Какая особенность человека связана с прямохождением. Cпособность человека к прямохождению
В процессе эволюции человека постепенно сформировались признаки прямохождения: сбалансированная посадка головы, S-образный позвоночник, сводчатая стопа, широкий таз, широкая и плоская грудная клетка, массивные кости нижних конечностей, ориентация лопаток во фронтальной плоскости. S-образный позвоночник является своеобразным амортизатором при осевых нагрузках.
Как известно, выделяют изгиб вперёд в шейном отделе - шейный лордоз, изгиб назад в грудном отделе - грудной кифоз, изгиб вперёд в поясничном отделе - поясничный лордоз. За счёт естественных изгибов увеличивается прочность позвоночника к осевой нагрузке. При резких и чрезмерных нагрузках позвоночник как бы «складывается» в S-образную форму, предохраняя диски и связки позвоночника от травмы, а затем расправляется как пружина.
Прямостоящий скелет позволяет человеку передвигаться, в отличие от других животных, на двух ногах, перенося вес с пятки на передний отдел стопы, что превращает каждый шаг в упражнение по балансированию. Нагрузка передаётся через большеберцовую кость. Точка опоры приходиться на носок Усилие создаётся ахиллесовым сухожилием, которое при сокращении мышц икры, поднимает пятку Своды стопы «гасят» инерционные нагрузки при приземлении, которые достигают до 200 % веса тела. Естественная, сбалансированная посадка головы, позволяет длинным осям орбит быть обращёнными вперёд. Это отличительный признак человека от его человекообразных «собратьев», у которых голова подвешена на затылочных мышцах (антропологи определяют положение головы по строению основания черепа и шейных позвонков).
Сбалансированное положение головы исключает растяжение задних связок шеи и необходимость постоянного напряжения мышц шеи, главным образом, в отличие от животных, - мышцы - верхней трапеции. В процессе исторического развития человечество прошло сложный путь.
Признаки прямохождения: сбалансированная посадка головы, S-образный позвоночник, сводчатая стопа, широкий таз, широкая и плоская грудная клетка, массивные кости нижних конечностей, ориентация лопаток во фронтальной плоскости.
С развитием цивилизации изменялись требования к опорно-двигательной системе. Если древние люди находились или в вертикальном или в горизонтальном положении (охотились, собирали, воевали, лежали, отдыхая), то уже в XVII столетии 10 % населения выполняли сидячую работу. В XXI столетии число таких работников увеличилось до 90 %. В процессе эволюции человек перестал приспосабливаться к окружающей среде и стал приспосабливать среду к себе, и это не могло не сказаться на осанке. Изобретение скамьи, стула (это вероятно XV век) существенно изменило биомеханику человека, появилась новая проблема - «осанка сидящего на стуле». Современный человек большую часть своего времени проводит сидя на работе, дома, в транспорте, работая, обучаясь, отдыхая, ожидая, принимая пищу.
Поза «сидя», - оптимальная для выполнения конторской работы и обучения, является тяжким испытанием для опорно-двигательной системы. Именно в этой позе чаще всего страдает осанка. Именно длительная поза сидя является причиной боли в спине, и причиной различных заболеваний. 18 век - век массового школьного обучения. Этот прогрессивный исторический процесс имеет и оборотную сторону. По данным российского института детской ортопедии у 40-80 % детей выявляются нарушения осанки, а у 3 %-10 % из них - различные искривления позвоночника так называемые школьные сколиозы.
С развитием цивилизации изменяются содержание, организация и методы людского труда. Офисные работники - новая массовая профессия, численность которых составляет более 60 % всего работающего населения. Необходимость длительного соблюдения сидячей рабочей позы (работая за компьютером, с документами, с клиентами) приводит к росту числа заболеваний опорно-двигательной системы взрослого населения. Число таких заболеваний неуклонно растёт, они молодеют и эта тенденция, вероятно, сохранится в обозримом будущем.
Один из наиболее важных вопросов в проблеме происхождения человека - какой из
способов передвижения приматов являлся предпосылкой к двуногому хождению.
Ч.Дарвин считал, что наши предки были древесными животными.
Одна из теорий - "брахиаторная", - считала, что только брахиация могла привести
к хорошему развитию ключицы, к широкой грудной клетке, к способности супинации и
пронации конечностей. Согласно этой теории общий предок гоминид и понгид был
брахиатором.
Сторонники другой теории - исходно четвероногого хождения - сходство рук
обезьяны и человека считали конвергентным: и труд, и лазание по ветвям привели,
по мнению этих исследователей, к одинаковому результату. Изучая особенности
стопы у человека, обезьян и других млекопитающих - ежа, крысы, сурка и др. - они
считали, что стопа человека ближе всего к типу стопы макака, т.е. у человека не
было приспособлений ни к брахиации, ни к передвижению прыжками, как это считал
Джонс Вуд, сторонник происхождения человека от долгопята, минуя стадию обезьян.
Брахиация в настоящее время рассматривается как крайнее приспособление к
древесному образу жизни.
Одна из теорий, - теория крурации: согласно ей двуногому хождению
предшествовало хождение по ветвям в полувыпрямленном положении (крурация).
Некоторые авторы считают что предок человека мог при этом опираться на пальцы
рук, как это делают современные крупные человекообразные обезьяны, другие
авторы считают важным для возникновения двуногости вертикальное лазание.
