1.2. Динаміка ходьби і бігу.

Людина саморушійна система, оскільки першопричиною його рухів є внутрішні сили, які створюються м'язами і прикладаються до рухливих ланок тіла. До внутрішніх належать і сили інерції, які прикладаються до ланок тіла («фіктивні» сили інерції) або до зовнішніх предметів («реальні» сили інерції) (мал.3).

Сила інерції (F_ін) дорівнює добуткові маси всього тіла або окремої ланки на його прискорення і спрямована убік, протилежний прискоренню. Тому сила інерції сповільнює і розгін, і гальмування.

Поряд із внутрішніми на людину діють зовнішні сили. При ходьбі і бігу до них відносяться: сила тяжіння, сила реакції опори, сила опору повітря (див. мал. 3).

Сила тяжіння (гравітаційна сила) прикладена до центра мас і дорівнює добуткові маси тіла на прискорення земного тяжіння: G=mg (g=9,8 м·с²). Наприклад, при масі тіла 50 кг сила ваги близька до 500 Н.

Сила лобового опору повітря прикладена до центра поверхні тіла. Вона збільшується пропорційно квадрату швидкості. Наприклад, при швидкості 9 м/с сила лобового опору повітря в 4 рази більше, ніж при швидкості 4,5 м/с, і в 9 разів більше, ніж при швидкості 3 м/с. Розрахунки показують, що при швидкості бігу 8 м/с її величина досягає 20 Н.

Сила реакції опори не є рушійною силою, але її вимірюють і зображують графічно (див. мал. 3), для того щоб визначити результат спільної дії всіх сил (і внутрішніх, і зовнішніх). Як же формується опорна реакція?

Відштовхуючись від опори, людина діє на неї з силою відштовхування, що складається з двох компонентів: статичного – ваги (постійного і рівного силі ваги) і динамічного компонента. Динамічний компонент – може мати місце лише під час рухів, які виконуються із прискоренням, коли все тіло або окремі ланки розганяються або гальмуються.

На величину сили дії на опору впливають властивості доріжки і матеріал, з якого виготовлене взуття. Різниця у величині вертикальної складової опорної реакції при ходьбі у взутті з твердою шкіряною підошвою і підошвою з мікропористої гуми досягає 350 Н.

М'яке покриття доріжки і взуття з амортизаторами роблять техніку ходьби і бігу більш відповідну критерію комфортабельності. Тим самим зменшується тиск на суглоби і міжхребцеві диски. Не випадково ті, хто бігає підтюпцем по асфальті й у твердому взутті, часто скаржаться на болі в попереку і суглобах.

1.3. Енергетика ходьби і бігу.

При ходьбі і бігу величина механічної енергії залежить від швидкості руху тіла і його ланок, а також їхнім розташуванням, тобто кінетичною і потенційною енергією. При ходьбі і бігу людина витрачає енергію не тільки на горизонтальні, але і на вертикальні і поперечні переміщення загального центра мас.

В залежності від фази циклу величина кінетичної і потенційної енергії тіла змінюються. Характер цих змін у ходьбі і бігу принципово різний. Під час ходьби максимум кінетичної енергії збігається з мінімумом потенційної, а під час бігу максимум кінетичної енергії збігається з максимумом потенційної. Отже, при ходьбі відбувається рекуперація енергії, тобто її збереження шляхом переходу кінетичної енергії в потенційну енергію гравітації і назад, а при бігу цей вид рекуперації практично відсутній. Проте під час бігу більше виражений інший вид рекуперації, коли кінетична енергія переходить у потенційну енергію активних м'язів, які діють як пружина.

Енерговитрати на 1 м шляху при ходьбі менші, ніж при бігу, але лише при низьких швидкостях пересування. При високих швидкостях біг, навпаки, економічніше ходьби. Зона, де більш вигідний біг, відділена від зони, де більш вигідна ходьба, граничною швидкістю. Гранична швидкість визначається числом Фруда (Ф), яке обчислюється за формулою: де g – прискорення земного тяжіння (м·с²); v — швидкість пересування людини (м·с); L₀ – висота загального центра мас тіла в основній стійці (м).

Якщо число Фруда менше одиниці (Ф<1), то вигідніше ходьба, а при Ф>1 вигідніший біг. Гранична швидкість відповідає умові Ф = 1 і, отже, може бути розрахована за формулою:

Енергетичні витрати залежать від багатьох факторів, у тому числі від сполучення довжини і частоти кроків. При занадто коротких або надто довгих кроках (що відповідає недостатній або надмірній силі відштовхування) енерговитрати на 1м шляху вище, ніж при оптимальному сполученні довжини і частоти кроків. Наприклад, відхилення довжини кроку від оптимальної величини на 6% при бігу зі швидкістю 4 м·с збільшує енергетичні витрати на метр шляху в середньому на 1 Дж.

Питання для самоконтролю знань.

Який вид пересування (біг або ходьба) більш економічна і чому?