«В.Е. ГОРБАЧИК ОСНОВЫ АНАТОМИИ, ФИЗИОЛОГИИ, АНТРОПОМЕТРИИ И БИОМЕХАНИКИ Витебск 2011 126 УДК 685. 34 : 61 ББК 37255 : 28.706 Г 67 Рецензенты: кафедра Художественное моделирование, конструирование и технология изделий из ...»
– активность икроножной мышцы нарастает в течение опорного периода и обнаруживает резкий скачок к концу фазы переката через передний отдел. Механический (силовой) результат этой активности – задний толчок.
– наибольшая активность передней большеберцовой мышцы наблюдается в самом начале опорного периода – в фазу переката через пятку. Этим обеспечивается амортизация опускания стопы на опору, т.е. предотвращается «шлепанье» стопы.
Электрическая активность мышц при нормальной ходьбе (средние величины в течение шага в микровольтах) (таблица 3.2).
Таблица 3.2 - Электрическая активность мышц при нормальной ходьбе Несмотря на значительную вариацию у разных людей, по средним величинам видно, что мышцы голени проявляют большую активность в процессе ходьбы, чем мышцы бедра. Суммарная электрическая активность мышц голени и стопы составляет примерно 60 %, а бедра и таза примерно 40 %.
Работа мышц в среднем за один шаг составляет 280 Дж, причем на опорный период приходится примерно 80 %, а на переносный – 20 %.
Таким образом, при ходьбе наблюдается чередование работы мышц при опоре и отдыха – при переносе, что свидетельствует об оптимальном энергетическом режиме движения.
При произвольном темпе ходьбы устанавливается наиболее экономичный режим деятельности мышц. Это объясняется совпадением частоты собственных и вынужденных колебаний нижних конечностей.
Произвольный темп ходьбы примерно равен 45 шагам в мин.
При низких темпах работа мышц возрастает вследствие увеличения времени их действия, а при высоких темпах – в результате значительного повышения развиваемой ими мощности.
Давление стопы на опорную поверхность при движении имеет различный характер. Однако общие закономерности проявляются достаточно четко (рисунок 3.9).
Так, вертикальная составляющая опорных реакций имеет в большинстве случаев двухвершинную форму (рисунок 3.9, а).
Первая вершина соответствует переднему толчку (начало опоры стопы), вторая – заднему толчку, когда опорная нога отталкивается от поверхности опоры. При нормальной ходьбе задний толчок обычно несколько больше переднего (таблица 3.3).
Средний участок имеет седловидную форму с выпуклостью к оси абсцисс Таблица 3.3 – Величины опорных реакций в % к весу тела человека Вертикальная Передний толчок 102 ± 4, задний толчок другой ноги. Вертикальная составляющая его создает усилие, направленное вверх, Кроме вертикальной составляющей опорной реакции возникают также горизонтальные составляющие – продольная и поперечная.
ходу движения, а в конце, при отталкивании, – в обратном направлении. Причем величины продольных составляющих переднего Рисунок 3.9 – Опорные реакции и заднего толчка примерно одинаковы.
длительности двойного шага), по ляющая сначала направлена оси ординат – сила опорной а – вертикальная составляющая, б – продольная горизонтальная стопы сдвинуться на опорной посоставляющая, в – поперечная го- верхности. Однако этому препятризонтальная составляющая; ствует трение между опорной пог – фазы шага (П – перекат через верхностью и поверхностью стопятку, ВС – опора на всю стопу; пы.
Н – перекат через передний отдел;
мое человеком на опорную поверхность, биомеханики выражают динамическими коэффициентами, представляющими собой отношение давления Q к весу человека P:
Динамический коэффициент возрастает с увеличением скорости движения. При нормальной ходьбе величина динамического коэффициента колеблется от 1 до 1,23, а иногда и больше – до 1,58.
При движении с грузом динамический коэффициент имеет еще большее значение по отношению к весу человека и груза, так как сам груз участвует в колебаниях и является динамической нагрузкой.
Динамический коэффициент горизонтальных составляющих достигает при ходьбе значений 0,040,4.
Исследование давления стопы при ходьбе человека в обуви с различной высотой каблука показало, что при ходьбе давление на все отделы стопы значительно возрастает. Так, на пяточный отдел давление увеличивается примерно в 4 раза по сравнению со статикой, на геленочный примерно в 2 раза, в носочном отделе увеличение давления происходит в 8–10 раз за счет заднего толчка.