Надо отметить, что ни один из сторонников древесной стадии не имел в виду исключительно древесную жизнь. При всей приспособленности стопы к наземному передвижению она сохраняет черты древесной локомоции предков, например, имеется мышца, отводящая первый палец. Способность к отведению первого пальца развита у многих лазающих млекопитающих, например у крысы, сумчатых и некоторых грызунов. Одной из предпосылок к развитию прямохождения, возможно, было прямосидение, которое свойственно всем приматам.
Данные палеонтологии не дают достаточных материалов для разрешения этой дискуссии. Египтопитек, вероятно, был четвероногой древесной обезьяной, сходной с ревуном, он подвешивался к веткам кистями и стопами. Дриопитек, проконсул, плиопитек имеют генерализованный скелет, сходный с широконосыми, тонкотелыми и человекообразными обезьянами. Строение их плечевого сустава показывает большую свободу руки. Локомоция их могла включать и брахиацию. Считают, что группа миоценовых гоминоидов была неоднородной по развитию локомоции, плиопитек был древесным четвероногим, проконсул - полубрахиатором, дриопитек - ходил на суставах передних конечностей. У миоценовых гоминоидов обнаруживаются признаки выпрямления тела, но только начальные признаки. У некоторых более поздних форм - например ореопитека - наблюдается более выпрямленное положение тела. Об этом свидетельствуют пять массивных поясничных позвонков, структура верхнего конца бедра, большая ширина подвздошной кости и другие признаки. В передней конечности были и признаки брахиации - передвижения на руках: это удлинение передней конечности, подвижность запястного сустава, изогнутость фаланг и пясти. У современных понгид сохранился брахиаторный комплекс. Способность рук к размаху до 180 градусов, к широкой пронации и супинации, хватательный тип кисти с противопоставлением первого пальца являются важной аргументацией в пользу древесной стадии приматов.
В процессе антропогенеза черты брахиаторной специализации могли вытесняться,
но еще сохранялись у ранних австралопитековых. У них передние конечности
длиннее задних, фаланги пальцев ног длинные и изогнутые, по строению скелета они
сходны с человекообразными обезьянами.
Способность к выпрямленному положению тела является одной из основных
особенностей приматов. По некоторым предположениям, исходным типом локомоции
было вертикальное цепляние и прыгание. Все современные приматы при сидении
принимают выпрямленное положение тела и многие способны к вертикальным формам
передвижения, в том числе и к двуногости, особенно хорошо эта способность
выражена у человекообразных обезьян, у которых увеличивается опорная роль
задней конечности. Однако двуногое передвижение человекообразных обезьян - это
двуногое передвижение четвероногого животного, ставшего на две ноги. Тело при
этом наклонено вперед, позвоночник изогнут, поясничный лордоз отсутствует. При
выпрямлении тела оно запрокидывается назад вместе с тазом. Нижние конечности
согнуты в коленных суставах, отсутствует вращательное движение таза, и тело как
бы переваливается при каждом шаге.
http://otvet.mail.ru/question/13315969
http://www.examens.ru/otvet/8/9/680.html
http://www.sunhome.ru/journal/16241
http://medbiol.ru/medbiol/antrop/00010554.htm
Российский археолог, д. и. н., ведущий научный сотрудник Отдела археологии палеолита Института истории материальной культуры РАН (ИИМК РАН, Санкт-Петербург).
«Вначале была нога».
М. Харрис. «Наш род».
При всем разнообразии гипотез, объясняющих появление людей, во главу угла почти неизменно ставятся два события, которые, как считается, имели ключевое значение для начала процесса гоминизации. Эти события - переход части высших обезьян (гоминоидов) от преимущественно древесного образа жизни в лесах к преимущественно наземному существованию в открытых или мозаичных ландшафтах, и освоение ими прямохождения. Считается, что первое, поставив предков гоминид перед необходимостью приспособления к новой, непривычной среде, подталкивало их к поиску новых экологических ниш и стимулировало развитие орудийной деятельности, социальности и т.п., а второе, имевшее результатом освобождение передних конечностей от опорно-двигательной функции, являлось необходимой предпосылкой такого развития. Если бы удалось объяснить, что именно привело к смене среды обитания, что обусловило изменение способа передвижения, и, главное, почему эти два события сделали недостаточной адаптацию обычным биологическим путем, подтолкнув к реализации культурного (то есть, прежде всего, интеллектуального) потенциала, то главную проблему антропогенеза можно было бы считать в общих чертах решенной. Между тем, более или менее ясен ответ лишь на первый из перечисленных вопросов (подробней об этом говорится дальше), тогда как относительно причин и следствий перехода к прямохождению разброс во мнениях очень велик, и степень ясности здесь обратно пропорциональна все растущему числу гипотез. Несмотря на то, что лишь очень немногие темы, связанные с изучением антропогенеза, вызывали столько дискуссий, сколько их вызывает происхождение двуногости, это событие остается загадкой, являясь поистине «проклятым вопросом» палеоантропологии. В теоретических построениях, постулирующих те или иные последовательности взаимообусловленных событий в эволюции человека, этот пункт является тем самым «слабым звеном», из-за непрочности которого рассыпается вся цепочка. Поскольку же обойтись без этого звена невозможно, то необходима его «реставрация».
