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 автоматизированный двигательный акт, осуществляемый в результате крайне сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища, нижних конечностей. Ходьба человека складывается из отдельных шагов, представляющих собой простой локомоторный цикл, где выделяются две фазы:
- Переноса.
- Опоры.
В фазе переноса происходит непосредственно перенос стопы в воздухе на более отдаленную позицию. В фазе опоры стопа контактирует с поверхностью, по которой перемещается человек. В начале переноса нижней конечности вперед (так называемое начало фазы переноса) происходят следующие движения (рис. 1А):
- Сгибание тазобедренного сустава, которое осуществляется при помощи пояснично-подвздошной мышцы.
- Сгибание коленного сустава при согласованном действии двуглавой мышцы бедра и седалищно-бедренных мышц (полуперепончатая, полусухожильная мышцы, и длинная и короткая головки двуглавой мышцы бедра).
- Сгибание голеностопного сустава с задействованием мышц-сгибателей голеностопного и передней большеберцовой и третичной малоберцовой мышц.
- Разгибание пальцев стопы мышцами-разгибателями пальцев стопы (длинный разгибатель пальцев, длинный разгибатель большого пальца стопы, короткий разгибатель пальцев, короткий разгибатель большого пальца стопы).
При начальном контакте стопы с поверхностью наблюдаются такие процессы, как (рис. 1В):
- Окончание процесса сгибания тазобедренного сустава пояснично-подвздошной мышцей.
- Разгибание коленного сустава четырехглавой мышцей бедра.
- Окончание сгибания голеностопного сустава мышцами разгибателями пальцев стопы и сгибателями голеностопного сустава.
В тот момент, когда переносимая нога полностью опирается на поверхность , то наблюдается настойчивое действие четырехглавой мышцы бедра и начало работы большой ягодичной мышцы (рис. 1С).
Рис. 1. Фазы ходьбы человека
Следующая фаза ходьбы заключается в переносе тела вперед . Тут мы наблюдаем такие действия (рис. 2А):
- Разгибание тазобедренного сустава посредством воздействия большой ягодичной мышцы и седалищно-бедренных мышц.
- Антагонизм-синергизм с четырехглавой мышцей бедра.
- Сгибание голеностопного сустава мышцами-сгибателями в синергизме с большой годичной мышцей.
В процессе первого двигательного толчка перед опорой на две ноги наблюдаются такие процессы, как (рис. 2В):
- Продолжающееся разгибание тазобедренного сустава большой ягодичной мышцей и седалищно-бедренными мышцами.
- Продолжающееся разгибание коленного сустава четырехглавой мышцей бедра.
- Разгибание голеностопного сустава двуглавой мышцей бедра и сгибателями пальцев стопы (длинный сгибатель пальцев, длинный и короткий сгибатели большого пальца стопы, короткий сгибатель пальцев.).
В фазе второго двигательного толчка , действующего на несущую ногу человека при полном разгибании, тогда как колеблющаяся конечность собирается наступить на пол наблюдается усиление действия четырехглавой мышцы бедра, большой ягодичной мышцы, седалищно-бедренных мышц, двуглавой мышцы бедра и мышц-сгибателей пальцев стопы (рис. 2С).
В начале перехода с одной несущей конечностью на другую наблюдается процесс укорочения переносимой конечности за счет сокращения седалищно-бедренных мышц и мышц-сгибателей голеностопного сустава, а также сгибание тазобедренного сустава пояснично-подвздошной мышцей (рис. 2D).
В процессе движения конечности спереди усиливается действие пояснично-подвздошной и четырехглавой мышцы бедра с расслаблением седалищно-бедренных мышц. В мести с этим происходит разгибание коленного сустава путем сокращения четырехглавой мышцы беда и поднятие пальцев стопы действием мышц-разгибателей пальцев стопы (рис. 2Е). Далее следует начало нового цикла .
Рис. 2. Фазы ходьбы
Мышцы ног - это не единственные группы мышц, которые участвуют в ходьбе.
Для удержания туловища человека в наклонном положении при переносе ноги сокращаются мышцы задней поверхности туловища такие, как:
1. Трапециевидная мышца.
2. Широчайшая мышца спины.
3. Ромбовидная мышца спины, которая состоит из большой ромбовидной мышцы и малой ромбовидной мышцы.
4. Мышца, выпрямляющая позвоночник.
5. Длиннейшая мышца спины.
С целью предотвращения падения тела назад при заднем шаге происходит напряжение мышц передней поверхности туловища, в большей степени это касается мышц живота:
- Прямая мышца живота.
- Наружная косая мышца живота.
- Внутренняя косая мышца живота.
- Поперечная мышца живота.
- Квадратная мышца поясницы.
Данные мышцы также работаю в случае, если нужно зафиксировать таз и обеспечить тем самым опору для выноса ноги вперед.
Обратите внимание, что в процессе выноса вперед ноги туловище вместе с тазом совершает поворот вокруг вертикальной оси в направлении опорной ноги. Для этого со стороны опорной ноги напрягаются внутренняя косая мышца живота, а с противоположной стороны - наружная, поперечно-остистая и подвздошно-поясничная мышцы.
Мышцы, которые выпрямляют позвоночник, способствуют уменьшению отклонения всего туловища в одну из сторон (мышца, выпрямляющая позвоночник) и длиннейшая мышца спины.
В определенных случаях можно наблюдать сокращение задних мышц шеи. Помимо уже указанных мышц туловища требуется отметить следующие мышцы:
1. Задняя лестничная мышца.
2. Мышца, поднимающая лопатку.
3. Верхняя задняя зубчатая мышца.
4. Ременная мышца головы и ременная мышца шеи.
5. Полуостистая мышца головы.
6. Полуостистая мышца шеи.
Работа мышц верхней конечности при обычной ходьбе незначительна. Во время движения руки вперед сокращаются мышцы-сгибатели в плечевом и отчасти в локте-вом суставах, а во время движения назад - мышцы-разгибатели в этих суставах.
К мышцам сгибателям плеча относятся :
- Передняя часть дельтовидной мышцы.
- Большая грудная мышца.
- Клювовидно-плечевая мышца.
- Двуглавая мышца плеча.
К мышцам-разгибателям плеча относятся :
- Задняя часть дельтовидной мышцы.
- Широчайшая мышца спины.
- Подкостная мышца.
- Малая круглая.
- Большая круглая.
- Длинная головка трехглавой мышцы плеча.
Мышцы-сгибатели плечевого сустава :
- Плечевая мышца.
- Плечелучевая мышца.
- Двуглавая мышца плеча.
- Длинный разгибатель лучезапястного сустава.
- Локтевая мышца.
- Круглый пронатор.
Мышцы-разгибатели локтевого сустава - это трехглавая мышца плеча.
