Влияние параметров походки на энергетические затраты

Влияние параметров походки на энергетические затраты — это взаимосвязь, описывающая, как изменения длины шага, частоты, ширины шага и изменчивости шага влияют на механическую работу и метаболические затраты , связанные с походкой . Источник этой взаимосвязи кроется в отклонении этих параметров походки от метаболически оптимальных значений, при этом отклонения обусловлены экологическими, патологическими и другими факторами.

При ходьбе человека , чтобы пройти определенное расстояние, химическая энергия должна быть затрачена организмом. Это соотношение можно выразить безразмерным термином, стоимостью транспортировки (COT)., ^[1] который описывает количество метаболической энергии, необходимое для перемещения тела на единицу расстояния. Здоровые люди, идущие с самостоятельно выбранной скоростью, имеют стоимость транспортировки приблизительно 0,8 калории/метр/килограмм. ^[2] В зависимости от скорости, условий устойчивости и других внутренних и внешних факторов, ^{[3] [4] [5]} стоимость транспортировки для походки может меняться. Эти измеренные метаболические изменения приписываются изменениям в длине шага, ширине шага и других параметрах походки , которые имеют прямое отношение к COT ^{[6] [7]}

Метаболические затраты естественным образом оптимизируются выбором номинальной походки. В то время как внешние факторы, такие как нестабильность и воспринимаемая опасность, могут временно изменить приоритеты организма ^[3] , основная цель минимизации энергетических затрат, зависящих от задачи ^[8], в конечном итоге доминирует при определении предпочтительной походки. В результате люди склонны выбирать предпочтительную скорость ходьбы , которая минимизирует их транспортные расходы . Связь между ходьбой и транспортными расходами подобна параболе с предпочитаемой скоростью ходьбы на минимуме, что означает, что ходьба с более медленной или более быстрой скоростью может повлечь за собой аналогичное увеличение энергетических затрат для прогулки на 1 километр. ^[1] В пределах каждой скорости ходьбы длина шага и каденция также оптимизированы для метаболических затрат. В то время как несколько пропорциональных комбинаций длины шага и каденции могут использоваться для достижения той же скорости ходьбы, выполнение более быстрых и коротких шагов или более медленных и длинных шагов, чем оптимальная комбинация, приводит к увеличению транспортных расходов. ^[9]

Параметры походки для фиксированной скорости ходьбы все различаются в зависимости от размера (например, длины ног) разных людей. Однако типичное или среднее самостоятельно выбранное значение может быть оценено на основе среднего размера человека. Механическая работа и метаболические затраты, связанные с этими параметрами, могут быть описаны динамической моделью ходьбы.

Длина шага — это мера расстояния, параллельного направлению движения, между начальной точкой контакта одной ноги и последующей начальной точкой контакта противоположной ноги. Длина шага для левой и правой ноги одинакова при нормальной походке. Другой показатель, похожий на длину шага, известен как длина шага, которая измеряет расстояние между последовательными точками начального контакта одной и той же ноги, а длина шага левой и правой ноги обычно эквивалентна. При самостоятельно выбранной скорости ходьбы нормальная длина шага составляет приблизительно 0,75 метра для мужчин и немного меньше для женщин из-за более короткой средней длины ноги, обусловленной полом. ^{[1] [9] [10]} Для других скоростей ходьбы предпочтительная длина шага может быть приблизительно предсказана на основе соотношения , где — длина шага, а — скорость ходьбы. ^[11]${\displaystyle \textstyle s\;\alpha \;v^{0,42}}$${\displaystyle \textstyle s}$${\displaystyle \textstyle v}$

Каденция — это показатель скорости ходьбы, обычно измеряемый в количестве шагов в минуту. Этот параметр также называется частотой шагов. При самостоятельно выбранной скорости ходьбы частота шагов составляет приблизительно 100 шагов/мин. ^{[2] [12]}

