Кінематика ходьби

на тему:

План:

1. Біомеханіка як наука.

2. Основні поняття у кінематиці рухів людини.

3. Механізм відштовхування від опори при ходьбі.

4. Махові рухи як допоміжна ланка при пересуванні ЗЦМ тіла.

5. Режим ходьби та послідовність у їх протіканні.

а) Опорний та без опорний періоди.

6. Стрибок. Довжина та його частот.

а) Вплив змін частота стрибків та їх частоти на швидкість бігу.

7. Кінематичні ефекти швидкості.

8. Діаграми кут-кут.

Для вивчення характеру рухів виникла наука, яку прийнято називати біомеханіка. Термі “Біомеханіка” складений з двох грецьких слів: bios – життя та mechanike – наука по машини. Ця наука характеризується припиненням основних принципів механіки, тобто науки про механічні рух матеріальних тіл та взаємодіях, які відбуваються при цьому між ними, до живих істот.

Механіка займається розгляданням найпростішої форми руху матерії – механічної. Такий рух включає в себе зміну взаємного розтягування тіл чи їх частин в просторі за певний період часу. При аналізі необхідно виходити з ряду основних понять. Розглянемо їх.

Матеріальною точкою називається тіло, розміри та форма якого не враховуються при поставленій заді.

Рух матеріальної точки характеризується її швидкістю. В випадку рівномірного руху (тобто коли точка за рівні проміжки часу проходить однаковий шлях) швидкість визначається довжиною шляху, пройденого за весь час руху. Загалом, коли рух нерівномірний і змінює свій напрямок, швидкість визначається як векторна величина V, яка дорівнює першій вихідній від радіус –вектора r токи, яка рухається

ŕ

Інтенсивність зміни швидкості при нерівномірному русі характеризується прискоренням а, яке визначається за формулою

V

Закон кінематики діють в повному об’ємі в спортивній біомеханіці маємо справу з складними рухами.

При розгляданні кінематики зустрічається і складний рух в суглобах при виконанні тої ч іншої вправи, і перемінний рух при бігу, і рівномірний рух при ходьбі, коли людина розглядається як матеріальна точка. Ці рухи відбуваються завдяки зусиллям м’язів переміщати тіло людини відносно опори або середовища (локомоторні рухи). При цьому відбувається зміна зовнішньої картини рухів людини (положення, швидкість, прискорення), її місцезнаходженням в просторі по відношенню до певної системи відліку, тривалість рухів в часі, як швидко міняється положення тіла, в якому напрямку і як швидко воно переміщається, які взаємодії відбуваються людини з предметами зовнішнього середовища.

Відштовхування від опори виконується з допомогою:

а) власне відштовхування ногами від опори та

б) махових рухів вільними кінцівками і другими ланками.

Ці рухи тісно взаємопов’язані в одній дії – відштовхуванні. Від їх узгодження в значній мірі залежить повнота відштовхування.

При відштовхуванні опорні ланки нерухомі відносно опори, є рухомі ланки під дією тяги м’язів пересуваються у загальному напрямку відштовхування. Тіло людини – це само рухлива система. В такій системі сили тяги м’язів прикладені до рухливих ланок. Відносно кожної ланки сила тяги м’язів, прикладена до нього ззовні, слугує зовнішньою силою. Відповідно, прискорення центрів мас рухливих ланок обумовлені відповідними зовнішніми для них силами, тобто тягою м’язів. Реакція опори не є джерелом роботи. По закону зберігання кінетичної енергії зміною кінематичної енергії рівні сумі робіт внутрішніх та зовнішніх сил. Оскільки робота зовнішніх сил (опори) дорівнює нулю, то кінетичну енергію тіла людини змінює тільки робота внутрішніх сил (м’язів).

Реакція опори при відштовхуванні під кутом, який відрізняється від прямого (не перпендикулярно до опорної поверхні), нахилені до опорної поверхні та мають вертикальні і горизонтальні складові. Вертикальні складові обумовлені динамічною вагою, тобто сумою маси та сил інерції рухомих ланок, маючих прискорення, яке направлене вертикально вверх від опори. Горизонтальні складові реакцій опори обумовлені горизонтальними складовими сил інерції рухомих ланок. Контакт опорних ланок з опорою не точковий, тому можливі обертальні зусилля, що ускладнює схему реакції опори.

Махові рухи при відштовхуванні – це швидкі рухи вільних ланок тіла в основному по направленню з відштовхуванням ногою від опору. При махових рухах переміщуються центри мас відповідних ланок тіла, що веде до переміщення загального центру ас (ЗЦМ) всього тіла. Якщо прискорення ланок тіла, виконуючих махові рухи, збільшується, то і прискорення ЗЦМ збільшується. Таким чином, махові рухи, як і відштовхуються ногою, ведуть до переміщення та прискорення ЗЦМ.