Работа мышц регулирует маятникообразного движения свободной верхней конечности, что возможно в результате одного попеременного сокращения передней и задней частей дельтовидной мышцы.
Когда все перечисленные мышцы не имеют проблем с растяжением и сокращением, то человек ходит и бегает правильно и легко. Таких людей в мире очень мало . В основном, мышцы имеют те или иные дефекты, связанные с каких-то участков мышц. Отек участка мышцы не дает ей растянутся полностью.
Внутри мышечного волокна, который полностью не растягивается, происходит смещение ядер мышечных клеток в одно место и уменьшение количества митохондрий, которые вырабатывают энергию для полного растяжения мышцы. В зависимости от того, какие мышцы отекшие, а какие остались нормальные, проявляются те или иные дефекты: неправильная походка, неровные ноги, походка на носочках, искривление позвоночника.
Например , мышцы спины, рук и ног не двигаются при тетрапарезе (одна из форм ).
Источник: http://www.medicinform.net/revmo/ther_pop34.htm , автор, если я правильно понимаю — Угнивенко. Почему он боится подписаться — не знаю.
Стопа — это орган опорно-двигательной системы, состоящий из 26 костей, 33 суставов, сети из более 100 связок, сухожилий и мышц, покрытый кожей, которая со стороны подошвы имеет уникальное строение, которое позволяет ей переносить сжимающие нагрузки большой величины (до 200 кг на см2).
Стопа является сложным биомеханическим комплексом, выполняющим 3 важные задачи при обеспечении функции опоры и движения человека:
1) обеспечение опоры и равновесия при стоянии,
2) поглощение энергии удара в момент "приземления" и придание телу вертикального импульса в момент отталкивания от опоры, что необходимо для реализации естественных локомоций (ходьба, бег, прыжки),
3) защита опорно-двигательной системы от возможных травм и перегрузок.
(Я обожаю милую привычку русских людей пиздить картинки и материалы без указания источника. Откуда она взята, я не знаю, встречаю её раз в 3 или 4 в разных местах, конкретно эту взял здесь, кто автор статьи и художник — неизвестно http://www.ploscostopie.ru/specialists/chil_ortoped/stopa_i_osanka1/ — H.B.)
Стопа — это важная составная часть опорно-двигательной системы. Её функция и структура с одной стороны зависит от вышележащих элементов опорно-двигательного аппарата, а с другой стороны оказывает на них положительное или негативное влияние. Функция и структура стопы зависит от особенностей системы управления стоянием и локомоциями (от двигательного стереотипа) и от условий эксплуатации (особенности обуви, особенность и интенсивность повседневной двигательной активности).
Основное движение в стопе пронация — супинация...
Динамика стопы — это взаимодействие сил, действующих на стопу, и тех нагрузок и напряжений, которые возникают при воздействии этих сил. Стопа — это составная часть биомеханической системы опорно-двигательного аппарата и её динамика не может быть рассмотрена вне связи с этой системой. Динамика стопы это производная от движений опорно-двигательной системы (кинематики). Наиболее типовые движения человека, связанные с нагрузкой стопы — ходьба.
Стопа преодолевает очень большие по величине и по продолжительности повторяющиеся нагрузки. Скорость, на которой стопа "приземляется" на опору, составляет при быстрой ходьбе составляет 5 метров в секунду (18 км в час), а при беге до 20 м. в сек (70 км в час), что определяет силу столкновения с опорой равную 120-250% от веса тела. В течение дня обычный человек совершает от 2 до 6 тысяч шагов (за год — 860 000 — 2 085 600 шагов). Даже современные приборы - протезы стопы не служат при такой эксплуатации более 3 лет. Долговечность стопы человека определяется во первых совершенством механической конструкции и во вторых — уникальность материала, из которого "сделана" стопа.
Наиболее общие параметры, характеризующие ходьбу . Такими параметрами являются линия перемещения центра масс тела, длина шага, длинна двойного шага, угол разворота стопы, база опоры, а так же скорость перемещения и ритмичность ходьбы.
База опоры — это расстояние между двумя параллельными линиями, проведенными через центры опоры пяток параллельно линии перемещения. База опоры определяет устойчивость тела человека.
Разворот стопы — это угол, образованный линией перемещения и линией, проходящей через середину стопы: через центр опоры пятки и точку между 1 и 2 пальцем. Чем больше разворот стопы, тем больше база опоры, но меньше эффективность ходьбы (и наоборот).
Короткий шаг — это расстояние между точкой опоры пятки одной ноги и центром опоры пятки противоположной ноги.
Ритмичность — число шагов в минуту. Для взрослого – 113 шагов в минуту.
Ритмичность — отношение длительности переносной фазы одной ноги к длительности переносной фазы другой ноги.
Скорость ходьбы — число больших шагов в единицу времени, измеряется в единицах: шаг в минуту или километр в час.
Рисунок. Методика подографии.
Методики исследования ходьбы
Кинематику ходьбы изучают с использованием контактных и бесконтактных датчиков измерения углов в суставах (гониометрия), а так же с применением гироскопов — приборов, позволяющих определить угол наклона сегмента тела относительно линии гравитации. Важным методом в исследовании кинематики ходьбы является методика циклографии — метод регистрации координат светящихся точек, расположенных на сегментах тела.
Динамические характеристики ходьбы изучают с применением динамографической (силовой) платформы. При опоре на силовую платформу регистрируют вертикальную реакцию опоры, а также горизонтальные её составляющие.
Для регистрации давления отдельных участков стопы применяют датчики давления или тензодатчики, вмонтированные в подошву обуви.
Физиологические параметры ходьбы регистрируют при помощи методики электромиографии – методики регистрации биопотенциалов мышц. Электромиография, сопоставленная с данными методик оценки временной характеристики, кинематики и динамики ходьбы, является основой биомеханического и иннервационного анализа ходьбы.
Подография позволяет регистрировать моменты контакта различных отделов стопы с опорой для оценки временной структуры ходьбы. На этом основании определяют временные фазы шага.
Рассмотрим пример исследования ходьбы, основанного на применении самой простой, двухконтактной электроподографии. Этот метод заключается в использовании контактов в подошве специальной обуви, которые замыкаются при опоре на биомеханическую дорожку. На рисунке изображена ходьба в специальной обуви с двумя контактами в области пятки и переднего отдела стопы. Период замыкания контакта регистрируется и анализируется прибором: замыкание заднего контакта — опора на пятку, замыкание заднего и переднего — опора на всю стопу, замыкание переднего контакта — опора на передний отдел стопы. На этом основании строят график длительности каждого контакта для каждой ноги.
Рисунок. Временная структура ходьбы.
Существуют различные схемы временной структуры шага, предложенные различными биомеханическими школами. (Класс! Прямо "в военное время косинус 45 может достигать единицы". Только ссылки давать надо — H.B.)