С увеличением высоты каблука в обуви происходит уменьшение давления на пяточную и геленочную часть и увеличение на носочную часть. Это объясняется изменением характера переката стопы при увеличении высоты каблука в обуви.
Максимальное давление на геленочную часть обуви при ходьбе стопа оказывает в момент опоры на всю стопу.
Бег отличается от ходьбы тем, что при нем момент двойной опоры, имеющий место при ходьбе, заменяется передвижением тела в воздухе без опоры о землю. Отталкивание ногой при беге бывает более энергичным и коротким. Общий наклон туловища при беге больше, чем при ходьбе. В силу этого при нем вертикаль центра тяжести дальше выносится за границу площади опоры. Чем бег быстрее, тем наклон туловища больше, и следовательно, требуется более энергичное движение ног, чтобы предотвратить падение тела вперед.
Кривая вертикальных усилий при беге имеет один максимум.
Причем при беге имеются моменты, когда давление на опорную поверхность равно нулю, т.е. с нею не соприкасается ни одна нога.
Вертикальные усилия при беге значительно больше, чем при ходьбе. Динамические коэффициенты достигают в вертикальном направлении значений 2,42,5, а в среднем они равны 1,8.
Во время движения стопа изгибается в голеностопном и плюснефаланговом сочленениях.
Такие же явления наблюдаются и при подъеме пяточной части стопы на каблук, при этом происходит небольшой изгиб стопы в межпредплюсневых суставах.
При качании стопы вокруг оси вращения в плюснефаланговом сочленении выпуклости головок плюсневых костей скользят по выемкам оснований первых фаланг. Причем эти выпуклости и вогнутости имеют очень сложное очертание.
Однако, чтобы определить центр качания плюсневых костей, их весьма приближенно принимают за цилиндрические. В этом случае центр качания будет находиться на оси воображаемого цилиндра, т.е.
где-то в области центра головок плюсневых костей. Благодаря наличию между головкой плюсневых костей и опорой прокладки из жирового слоя, сухожилий и кожи центр качания будет располагаться на каком-то расстоянии от опорной поверхности.
Необходимо учитывать также, что центр качания каждой из плюсневых костей расположен на разных расстояниях от пятки.
Условно принято считать, со значительным приближением, что перекаты стопы осуществляются по двум осям, направленным поперек стопы. Первая из них (основная ось для первых трех лучей пальцев) проходит через точку 1 на головке плюсневой кости большого пальца, которая находится на расстоянии 0,73Д в продольном направлении и 0,10-0,17Д (или же 0,27–0,33Ш пуч ) от опоры стопы.
Для наружной стороны стопы (для IY и Y-го лучей) ось вращения лежит в области конца мизинца, т.е. на расстоянии 0,80Д стопы в продольном направлении и 0,04-0,07Д (или 0,10-0,13Ш пуч ) от опоры.
Установив таким образом центры качания плюсневых костей, мы имеет возможность определить кривизну подошвенной поверхности в плюснефаланговом сочленении при изгибе стопы. Так, для средней длины стопы радиус кривизны этого участка примерно равен 20–30 мм при максимальном изгибе стопы. Это вызывает растяжение связок и кожи под сочленением на данном участке в момент опоры на пучки, когда пятка высоко поднята над землей.
В момент изгибания стопы в плюснефаланговом сочленении происходит перемещение тела в направлении движения. На это затрачивается значительная энергия. При ходьбе же в обуви затрачивается дополнительная энергия на изгибание обуви.
В зависимости от жесткости обуви она изгибается при ходьбе на разный угол. При этом сила, необходимая на изгибание жесткой обуви даже на меньший угол, увеличивается примерно в 1,5 раза, а разница в энергозатратах на ходьбу увеличивается в 2–3 раза. Это связано с затратой мышечной энергии на то, чтобы приспособиться к хождению в жесткой обуви, которая не сгибается на необходимую величину.
Как при ходьбе, так и при подъеме пятки на каблук происходит незначительный изгиб стопы в области предплюсневого сустава, что приводит к некоторому увеличению прогиба свода стопы.
3.4 Изменение размеров стопы При массовых обмерах стопа изучается при спокойном стоянии человека, когда тяжесть тела равномерно распределяется между обеими стопами.
Однако при изменении величины нагрузки, передаваемой на стопу, а также при движении человека, т.е. при сгибании и разгибании стопы, форма и размеры стопы изменяются.