Ширина шага — это мера расстояния, перпендикулярного средней линии каждой стопы, между начальной точкой контакта одной стопы и последующей начальной точкой контакта противоположной стопы. При самостоятельно выбранной скорости ходьбы ширина шага обычно составляет около 10–12 см. Это основано на соотношении, которое приравнивает ширину шага к , где — длина ноги. ^[13]${\displaystyle \textstyle 0,12L}$${\displaystyle \textstyle L}$

Изменчивость шага — это мера стандартного отклонения длины и ширины шага, рассчитанная по всем действительным шагам в течение одного пробного шага. При самостоятельно выбранной скорости ходьбы изменчивость ширины шага (~2,8 см) почти всегда больше, чем изменчивость длины шага (~1,8 см) ^{[7] [14]}

При динамической ходьбе человеческое тело можно смоделировать как центр масс (ЦМ), поддерживаемый невесомой жесткой ногой при одинарной опоре и двумя невесомыми ногами при двойной опоре, ^[15] , что согласуется с пассивной динамикой перевернутого маятника, также известной как теория походки перевернутого маятника . При одинарной опоре работа не выполняется, поскольку сила реакции опоры перпендикулярна движению ЦМ. При двойной опоре задняя нога работает совместно с ведущей ногой, чтобы перенаправить движение ЦМ вверх. Во время этого переходного периода от шага к шагу задняя нога оказывает положительную механическую работу на ЦМ, в то время как ведущая нога оказывает отрицательную механическую работу на ЦМ. Для поддержания устойчивой походки требуется, чтобы сумма этих рабочих членов, или чистая работа, была равна нулю, поскольку любые изменения в энергии системы придали бы разные скорости ЦМ между началом и концом перехода. Хотя идеальная чистая механическая работа этой системы равна нулю, необходимы мышечные сокращения для создания сил реакции опоры, что подразумевает, что затраченная метаболическая энергия не равна нулю.

Предположение о невесомости ноги в теории перевернутого маятника не учитывает объем работы, необходимой для взмаха контралатеральной ноги при одиночной опоре. Из-за сходства взмаха ноги с парадигмой подвешенного маятника, выполняемая работа определяется гравитацией. ^[16] В случае, когда нога взмахивает со скоростью, выходящей за пределы собственной частоты, крутящий момент бедра, создаваемый действием мышц, становится значительно больше. Для типичной устойчивой походки приблизительно считается, что энергия, затрачиваемая на выполнение взмаха ноги, составляет от 10% до 30% от общей потребляемой метаболической энергии. ^{[17] [18]}

Изменения каждого отдельного параметра походки влияют на энергетические затраты на ходьбу. Однако эти же изменения влияют и на другие параметры походки, что приводит к компромиссам, требующим от человеческого организма применения оптимизаций, минимизирующих энергетические затраты.

• Длина шага

Энергетические затраты увеличиваются с увеличением длины шага из-за увеличения сил реакции опоры во время двойной опоры и большего крутящего момента бедра во время фазы переноса. Согласно динамической модели ходьбы, механическая работа при переходах с шага на шаг увеличивается пропорционально длине шага и может быть описана как , где — скорость механической работы, а — длина шага, что равно пропорциональному увеличению чистой скорости метаболизма. ^[19] Эта связь обусловлена ​​уменьшением вклада вертикальной силы для перенаправления ЦМ при более широких углах шага, связанных с большей длиной шага. Более длинные шаги также требуют дополнительного крутящего момента бедра во время фазы переноса для перемещения на более широкий угол, что способствует скорости метаболических затрат с коэффициентом квадрата длины ноги ^[15]${\displaystyle \textstyle {\dot {W}}\;\alpha \;l^{4}}$${\displaystyle \textstyle {\dot {W}}}$${\displaystyle \textstyle л}$