График самой простой двухконтактной подограммы изображается в виде двух схем: подограмма правой ноги и подограмма левой ноги. Красным цветом выделена подограмма правой ноги. То есть той ноги, которая в данном случае начинает и заканчивает цикл ходьбы — двойной шаг. Тонкой линией обозначают отсутствие контакта с опорой, затем мы видим время контакта на задний отдел стопы, на всю стопу и на передний отдел.
Локомоторный цикл состоит из двух двуопорных и двух переносных фаз. По подограмме определяют интервал опоры на пятку, на всю стопу и на её передний отдел. Временные характеристики шага выражают в секундах и в процентах к продолжительности двойного шага, длительность которого принимают за 100%. Все остальные параметры ходьбы (кинематические, динамические и электрофизиологические) привязывают к подограмме — основному методу оценки временной характеристики ходьбы.
При ходьбе человек последовательно опирается то на одну, то на другую ногу. Эта нога называется опорной.
Контралатеральная (противоположная) нога в этот момент выносится вперёд (Это - переносная нога).
Период переноса ноги называется «фаза переноса ".
Полный цикл ходьбы - период двойного шага — слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности.
В опорный период активное мышечное усилие конечностей создаёт динамические толчки, сообщающие центру тяжести тела ускорение, необходимое для поступательного движения. При ходьбе в среднем темпе фаза опоры длится примерно 60% от цикла двойного шага, фаза опоры примерно 40%.
Рассмотрим наиболее общие перемещения тела в сагиттальной плоскости в процессе двойного шага. Началом двойного шага принято считать момент контакта пятки с опорой. В норме приземление пятки осуществляется на её наружный отдел (Ссылка где? Откуда взята норма? — H.B.) . С этого момента эта (правая) нога считается опорной. Иначе эту фазу ходьбы называют передний толчок — результат взаимодействия силы тяжести движущегося человека с опорой. На плоскости опоры при этом возникает опорная реакция, вертикальная составляющая корой превышает массу тела человека.
Рисунок. Сила реакции опоры.
Реакция опоры
Реальные силы при ходьбе, которые можно измерить — это силы реакции опоры. Сопоставление силы реакции опоры и кинематики шага позволяютувеличить оценить величину вращающего момента сустава.
Сила реакции опоры — это сила, действующая на тело со стороны опоры. Эта сила равна и противоположна той силе, которую оказывает тело на опору. Если при стоянии сила реакции опоры равна весу тела, то при ходьбе к этой силе прибавляются сила инерции и сила, создаваемая мышцами при отталкивании от опоры.
Для исследования силы реакции опоры обычно применяют динамографическую (силовую) платформу, которая вмонтирована в биомеханическую дорожку. При опоре в процессе ходьбы на эту платформу регистрируют возникающие силы — силы реакции опоры. Силовая платформа позволяет регистрировать результирующий вектор силы реакции опоры.
Динамическая характеристика ходьбы оценивается путём исследования опорных реакций
, которые отражают взаимодействие сил
, принимающих участие в построении локомоторного акта:
— мышечных,
— гравитационных и
— инерционных.
Вектор опорной реакции
в проекции на основные плоскости разлагается на три составляющие:
— вертикальную,
— продольную и
— поперечную.
Эти составляющие позволяют судить об усилиях, связанных с вертикальным, продольным и поперечным перемещением общего центра масс.
Сила реакции опоры
включает в себя
— вертикальную составляющую, действующую в направлении вверх-вниз,
— продольную составляющую, направленную вперед-назад по оси Y, и
— поперечную составляющую, направленную медиально-латерально по оси X.
Это производная от силы мышц, силы гравитации и силы инерции тела.
Рисунок. Вертикальная составляющая опорной реакции.
Вертикальная составляющая вектора опорной реакции.
График вертикальной составляющей опорной реакции при ходьбе в норме имеет вид плавной симметричной двугорбой кривой. Первый максимум кривой соответствует интервалу времени, когда в результате переноса тяжести тела на опорную ногу происходит передний толчок, второй максимум (задний толчок) отражает активное отталкивание ноги от опорной поверхности и вызывает продвижение тела вверх, вперёд и в сторону опорной конечности.
Оба максимума расположены выше уровня веса тела и составляют соответственно при медленном темпе примерно 100% от веса тела, при произвольном темпе 120%, при быстром — 150% и 140%. (Ссылки! Откуда эти данные опять? С потолка? — H.B.)
Минимум опорной реакции расположен симметрично между ними ниже линии веса тела. Возникновение минимума обусловлено задним толчком другой ноги и последующим её переносом; при этом появляется сила, направленная вверх, которая вычитается из веса тела. Минимум опорной реакции при разных темпах составляет от веса тела соответственно: при медленном темпе — примерно 100%, при произвольном темпе 70%, при быстром — 40%.
Рисунок. Точка приложения вектора реакции опоры.
Точка приложения вектора реакции опоры на стопу иначе называется центром давления. Это важно, для того чтобы знать, где находится точка приложения сил, действующих на тело со стороны опоры. При исследовании на силовой платформе эта точка называется точкой приложения силы реакции опоры .
Траектория силы реакции опоры в процессе ходьбы изображается в виде графика: «зависимость величины силы реакции опоры от времени опорного периода». График представляет собой перемещение вектора реакции опоры под стопой. Нормальный паттерн, траектория перемещения реакции опоры при нормальной ходьбе представляет собой перемещение от наружного отдела пяти вдоль наружного края стопы в медиальном направлении к точке между 1 и 2 пальцем стопы.
Траектория перемещения вариабельна и зависит от темпа и типа ходьбы, от рельефа поверхности опоры, от типа обуви, а именно от высоты каблука и от жёсткости подошвы. Паттерн реакции опоры во многом определяется функциональным состоянием мышц нижней конечности и иннервационной структурой ходьбы.
Важную информацию о распределении давления на различные участки стопы получают при помощи тензометрических измерений. Тензодатчики — датчики давления — располагают в специальной стельке для обуви. Этот метод исследования позволяет изучить не результирующую силу реакции опоры, как при динамометрическом методе, а распределение давления под разными отделами стопы.
Особенности биомеханики стопы при ходьбе
Рисунок. Фазы опорной реакции.
При ходьбе стопа выполняет четыре основные функции:
— адаптация к неровностям поверхности,
— поглощение энергии удара при приземлении,
— функцию жёсткого рычага для передачи вращательного момента вышележащим сегментам,
— перераспределение и смягчение ротационных усилий вышележащих сегментов.
Биомеханика стопы и функции стопы в различные фазы шага — различны. Если в фазу амортизации основная задача стопы — смягчение удара при контакте с поверхностью, то в период опоры на всю стопу задача стопы — перераспределение энергии для эффективного выполнения следующей фазы — отталкивания от опоры . Эта фаза ставит перед стопой задачу передачи лежащим выше сегментам силы реакции опоры.