Большинство авторов, затрагивающих вопрос о происхождении двуногости у гоминид, уверены, что это свойство с самого начала давало какие-то преимущества его обладателям, в противном случае оно бы просто не возникло. Точка зрения, бесспорно, абсолютно логичная, но в чем же, по мнению тех, кто ее разделяет, состояли эти преимущества? Ответов на этот вопрос предложено очень много, но ни один из них, как мы увидим, нельзя признать убедительным.
Согласно широко распространенной гипотезе, переход предков человека к прямохождению, или, как часто выражаются антропологи, к ортоградной локомоции, объяснялся необходимостью приспособления к открытым ландшафтам, т.е. к жизни в саванне, в степи, в местах, лишенных или почти лишенных древесной растительности. Еще в позапрошлом веке эту идею высказывали французский натуралист Жан Батист Ламарк, первым создавший целостное учение об эволюции органического мира, и английский естествоиспытатель Альфред Уоллес, одновременно с Дарвином разрабатывавший теорию естественного отбора. Однако один факт, о котором не могли знать Ламарк и Уоллес, но должны знать их современные последователи, делает эту гипотезу крайне сомнительной. Дело в том, что, как выяснилось в результате многочисленных исследований, проводившихся на рубеже прошлого и нынешнего тысячелетий, ранние гоминиды в основном жили еще не в саванне, а в районах, где сохранялись, а то и господствовали влажные тропические леса. Судя по химическому составу древних почв, ископаемой пыльце растений и видовому составу животных, чьи кости сопровождают скелетные останки древнейших предков человека, и австралопитеки, и ардипитек и, тем более, их предшественники обитали, преимущественно в джунглях. Следовательно, переход к двуногости не был и не мог быть связан с приспособлением к открытым ландшафтам. Кроме того, совершенно непонятно, а почему, собственно, живя в саванне, нужно ходить на двух ногах? Ведь современные обезьяны, обитающие в безлесных районах (павианы, некоторые популяции макак), остаются четвероногими и ничуть, кажется, от этого не страдают. Оба этих возражения, кстати, в полной мере относятся и к некогда популярной идее, что гоминиды выпрямились, якобы, вследствие необходимости дальше видеть и лучше ориентироваться в саванне, где хороший обзор требовался для поисков пищи и для своевременного обнаружения опасности.
Еще одно объяснение становления прямохождения, даже более распространенное, чем предыдущее (впрочем, оно вполне может и сочетаться с ним), заключается в предположении, что двуногость потребовалась для освобождения рук, которое, в свою очередь, было необходимо для изготовления орудий, да и вообще давало человеку множество важных преимуществ перед другими животными (рис. 5.1). Эта мысль нередко высказывалась уже в позапрошлом веке. Она нашла классическое выражение в работах Дарвина и Энгельса и была принята многими позднейшими авторами. «Человек, - писал Дарвин, - не мог бы достичь своего нынешнего господствующего положения в мире, не используя рук, которые столь восхитительным образом приспособлены служить для исполнения его Воли. … Но пока руки регулярно использовались при передвижении, они вряд ли могли бы стать достаточно совершенными для изготовления оружия, или прицельного метания камней и копий. …Уже по одним этим причинам человеку было бы выгодно стать двуногим…». На первый взгляд, оспорить приведенные аргументы невозможно: какой же, в самом деле, мог быть человек без рук, и какие же могут быть руки у существа, передвигающегося на четвереньках? Однако, здесь, как и в предшествующем случае, стройность предлагаемого объяснения нарушают некоторые факты, ставшие известными только столетие спустя после того, как увидела свет цитированная работа Дарвина. Во-первых, судя по имеющимся сейчас археологическим данным, первые каменные орудия появились, как минимум, на два, а скорее на три или даже четыре миллиона лет позже, чем первые прямоходящие гоминиды. Во-вторых, делали и использовали эти орудия, почти наверняка, сидя, так что проблемы освобождения рук при этом просто не возникало. Конечно, работать, скажем, у токарного станка или плотницкого верстака удобнее стоя, но до этого первым гоминидам было еще очень далеко. Те трудовые операции, которые были необходимы и доступны им, гораздо проще выполнять в сидячем положении. Во всяком случае, именно так предпочитают делать и человекообразные обезьяны, когда они, например, раскалывают орехи тяжелыми камнями, и археологи-экспериментаторы, когда они пытаются изготовить из кремня, кости, или дерева орудия, идентичные тем, что находят при раскопках.
Кстати, следует заметить, что формирование двуногости у предков человека, по-видимому, не является уникальным событием в эволюционной истории гоминоидов. Еще с середины прошлого века некоторые исследователи стали подозревать, что задолго до появления первых гоминид на Земле уже жили прямоходящие обезьяны. Основания для таких подозрений давали костные останки ореопитеков , обитавших, судя по географической локализации палеонтологических находок, в основном на юге нынешнего Апеннинского полуострова, в той его части, которая в миоцене была островом. Вновь проведенное недавно группой испанских и итальянских антропологов изучение этих материалов подтвердило, что ореопитеки не только были способны, но, возможно, даже предпочитали передвигаться по земле на двух ногах. Об этом свидетельствуют такие признаки, как изгиб нижнего отдела позвоночника в переднем направлении, вертикально расположенный коленный сустав, а также некоторые особенности строения таза, находящие аналогии в анатомии австралопитека афарского. Более того, выяснилось, что эти гоминоиды, вымершие еще 8 или 7 млн. лет назад, отличились также и не совсем обычным для обезьян строением руки. Иногда утверждают даже, что они могли брать и держать пальцами различные предметы с такой ловкостью, которая впоследствии была доступна только людям и их предкам, начиная с австралопитеков. Как ореопитеки использовали это свое качество, – если они им действительно обладали 1 – неизвестно. Может быть, лишь для того, чтобы срывать с деревьев какие-то мелкие фрукты и отправлять их в рот, а может быть, и для каких-то таких действий, которые еще более сблизили бы их в наших глазах с гоминидами. Правда, по некоторым важным признакам, например, по строению зубов, ореопитеки ближе к низшим обезьянам, чем к человекообразным. Похвастаться крупным мозгом они тоже не могли, как, впрочем, и большим размером тела. Согласно имеющимся реконструкциям, средний вес этих гоминоидов составлял примерно 30-40 кг. Тем не менее, наличие явных параллелей с эволюцией гоминид очень интересно и заставляет еще раз вспомнить о том, что в запасе у природы были разные варианты развития.
