реакции опоры — лишь в фазе опорной ноги. В первой фазе — фазе переднего шага опорной ноги, когда тело соприкасается пяткой с опорной поверхностью, — действие силы тяжести направлено вниз-вперед, а силы реакции опоры — вверх-назад. Силу реакции опоры можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие.

Вертикальная составляющая направлена вверх и противодействует силе тяжести. Если эта составляющая больше силы тяжести, то тело испытывает толчок, направленный вверх, если меньше, то тело, а следовательно и о.ц.т. тела, опускается. Уменьшение толчков, плавность движений при ходьбе достигается использованием амортизационных свойств нижней конечности (приземление на несколько согнутую ногу), мышц-антагонистов и силы инерции.

Горизонтальная составляющая силы реакции опоры в первой фазе опорной ноги направлена назад и несколько уменьшает скорость движения тела. В фазе заднего шага опорной ноги она направлена вперед и способствует увеличению скорости движения, достигая максимума при толчке. Сила реакции опоры передается на о, ц. т. тела, который испытывает колебания в трех плоскостях: вверх-вниз, в стороны и вперед. Наиболее высокое положение о.ц.т. тела занимает в момент вертикали опорной ноги, наиболее низкое — в период двойной опоры. Вертикальные колебания о.ц.т. тела при ходьбе могут достигать 4-6 см, причем чем больше выпрямлена опорная нога, тем колебания о.ц.т. тела больше.

Поскольку стопы при ходьбе несколько развернуты кнаружи, сила реакции опоры направлена не строго в передне-заднем направлении и о. ц. т. тела с переносом тяжести тела на опорную ногу перемещается то вправо, то влево. При выносе ноги вперед (в 1-ю фазу опорной ноги) о. ц. т. тела несколько смещается вперед. Скорость движения о. ц. т. тела при ходьбе неодинакова: в фазе переднего шага опорной ноги она несколько уменьшается, а в фазе заднего шага увеличивается.

Площадь опоры при ходьбе изменяется. В период одиночной опоры она наименьшая и соответствует площади одной стопы, в двухопорный период — наибольшая и представлена площадью опорных поверхностей стоп и площадью пространства между ними.

Опорная поверхность при ходьбе должна обладать определенной плотностью и шероховатостью. Так, ходьба по рыхлому снегу затруднена из-за невысокой плотности, а ходьба по льду — из-за незначительного трения. Тело при ходьбе находится в состоянии неустойчивого равновесия. Степень устойчивости в зависимости от величины площади опоры и высоты расположения о. ц. т. тела различна. В период одинарной опоры она невелика (площадь опоры меньше, и о. ц. т. тела расположен выше), в период двойной опоры значительно больше (о. ц. т. тела ниже, и площадь опоры больше).

Различия в направлении, величине и взаимодействии внешних сил в отдельные фазы ходьбы обусловливают и неодинаковое функционирование опорно-двигательного аппарата. Следует заметить, что при ходьбе в работе участвуют почти все мышцы тела человека, но больше других — мышцы нижних конечностей. Для установления особенностей работы двигательного аппарата при ходьбе проводят анализ одного цикла. Вначале рассматривается работа органов движения: нижних конечностей, затем туловища и, наконец, верхних конечностей.

Работа мышц опорной ноги. Во всех фазах опорного периода нижняя конечность выполняет функции амортизатора, опоры всего тела и обеспечивает отталкивание. Соответственно последовательность включения мышц и их напряжение будут различными в отдельные фазы этого периода. В первую фазу, когда необходимо обеспечить амортизацию и фиксацию звеньев нижней конечности, наиболее напряженными оказываются мышцы передней поверхности голени (разгибатели стопы и пальцев), которые выполняют уступающую работу, способствуя плавному опусканию стопы, и малоберцовые мышцы, которые вместе с передней большеберцовой мышцей увеличивают поперечный свод стопы. Несколько согнутое положение ноги в коленном суставе удерживается сокращением мышц задней поверхности бедра, а в тазобедренном суставе — мышц передней поверхности бедра (четыреглавой мышцы бедра, портняжной и других мышц, осуществляющих сгибание бедра). Однако напряжение последних невелико. К концу первой фазы усиливается напряжение задней группы мышц голени, мышц передней поверхности бедра и мышц, окружающих тазобедренный сустав (рис. 74).

В момент вертикали особенность работы мышц состоит в том, что кроме мышц, фиксирующих голено-стопный, коленный и тазобедренный суставы, напрягаются мышцы, отводящие бедро, которые, работая при дистальной опоре, препятствуют наклону таза в сторону свободной ноги (вокруг передне-задней оси). В фазе заднего шага опорной ноги в наибольшей мере напрягаются мышцы- сгибатели стопы (мышцы задней поверхности голени), разгибатели голени (в основном бедренные головки четырехглавой мышцы бедра) и разгибатели бедра (главным образом большая ягодичная мышца).

