5.8.3 Динамика бега
К
моменту контакта опорной ноги с поверхностью опоры она пронируется в
подтаранном суставе и разгибается в голеностопном. Пронация необходима для компенсации
большего, чем при ходьбе приведения в ТБС и приближение стоп к генеральной
линии бега. Пронация обеспечивается мышцами голени и на первом этапе активна.
По мере переноса нагрузки на опорную конечность пронация увеличивается
спонтанно под влиянием веса тела. Кроме этого, под действием веса тела и силы
инерции стопа начинает сгибаться в голеностопном суставе. Данному процессу
противодействуют мышцы разгибатели стопы, прежде всего трехглавая мышца,
которые функционируют в уступающем режиме.
Пронация
и сгибание стопы в голеностопном и подтаранном суставе соответственно
обеспечивают амортизацию переднего толчка, гасят его энергию. Определенную роль
в этом процессе играет связочный аппарат стопы. Благодаря силам реакции связок
в полной мере проявляется рессорная функция стопы. Во время бега голеностопный
сустав замкнут во фронтальной плоскости, а подтаранный в сагиттальном связочном
аппарате, так же как и при ходьбе.
Сгибание
в голеностопном суставе приводит к увеличению угла тыльной флексии. Данное движение
обусловлено силой инерции, а также активностью мышц сгибателей стопы. Фаза
опоры на всю стопу завершается началом разгибания в голеностопном суставе,
переносом точки опоры стопы в область носка. После чего происходит отталкивание
от опоры – так называемый задний толчок. Основная роль в отталкивании
принадлежит мышцам разгибателям в голеностопном суставе, а также мышцам
пронирующим стопу. В связи с этим опорная реакция направлена
вверх-вперед-внутрь, при этом ОЦМ получает ускорение. Главная задача бега, как
локомоторного акта, сохранить полученное ускорение, преумножить его, преодолеть
силу трения и аэродинамические силы.
В
периоде полета разгибание стопы сменяется ее сгибанием в голеностопном суставе.
Цель этого движения – уменьшить расстояние до опорной поверхности. Его
обеспечивает передняя большеберцовая мышца. К концу периода полета оно вновь
сменяется на разгибание благодаря сокращению мышц разгибателей.
В
коленном суставе к моменту опоры имеется умеренное сгибание. Контакт стопы с
опорой есть так называемый передний толчок. В момент переднего толчка, величина
сгибания в коленном суставе увеличивается за счет действия веса тела, силы
инерции, а также сгибателей голени. Одновременное напряжение четырехглавой
мышцы бедра позволяет отчасти погасить часть энергии переднего толчка, до этого
роль демпфера выполняла стопа. Сокращение разгибателя начинает доминировать,
когда большая часть энергии переднего толчка уже погашена, это приводит к
закономерному разгибанию в коленном суставе. Продолжающееся разгибание в
коленном суставе, вместе с разгибанием стопы, обеспечивает отталкивание ее от
опоры. В периоде полета, для уменьшения расстояния между стопой и поверхностью,
нога активно сгибается в коленном суставе действием мышц сгибателей колена. К
концу периода полета нижняя конечность, вынесенная вперед, начинает разгибаться
в коленном суставе. Во фронтальной и горизонтальной плоскости движения
аналогичны таковым при ходьбе и совершаются автоматически, обусловленные
конфигурацией суставных поверхностей, связками и менисками.
Движения
таза, так же как и при ходьбе, следует рассматривать в совокупности с
движениями в ТБС. К началу периода опоры таз наклонен в сторону ноги,
вынесенной вперед. В ТБС наблюдается умеренное приведение, благодаря чему нога
приближена к средней линии. Перенос веса тела на нее вызывает наклон таза в
неопорную сторону. В данный момент опорный ТБС функционирует как рычаг первого
рода. Крен таза в неопорную сторону происходит под влиянием силы инерции, веса
тела, а также приводящей группы мышц. Противодействует этому отводящие мышцы,
которые функционируют в уступающем режиме, чем обеспечивается еще один уровень
демпфирования переднего толчка. Основная нагрузка при этом приходится на
верхние сектора ГБК и полулунной поверхности ВВ.
Неопорная
половина таза опускается вниз до уровня ограниченного длиной СГБ. Натяжение
последней, замыкает ТБС во фронтальной плоскости. Это в свою очередь запускает
механизм действия СГБ, подробно описанный при рассмотрении кинематики ходьбы.
Замыкание ТБС во фронтальной плоскости приводит к его преобразованию в рычаг
второго рода с переносом нагрузки на нижние сектора ГБК и полулунной
поверхности ВВ. Взаимодействие веса тела и силы реакции СГБ, влечет за собой
разворот таза в горизонтальной плоскости, в направлении опорной конечности. При
этом ОЦМ получает ускорение и начинает спонтанно двигаться вперед и кнаружи,
описывая дугу с центром в опорном ТБС. В нем наблюдается пронация, которая
поддерживается мышцами, вращающими бедро внутрь, что в свою очередь несколько
уменьшает нагрузку на СГБ и увеличивает скорость разворота таза. Супинаторы
бедра работают в уступающем режиме. При переходе в период полета, происходит
разворот таза в противоположную сторону от ноги, выносимой вперед. Это движение
сохраняется до начала очередного опорного периода.
