Энергетика ходьбы и бега
При ходьбе и беге механическая энергия определяется скоростями движения тела и его звеньев и их расположением, т. е. кинетической и потенциальной энергией. При ходьбе и беге человек затрачивает энергию не только на горизонтальные, но и на вертикальные и поперечные перемещения общего центра масс.
В зависимости от фазы цикла величина кинетической и потенциальной энергии тела изменяется. Характер этих изменений в ходьбе и беге принципиально различен. Кинетическая и потенциальная энергия в ходьбе изменяется в противофазе; например, в момент постановки ноги на опору максимум кинетической энергии совпадает с минимумом потенциальной, а в беге — синфазно (например, в высшей точке полета максимум кинетической энергии совпадает с максимумом потенциальной). Следовательно, при ходьбе происходит рекуперация энергии, т. е. ее сохранение путем перехода кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации и обратно, а при беге этот вид рекуперации практически отсутствует. Зато при беге значительно более выражен другой вид рекуперации, когда кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию сокращающихся мышц, действующих подобно пружине.
Энергозатраты на 1 м пути при ходьбе меньше, чем при беге, но только при низких скоростях передвижения. При высоких скоростях бег, наоборот, экономичнее ходьбы (см. рис. 53). Зона, где более выгоден бег, отделена от зоны, где более выгодна ходьба, граничной скоростью. Граничная скорость определяется числом Фруда (Ф), которое вычисляется по формуле
где g — ускорение земного тяготения (м/с2); v —скорость передвижения человека (м/с); Lo —высота общего центра масс тела в основной стойке (м).
Рис. 77. Энергетическая стоимость метра пути при различных сочетаниях длины и частоты шагов: пунктир — изоспиды; сплошные линии— линии одинаковых величин частоты пульса; стрелками указаны оптимальные по экономичности сочетания длины и частоты шагов
Если число Фруда меньше единицы (Ф<1), то выгоднее ходьба, а при Ф>1 выгоднее бег. Граничная скорость соответствует условию Ф=1 и, следовательно, может быть рассчитана по формуле
Энергетические затраты зависят от многих факторов, в том числе от сочетания длины и частоты шагов. При слишком коротких или чересчур длинных шагах (что соответствует недостаточной или чрезмерной силе отталкивания) энергозатраты на 1 м пути выше, чем при оптимальном сочетании длины и частоты шагов (рис. 77). Например, отклонение длины шага от оптимальной величины на 6% при беге со скоростью 4 м/с увеличивает энергетические затраты, приходящиеся на метр пути в среднем на 1 Дж.
Вопрос для самоконтроля знаний
Какой вид передвижения (бег или ходьба) более экономичен и почему?
Оптимизация ходьбы и бега
Для оптимизации ходьбы и бега прежде всего необходимо минимизировать непроизводительные энергозатраты.
Это важно и в том случае, когда критерием оптимальности служит экономичность и когда основной целью является повышение соревновательного результата.
Вопрос для самоконтроля знаний
Какой критерий оптимальности является основным, когда спортсмен стремится максимизировать среднедистанционную скорость?
В процессе оптимизации ходьбы и бега решаются следующие задачи:
1) Выбор оптимальной скорости, длины шага и темпа. Наиболее экономичные величины скорости, длины шага
и темпа изменяются с возрастом (рис. 78). Из рисунка видно, что у детей и пожилых людей уровни оптимальных показателей ниже (за исключением темпа у детей), чем у здоровых людей в возрасте расцвета двигательных возможностей. На их величину оказывает влияние ряд факторов: состояние здоровья, спортивная квалификация, степень тренированности, утомление, качество обуви и т. д.
2) Снижение вертикальных и поперечных колебаний о. ц. м.
Рис. 78. Возрастные изменения оптимальной по экономичности скорости и оптимального сочетания длины и частоты шагов при ходьбе (А) и беге (Б); вертикальными отрезками показаны доверительные интервалы, в пределы которых попадает 95% всех случаев
В ходьбе и беге полезной работой является только горизонтальная внешняя работа. Вертикальные и поперечные перемещения тела относятся к непроизводительным движениям. Однако ошибочно думать, что, устранив вертикальные перемещения тела совсем, можно сделать ходьбу и бег более экономичными. Наоборот, при полном отсутствии вертикальных колебаний их энергетическая стоимость возрастает, так как движения становятся скованными и теряется та часть энергии, которая при естественной технике движений рекуперируется. Существует оптимальная величина размаха вертикальных колебаний о. ц. м., при которой энергозатраты при ходьбе и беге минимальны.