• Каденция

Увеличение каденции приводит к большему количеству случаев махов ногами и переходов с шага на шаг в единицу времени, что приводит к увеличению скорости энергетических затрат. Связь между механической работой и частотой шагов может быть описана для переходов с шага на шаг, где — скорость механической работы, а — частота шагов. ^[19] Скорость метаболических затрат также следует этой зависимости. Влияние каденции на метаболические затраты махов ногами приблизительно выражается как , где — скорость метаболических затрат, а — частота шагов ^[17]${\displaystyle \textstyle {\dot {W}}\;\alpha \;f^{3}}$${\displaystyle \textstyle {\dot {W}}}$${\displaystyle \textstyle f}$${\displaystyle \textstyle {\dot {E}}\;\alpha \;f^{4}}$${\displaystyle \textstyle {\dot {E}}}$${\displaystyle \textstyle f}$

• Ширина шага

Подобно выбору длины и частоты шага, люди также выбирают метаболически оптимальную ширину шага. ^[6] Принятие более широкой стойки увеличивает устойчивость пассивной динамической системы, а также увеличивает боковой зазор между маховой ногой и опорной ногой. ^[20] Согласно динамической модели ходьбы, медиолатеральное «раскачивание» ног также может быть описано парадигмой перевернутого маятника, и более широкая стойка аналогичным образом потребует увеличения силы реакции опоры для перенаправления ЦМ и, таким образом, увеличения метаболической потребности. Для более узкой стойки из-за недостаточного зазора крутящий момент бедра может быть увеличен для проецирования маховой ноги вбок, что также приводит к увеличению метаболических затрат. ^[6] Связь между шириной шага и энергетическими затратами для переходов от шага к шагу можно описать как , где — скорость метаболических затрат, — скорость механической работы, — ширина шага.${\displaystyle \textstyle {\dot {E}}\;\alpha \;{\dot {W}}\;\alpha \;w^{2}}$${\displaystyle \textstyle {\dot {E}}}$${\displaystyle \textstyle {\dot {W}}}$${\displaystyle \textstyle w}$

• Шаг Изменчивости

Изменчивость ширины шага связана с активным контролем нервной системы за устойчивостью ходьбы и снижается при наличии внешних стабилизаторов ^{[4] [21],} но увеличивается при воздействии нарушений равновесия. ^[7] Изменчивость длины шага аналогичным образом объясняется связью, которая существует между медиально-латеральным и передне-задним движением при ходьбе, но в меньшей степени. ^[13] Изменчивость ширины шага положительно коррелирует со скоростью метаболических затрат и в отношении изменчивости, связанной с медиально-латеральным балансом, составляет около 6% метаболических затрат при предпочитаемой походке. ^[13] Хотя некоторые энергетические затраты, связанные с изменчивостью шага, могут возникать из-за чистых изменений ширины и длины шага, существует часть затрат, которые можно отнести к усилиям по контролю устойчивости во время ходьбы.

Поскольку несколько различных параметров походки оказывают значительное влияние на энергетические затраты на ходьбу, каждый из этих параметров необходимо учитывать при рассмотрении основной цели оптимизации метаболических затрат. Визуализация такой оптимизации для скорости ходьбы, каденции и длины шага может быть выражена в виде контурной карты , на которой комбинации параметров, лежащие на одной и той же контурной линии, имеют одинаковую стоимость транспортировки (кал/кг/м). ^{[2] [22]} Зеленые, красные и синие пунктирные линии представляют значения, при которых каденция, скорость ходьбы и длина шага ограничены соответственно. Эти линии можно сформировать, найдя точки касания, которые линии, представляющие несколько постоянных значений параметров, образуют с постоянными контурами COT. Например, оптимальные COT для ограниченных скоростей ходьбы (красные) можно найти, нарисовав вертикальные линии и отметив, где они образуют касательную с контуром, как показано точкой B на диаграмме. Затем серия этих пересечений может сформировать кривую для оптимального COT при ограниченной скорости ходьбы. Эти ограниченные значения оптимизации не только отражают естественно выбранные предпочтительные параметры походки, которые наблюдаются путем фиксации одного параметра при разных значениях, но и являются частью прогностической карты, которая позволяет определить стоимость транспортировки для многомерной системы .

• Предпочтительная скорость ходьбы
• Анализ походки
• Пассивная динамика
• Правило Нейсмита
• Ходьба
• Энергетика бега

• Пассивно-динамическая ходьба
• Контроль минимизации энергии