Работа мышц свободной ноги. После толчка свободная нога переносится вперед в согнутом положении для уменьшения момента инерции. Поэтому в четвертой фазе — заднем шаге свободной ноги — сокращаются мышцы-сгибатели в коленном суставе (в основном мышцы задней поверхности бедра). В пятой фазе — момент вертикали свободной ноги — происходит сокращение мышц-разгибателей стопы, уменьшающих возможность соприкосновения ее с опорной поверхностью, и сгибателей бедра, способствующих переносу ноги вперед. В шестой фазе к указанным мышцам присоединяется четырехглавая мышца бедра. Ее специфическая так называемая «баллистическая» работа — быстрое сокращение мышцы, сменяющееся столь же быстрым их расслаблением, — обусловливает движение голени вперед по инерции.

Работа мышц туловища. Во время ходьбы движения туловища происходят вокруг трех осей вращения — поперечной, передне-задней и вертикальной. Этим объясняется своеобразие в напряжении отдельных групп мышц. В первой фазе опорной ноги (передний шаг) туловище под влиянием действующих сил несколько наклоняется вперед. Для удержания его напрягаются мышцы задней поверхности туловища (разгибатели). В фазе заднего шага опорной ноги для предотвращения падения тела назад напрягаются мышцы передней поверхности туловища (сгибатели), преимущественно мышцы живота. Они напряжены и в первой фазе свободной ноги. Сокращаясь при верхней опоре, они фиксируют таз и создают опору для выноса вперед маховой ноги.

В момент вертикали опорной ноги происходят наклоны туловища в сторону. При этом мышцы туловища, сокращаясь, закрепляют его к нижней конечности, а напряжение мышцы, выпрямляющей позвоночник, на противоположной стороне (на стороне свободной ноги) препятствует опусканию таза и уменьшает наклон туловища в сторону опорной ноги.

В наибольшей мере выражены повороты туловища — скручивание. При выносе вперед свободной ноги (передний шаг) туловище вместе с тазом поворачивается вокруг вертикальной оси в сторону опорной ноги. При этом напрягаются внутренняя косая мышца живота с той стороны, в которую поворачивается туловище, а также наружная косая мышца живота, поперечно-остистая (особенно подвздошно-реберная), подвздошно-поясничная и другие — с противоположной стороны.

Голова при ходьбе держится прямо. Этому способствуют мышцы, расположенные в верхнем отделе задней поверхности туловища (трапециевидная, пластырная и др.).

Работа мышц верхних конечностей. Большое значение при ходьбе имеет согласованное движение верхних и нижних конечностей, так называемая «перекрестная координация», при которой вынос вперед правой ноги сочетается с выносом вперед левой руки, и наоборот. Перекрестная координация уменьшает вращательные движения туловища. Движения рук при обычной ходьбе не требуют больших усилий. Движение руки вперед происходит благодаря напряжению мышц, расположенных спереди плечевого сустава (большой грудной, передней части дельтовидной мышцы и клювовидно-плечевой), движение назад обусловлено мышцами, находящимися на задней поверхности плечевого сустава, — задней частью дельтовидной мышцы, широчайшей мышцей спины и длинной головкой трехглавой мышцы плеча. Для этих движений может быть достаточно поочередного сокращения передней и задней частей дельтовидной мышцы. Небольшие сгибания и разгибания в локтевом суставе происходят при сокращении двуглавой мышцы плеча и плечевой мышцы (движение вперед), а также трехглавой мышцы плеча (движение назад).

Работа мышц верхних и нижних конечностей при ходьбе носит преимущественно динамический характер, наибольшая нагрузка падает на мощные мышечные группы. Чередование фаз напряжения и расслабления мышц длительное время не вызывает утомления.

Ходьба — прекрасное средство для развития двигательного аппарата, поскольку частоту и длину шагов, а также темп ходьбы легко регулировать. Она оказывает влияние почти на все мышцы человека и на все системы органов.

Этот раздел посвящен биомеханическим закономерностям ходьбы, бега, плавания и других циклических локомоций, бросков, ударов и других переместительных действий, а также общеразвивающих гимнастических упражнений. Рассматриваются: кинематика (длина шага и темп, позы и фазовый состав), топография работающих мышц, динамика (источники сил и их согласование), биоэнергетика и оптимальные режимы двигательной деятельности.

Глава 7. Биомеханика ходьбы и бега

Ходьба оживляет и воодушевляет мои мысли. Оставаясь в покое, я почти не могу думать. Необходимо, чтобы мое тело находилось в движении, тогда ум тоже начинает двигаться.Жан-Жак Руссо

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

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., выпрямляющаяпозвоночник; 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.

Ходьба — автоматизированный двигательный акт, осуществ­ляющийся в результате сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей.

Отталкиваясь от почвы, нога приводит тело в движение — впе­ред и несколько вверх и вновь совершает размах в воздухе.

При ходьбе тело поочередно опирается то на правую, то на левую ногу.

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.

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.

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 моментомвертикали ; маха — фазы заднего ша­га и переднего шага , между которыми также находится момент вер­тикали .

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, полусухожильной, 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.

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).

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).