Настольная книга остеопата. Основы биомеханики движения тела

Кинематические аспекты ходьбы были представлены ранее. Далее читатель ознакомится с некоторыми силами, участвующими в процессе ходьбы. Силу надо использовать для того, чтобы придать телу и его сегментам ускорение или замедлить его движение. Мышцы используют метаболическую энергию для выполнения механической работы, превращая эту энергию в механическую. Общую метаболическую стоимость локомоций можно измерить при помощи анализа потребления кислорода за единицу пройденного расстояния.

Duff-Raffaele с сотрудниками исследовали, какая доля потребляемой энергии расходуется на вертикальный подъем ЦТ тела во время ходьбы. Поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, затраты метаболической энергии на подъем ЦТ тела при малых скоростях ходьбы относительно невелики. Ученые обнаружили, что при комфортных скоростях ходьбы в 1,3 м/с и 1,8 м/с более половины (53,2 и 62,8 % соответственно) всей потребляемой энергии уходит на работу по подъему ЦТ. На медленных скоростях в 0,5 м/с и 0,9 м/с на работу по подниманию ЦТ приходилось всего 21,6 и 37,7 % от общего потребления энергии. Davies показал, что общая калорическая стоимость на единицу массы при ходьбе на 1609 м сильно различается у молодых и пожилых людей. Для пожилых мужчин и женщин в возрасте 65–78 лет характерен повышенный расход энергии при более медленных, чем у молодых людей, скоростях хода. Относительно низкая скорость ходьбы, характерная для людей пожилого возраста, представляется одной из причин повышения затрат метаболической энергии на единицу расстояния, причем это явление наблюдается как у пожилых людей, так и людей любой другой возрастной группы, если они стараются идти медленно. Данные оказались довольно неожиданными, потому что при медленной ходьбе энергетическая стоимость поднимания ЦТ тела значительно ниже, чем при нормальной и средней скорости ходьбы. Кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, а метаболическая стоимость преобразования ее при невысоких скоростях ходьбы относительно невелика. Duff-Raffaele и сотрудники предположили, что такое увеличение затрат энергии при низкой скорости ходьбы, по сравнению с нормальной скоростью, связано прежде всего с внутренней работой мышц.

Основной задачей локомоции является перемещение тела в пространстве с минимальными затратами энергии. Если преодолевается длинная дистанция, но потребление кислорода при этом невелико, то метаболическая стоимость такой ходьбы невысока. Потребление кислорода у человека, идущего со скоростью 4–5 км/ч, в среднем равняется 100 мл/кг веса тела в минуту. Максимальная эффективность достигается тогда, когда для преодоления определенного расстояния требуется минимальное количество энергии. Если скорость ходьбы возрастает и превышает привычную для данного человека, увеличивается и расход энергии на единицу преодолеваемого расстояния. Также, как уже говорилось выше, увеличение энергозатрат наблюдается и при снижении скорости ходьбы ниже привычной.

9.1. Механическая энергия

Подсчет расхода механической энергии при ходьбе подразумевает анализ обмена механической энергией между разными сегментами тела. Существует два вида механической энергии — кинетическая и потенциальная. Кинетическая энергия имеет поступательный и ротационный компоненты. Поступательная энергия связана с энергией линейного движения (и скорости) сегмента в пространстве. Ротационная энергия связана с круговой скоростью сегмента. Потенциальная энергия есть количество поднятой на некоторую высоту массы, умноженное на высоту подъема. Иначе говоря, если масса находится на какой-либо высоте, на нее действует сила тяжести, принуждая ее к падению, и, таким образом, мы говорим, что данная масса обладает потенциальной энергией. Количество потенциальной энергии, которой обладает поднятая на высоту масса, равно количеству кинетической энергии, требуемой для подъема той же массы с преодолением силы тяжести. Когда движение массы кверху останавливается в верхней точке, кинетическая энергия превращается в энергию потенциальную. Когда масса падает вниз, потенциальная энергия при ускорении вновь преобразуется в кинетическую. При ходьбе кинетическая энергия расходуется на подъем массы тела, сконцентрированной в ЦТ. Чем выше поднимается ЦТ, тем больше кинетической энергии расходуется. Когда в стадии середины опоры ЦТ достигает наивысшей точки, тело обладает максимумом потенциальной энергии. Опускание тела вниз происходит за счет той же потенциальной энергии, но для контроля этого движения требуется и кинетическая энергия. Она возникает при преобразовании потенциальной энергии в кинетическую во время движения вниз.