В махових рухах у фазі розгону швидкість ланок збільшується до максимуму. З збільшенням її збільшується і швидкість ЦМ всього тіла. Відповідно, чим вище швидкість махових ланок, тим вона більше діє на швидкість ЗЦМ. У фазі гальмування м’язи-ентагоністи, розтягуючись, напружуються і цим уповільнюють рухи махових ланок, здійснюючи негативну роботу, швидкість їх зменшується до нуля.

У фазі гальмування мохових ланок їх прискорення направлені до опори, а сили інерції – від неї.

Відповідно, навантаження на м’язи поштовхової ноги у цей час зменшується, їх сила тех. Падає, але швидкість скорочення збільшується. Скорочуючись швидше, вони можуть додавати швидкість у останні моменти відштовхування.

Так. Мохові рухи допомагають пересуванню ЗЦМ тіл при відштовхуванні, збільшуючи швидкість ЦМ, збільшуючи силу та подовжуючи час відштовхування ногою, та нарешті складають умови для швидкого завершую чого відштовхування.

Для того, щоб показати використовування кінематичних елементів (положення, швидкості та прискорення) при аналізі рухів людини, розглянемо деякі кінематичні характеристики ходьби. Ходьба людини включає в себе ряд чергу вальних рухів, при яких тіло спочатку спирається на одну кінцівку, контактуючи з землею, а потім на другу, Хоча це здається простим, керування рухом достатньо складне і до теперішнього часу, не дивлячись на досягнення сучасної технології, не вдалося створити технічний пристрій, задовільно імітуючий людську ходу.

Ходьба людини має два режими – ходьба та біг. Різниця між нити полягає в долів часу кожного циклу, впродовж якого тіло підтримується при контакті ноги з землею. У процесі ходьби (світлі символи на мал.1). Майже увесь час одна нога постійно знаходиться на землі, і в продовж короткого періоду кожного циклу обидві ноги знаходяться на землі, ходьбу можна охарактеризувати як чергу югу послідовність рухів з опорою на одну або обидві кінцівки. Навпроти, біг - це чергуючи послідовність рухів з опорою та без опори, причому дол. Часу опорного стану у циклі змінюється зворотною пропорційно швидкості: по мірі збільшення швидкості довго тривалість опори зменшується.

Зауважимо, що впродовж одного циклу як ходьби, так бігу мається послідовність наявності та відсутності опори. Період опори називається опорним періодом, період відсутності опори – без опорним періодом. Ці інтервали поділяються двома подіями: миттєвістю, в якій нога контактує з землею – відштовхуванням (FS), і миттю, коли нога відривається від землі – відривом (ТО).

Цикли ходьби визначаються цими подіями. Наприклад, один повний цикл від відштовхування до відштовхування однієї тієї ж ноги визначається як стрибок.

Стрибок складається з двох кроків. Крок визначається як частина циклу від відштовхування (або відриву) однієї ноги до відштовхування (або відриву) другої. Впродовж скачка мають місце чотири відштовхування та відриву, по два на кожну кінцівку. Це праве відштовхування (VFS), правий відрив (rТО), ліве відштовхування (lFS) і лівий відрив (lТО). Фаза опору існує між відштовхування (АІ) та відривом (ТО), тоді як без опорна фаза – між ТО та FS.

Швидкість бігу залежить від двох перемінних – довжини та частоти скачка. Якщо довжина скачка залишається постійною, то по мірі того як тривалість скачка зменшується (тобто збільшується частота сачків), швидкість бігу збільшується. Якщо частота сачків залишається постійною, швидкість збільшується з величиною довжини скачка.

Бажана швидкість може бути дістана при узгодженій зміні довжини та частоти скачків. Наприклад, людина, яка біжить зі швидкістю 8 м.с.-1
, буде використовувати частоту скачків коло 1,75 Гц та довжину скачка біля 4,6 м. Як видно з малюнку, в середньому бігун збільшує швидкість у діапазоні від 4 до 9 м.с.-1
шляхом постійного підвищення частоти сачків, хоча більш повільніше (похил не дуже крутий) при менших швидкостях, збільшуючи при цьому довжину скачка тільки при досягненні швидкості приблизно до 8 м.с.-1
. Подальше збільшення швидкості досягається підвищенням частоти сачків, а їх довжина вже майже не змінюється.

Треба звернути увагу, що вплив змін довжини та частоти сачків на швидкість бігу різноманітний при низьких та високих швидкостях, це ілюструється різним нахилом кожної кривої (довжини та частоти сачків) при різних швидкостях.