3.4.1 Влияние нагрузки Размеры стопы при ее нагружении изменяются весьма значительно. Так, длина стопы при нагружении массой тела по сравнению с висячим положением увеличивается на 1–5мм, ширина в пучках на 1–7мм, обхват в пучках на 4–12мм.
Значительное изменение размеров стопы при нагружении объясняется в первую очередь тем, что свод стопы способен прогибаться.
Также известно, что ближе к пальцам плотность взаимосвязи отдельных костей уменьшается, между костями появляются промежутки, заполненные связками и отчасти мышцами. Благодаря этому плюснефаланговое сочленение стопы может в некоторой степени сжиматься и растягиваться в поперечном направлении.
Известно также, что с подошвенной поверхности стопы имеется довольно толстая жировая подкладка. Она под давлением скелета стопы также сжимается по толщине и раздается в ширину, что, в свою очередь, приводит к изменению размеров стопы.
3.4.2 Влияние подъема пятки при ходьбе При различных положениях стопы в процессе ходьбы ее размеры значительно изменяются.
Когда пятка стопы отрывается от опорной поверхности и поднимается, то вся нагрузка передается на головки плюсневых костей и частично на пальцы. В этот момент связки и мышцы сильно напрягаются, вызывая некоторое изменение поперечных размеров отдельных частей стопы. Например, очень сильно натягивается подошвенный апоневроз, что приводит к некоторому выгибанию свода.
При повороте стопы относительно оси вращения в плюснефаланговом сочленении происходит растяжение связок и кожи на данном участке. Кроме того, при опоре на переднюю часть стопы пальцы выпрямляются и плотно прижимаются к опоре, что вызывает увеличение их размеров.
Таким образом, в момент опоры на пучки, когда пятка высоко поднята над землей, происходит некоторое удлинение передней части стопы, в то время как задний отдел укорачивается, что объясняется выгибанием свода стопы.
То же самое происходит, когда пятка стопы поднята на каблук.
Исследования изменения размеров стоп при движении показали, что длина стопы в процессе ходьбы при опоре на пучки в фазу (перекат через передний отдел) увеличивается на 9–12 мм по сравнению с фазой переноса и на 5–6 мм по сравнению с основным антропометрическим положением (равномерная опора на обе ноги). При этом наибольшую длину стопа имеет при опоре на пучки.
Обхват в плюснефаланговом сочленении при ходьбе достигает максимальных размеров в момент переката через пучки и увеличивается по сравнению с висячим положением на 10–13 мм, а по сравнению с размерами при стоянии на 4–6 мм.
Обхват через пятку и сгиб имеет наибольшую величину при опоре на одну ногу, наименьший в фазу «перекат через пятку». Причем изменение обхвата имеет небольшую относительную величину (1,5–2,0 %).
Максимальное увеличение обхвата голени в месте наибольшего развития икроножной мышцы наблюдается в фазу переката через передний отдел и составляет 5–6 мм.
Мало изменяется обхват над лодыжками.
Ширина стопы в плюснефаланговом сочленении во время ходьбы увеличивается на 8–11 мм по сравнению с висячим положением. По сравнению с опорой на обе ноги эти изменения значительно меньше 5–6 мм (2 %).
Ширина стопы в пятке уменьшается при опоре на пучки на 4– мм по сравнению с ее шириной при стоянии.
Таким образом, большинство основных размеров стопы имеет наименьшую величину при висячем положении, исключение составляют обхваты через пятку и сгиб и ширина пятки. При опоре на обе ноги стопа имеет в основном промежуточные размеры и максимальные размеры при опоре на пучки.
3.4.3 Влияние длительной работы стопы Весьма важное значение имеет тот факт, что размеры стопы не остаются постоянными во время длительных переходов. Под влиянием продолжительного перехода с переносом тяжестей длина стопы изменяется от -1,5 мм до +5,0 мм, а ширина – от -3 мм до +3,4 мм. Объясняется это тем, что для удержания сводов стопы в состоянии, выгодном для опоры, напряжение соответствующей мускулатуры (затяжка сводов) происходит не в соответствии с нарастанием нагрузки, а в несколько большей степени. Эти изменения у разных людей сохраняются в течение различного времени. Через некоторый промежуток времени мышцы утомляются и расслабляются, свод стопы опускается, длина и ширина ее увеличиваются, превышая размеры в нормальном состоянии.
Большое влияние на размеры стопы оказывает занятие спортом, т.е. специфика движений в различных видах спорта.