Переход к двуногости и освобождение передних конечностей от опорно-двигательной функции связывали также с необходимостью переносить пищу и детенышей, или сигнализировать жестами, или отпугивать хищников, бросая в них камни и палки, и так далее. Однако все догадки такого рода основаны на явном преувеличении роли разовых, спорадических действий (бросание, жестикуляция, перенос объектов), с которыми современные обезьяны легко справляются, не меняя способа передвижения. Шимпанзе, например, вполне способны обратить в бегство леопарда, размахивая колючими ветками, или натаскать целые кучи тяжелых камней в те места, где есть много любимых ими орехов с твердой скорлупой, чтобы затем употреблять эти камни в качестве молотков и наковален. Тем не менее, то обстоятельство, что они довольно часто вынуждены использовать свои передние конечности как руки, не мешает им до сих пор оставаться, как и миллионы лет назад, четвероногими.
Гораздо интересней и, возможно, перспективней те попытки ответа на «проклятый» вопрос, где упор делается на поиск энергетических выгод, обеспечиваемых передвижением на двух ногах. Биоэнергетическая гипотеза объясняет возникновение прямохождения большей энергетической эффективностью двуногости человека по сравнению с четвероногостью человекообразных обезьян (рис. 5.2). Главная слабость этого объяснения в том, что оно апеллируют к таким преимуществам, связанным с прямохождением, которые могли проявиться лишь уже при полностью сформировавшейся человеческой двуногости, но были бы практически совершенно неощутимы в процессе ее развития, особенно на ранних стадиях перехода. Даже если передвижение на двух ногах в том виде, в каком оно известно у современных людей, действительно более выгодно в энергетическом плане, чем четвероногость (что, впрочем, до конца еще не выяснено), из этого совсем не следует, что такие же преимущества были свойственны и походке ранних гоминид. Она, видимо, сильно отличалась от нашей и была далеко не столь эффективна (об этом еще будет говориться ниже).
Сторонники терморегуляционной гипотезы видели причину перехода наших предков к двуногости в том, что вертикальное положение тела при интенсивной дневной активности в жаркой саванне предохраняло гоминид от теплового стресса. Действительно, площадь поверхности тела, подверженная прямому воздействию солнечных лучей, у вертикально стоящего человека намного меньше, чем у четвероногого существа такого же размера, причем, как легко представить, эта разница увеличивается по мере приближения солнца к зениту. Однако, как мы теперь знаем, на протяжении первых миллионов лет своей истории прямоходящие гоминиды жили, главным образом, не в саваннах, а в джунглях, и, следовательно, тепловой стресс грозил им не в большей степени, чем современным гориллам или шимпанзе.
Для полноты картины можно упомянуть еще так называемую «акватическую» гипотезу, согласно которой ортоградность ранних гоминид является результатом приспособления к жизни на шельфе, в водной среде (рис. 5.3). Эта идея в свое время активно обсуждалась в околонаучной литературе, но среди профессиональных антропологов у нее, за единичными исключениями, не было и нет сторонников. Причина этого проста и заключается в том, что базируется данная гипотеза исключительно на допущениях полуфантастического характера, не подкрепленных абсолютно никакими конкретными материалами. Фактов, хотя бы косвенно указывающих на то, что первые члены клады человека «вышли из воды», нет, если, конечно, не считать таковыми ссылки, например, на наше умение плавать, вроде бы не присущее шимпанзе, или на наличие у людей более толстого, чем у других приматов, слоя подкожного жира.
Таким образом, оказывается, что найти какие-то конкретные выгоды, которые могли бы быть связаны с двуногостью на ранних стадиях ее становления, очень трудно, или даже невозможно. Убедительная причина «перехода к ортоградной локомоции до сих пор не найдена», и начало антропогенеза «тает в зыбком мареве неопределенностей», - признавал 15 лет назад видный отечественный исследователь эволюции человека. 2 С тех пор ситуация так и не изменилась. Правда, число гипотез заметно увеличилось и все продолжает расти, но их количество что-то никак не переходит в качество. Антропологи, конечно, не теряют оптимизма, уповая на то, что обнаружение новых костей и совершенствование методов их изучения, в конце концов, позволят дать ответ на проклятый вопрос, но эти надежды могут сбыться лишь в том случае, если прямохождение действительно давало какие-то преимущества уже первым гоминидам. Однако, так ли уж это обязательно? А что, если никаких преимуществ не было?