Смягчение инерционной нагрузки при ходьбе и беге осуществляется сложным комплексом суставно-связочного аппарата, соединяющего 26 основных костей стопы, в котором выделяют 3 продольных и поперечный свод .
Рассмотрим строение только одного из них — среднего продольного свода . Пяточная, таранная и кости плюсны и предплюсны образуют своеобразную арку — рессору, способную уплощаться и расправляться. Нагрузка — вес тела — распределяется равномерно на передний и задний отдел стопы. Передний и задний отделы стопы соединены в единую кинематическую цепь мощным эластичным сухожилием — подошвенным апоневрозом, который подобно пружине возвращает распластанный под нагрузкой свод стопы (см. статью "стопа в статике").
Рисунок. Супинация и пронация стопы.
Рассмотрим точки приложения реакции опоры к стопе в процессе фазы опоры. Стопа приземляется на наружный отдел пятки. Затем на протяжении фазы приземления центр силы реакции опоры смещается к центру стопы в фазе опоры на всю стопу и на её передний внутренний отдел в фазу отталкивания.
Биомеханический смысл такой траектории перемещения точки приложения силы реакции опоры заключается в том, что при этом в различные фазы опоры создаются вращающие моменты , которые вызывают следующие движения в суставах стопы:
— супинация стопы — варус пятки
и переднего отделов (рисунок 1); (Полая стопа, косолапие — H.B.)
— пронация стопы — вальгус переднего отдела и пятки
, распластывание стопы (рисунок 2); (Плоскостопие — H.B.)
— вновь пронация стопы, при которой суставы стопы замыкаются и стопа приобретает жёсткость, необходимую для передачи энергии верхним сегментам (рисунок 3).
При опоре на всю стопу суставы размыкаются, стопа легко адаптируется к поверхности опоры. В этот период сухожилие стопы запасает энергию в виде энергии упругих связей, которую затем возвращает в период отталкивания.
Пронация стопы — результат внутренней ротации бедра в первую половину опоры ноги. При опоре на пятку колено подгибается, бедро ротируется внутрь, это ускоряет перекат через пятку и перенос веса тела на всю стопу. Затем стопа неизбежно распластывается, и энергия движения переходит в энергию упругих связей стопы.
Таким образом, во время ходьбы мы можем наблюдать два паттерна движений в суставах стопы: супинация и пронация.
При супинации стопа вращается внутрь за счёт подтаранного сустава, пятка находится в положении варуса, свод высокий . Суставы стопы находятся в положении замыкания, что обеспечивает необходимую жёсткость стопы при приземлении и отталкивании.
При пронации стопы мы видим обратный паттерн: продольный свод опускается, пятка в подтаранном суставе принимает положение вальгуса, суставы размыкаются, стопа легко адаптируется к опоре.
Отметим, что продольный свод стопы активно удерживает передняя большеберцовая мышца, дополнительно смягчает инерцию приземления и возвращает жёсткость стопы при отталкивании. В момент пронации стопа создает вращательный момент голени — момент наружной ротации.
Рисунок 20. Движение в подтаранном суставе.
Движение — пронация стопы — это вращение в подтаранном суставе
Ось этого сустава расположена косо, таким образом, что пронация стопы приводит к ротации голени. Это важно для рассмотрения вопроса "особенности биомеханики коленного сустава при ходьбе". Ось подтаранного сустава расположена косо в направлении спереди назад, изнутри кнаружи. Она явно не совпадает с направлением оси голеностопного и коленного суставов. Однако, именно такое её положение (явно несоосное с другими суставами) определяет эффективность ходьбы.
Рисунок. Распределение нагрузки в период опоры на стопу при ходьбе.
На рисунке мы видим, что первый пик нагрузки получается из контакта наружного отдела пятки с опорой, этот пик находится в первой фазе, в фазе переднего толчка. По мере переката через пятку нагрузка перемещается более на медиальный отдел пятки. Затем, нагрузка перемещается последовательно на 5, 4, 3 и затем вторую плюсневую кость. Это характерно для фазы опоры на всю стопу.
И в фазе отталкивания, в фазе опоры на передний отдел, нагрузка перемещается на первую плюсневую кость и большой палец ноги. Подгибание первого пальца и отталкивание от опоры завершает опорную фазу шага. Стопа отрывается от опоры.
Как мы уже говорили, результирующая, полученная при сложении всех сил, которые формируются при приземлении, опоре и отталкивании, выглядит в виде двугорбой кривой. Здесь следует отметить, что силы, определяющие реакцию опоры, имеют различное направление. Если при приземлении, силы гравитации и инерции направлены вниз, то при отталкивании сила активного сокращения мышц и инерции тела — вверх. При приземлении ноги мышцы работают в уступающем режиме и гасят энергию удара. Для реализации этого механизма необходима трансформация поступательного движения во вращательное . Один из таких механизмов мы рассмотрели выше: опора на пятку приводит к вращению относительно подтаранного сустава, пронация стопы приводит к наружной ротации голени и таким образом энергия приземления передается к вышележащим сегментам. Однако, этого недостаточно для полноценного поглощения переднего толчка.
Рисунок. Модель обратного маятника.
Рассмотрим ещё один важный биомеханический механизм — вращение относительно голеностопного сустава. Для этого представим себе идущего человека в виде обратного маятника с центром вращения в голеностопном суставе. Мы видим, как при опоре на пятку возникает вращающий момент, голень под влиянием силы инерции наклоняется вперёд, возникает целый каскад вращения в вышележащих суставах ноги, и общий центр масс тела совершает поступательное движение вперед. Схема, представленная на рисунке, не совсем точна, на ней (для упрощения) не изображён очень важный момент, очень важный механизм — подгибание в коленном суставе в момент опоры на пятку. Этот и многие другие механизмы трансформации движений при ходьбе, мы возможно рассмотрим в других статьях, посвященных биомеханике ходьбы.
Рисунок. Уступающая и преодолевающая работа мышц при ходьбе.
Для того, чтобы получить общее представление о работе мышц при ходьбе, которые являются не только источником энергии поступательного движения, но и выполняют важную функцию поглощения и перераспределения энергии в первую фазу опоры посмотрите на рисунок. Мышцы нижней конечности работают то в уступающем, то в преодолевающем режиме, то есть то притормаживают, то ускоряют движения в суставах, обеспечивая плавное поступательное движение общего центра массы.
Стопа является первым самым нагружаемым звеном этой сложной трансмиссии. Она осуществляет контакт с опорой, она перераспределяет силу реакции опоры на вышележащие сегменты опорно-двигательного аппарата и выполняет важную рессорную функцию, она обеспечивает устойчивость ноги и сцепление с опорной поверхностью.
