Новое исследование связывает беговые движения с силой реакции опоры и выявляет универсальные паттерны
Исследователи из Южного методистского университета в Далласе разработали новое краткое объяснение базовой механики бега человека. Этот подход даёт прямое понимание факторов, определяющих беговую производительность и риск травм, и может позволить использовать индивидуализированные паттерны походки для оптимизации дизайна обуви, ортезов и протезов.
Паттерны силы реакции опоры во времени определяют движение тела после каждого шага и, следовательно, напрямую влияют на результат. Ударная часть паттерна также считается критическим фактором для беговых травм.
«Человеческое тело механически сложно, но наше новое исследование показывает, что паттерн силы на земле можно точно понять по движению всего двух частей тела», — говорит Кеннет Кларк, первый автор исследования.
Новая «двухмассовая модель» от исследователей SMU существенно снижает сложность существующих научных объяснений физики бега. Существующие объяснения обычно полагаются на относительно сложные «многомассовые пружинные модели», которые имеют значительные ограничения: они разработаны для оценки удара пяткой при беге трусцой, предсказывают только раннюю часть паттерна силы и слабо связаны с реальным телом.
Модель SMU даёт новое понимание, предоставляя точные предсказания паттернов силы реакции опоры на протяжении всего периода контакта с землёй, независимо от механики конечности, типа постановки стопы и скорости бега.
«Входные данные нашей модели ограничены временем контакта с землёй, временем в воздухе и движением лодыжки или нижней конечности. Из трёх базовых переменных шага мы можем предсказать полный паттерн приложения силы к земле», — поясняет физик Лоуренс Райан.
Текущие методы оценки паттернов приложения силы требуют дорогих силовых платформ или беговых дорожек с датчиками силы. Новая модель открывает недорогие способы предсказания этих сил и скорости нагрузки на ткани.
Общий паттерн силы — сумма двух частей
Базовое понятие нового подхода относительно просто: паттерн приложения силы бегуна обусловлен движением двух частей тела:
- Нижней части ноги, контактирующей с землёй.
- Суммарной массы остального тела.
Силовые вклады этих двух частей предсказываются из их в основном независимых движений во время контакта, а затем объединяются для предсказания общего паттерна, используя только классическую физику.
Новый подход можно применять точно и недорого
Применение двухмассового подхода прямое и немедленное. Для него требуется только качественная высокоскоростная камера или хороший датчик движения и алгоритмы, связывающие силу и движение.
Критическим прорывом стало осознание, что вклад массы нижней части ноги не варьируется при ударе пяткой или передней частью стопы и может быть прямо измерен. Первоначальный силовой вклад возникает в результате быстрой остановки нижней части ноги (голени, лодыжки и стопы), которые вместе опускаются и останавливаются при контакте с землёй.
Олимпийские спринтеры подсказали открытие
Команда SMU обнаружила общий способ количественно оценить ударные силы, наблюдая большие воздействия у спринтеров олимпийского уровня. Как и у бегунов с ударом пяткой, их паттерны демонстрируют резкий пик, вызванный внезапным замедлением стопы и голени, но достигается это ударом передней частью стопы.
«Спринтеры мирового класса дали нам большой сигнал, чтобы понять критические детерминанты формы волны. Без их больших ударных сил мы, вероятно, не смогли бы распознать, что паттерны силы у всех бегунов состоят из двух базовых частей», — говорит Питер Вейанд.
При анализе сложных на вид сигналов силы исследователи обнаружили, что они фактически состоят из двух очень простых перекрывающихся волн.
Потенциал для диагностики травм и реабилитации
Новые паттерны потенциально имеют диагностические возможности. Например, можно сравнивать волны бегуна до травмы, после травмы и после реабилитации.
«Вы могли бы потенциально выявлять асимметрии у бегунов со стресс-переломами большеберцовой кости, тендинитом ахиллова сухожилия или другими травмами, сравнивая паттерны силы их травмированной и здоровой ноги», — отмечает Вейанд.
Паттерны могут показать, что спортсмен продолжает бежать с меньшей силой на травмированной конечности, даже если медицинские снимки говорят о заживлении, предлагая недорогой диагностический инструмент.
Исследование «A general relationship links gait mechanics and running ground reaction forces» опубликовано в Journal of Experimental Biology.