У відміні від середніх даних стратегія, вибрана чотирма бігунами для прискорення швидкості бігу. Дані отримані шляхом вимірювання довжини скачку по відбиткам ніг та швидкості скачків – від реле на ногах, визначаючих параметри опорної фази. Розглянемо результати, отримані для суб’єктів SU, у котрого зміна швидкості з 4,3 до 8,5 м.с.-1
була досягнута у два етапи: першопочаткова зміна швидкості (від 4,3 до 7,0 м.с.-1
) була обумовлена збільшеним довжини скачка ( з 3,2 до 4,4 м) та частоти сачків (3 1,4 до 1,7 Гц); послідуюче збільшення швидкості (з 7,0 до 8,5 м.с.-1
) було досягнуто при невеликому зменшенні довжини скачка (коло 20 см) та істотному збільшенні їх частоти (з 1,7 до 2,0 Гц).

Зміна швидкості бігу шляхом збільшення довжини стрибка потребує зміни кінематики кінцівок. При цьому змінються як загальний малюнок рухів (якісні Зіни), так і кількість переміщень в суглобах, які беруть участь у цьому русі (кількість зміни).

Наприклад, кутове переміщення відносно уклінного суглобу збільшується, коли бігун переходить з ходьби на біг, і фаза опори (чорна горизонтальна лінія) включає не тільки розгинання коліна під час спринту, але й розгинання і згинання під час ходьби та бігу.

По мірі збільшення швидкості бігу також змінюється рух руки, котре включає в себе збільшення діапазону руху як в плечовому, так і в ліктьовому суглобах. В результаті таких змін амплітуда коливань центру важності всього тіла у вертикальній площині зменшується мірі збільшення швидкості.

Кінематичні характеристики, котрі не розрізняються у бігунів, здатних досягнути швидкості 9 та 11 м.с.-1
, включає в себе: а) довжину стрибка; б) мінімальну відстань між п’ятою та ягодицею під час безпарної фази; в) вертикальну швидкість при відштовхуванні; г) висоту ступні над землею. Під час безанарної фази, коли вона проходить опорну ногу. В той же час ті бігуни, котрі можуть досягти швидкості 11 м.с.-1
, показують: а) на 15% більшу частоту стрибків; б) меншу тривалість опорної фази; в) більш коротку горизонтальну відстань між ногою вертикальною проекцією центра важкості при відштовхуванні; г) мети зорі гнутий колінний суглоб при відштовхуванні; д) більш вертикальне положення торса. Ці різниці показують, що на максимальну швидкість бігу, котру може розвинути бігун впливають кінематичні особливості руху.

Циклічні види діяльності, такі, як ходьба та біг, є ідеальними рухами для уявлення на діаграмах кут-кут, оскільки початок та кінець руху знаходиться приблизно в одній і тій точці діаграми. Цей тип діаграм виявився корисним при порівнянні різноманітних видів руху. Наприклад, порівняння діаграми коліно-стегно нормального суб’єкта під час бігу з діаграмою суб’єкта, у котрого була ампутована нижня частина кіль цівки, може бути, корисним для оцінки ефективності протезу у відновленні нормальної ходи.

Для інтерпретації розтягнутих криву в напрямі проти годинникової стрілки.

Вона ілюструє діаграму кут-кут для однієї ноги під час бігу. Як зазначалося вище, кожна нога під час стрибку випробовує відштовхування (FS) та відрив (ТО). Між відштовхуванням та відривом (опорна фаза – пунктурна лінія) нога знаходиться в контакті з землею. Навпроти, між відривом та відштовхуванням (безорпорна фаза – пряма лінія) ступня вказаної кінцівки не знаходиться у контакті з землею. Крім того, під час без опорної фази (від ІТО до IFS) друга нога спочатку контактує з землею, а потім відривається від неї (від rFS до rTO). Відповідно мал. 6 показує, що а) стегно повертається вперед відносно тазостегнового суглобу і коліно згинається до мінімального кута; б) після мінімального кута коліно розгинається до моменту, як раз перед IFS, тоді як стегно продовжу повертатися уперед, а потім починає повертатися назад; в) під час опорної фази (від IFS до ІТО) коліно спочатку згинається, а потім розгинається, в той час як стегно повертається назад.

Діаграми кут-кут мають ряд важливих особливостей. Відносний кут (коліно) показуються відносно абсолютного кута (стегно). Графік ілюструє комбіновану дію згинання – розгинання коліна та повороту стегна вперед – назад. На малюнку показані тир опорні вісі, за допомогою яких можна легше наглядно оцінити діапазон оцінити діапазон переміщень при русі: а) вісь 3/2 П вказує кут стегна, при якому стегно буде у вертикальному положенні; б) вісь П(3,14 ряд) показує кут коліна при повному розгинанні; в) вісь П/2 показує прямий кут (1,57 ряд) колінного суглоба. У відповідності з мА 6 стегно проходить перед та за лінією 3/2 П; колінний суглоб ніколи повністю не розгинається; найменший кут коліна менше, ніж прямий кут під час нормального стрибка при бігу зі швидкістю 4,2 м.с.-1
.