Способность стопы противостоять нагрузкам обусловлена не только биомеханическим совершенством, но и свойством составляющих её тканей. Короткие и прочные кости стопы имеют форму, точно соответствующую направлению и величине нагрузки.
Известный закон биологии гласит «Функция определяет форму», из этого вытекают прошедшие проверку временем и практикой постулаты: "механические напряжения полностью определяют все детали структуры" и "кость разрастается преимущественно по направлению тяги и перпендикулярно плоскости давления". Структура нагрузки повседневных движений влияет и на рост детского скелета (например, быстрее растёт более нагружаемая толчковая, обычно правая, нога), и на структуру скелета у взрослых. Внешняя форма костей может изменяться под влиянием различных видов спорта или профессиональных движений. Они становятся массивнее и толще за счёт увеличения костной массы в наиболее нагружаемых участках. Таким образом, кости стопы адаптируют свою прочность в соответствии с весом человека и с повседневной двигательной активностью.
Рисунок. Подошвенный апоневроз и пяточная шпора.
Аналогичный закон действует и в отношении соединительнотканных структур стопы (связок, сухожилий и фасций). Волокна самой мощной фасции стопы — подошвенного апоневроза ориентированы вдоль самого нагружаемого продольного свода стопы (рис.).
Если повторяющиеся нагрузки по своей величине или продолжительности превышают возможности тканей стопы, то в них развиваются патологические реакции перегрузки и патологические процессы, такие как воспаление сухожилия, усталостные переломы, разрывы сухожилий... Например, отложение солей кальция в области прикрепления подошвенного апоневроза к бугру пяточной кости, которое именуется пяточной шпорой.
Плоскостопие, гиподинамия, избыточные спортивные нагрузки — обычная причина этих заболеваний. Но об этом в другой статье. (Ссылочки не забудьте — H.B.)
http://www.ploscostopie.ru/specialists/chil_ortoped/stopa_i_osanka1/ Автор статьи неизвестен, источник картинок — тоже. Но картинку с ротацией я вижу раз в 3 или 4.Стопа и осанка
Какая связь между этими, казалось бы, отдалёнными частями тела: стопой и позвоночником? Прямая!
Наше тело от стоп до макушки — это отточенная эволюцией конструкция, где все звенья взаимосвязаны.
Стопы — «фундамент» тела, изъяны фундамента неизбежно вызывают перекос всей конструкции, нарушают осанку и походку человека, приводя к болям в позвоночнике и преждевременному «износу» суставов. По данным литературы, не менее чем у 80 % населения возникают проблемы опорно-двигательного аппарата, напрямую или опосредованно связанные с деформациями стопы.
Начальные элементы деформаций и функциональные недостатки стоп и осанки закладываются в детстве и следуют за человеком в его взрослую жизнь.
Считается, что с первых шагов ребёнка и до старости человек пешком огибает землю 4 раза. Стопа — это комплексная структура, состоящая из 26 костей, соединённых связками, суставами, мышцами и сухожилиями.
При рождении стопы детей ещё не сформированы, а будущие костные структуры представлены хрящом. Своды стоп, как и изгибы позвоночного столба, начинают активно формироваться с началом прямохождения. Первый этап формирования сводов стопы и осанки завершается к 8-9 годам, когда очертания стопы и спины ребёнка начинают быть похожими на формы взрослого человека. В период гормонального созревания происходит дальнейшая перестройка, направленная на функциональное совершенствование структур стопы и осанки.
Рисунок. Компенсаторный сколиоз в результате вальгусного отклонения стопы
Рисунок. Восходящая цепь перегрузок и повреждения при плоско-вальгусных стопах
Другие определения
Существуют и другие определения, характеризующие эту локомоцию:
Виды ходьбы
| как естественной локомоции : | как спортивной и оздоровительной локомоции: | как военно-прикладной локомоции |
|---|---|---|
|
|
Маршировка (eng.) (организованная ходьба, упражнение в мерном хождении правильными построенными рядами) |
Не следует путать виды ходьбы с видами походки . Ходьба - двигательный акт, разновидность двигательной активности. Походка - особенность ходьбы человека, «манера ходить».
Задачи ходьбы
Задачи ходьбы как важной локомоторной функции:
- Безопасное линейное поступательное перемещение тела вперёд (главная задача).
- Удержание вертикального баланса, предотвращение падения при движении.
- Сохранение энергии, использование минимального количества энергии за счёт её перераспределения в течение цикла шага.
- Обеспечение плавности передвижения (резкие движения могут являться причиной повреждения).
- Адаптация походки для устранения болезненных движений и усилий.
- Сохранение походки при внешних возмущающих воздействиях или при изменении плана движений (Стабильность ходьбы).
- Устойчивость к возможным иннервационым и биомеханическим нарушениям.
- Оптимизация передвижения, прежде всего, повышение эффективности безопасного перемещения центра тяжести с наименьшим расходом энергии.
Параметры ходьбы
Общие параметры ходьбы
Наиболее общими параметрами, характеризующими ходьбу, являются линия перемещения центра масс тела, длина шага, длина двойного шага, угол разворота стопы, база опоры, скорость перемещения и ритмичность.
- База опоры - это расстояние между двумя параллельными линиями, проведёнными через центры опоры пяток параллельно линии перемещения .
- Короткий шаг - это расстояние между точкой опоры пятки одной ноги и центром опоры пятки контралатеральной ноги.
- Разворот стопы - это угол, образованный линией перемещения и линией, проходящей через середину стопы: через центр опоры пятки и точку между 1 и 2 пальцем.
- Ритмичность ходьбы - отношение длительности переносной фазы одной ноги к длительности переносной фазы другой ноги.
- Скорость ходьбы - число больших шагов в единицу времени. Измеряется в единицах: шаг в минуту или км. в час. Для взрослого - 113 шагов в минуту.
Биомеханика ходьбы
Ходьбу при различных заболеваниях изучает раздел медицины - клиническая биомеханика ; ходьбу как средство достижения спортивного результата или повышения уровня физической подготовленности изучает раздел физической культуры - спортивная биомеханика . Ходьбу изучают многие другие науки: компьютерная биомеханика , театральное и балетное искусство, военное дело . Основой для изучения всех биомеханических наук является биомеханика ходьбы здорового человека в естественных условиях. Ходьбу рассматривают с позиции единства биомеханических и нейрофизиологических процессов, которые определяют функционирование локомоторной системы человека .
Биомеханическая структура ходьбы = + + +
Временная структура ходьбы, обычно основана на анализе результатов подографии. Подография позволяет регистрировать моменты контакта различных отделов стопы с опорой. На этом основании определяют временные фазы шага.