1 На этот счет высказываются сомнения (Susman R.L. Oreopithecus bambolii: an unlikely case of hominidlike grip capability in a Miocene ape // Journal of Human Evolution, 2004, vol. 46, № 1, p. 103-115).
2 Алексеев В.П. Антропогенез – решенная проблема или череда новых проблем? // Человек в системе наук. М., 1989, с. 113.
Прямохождение
Цикл ходьбы: опора на одну ногу - двуопорный период - опора на другую ногу...
Ходьба человека - наиболее естественная локомоция человека.
Существуют и другие определения, характеризующие эту локомоцию:
«…синергии, охватыващие всю мускулатуру и весь двигательный аппарат сверху донизу»
«…циклический акт, то есть движение, в котором периодически повторяются вновь и вновь одни и те же фазы».
- Ходьба - это двигательное действие, результат реализации двигательного стереотипа , комплекса безусловных и условных рефлексов .
- Ходьба - это двигательный навык , который представляет собой цепь последовательно закреплённых условно рефлекторных двигательных действий, которые выполняются автоматически без участия сознания.
Близкие по значению слова:
- en:gait - ходьба.
- «походка » en:walking - особенности поз и движений при ходьбе, характерный для конкретного человека.
- «Осанка » en:Posture - привычное положение тела человека в покое и движении, в том числе при ходьбе.
Виды ходьбы
| как естественной локомоции : | как спортивной и оздоровительной локомоции: | как военно-прикладной локомоции |
|---|---|---|
|
|
Маршировка (eng.) (организованная ходьба, упражнение в мерном хождении правильными построенными рядами) |
Не следует путать виды ходьбы с видами походки . Ходьба - двигательный акт, разновидность двигательной активности. Походка - особенность ходьбы человека, «манера ходить»
Задачи ходьбы
Задачи ходьбы как важной локомоторной функции:
- Безопасное линейное поступательное перемещение тела вперёд (главная задача).
- Удержание вертикального баланса, предотвращение падения при движении.
- Сохранение энергии, использование минимального количества энергии за счёт её перераспределения в течение цикла шага.
- Обеспечение плавности передвижения (резкие движения могут являться причиной повреждения).
- Адаптация походки для устранения болезненных движений и усилий.
- Сохранение походки при внешних возмущающих воздействиях или при изменении плана движений (Стабильность ходьбы).
- Устойчивость к возможным иннервационым и биомеханическим нарушениям.
- Оптимизация передвижения, прежде всего, повышение эффективности безопасного перемещения центра тяжести масс с наименьшим расходом энергии.
Параметры ходьбы
Общие параметры ходьбы
Наиболее общими параметрами, характеризующими ходьбу, являются линия перемещения центра масс тела, длина шага, длина двойного шага, угол разворота стопы, база опоры, скорость перемещения и ритмичность.
- База опоры - это расстояние между двумя параллельными линиями, проведёнными через центры опоры пяток параллельно линии перемещения .
- Короткий шаг - это расстояние между точкой опоры пятки одной ноги и центром опоры пятки контралатеральной ноги.
- Разворот стопы - это угол, образованный линией перемещения и линией, проходящей через середину стопы: через центр опоры пятки и точку между 1 и 2 пальцем.
- Ритмичность ходьбы - отношение длительности переносной фазы одной ноги к длительности переносной фазы другой ноги.
- Скорость ходьбы - число больших шагов в единицу времени. Измеряется в единицах: шаг в минуту или км. в час. Для взрослого - 113 шагов в минуту.
Биомеханика ходьбы
Ходьбу при различных заболеваниях изучает раздел медицины - клиническая биомеханика ; ходьбу как средство достижения спортивного результата или повышения уровня физической подготовленности изучает раздел физической культуры - спортивная биомеханика . Ходьбу изучают многие другие науки: компьютерная биомеханика , театральное и балетное искусство, военное дело . Основой для изучения всех биомеханических наук является биомеханика ходьбы здорового человека в естественных условиях. Ходьбу рассматривают с позиции единства биомеханических и нейрофизиологических процессов, которые определяют функционирование локомоторной системы человека .
Биомеханическая структура ходьбы = + + +
Временная структура ходьбы, обычно основана на анализе результатов подографии. Подография позволяет регистрировать моменты контакта различных отделов стопы с опорой. На этом основании определяют временные фазы шага.
Кинематику ходьбы изучают с использованием контактных и бесконтактных датчиков измерения углов в суставах (гониометрия), а так же с применением гироскопов - приборов, позволяющих определить угол наклона сегмента тела относительно линии гравитации. Важным методом в исследовании кинематики ходьбы является методика циклографии - метод регистрации координат светящихся точек, расположенных на сегментах тела.
Динамические характеристики ходьбы изучают с применением динамографической (силовой) платформы. При опоре силовую платформу регистрируют вертикальную реакцию опоры, а также горизонтальные её составляющие. Для регистрации давления отдельных участков стопы применяют датчики давления или тензодатчики , вмонтированные в подошву обуви.
Физиологические параметры ходьбы регистрируют при помощи методики электромиографии - регистрации биопотенциалов мышц. Электромиография, сопоставленная с данными методик оценки временной характеристики, кинематики и динамики ходьбы, является основой биомеханического и инервационного анализа ходьбы.