Сопоставление антропометрических данных показало существенные различия между стопами спортсменов отдельных групп, а также спортсменов по сравнению с не спортсменами.
Например, у футболистов и лыжников, выдерживающих высокие нагрузки на пальцевый и плюснефаланговый участки стоп, наблюдается сравнительно большая высота большого пальца и высота до центра головки I-ой плюсневой кости, высота до точки сгиба стопы. У них отмечено хорошее состояние сводов.
Размерные признаки стоп по длине и ширине у спортсменов больше, чем у не спортсменов. Наибольшие размеры наблюдаются при этом у легкоатлетов- метателей и прыгунов. Это объясняется тем, что систематические нагрузки на определенные участки тела обусловливают гипертрофию (увеличение) той части, которая несет большую нагрузку, т.е. происходит дополнительное развитие отдельных участков скелетной мускулатуры, а иногда и костной системы.
Так, например, особенностью стоп футболистов является мощное развитие мышц наружной стороны стопы, особенно короткого сгибателя Y-го пальца, увеличение головки I-й и Y-й плюсневых костей.
3.5 Контрольные вопросы 1. Какие методы применяются для изучения распределения давления стопы при стоянии на плоскости и в обуви?
2. Как распределяется давление на плантарной поверхности стопы при стоянии на плоскости?
3. Как изменяется распределение давления по отделам стопы в обуви с различной высотой каблука?
4. Какие укрупненные фазы шага выделяют при ходьбе?
5. Какие мышцы проявляют наибольшую активность в различные фазы шага?
6. Какие составляющие опорных реакций выделяют при изучении давления стопы на опору при движении? Характер их изменения по фазам шага.
7. Распределение давления по отделам стопы в обуви с различной высотой каблука при ходьбе.
8. Как изменяются основные размеры стопы при ходьбе?
Часть 4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОБУВИ В СВЯЗИ
С АНАТОМО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИМИ,
АНТРОПОМЕТРИЧЕСКИМИ И БИОМЕХАНИЧЕСКИМИ
ОСОБЕННОСТЯМИ СТОПЫ
Исходя из анатомических и функциональных особенностей стопы человека, к обуви предъявляют следующие требования.В отношении формы обувь должна соответствовать форме стопы в области как предплюсны, так плюсны и пальцев. Она должна иметь достаточную длину и ширину. Ширина обуви в области головок плюсневых костей должна соответствовать ширине переднего отдела нагруженной босой стопы.
Особое внимание должно быть уделено носку, в области которого пальцы должны иметь достаточный простор для движения. Узкий носок вреден, так как вызывает деформацию переднего отдела стопы и препятствует достаточной вентиляции пальцев. Узкая и острая формы носка обуви могут производиться лишь во внепальцевой части ботинка.
Внутренний край переднего отдела обуви должен быть прямым для предупреждения смещения I-го пальца наружу.
Форма стельки должна соответствовать форме опорной части стопы.
Геленочная часть обуви с каблуком должна быть несколько изогнута соответственно продольному своду стопы и достаточно укреплена, чтобы воспринимать давления, оказываемые наружным краем стопы.
Задний отдел обуви должен быть достаточно прочным, так как достаточная фиксация пятки является одной из гарантий против образования плоскостопия. Однако при этом верхний край задника не должен слишком загибаться кпереди, так как может вызывать постоянное давление на область прикрепления ахиллова сухожилия к пяточному бугру.
Задник должен быть снаружи менее высоким, чем внутри, в связи с тем, что наружная лодыжка расположена ниже внутренней. Он не должен оказывать давления на область стопы под лодыжками, так как в этом месте на стопе проходят кровеносные сосуды и нервы, которые слабо защищены мягкими тканями.
Высота каблука не должна превышать 2–4 см, хотя этот вопрос до сих пор остается спорным. Высокий каблук способствует укорочению икроножных мышц и перенесению тяжести тела на более слабый передний отдел стопы. Передние мышцы голени и тыльные связки стопы при этом растягиваются, а пальцы находятся в чрезмерно разогнутом положении. Высокий каблук также вызывает наклон таза вперед, что способствует некоторому смещению внутренних органов.
Материал, из которого изготавливается обувь, должен быть эластичным, не препятствовать работе стопы, достаточно воздухопроницаемым, чтобы не препятствовать вентиляции стоп, должен иметь малую теплопроводность, быть легким, мягким и т.д.
Особое внимание должно быть уделено детской обуви, так как детская стопа, поставленная обувью в неблагоприятные условия для своего развития, не может развиваться нормально.
