Тазобедренные суставы главенствуют при ходьбе, голеностопы — при беге

В первом исследовании, сравнивающем движения человека при ходьбе и беге, ученые из Университета Северной Каролины выяснили, какие суставы нижних конечностей являются основными источниками мощности. Оказалось, что при ходьбе больше мощности генерируют тазобедренные суставы, а при беге — голеностопные. Колени обеспечивают примерно одну пятую или меньше мощности в обоих случаях.

Исследование провели биомедицинские инженеры доктора Доминик Фаррис и Грегори Савицки из лаборатории Human PoWeR (Physiology of Wearable Robotics) NC State. Их работа опубликована в журнале Interface.

В отличие от предыдущих исследований биомеханики, фокусировавшихся на всем теле или отдельных конечностях, эта работа впервые детально изучила механическую мощность, генерируемую конкретными суставами нижних конечностей при ходьбе и беге на разных скоростях.

Ключевые результаты:

• При ходьбе в целом больше мощность генерируют тазобедренные суставы.
• При скорости 2 м/с (переход от быстрой ходьбы к бегу) бедра генерируют 44% мощности, а голеностопы — 39%.
• При начале бега с той же скорости (2 м/с) картина меняется: голеностопы обеспечивают 47% мощности, а бедра — 32%.
• С увеличением скорости бега голеностопы продолжают оставаться главным источником мощности, хотя вклад бедер снова возрастает.

«Похоже, существует перераспределение генерации мощности от бедер к голеностопам при переходе от ходьбы к бегу», — отмечает Савицки.

Практическое значение

Это знание может помочь в разработке вспомогательных устройств, таких как экзоскелеты или протезы. Инженерам необходимо понимать, как распределять механическую мощность между суставами в зависимости от скорости и типа походки человека.

«Если устройство, например, имеет моторы и у бедра, и у голеностопа, то при переходе пользователя с ходьбы на бег энергию нужно будет перераспределять от бедра к голеностопу», — поясняет Фаррис.

Методология

В исследовании участвовали 10 человек, которые ходили и бежали с разной скоростью на специальной беговой дорожке. Их движения фиксировались камерами по отражающим маркерам, а дорожка измеряла прилагаемую силу.

Исследование проводилось для движения по ровной поверхности. Ученые отмечают, что ходьба и бег по наклонной поверхности принципиально отличаются и, вероятно, сместили бы баланс мощности в сторону бедер и коленей.