Временна́я структура ходьбы
Простая двухконтактная подограмма
Основной метод исследования временно́й структуры - метод подографии. Например исследование ходьбы с применением самой простой, двухконтактной электроподографии заключается в использовании контактов в подошве специальной обуви, которые замыкаются при опоре на биомеханическую дорожку. На рисунке изображена ходьба в специальной обуви с двумя контактами в области пятки и переднего отдела стопы . Период замыкания контакта регистрируется и анализируется прибором: замыкание заднего контакта - опора на пятку, замыкание заднего и переднего - опора на всю стопу, замыкание переднего контакта - опора на передний отдел стопы. На этом основании строят график длительности каждого контакта для каждой ноги.
Временная структура шага
Основные методы исследования: циклография, гониометрия и оценка движения сегмента тела при помощи гироскопа .
Метод циклографии позволяет регистрировать изменение координат светящихся точек тела в системе координат.
Гониометрия - изменение угла сустава прямым методом с применением угловых датчиков и неконтактным по данным анализа циклограммы.
Кроме того, применяют специальные датчики гироскопы и акселерометры . Гироскоп позволяет регистрировать угол поворота сегмента тела, к которому он прикреплен, вокруг одной из осей вращения, условно названной осью отсчета. Обычно гироскопы применяют для оценки движения тазового и плечевого пояса, при этом последовательно регистрируют направление движения в трех анатомических плоскостях - фронтальной, сагиттальной и горизонтальной.
Оценка результатов позволяет определить в любой момент шага угол поворота таза и плечевого пояса в сторону, вперед или назад, а также поворот вокруг продольной оси. В специальных исследованиях применяют акселерометры для измерения в данном случае тангенциального ускорения голени.
Для исследования ходьбы используют специальную биомеханическую дорожку, покрытую электропроводным слоем. Важную информацию получают при проведении традиционного в биомеханике циклографического исследования, которое, как известно, основано на регистрации методом видео - кинофотосъёмки координат светящихся маркеров, расположенных на теле испытуемого.
Динамика ходьбы
Динамика ходьбы не может быть изучена методом прямого измерения силы , которая продуцируется работающими мышцами. До настоящего времени отсутствуют доступные для широкого использования методики измерения момента силы живой мышцы, сухожилия или сустава. Хотя следует отметить, что прямой метод, метод имплантации датчиков силы и давления непосредственно в мышцу или сухожилие применяется в специальных лабораториях. Прямой метод исследования вращающего момента осуществляется также при использовании датчиков в протезах нижних конечностей и в эндопротезах суставов. Представление о силах, воздействующих на человека при ходьбе, может быть получено или в определении усилия в центре масс всего тела, или путём регистрации опорных реакций. Практически, силы мышечной тяги при циклическом движении можно оценить, только, решая задачу обратной динамики. То есть зная скорость и ускорение движущегося сегмента, а также его массу и центр масс , мы можем определить силу , которая вызывает это движение, следуя второму закону Ньютона (сила прямо пропорциональна массе тела и ускорению).
Реальные силы при ходьбе, которые можно измерить - это силы реакции опоры. Сопоставление силы реакции опоры и кинематики шага позволяют оценить величину вращающего момента сустава. Расчет вращающего момента мышцы может быть произведён исходя из сопоставления кинематических параметров, точки приложения реакции опоры и биоэлектрической активности мышцы.
Сила реакции опоры
Сила реакции опоры - сила, действующая на тело со стороны опоры. Эта сила равна и противоположна той силе, которую оказывает тело на опору.
Вертикальная составляющая силы реакции опоры
Вертикальная составляющая вектора опорной реакции.
График вертикальной составляющей опорной реакции при ходьбе в норме имеет вид плавной симметричной двугорбой кривой. Первый максимум кривой соответствует интервалу времени, когда в результате переноса тяжести тела на опорную ногу происходит передний толчок, второй максимум (задний толчок) отражает активное отталкивание ноги от опорной поверхности и вызывает продвижение тела вверх, вперёд и в сторону опорной конечности. Оба максимума расположены выше уровня веса тела и составляют соответственно при медленном темпе примерно 100 % от веса тела , при произвольном темпе 120 %, при быстром - 150 % и 140 %. Минимум опорной реакции расположен симметрично между ними ниже линии веса тела. Возникновение минимума обусловлено задним толчком другой ноги и последующим ее переносом; при этом появляется сила, направленная вверх, которая вычитается из веса тела. Минимум опорной реакции при разных темпах составляет от веса тела соответственно: при медленном темпе - примерно 100 %, при произвольном темпе 70 %, при быстром - 40 %. Таким образом, общая тенденция при увеличении темпа ходьбы состоит в росте значений переднего и заднего толчков и снижении минимума вертикальной составляющей опорной реакции.
Продольная составляющая силы реакции опоры
Продольная составляющая вектора опорной реакции это, по сути, срезывающая сила равная силе трения, которая удерживает стопу от переднезаднего скольжения. На рисунке изображён график зависимости продольной опорной реакции в зависимости от длительности цикла шага при быстром темпе ходьбы (оранжевая кривая), при среднем темпе (пурпурная) и медленном темпе (синяя).
Точка приложения силы реакции опоры
Реакция опоры - эти силы приложенные к стопе. Вступая в контакт с поверхностью опоры, стопа испытывает давление со стороны опоры, равное и противоположное тому, которое стопа оказывает на опору. Это и есть реакция опоры стопы. Эти силы неравномерно распределяются по контактной поверхности. Как и все сила такого рода их можно изобразить в виде результирующего вектора, который имеет величину и точку приложения.