При конструировании детской обуви необходимо учитывать, что в возрасте 5–7 лет уже в основном заложена основа костей стопы, но их окостенение находится еще на ранней стадии. Поэтому детская стопа очень податлива к механическим воздействиям и легко деформируема.
Основной особенностью скелета детской стопы является ее радиальная форма. В то время как стопа взрослого шире всего на уровне плюснефаланговых суставов, стопа ребенка наиболее широка на концах пальцев. Отношение задней, пяточной части стопы к ее передней части у детей иное, чем у взрослых. У детей пяточная часть относительно больше, длиннее.
Детская обувь должна быть легкой, эластичной, не скользить.
Противопоказаны любые виды детской обуви с открытой пяткой. Пальцы должны иметь свободу движений.
Необходимо учитывать также, что в раннем детском возрасте большая жировая прослойка на подошве стопы маскирует истинную форму сводов, создавая впечатление уплощенности. Однако, по мере роста и развития детей, стопы приобретают нормальную форму и правильно выраженные своды. К семи годам отпечатки детских стоп имеют нормальный характер.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анатомия человека. Т.1 М. Ф. Иваницкий – Москва : Физкультура и спорт, 1985.2. Конструирование изделий из кожи : учебник для студентов вузов / Ю. П. Зыбин [и др.]. – Москва : Легкая и пищевая пром-сть, 1982. – 264 с.
3. Кочеткова, Т. С. Антропологические и биомеханические основы конструирования изделий из кожи / Т. С. Кочеткова, В. М.
Ключникова. – Москва : Легпромбытиздат, 1991. – 192 с.
4. Основы прикладной антропометрии и биомеханики : учебник для студентов вузов / Т. Н. Дунаевская [и др.] ; под ред. Е. Б. Кобляковой. – СПБ : Информационно-издательский центр МГУДТ, 2005. – 5. Фукин, В. А. Теоретические основы проектирования внутренней формы обуви / В. А. Фукин. – Москва : МГУДТ, 2000. – 188 с.
6. Фукин, В. А. Развитие теории и методологии проектирования внутренней формы обуви / В. А. Фукин, В. Х. Буй. – Москва : МГУДТ, 2006. – 214 с.
7. Комиссаров, А. Г. Современные средства измерения стопы и колодки / А. Г. Комиссаров, А. Л. Голанд, В. Н. Петренко. – М., 1994.
– 43 с.
8. Белгородский, В. С. Усовершенствование способа измерения плантограмм стоп / В. С. Белгородский, А. П. Жихарев, В. А. Фукин // Кожевенно-обувная пром-сть. – 2002. – № 2. – С. 30–31.
9. Ключникова, В. М. Практикум по конструированию изделий из кожи : учеб. пособие для студентов ВУЗов, обуч. по спец.
«Конструирование изд. из кожи», «Технология изд. из кожи» / В. М.
Ключникова, Т. С. Кочеткова, А. Н. Калита. – Москва :
Легпромбытиздат, 1985. – 336 с.
стандартизации и ассортимента обуви / О. В. Фарниева, К. Н.
Нургельдиев. – Ашхабад : Ылым, 1982. – 192 с.
11. Фукин, В. А. Проектирование обувных колодок / В. А.
Фукин, В. В. Костылева, В. П. Лыба. – Москва : Легпромбытиздат, 1987. – 88 с.
12. Шуляк, И. П. О высоком каблуке нормальной обуви и распределении нагрузок на стопу / И. П. Шуляк // Протезирование и протезостроение. – 1964. – № 5. – С.13–15.
13. Коновал, В.П. Биомеханическое исследование влияния высоты каблука в женской обуви на функциональное состояние мышц голени / В. П. Коновал, В. М. Князева, Ю. П. Зыбин // Известия вузов.
Технология легкой пром-сти. – 1969. № 3. – С. 85–89.
14. Горбачик, В. Е. Исследование распределения давления по плантарной поверхности стопы в обуви / В. Е. Горбачик, К. И. Кульпина, Ю. П. Зыбин // Известия вузов. Технология легкой пром-сти. – 1970. № 2. – С. 80–81.
15. Аруин, А. С. Эргономическая биомеханика / А. С. Аруин, В.
М. Зациорский. – Москва : Машиностроение, 1988. – 256 с.
16. Лыба, В. П. Зависимость давления стопы на след обуви от высоты приподнятости пяточной части / В. П. Лыба, В. И. Бегняк, И.
«