Кинематику ходьбы изучают с использованием контактных и бесконтактных датчиков измерения углов в суставах (гониометрия), а также с применением гироскопов - приборов, позволяющих определить угол наклона сегмента тела относительно линии гравитации. Важным методом в исследовании кинематики ходьбы является методика циклографии - метод регистрации координат светящихся точек, расположенных на сегментах тела.
Динамические характеристики ходьбы изучают с применением динамографической (силовой) платформы. При опоре силовую платформу регистрируют вертикальную реакцию опоры, а также горизонтальные её составляющие. Для регистрации давления отдельных участков стопы применяют датчики давления или тензодатчики , вмонтированные в подошву обуви.
Физиологические параметры ходьбы регистрируют при помощи методики электромиографии - регистрации биопотенциалов мышц. Электромиография, сопоставленная с данными методик оценки временной характеристики, кинематики и динамики ходьбы, является основой биомеханического и иннервационного анализа ходьбы.
Временна́я структура ходьбы
Простая двухконтактная подограмма
Основной метод исследования временно́й структуры - метод подографии. Например исследование ходьбы с применением самой простой, двухконтактной электроподографии заключается в использовании контактов в подошве специальной обуви, которые замыкаются при опоре на биомеханическую дорожку. На рисунке изображена ходьба в специальной обуви с двумя контактами в области пятки и переднего отдела стопы . Период замыкания контакта регистрируется и анализируется прибором: замыкание заднего контакта - опора на пятку, замыкание заднего и переднего - опора на всю стопу, замыкание переднего контакта - опора на передний отдел стопы. На этом основании строят график длительности каждого контакта для каждой ноги.
Временная структура шага
Основные методы исследования: циклография, гониометрия и оценка движения сегмента тела при помощи гироскопа .
Метод циклографии позволяет регистрировать изменение координат светящихся точек тела в системе координат.
Гониометрия - изменение угла ноги прямым методом с применением угловых датчиков и неконтактным по данным анализа циклограммы.
Кроме того, применяют специальные датчики гироскопы и акселерометры . Гироскоп позволяет регистрировать угол поворота сегмента тела, к которому он прикреплен, вокруг одной из осей вращения, условно названной осью отсчета. Обычно гироскопы применяют для оценки движения тазового и плечевого пояса, при этом последовательно регистрируют направление движения в трех анатомических плоскостях - фронтальной, сагиттальной и горизонтальной.
Оценка результатов позволяет определить в любой момент шага угол поворота таза и плечевого пояса в сторону, вперед или назад, а также поворот вокруг продольной оси. В специальных исследованиях применяют акселерометры для измерения в данном случае тангенциального ускорения голени.
Для исследования ходьбы используют специальную биомеханическую дорожку, покрытую электропроводным слоем.
Важную информацию получают при проведении традиционного в биомеханике циклографического исследования, которое, как известно, основано на регистрации методом видео- кинофотосъёмки координат светящихся маркеров, расположенных на теле испытуемого.
Динамика ходьбы
Динамика ходьбы не может быть изучена методом прямого измерения силы , которая продуцируется работающими мышцами. До настоящего времени отсутствуют доступные для широкого использования методики измерения момента силы живой мышцы, сухожилия или сустава. Хотя следует отметить, что прямой метод, метод имплантации датчиков силы и давления непосредственно в мышцу или сухожилие применяется в специальных лабораториях. Прямой метод исследования вращающего момента осуществляется также при использовании датчиков в протезах нижних конечностей и в эндопротезах суставов.
Представление о силах, воздействующих на человека при ходьбе, может быть получено или в определении усилия в центре масс всего тела, или путём регистрации опорных реакций.
Практически, силы мышечной тяги при циклическом движении можно оценить, только, решая задачу обратной динамики. То есть зная скорость и ускорение движущегося сегмента, а также его массу и центр масс , мы можем определить силу , которая вызывает это движение, следуя второму закону Ньютона (сила прямо пропорциональна массе тела и ускорению).
Реальные силы при ходьбе, которые можно измерить - это силы реакции опоры. Сопоставление силы реакции опоры и кинематики шага позволяют оценить величину вращающего момента сустава. Расчет вращающего момента мышцы может быть произведён исходя из сопоставления кинематических параметров, точки приложения реакции опоры и биоэлектрической активности мышцы.
Сила реакции опоры
Сила реакции опоры - сила, действующая на тело со стороны опоры. Эта сила равна и противоположна той силе, которую оказывает тело на опору.
Вертикальная составляющая силы реакции опоры
Вертикальная составляющая вектора опорной реакции.
График вертикальной составляющей опорной реакции при ходьбе в норме имеет вид плавной симметричной двугорбой кривой. Первый максимум кривой соответствует интервалу времени, когда в результате переноса тяжести тела на опорную ногу происходит передний толчок, второй максимум (задний толчок) отражает активное отталкивание ноги от опорной поверхности и вызывает продвижение тела вверх, вперёд и в сторону опорной конечности. Оба максимума расположены выше уровня веса тела и составляют соответственно при медленном темпе примерно 100 % от веса тела , при произвольном темпе 120 %, при быстром - 150 % и 140 %.
Минимум опорной реакции расположен симметрично между ними ниже линии веса тела. Возникновение минимума обусловлено задним толчком другой ноги и последующим ее переносом; при этом появляется сила, направленная вверх, которая вычитается из веса тела. Минимум опорной реакции при разных темпах составляет от веса тела соответственно: при медленном темпе - примерно 100 %, при произвольном темпе 70 %, при быстром - 40 %.
Таким образом, общая тенденция при увеличении темпа ходьбы состоит в росте значений переднего и заднего толчков и снижении минимума вертикальной составляющей опорной реакции.
Продольная составляющая силы реакции опоры
Продольная составляющая вектора опорной реакции это, по сути, срезывающая сила равная силе трения, которая удерживает стопу от переднезаднего скольжения. На рисунке изображён график зависимости продольной опорной реакции в зависимости от длительности цикла шага при быстром темпе ходьбы (оранжевая кривая), при среднем темпе (пурпурная) и медленном темпе (синяя).
Точка приложения силы реакции опоры
Реакция опоры - эти силы приложенные к стопе. Вступая в контакт с поверхностью опоры, стопа испытывает давление со стороны опоры, равное и противоположное тому, которое стопа оказывает на опору. Это и есть реакция опоры стопы. Эти силы неравномерно распределяются по контактной поверхности. Как и все сила такого рода их можно изобразить в виде результирующего вектора, который имеет величину и точку приложения.
Точка приложения вектора реакции опоры на стопу иначе называется центром давления. Это важно, для того чтобы знать, где находится точка приложения сил, действующих на тело со стороны опоры. При исследовании на силовой платформе эта точка называется точкой приложения силы реакции опоры.