Точка приложения вектора реакции опоры на стопу иначе называется центром давления. Это важно, для того чтобы знать, где находится точка приложения сил, действующих на тело со стороны опоры. При исследовании на силовой платформе эта точка называется точкой приложения силы реакции опоры.
Траектория приложения силы реакции опоры
Основные биомеханические фазы
Анализ кинематики, опорных реакций и работы мышц различных частей тела убедительно показывает, что в течение цикла ходьбы происходит закономерная смена биомеханических событий. «Ходьба здоровых людей, несмотря на ряд индивидуальных особенностей, имеет типичную и устойчивую биомеханическую и иннервационную структуру, то есть определённую пространственно-временную характеристику движений и работы мышц» .
Полный цикл ходьбы - период двойного шага - слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности.
При ходьбе человек последовательно опирается то на одну, то на другую ногу. Эта нога называется опорной. Контралатеральная нога в этот момент выносится вперед (Это - переносная нога). Период переноса ноги называется «фаза переноса». Полный цикл ходьбы - период двойного шага - слагается для каждой ноги из фазы опоры и фазы переноса конечности. В опорный период активное мышечное усилие конечностей создаёт динамические толчки, сообщающие центру тяжести тела ускорение , необходимое для поступательного движения. При ходьбе в среднем темпе фаза опоры длится примерно 60 % от цикла двойного шага, фаза переноса примерно 40 %.
Началом двойного шага принято считать момент контакта пятки с опорой. В норме приземление пятки осуществляется на её наружный отдел. С этого момента эта (правая) нога считается опорной. Иначе эту фазу ходьбы называют передний толчок - результат взаимодействия силы тяжести движущегося человека с опорой. На плоскости опоры при этом возникает опорная реакция, вертикальная составляющая которой превышает массу тела человека. Тазобедренный сустав находится в положении сгибания, нога выпрямлена в коленном суставе, стопа в положении лёгкого тыльного сгибания. Следующая фаза ходьбы - опора на всю стопу. Вес тела распределяется на передний и задний отдел опорной стопы. Другая, в данном случае - левая нога, сохраняет контакт с опорой. Тазобедренный сустав сохраняет положение сгибания, колено подгибается, смягчая силу инерции тела, стопа принимает среднее положение между тыльным и подошвенным сгибанием. Затем голень наклоняется вперёд, колено полностью разгибается, центр масс тела продвигается вперед. В этот период шага перемещение центра масс тела происходит без активного участия мышц, за счёт силы инерции . Опора на передний отдел стопы. Примерно через 65 % времени двойного шага, в конце интервала опоры, происходит отталкивание тела вперёд и вверх за счёт активного подошвенного сгибания стопы - реализуется задний толчок. Центр масс перемещается вперёд в результате активного сокращения мышц. Следующая стадия - фаза переноса характеризуется отрывом ноги и перемещением центра масс под влиянием силы инерции. В середине этой фазы, все крупные суставы ноги находятся в положении максимального сгибания. Цикл ходьбы завершается моментом контакта пятки с опорой. В циклической последовательности ходьбы выделяют моменты, когда с опорой соприкасаются только одна нога («одноопорный период») и обе ноги, когда вынесенная вперед конечность уже коснулась опоры, а расположенная сзади ещё не оторвалась («двуопорная фаза»). С увеличением темпа ходьбы «двуопорные периоды» укорачиваются и совсем исчезают при переходе в бег . Таким образом, по кинематическим параметрам, ходьба от бега отличается наличием двуопорной фазы.
Эффективность ходьбы
Основной механизм, определяющий эффективность ходьбы - это перемещение общего центра масс.
перемещение ОЦМ, Трансформация кинетической (T k) и потенциальной (E p) энергии
Перемещение общего центра масс (ОЦМ) представляет собой типичный синусоидальный процесс с частотой соответствующей двойному шагу в медиолатеральном направлении, и с удвоенной частотой в передне-заднем и вертикальном направлении. Перемещение центра масс определяют традиционным циклографическим методом, обозначив общий центр масс на теле испытуемого светящимися точками.
Однако можно поступить проще, математическим способом, зная вертикальную составляющую силы реакции опоры. Из законов динамики ускорение вертикального перемещения равно отношению силы реакции опоры к массе тела, скорость вертикального перемещения равна отношению произведению ускорения на интервал времени, а само перемещение произведению скорости на время. Зная эти параметры, можно легко рассчитать кинетическую и потенциальную энергию каждой фазы шага. Кривые потенциальной и кинетической энергии представляют собой как бы зеркальное отражение друг друга и имеют фазовый сдвиг примерно в 180°. Известно, что маятник имеет максимум потенциальной энергии в высшей точке и превращает её в кинетическую, отклоняясь вниз. При этом некоторая часть энергии расходуется на трение . Во время ходьбы, уже в самом начале периода опоры, как только ОЦМ начинает подниматься, кинетическая энергия нашего движения превращается в потенциальную, и наоборот, переходит в кинетическую, когда ОЦМ опускается. Таким образом, сохраняется около 65 % энергии. Мышцы должны постоянно компенсировать потерю энергии, которая составляет около тридцати пяти процентов . Мышцы включаются для перемещения центра масс из нижнего положения в верхнее, восполняя утраченную энергию.