В
начале опорного периода таз под действием веса тела и силы реакции опоры
несколько отклоняется назад в сагиттальной плоскости. Далее разгибание бедра в
ТБС приводит к его замыканию наружными связками. Продолжающееся движение тела и
таза вперед и фиксированное положение опорной стопы на поверхности опоры,
приводит к тому, что натянутые наружные связки увлекают за собой таз, наклоняя
его вперед в сагиттальной плоскости. Переход к периоду полета сопровождается
отклонением таза назад.
В
периоде полета, в ТБС каждой из нижних конечностей, несомненно, наблюдается
люфт ГБК кнаружи, особенно у той ноги, что находится впереди. Его ограничивает
вертлужная губа, суставная сумка, раскрученные наружные связки, расслабленные
мышцы. Соответственно оказываются разгруженными суставные поверхности и СГБ.
Синовия устремляется из шеечной, в ацетабулярную часть сустава, из которой
выжимается в момент переднего толчка. Это обеспечивает его демпфирование. В
лонном сочленении и КПС в этом же периоде наблюдается растяжение связок под
действием обеих неопорных нижних конечностей.
Сложные
движения таза во всех трех плоскостях отражаются и на движениях позвоночника.
Наклоны таза в сагиттальной и фронтальной плоскостях сопровождаются изгибами
позвоночника, подобные тем, что наблюдаются при ходьбе. Основной смысл их в
обеспечении вертикальной стабильности головы. Коррекция положения позвоночника
обеспечивается мышцами, отчасти упругостью связок и межпозвонковых дисков.
Стабилизация положения головы в горизонтальной плоскости происходит также за
счет вращения плечевого пояса в противофазе движениям таза. Маховые движения
рук стабилизируют тело в горизонтальной и вертикальной плоскости способствуют
сохранению избранного курса бега. За счет сочетания вращательных движений в
суставах пояса нижних конечностей совершается поступательное перемещение ОЦМ
тела.
СГБ
участвует в организации не только акта ходьбы, но и бега. Благодаря замыканию
ТБС посредством СГБ, в опорном периоде нагружены как верхний, так и нижний
секторы ГБК и ВВ. Наибольшая нагрузка воздействует на верхний сектор ГБК и ВВ,
в фазу переднего толчка. Отчасти погасить его энергию удается сгибанием в
голеностопном и коленном суставе, а также приведением в ТБС. СГБ, ограничивая
приведение и наклон таза, выступает в роли важного фактора обеспечивающего
вертикальное положение тела, автоматизирует движения таза и уменьшает затраты
мышечной энергии.
Исследования
R.A.Margaria et al., (1963) показали, что величина
затрат энергии зависит от скорости перемещения. Чем выше скорость бега, тем
выше затраты мышечной энергии. Известно, что при ходьбе со скоростью до 5 км/ч
удельная мощность изменяется не существенно. При большем увеличении скорости
ходьбы, а тем более при беге удельная мощность возрастает значительно (Образцов
И.Ф., Ханин М.А.,1989). Думается, что означенное иллюстрирует способность СГБ
минимизировать расходы энергии. При оптимальной скорости передвижения, до 5
км/ч, СГБ полноценно участвует в организации двигательного акта. Ускорение
приводит к переносу акцента на использование мышечной силы и сокращению времени
функционирования СГБ. Соответственно повышается удельная мощность и расход
энергии.
При
беге уменьшается период автоматического функционирования ТБС, ибо на поворот
таза в горизонтальной плоскости, влияет сила инерции, зависящая от скорости
бега. Основная нагрузка ложится на мышцы, именно они гасят энергию переднего и
заднего толчков, обеспечивают активный разворот таза и вращения прочих звеньев
ОДС. Учитывая повышенную энергоемкость бега, наличие мощных переднего и заднего
толчков существенно возрастают нагрузки на элементы ОДС.
По данным N.Rydell (1966), проводившем прямые измерения нагрузки на головку эндопротеза при беге, сила, действующая на нее, в 5 раз превышает вес тела в опорном периоде и в 3 раза в течение переносного периода. Здесь следует отметить, что механика эндопротеза ТБС, по нашему мнению, существенно отличается от механики нормального ТБС. Вследствие этого данные, приводимые автором невозможно в полной мере распространять на здоровые ТБС.
Автор:
Архипов С.В. – С.В. Архипов-Балтийский является псевдонимом, который использовался до начала 2006 года с целью более точной дифференцировки на научном поле.
Цитирование:
Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 1. Гл. 1-4. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]
Архипов-Балтийский СВ. Рассуждение о морфомеханике. Норма. В 2 т. Т. 2. Гл. 5-6. - Испр. и доп. изд. Калининград, 2004. [aleph.rsl.ru]
Примечания:
Первая крупная публикация автора, посвященная морфомеханике живых систем, биомеханике пояса нижних конечностей и связки головки бедра, ligamentum capitis femoris (LCF).
Ключевые слова
ligamentum capitis femoris, ligamentum teres, связка головки бедра, анатомия, морфомеханика, биомеханика
Биомеханика и морфомеханика