По відношенню до паралельної діаграми коліно-стегно опорна фаза (IFS-ІТО), для суб’єктів з ампутацією ноги нижче коліна, істотно відрізняться від опорної фази, ілюстрованій мал. 6. для здорових осіб.

Більш конкретно, на діаграмі коліно-стегно ампутантів можна виявити рух колінного суглоба з постійним кутом, з яким слідує згинання, а не звичайну послідовність згинання та розгинання. Оскільки, показую діаграму коліно-стегно для протезованої кінцівки при ампутації нижча коліна, вид графіка, не повинне дивувати. Немотивованість згинання коліна під час без опорної фази, відсутністю негайного зменшення кута коліна після FS, означає, що ампутанти використовували своє кінцівки як жорсткі ричаги, довкола котрих відбувалося обертання. В той час як протезована нога була на землі. Цей тим графічного зображення може бути використаний у клінічній практиці для контролю програми реабілітації, керованої на коректування ходьби для приближення до нормальної.

Діаграми кут-кут використовувались також для показу кінематики рук під час бігу. Оскільки рухи рук часто не обмежене сагітальною площиною під час бігу, необхідна техніка зображення, яка може врахувати трьохмірний рух. Якщо е зробити, то змінна верхньої частини руки відносно плеча та відносний кут між плечем та передпліччя (ліктьовий кут) для людини, яка біжить зі швидкістю 11,4 м.с.-1
.

Позитивний кут плеча означає згинання (вперед по вертикалі), негативний – розчинення (назад від вертикалі) звісна амплітуда та час зміщення змінюються в залежності від швидкості бігу. Зміщення відносно плечового та ліктьового суглобів показані верхнім правим та нижнім лівим квадрантами діаграми кут-кут. Верхній правий квадрант відображає одночасне згинання плеча та коліна, тоді як нижній квадрат – одночасне розгинання плеча та коліна. Опорна фаза в основному супроводжується одночасним згинанням обох суглобів. Але є моменти, коли в обох суглобах мають місце протилежні рухи. Один з прикладів – фаза від IFS до ІТО, коли плече розчинається, а лікоть згинається. Кутові діаграми лікоть – плече, подібне таким же діаграмам для ноги, - якісний засіб для оцінки загальної картини руху.

Другою корисною особливістю циклічних діаграм кут-кут, крім якісної ілюстрації, є те, що розмір діаграми вказує діапазон переміщення у кожному суглобі під час руху. Наприклад, можна було б очікувати, що збільшення тривалості без опорної фаз по мірі збільшення спринтером швидкості обмовлене змінами діапазону руху в різних суглобах нижньої кінцівки.

Гарною вправою для перевірки засвоєння засобу дослідження руху за допомогою діаграми кут-кут є побудова діаграми коліно-стегно при русі людини спочатку вверх по нахилу, а потім вниз. При цьому виникає ключове питання, як займеться рух по відношенню до трьох опорних осей. Наприклад, було б розумно очікувати, що в порівнянні з бігуном на горизонтальній поверхні бігун, який біжить вверх по похилу, буде менше розгинати коліна, менше згинати коліно при мінімальному куті т його стегно більшу частину стрибка буде знаходитись спереду вертикалі (обертання вперед).

Діаграма кут-кут, вперше запропонована Cavenagh та Grieve (1973), у значній мірі обмежена тим, що дає уявлення тільки про положення частини тіла. Деякі дослідники (наприклад, Hillen, 1978) експериментували з аналогічними діаграмами для кутої швидкості та прискорення, але ці спроби були прийняті без особливого ентузіазму, вірогідно, через складність інтерпретації.

Отже, “одиницею” ходьби є крок. Він визначається як частина циклу від відштовхування однієї ноги до відштовхування другої. На протязі стрибка має місце чотири відштовхування і відриви, по два на кожну ногу. Крокові рухи характеризуються перемінною активністю ніг з чергуванням відштовхування і переносу кожної ноги. Ці рухи відзначаються строгою узгодженістю і відповідністю будові тіла, яке являє собою складний механізм для забезпечення цілеспрямованої рухової активності людини.

Використана література:

Р.М. Епока “Основи кінезіології”. Київ Олімпійська література. 2000 р.

Б.Є. Лімет “Лекції по біомеханіці”.