Траектория приложения силы реакции опоры
Работа мышц-разгибателей является основным силовым источником для перемещения общего центра масс. Активность мышц разгибателей обусловлена также необходимостью притормаживания движения сегментов в фазу переноса. Сокращение мышц сгибателей направлено на коррекцию положения или движения конечности в переносную фазу. При обычных условиях ходьбы корригирующая функция мышц минимальна. Прямая мышца в составе четырёхглавой бедра обеспечивает амортизацию переднего толчка и последующее разгибание в коленном суставе в фазу опоры. Большая ягодичная мышца обеспечивает разгибание бедра в фазу опоры. Икроножная мышца - отталкивание от опорной поверхности и вертикальное перемещение общего центра масс. Подколенные сгибатели - регуляция скорости движения в коленном суставе. Передняя большеберцовая - коррекцию положения стопы.
Чередование различных режимов деятельности мышц заключает в себе определённый биомеханический смысл: во время уступающей работы увеличивается напряжение мышцы и её рефлекторная активация, кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругой деформации мышц. При этом эффективность уступающей (отрицательной) работы мышц превышает в 2-9 раз эффективность их преодолевающей (положительной) работы.
Во время преодолевающего режима мышца производит механическую работу , при этом потенциальная энергия упругой деформации мышц превращается в кинетическую энергию всего тела или его отдельных частей. На первый взгляд, преодолевающий режим работы мышц обусловливает возникновение и ускорение движений, а уступающий режим - их замедление или прекращение. На самом деле уступающий режим деятельности мышц имеет более глубокое содержание. «Когда тело человека при ходьбе уже приобрело известную скорость , торможение движений отдельного звена приводит к перераспределению кинетического момента и, следовательно, к ускорению движений смежного звена. Благодаря многозвенной структуре двигательного аппарата такой опосредованный способ управления движениями нередко оказывается энергетически более выгодным, чем прямой, ибо позволяет лучше утилизировать ранее накопленную кинетическую энергию » .
Основные биомеханические фазы
Анализ кинематики, опорных реакций и работы мышц различных частей тела убедительно показывает, что в течение цикла ходьбы происходит закономерная смена биомеханических событий. «Ходьба здоровых людей, несмотря на ряд индивидуальных особенностей, имеет типичную и устойчивую биомеханическую и иннервационную структуру, то есть определённую пространственно-временную характеристику движений и работы мышц» .
Полный цикл ходьбы - период двойного шага - слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности.
При ходьбе человек последовательно опирается то на одну, то на другую ногу. Эта нога называется опорной. Контралатеральная нога в этот момент выносится вперед (Это - переносная нога). Период переноса ноги называется «фаза переноса». Полный цикл ходьбы - период двойного шага - слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности. В опорный период активное мышечное усилие конечностей создаёт динамические толчки, сообщающие центру тяжести тела ускорение , необходимое для поступательного движения. При ходьбе в среднем темпе фаза опоры длится примерно 60 % от цикла двойного шага, фаза переноса примерно 40 %.
Началом двойного шага принято считать момент контакта пятки с опорой. В норме приземление пятки осуществляется на её наружный отдел. С этого момента эта (правая) нога считается опорной. Иначе эту фазу ходьбы называют передний толчок - результат взаимодействия силы тяжести движущегося человека с опорой. На плоскости опоры при этом возникает опорная реакция, вертикальная составляющая которой превышает массу тела человека. Тазобедренный сустав находится в положении сгибания, нога выпрямлена в коленном суставе, стопа в положении лёгкого тыльного сгибания. Следующая фаза ходьбы - опора на всю стопу. Вес тела распределяется на передний и задний отдел опорной стопы. Другая, в данном случае - левая нога, сохраняет контакт с опорой. Тазобедренный сустав сохраняет положение сгибания, колено подгибается, смягчая силу инерции тела, стопа принимает среднее положение между тыльным и подошвенным сгибанием. Затем голень наклоняется вперёд, колено полностью разгибается, центр масс тела продвигается вперед. В этот период шага перемещение центра масс тела происходит без активного участия мышц, за счёт силы инерции . Опора на передний отдел стопы. Примерно через 65 % времени двойного шага, в конце интервала опоры, происходит отталкивание тела вперёд и вверх за счёт активного подошвенного сгибания стопы - реализуется задний толчок. Центр масс перемещается вперёд в результате активного сокращения мышц.
Следующая стадия - фаза переноса характеризуется отрывом ноги и перемещением центра масс под влиянием силы инерции. В середине этой фазы, все крупные суставы ноги находятся в положении максимального сгибания. Цикл ходьбы завершается моментом контакта пятки с опорой.
В циклической последовательности ходьбы выделяют моменты, когда с опорой соприкасаются только одна нога («одноопорный период») и обе ноги, когда вынесенная вперед конечность уже коснулась опоры, а расположенная сзади ещё не оторвалась («двуопорная фаза»). С увеличением темпа ходьбы «двуопорные периоды» укорачиваются и совсем исчезают при переходе в бег . Таким образом, по кинематическим параметрам, ходьба от бега отличается наличием двуопорной фазы.
Эффективность ходьбы
Основной механизм, определяющий эффективность ходьбы - это перемещение общего центра масс.
Перемещение ОЦМ, Трансформация кинетической (T k) и потенциальной (E p) энергии
Перемещение общего центра масс (ОЦМ) представляет собой типичный синусоидальный процесс с частотой соответствующей двойному шагу в медиолатеральном направлении, и с удвоенной частотой в передне-заднем и вертикальном направлении. Перемещение центра масс определяют традиционным циклографическим методом, обозначив общий центр масс на теле испытуемого светящимися точками.
Однако можно поступить проще, математическим способом, зная вертикальную составляющую силы реакции опоры. Из законов динамики ускорение вертикального перемещения равно отношению силы реакции опоры к массе тела, скорость вертикального перемещения равна отношению произведению ускорения на интервал времени, а само перемещение произведению скорости на время. Зная эти параметры, можно легко рассчитать кинетическую и потенциальную энергию каждой фазы шага. Кривые потенциальной и кинетической энергии представляют собой как бы зеркальное отражение друг друга и имеют фазовый сдвиг примерно в 180°.
Известно, что маятник имеет максимум потенциальной энергии в высшей точке и превращает её в кинетическую, отклоняясь вниз. При этом некоторая часть энергии расходуется на трение . Во время ходьбы, уже в самом начале периода опоры, как только ОЦМ начинает подниматься, кинетическая энергия нашего движения превращается в потенциальную, и наоборот, переходит в кинетическую, когда ОЦМ опускается. Таким образом, сохраняется около 65 % энергии. Мышцы должны постоянно компенсировать потерю энергии, которая составляет около тридцати пяти процентов . Мышцы включаются для перемещения центра масс из нижнего положения в верхнее, восполняя утраченную энергию.