Эффективность ходьбы связана с минимизацией вертикального перемещения общего центра масс. Однако увеличение энергетики ходьбы неразрывно связано с увеличением амплитуды вертикальных перемещений, то есть при увеличении скорости шагания и длины шага неизбежно увеличивается вертикальная составляющая перемещения центра масс.
На протяжении опорной фазы шага наблюдается постоянные компенсирующие движения, которые минимизируют вертикальные перемещения и обеспечивают плавность ходьбы.
Ученые Ливерпульского университета пришли к выводу, что развилась у наших предков еще до того, как они отказались от древесного образа жизни и перешли к обитанию на земле. Сенсационное открытие привело исследователей к еще одному важному выводу: по словам британских биологов, хождение на двух ногах всегда было особенностью поведения больших обезьян, а предки человека никогда не проходили через стадию хождения на четвереньках.
На протяжении десятилетий антропологи были убеждены, что прямохождение является уникальным качеством homo sapiens и его ближайших предков - homo habilis (человек умелый) и homo erectus (человек прямоходящий). Однако ученые, изучавшие поведение единственных больших обезьян, ведущих древесный образ жизни, - орангутанов, живущих на острове Суматра, - обнаружили у них ту же самую способность. Правда, вертикальное положение туловища орангутаны используют для передвижения не по земле, а по ветвям деревьев.
«Гипотез возникновения двуногого хождения (бипедии) немало, - рассказал нашему изданию ведущий научный сотрудник Института и Музея антропологии МГУ кандидат биологических наук Виталий Харитонов. - В соответствии с одной из них комплекс анатомических способностей, необходимых для прямохождения, развился у предков человека уже после того, как он поменял среду обитания: перешел от древесного образа жизни к наземному. Согласно другой точке зрения, наш предок действительно мог обучаться прямохождению уже во время жизни на деревьях. Это две альтернативные друг другу гипотезы. Точно можно указать лишь время, когда совершился переход к бипедии: на сегодняшний день древность австралопитеков, являющихся первыми членами нашего эволюционного ствола, по данным археологических находок, достигает 6-7 млн лет. Кости австралопитеков, живших в эту эпоху, уже имеют особенности, связанные с прямохождением». Однако оно, вероятно, было эпизодическим: древние австралопитеки в основном передвигались на четырех ногах, но в случае необходимости могли стоять и только на задних конечностях. «Вполне возможно, что прямохождение встречалось и раньше, однако переход австралопитеков к бипедии как предпочтительному способу передвижения начинается именно 6-7 млн лет назад, - рассказывает г-н Харитонов. - А уже 2-3 млн лет назад у африканских австралопитеков все признаки, необходимые для бипедии, объединились в единый анатомический комплекс».
Орангутаны, за поведением которых наблюдали ученые Университета Ливерпуля, держат торс вертикально, а передвигаясь по гибким ветвям, которые упруги, как мягкая почва, захватывают их пальцами ног. От падения обезьяну страхуют передние конечности, которыми орангутан держится за высокие ветви. Это, как видно, оптимальный для орангутанов способ перемещения по веткам.
«Все человекообразные приматы склонны к прямохождению, - Причина лежит в условиях обитания: на открытых пространствах саванны примат не может укрыться от хищника с той же легкостью, как в тропическом лесу. Наличие перманентной опасности потребовало от приматов ряда социобиологических адаптаций: сюда можно отнести не только прямохождение, но и навыки социальной коммуникации, впоследствии давшие начало сперва невербальной, а затем вербальной речи».
«Прямохождение очень эффективно по ряду своих качеств, - говорит Виталий Харитонов. - Во-первых, в условиях африканской саванны этот способ дает возможность уйти от перегрева: площадь, на которую падают лучи солнца, становится меньше. Во-вторых, наличие свободных передних конечностей позволяет самке нести детеныша. В-третьих, обзор у двуногого животного гораздо больше, чем у четвероногого: встав на две ноги, обезьяны научились замечать хищника еще издали».
Скорее всего, австралопитеки уже пользовались орудиями труда: палками, дубинами, камнями, крупными костями животных. Правда, изготавливать их они еще не умели: эти отдаленные предки человека лишь подбирали их в природе, но совершенно не могли обрабатывать. Вот почему никаких следов искусственной обработки на находках этой эпохи нет.
«Теория о развитии прямохождения во время жизни приматов на деревьях имеет право на жизнь, - рассказал РБК daily завлабораторией антропологии Института этнологии и антропологии РАН Сергей Васильев. - Недаром и многие современные приматы способны держаться на задних ногах». Есть и третья, весьма правдоподобная версия развития бипедии: наша предковая форма, предшествующая двуногим приматам, передвигалась не на четырех конечностях, а тем же самым способом, как и современные человекообразные обезьяны Африки, - они стоят на двух задних конечностях, опираясь на землю лишь пальцами кистей рук, которыми они как бы помогают ногам. В соответствии с этой гипотезой подобный способ передвижения был стартовым для наших предков.
«Есть и четвертая, очень модная в последнее время гипотеза, - отмечает Виталий Харитонов. - Согласно ей, наши предшественники, испытывавшие постоянную нужду в воде, часто заходили в водоемы, невольно распрямляясь, чтобы держать голову над поверхностью. Поскольку пища, находимая в водоемах, - моллюски, рыба и т.д. - составляла важную часть рациона наших предков, приматы постепенно переходили к прямохождению».
Большинство антропологов все же полагают, что навыки вертикального хождения выработались у человека именно тогда, когда наши предки спустились с деревьев в связи с