Для устранения непроизводительных перемещений тела целесообразно использовать повороты таза (рис. 79). Благодаря поворотам таза не только уменьшаются вертикальные и боковые колебания тела, но также удлиняется шаг и ускоряется постановка стопы на опору.
Задание для самоконтроля знаний
Пройдите по комнате своей обычной походкой. А затем измените походку следующим образом: активно выполняйте подгребающее и отталкивающее движения опорной ногой и в то же время поворачивайте таз так, как показано на рис. 79. Вы заметите, что стук каблука об опору стал значительно меньше — походка сделалась мягче.
Почему так получилось? Как это отразилось на скорости и экономичности ходьбы?
Наряду с оптимальной скоростью, о которой уже рассказывалось, имеет важное значение зона экономичных режимов передвижения (рис. 80). Зоной экономических режимов называется диапазон скоростей от оптимальной (наиболее экономичной) до пороговой, соответствующей уровню анаэробного порога (Анаэробный порог — это интенсивность физической нагрузки, начиная с которой из-за значительного усиления анаэробного метаболизма происходит накопление лактата в крови. Подробное объяснение этого феномена в курсе биохимии). Уменьшение скорости бега и ходьбы по сравнению с оптимальной нерационально, так как приводит к возрастанию энергетической стоимости метра пути. Бег со скоростью выше пороговой вызывает накопление в организме молочной кислоты и других продуктов метаболизма, а это приводит к сильному утомлению.
Передвижение с наиболее экономичной скоростью используется в качестве поддерживающей физической нагрузки, для больных и ослабленных такая нагрузка является развивающей. Пороговая интенсивность бега в спорте считается оптимальной при формировании основ выносливости.
|
Рис. 79. Движения таза при ходьбе: а — увеличение длины шага за счет поворота таза (по Д. А. Семенову, цит. по Д. Д. Донскому, 1960 г.) |
Рис. 80. Границы зоны экономических режимов при ходьбе, беге и передвижении на лыжах (пунктир): о — оптимальная (наиболее экономичная) скорость; ■ — анаэробный порог: 1 — мальчики 5—7 лет; 2 — мальчики 11 — 12 лет; 3— мужчины 55—65 лет; 4 — юноши 15— 17 лет; 5 — женщины 20—22 лет; 6 — мужчины 20—25 лет; 7 — мальчики 5—7 лет; 8 — женщины 20—22 лет; 9 — мальчики 11 — 12 лет; 10 — нетренированные мужчины 20— 22 лет; 11—тренированные девушки 15— 16 лет; 12 — тренированные юноши 15— 16 лет; 13 — тренированные мужчины 21—24 лет; 14 — тренированные девушки 15—17 лет; 15 — тренированные юноши 15—17 лет; 16 — тренированные мужчины 18—26 лет; 17 — высокотренированные мужчины 19—24 лет; 18 — мужчины 45—60 лет после инфаркта миокарда |
Контрольные вопросы
1. Каковы различия в кинематике ходьбы и бега?
2. Каков механизм отталкивания при ходьбе и беге? Какова при этом роль маховых движений?
3. Какие внешние силы действуют на человека во время ходьбы и бега?
4. Что влияет на величину силы лобового сопротивления воздуха и как она зависит от скорости передвижения?
5. Каков характер изменения кинетической и потенциальной энергии при ходьбе и беге?
6. Какие разновидности рекуперации энергии имеют место при ходьбе и беге?
7. Что такое оптимальная скорость и оптимальное сочетание длины и частоты шагов?
8. Что такое зона экономичных режимов? Как ее определить и как использовать эти сведения при программировании двигательных режимов?
9. Каковы величины оптимальной скорости ходьбы у людей разного возраста?
10. Разгадайте кроссворд (рис. 81).
Рис. 81. Кроссворд.
По горизонтали. 1. Наибольшее отклонение, размах. 2. Универсальное взаимодействие материальных тел. 3. Сегмент конечности человека. 4. Наименование фазы в цикле бега. 5. Раздел физики, сведения из которого используются в биомеханике. 6. Акт, осуществляемый благодаря сокращению мышц.
По вертикали. 1. Половина цикла ходьбы. 2. Звено ноги. 3. Общая часть названия трех биомеханических характеристик. 4. Линия, все точки которой соответствуют одной и той же скорости. 5. Вид циклических локомоций. 6. Двигательное действие при беге, в результате которого период опоры сменяется периодом полета. 7. Один из критериев оптимальности техники ходьбы и бега. 8. Раздел биомеханики, изучающий внешнюю картину движений.