Эффективность ходьбы связана с минимизацией вертикального перемещения общего центра масс. Однако увеличение энергетики ходьбы неразрывно связано с увеличением амплитуды вертикальных перемещений, то есть при увеличении скорости ходьбы и длины шага неизбежно увеличивается вертикальная составляющая перемещения центра масс.
На протяжении опорной фазы шага наблюдается постоянные компенсирующие движения, которые минимизируют вертикальные перемещения и обеспечивают плавность ходьбы.
К таким движениям относят:
- поворот таза относительно опорной ноги,
- наклон таза в сторону неопорной конечности,
- подгибание колена опорной ноги при подъеме ОЦМ,
- разгибание при опускании ОЦМ.
| Параметры: | Медленный темп | Замедленный темп | Произвольный темп | Ускоренный темп | Быстрый темп |
|---|---|---|---|---|---|
| Средняя скорость (м/с) / (км/ч) | 0,61 / 2,196 | 0,91 / 3,276 | 1,43 / 5,148 | 1,90 / 6,840 | 2,28 / 8,208 |
| Темп (шаг/мин) | 67,8 | 84,5 | 109,1 | 125,0 | 137,9 |
| Длина шага (метр) | 0,51 | 0,6 | 0,74 | 0,84 | 0,88 |
См. также
- Походка - особенности поз и движений при ходьбе, характерный для конкретного человека.
- Осанка - привычное положение тела человека в покое и движении, в том числе при ходьбе.
- Ходьба оздоровительная
- Ходьба на лыжах
- Стояние
Примечания
Ссылки
| Мышцы нижних конечностей | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Мышцы таза |
|
||||
| Мышцы бедра |
| ||||
Основные понятия
Ходьба - это двигательное действие в результате реализации двигательного стериотипа (выполняются автоматически без участия сознания).
Походка - особенности поз и движений при ходьбе, характерные для конкретного человека.
Осанка - привычное положение тела человека в покое и движении, в том числе при ходьбе.
Опорная нога - нога, которая в данный момент опирается об опору, другая нога выносится вперёд - переносимая или свободная нога. При ходьбе тело не теряет соприкосновения с землей: оно опирается на землю то одной, то двумя ногами.
Передний и задний шаг (рис.5)
|
Полный цикл движений при ходьбе (рис.6).
Цикл хотьбы – полный комплекс движений от контакта пятки стопы опоры до следующего контакта этой же пятки. Полный цикл состоит из двойного шага , включающего 2 одиночных (коротких) шага. Одиночный шаг, в свою очередь, состоит из двух простых шагов, заднего и переднего. Короткий шаг при ходьбе - это расстояние между точкой опоры пятки одной ноги и центром опоры пятки контралатеральной ноги.
Рисунок 8. Характеристики фазы опоры и фазы переноса конечности при ходьбе.
Параметры ходьбы (рис.9):
n Линия перемещения центра масс тела ,
n База опоры - расстояние между двумя параллельными линиями, проведёнными через центры опоры пяток параллельно линии перемещения
n Разворот стопы - угол, образованный линией перемещения и линией, проходящей через середину стопы (центр опоры пятки и точка между 1 и 2 пальцами)
n Ритмичночть ходьбы - отношение длительности переносной фазы одной ноги к длительности переносной фазы другой ноги.
n Скорость ходьбы - число больших шагов в единицу времени (для взрослого - 113 шагов в минуту)
|
Особенности «Спортивной ходьбы» (рис.11).
n Приземление на более выпрямленную, нежели при обычной ходьбе, ногу. При этом коленные суставы находятся почти все время в разогнутом положении.
n Движения рук, отведенных и приподнятых, порывисты.
n Период двойной опоры очень сокращен, но в то же время нет фазы полета.
Рисунок 11. Фазовый анализ спортивной хотьбы. Периоды опоры заштрихованы; вверху - левая нога, внизу - правая
Биомеханика бега
Особенности биомеханики бега (рис.12)
n Цикл движения похож на ходьбу, те же силы и группы мышц.
n Отсутствие фазы двойной опоры
n Наличие фазы полета (вместо двойной опоры)
n Более быстрое отталкивание и под более острым углом, чем при ходьбе
n Больший наклон туловища
n При приземлении нога частично согнута в коленном суставе (амортизация)
n Приземление может быть:
q С носка (при большой скорости): больше длина шага, больше амортизация , но больше напряжение сгибателей стопы и пальцев, которые выполняют толчок, следовательно, они не отдыхают и быстро устают
q С пятки (при небольшой скорости). слабая амортизация , сильный удар.
q С латерального края стопы (это лучше, чем с пятки), но для это-
го нужно в фазу полета расслабить все мышцы голени (это умеют
только квалифицированные спортсмены)
Рисунок 11. Фазовый анализ бега.
Биомеханика прыжка
Прыжок с места
n Сложное, ациклическое, переместительное, одновременно – симметричное движение , связанное с отталкиванием тела от опорной поверхности, полетом и приземлением.
n ОЦТ описывает параболу (аналогичен броску).
n Для прыжка важно, чтобы в момент отделения от земли все части тела оставались неподвижными относительно друг друга , иначе часть энергии расходится зря.
n Силы: сила тяжести – во все фазы, сила реакции опоры – кроме фазы полета.
Фазы прыжка с места
I. Подготовительная фаза.
n Приседание
n Разгибание в голеностопном суставе, сгибание – в коленном и тазобедренном суставах.
n Тело выдвигается вперед, ОЦТ выносится за площадь опоры, начинается падение.
II. Фаза отталкивания.
n Сгибание в голеностопном суставе, разгибание в коленном и тазобедренном суставах, взмах руками вверх (поднимает ОЦТ).
n Передача толчка на центр тяжести тела
n Сокращение мышц создаёт силу, которая преодолевает силу тяжести
III. Фаза полета.
n Траекторию центра тяжести задана (изменить ее могут внешние силы)
n Изменение в положении ОЦТ (сгибание ног, взмах рук) удлиняет фазу полета.
IV. Фаза приземления .
n Мышцы нижней конечности производят уступающую работу, уменьшая сотрясение тела.
n Амортизация сгибанием в коленном и тазобедренном суставах
n ОЦТ вынесен назад, но падению препятствует инерция верхних частей тела.
n Вдох – в момент отрыва (подъем рук), выдох – при приземлении.
Биомеханика плавания
Плавание (наряду с греблей) относится к циклическим локомоциям, осуществляемым по принципу отталкивания от жидкой среды. Взаимодействие пловца с водой создаёт силы, продвигающие его в воде и удерживающие на ее поверхности. При плавании силы, тормозящие продвижение, значительны, переменны и действуют непрерывно. Постоянная опора для отталкивания вперед отсутствует, опора создается во время гребковых движений и остается переменной по величине.
Загрузка...