Туфли с динамическими каблуками
- Источник:
предоставлено Татьяной Морозовой
О том, почему мы устаем при ходьбе и беге, как создать идеальный ботинок с учетом законов физики и что уже сделано наукой в этой области, порталу Vokrugsveta.ru рассказала кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИКИ РАН Татьяна Морозова.
Как на нас влияют ходовые нагрузки
Ударная нагрузка вредна для позвоночника, суставов и связок. При ходьбе и переносе веса с одной ноги на другую происходит толчок и возникают большие ускорения — в два раза больше ускорения силы тяжести. Получается, что наше тело все время испытывает ударную нагрузку. От этого дополнительно напрягаются мышцы спины и шеи, чтобы не только поддерживать тело и голову, но и защищать позвоночник и нервные отростки спинного мозга. Все это приводит к усталости.
- Источник:
- Shutterstock/Fotodom.ru
В условиях городской среды каждый день приходится ходить по жестким плитке и асфальту, которые не смягчают удар при наступании и модифицируют естественный шаг. В результате ноги очень быстро устают — они эволюционно не приспособлены к таким покрытиям. Накапливается напряжение в мышцах, идет повышенная нагрузка на позвоночник и межпозвонковые диски, а также на суставы, связки и сухожилия.
Стоит отметить, что при быстром беге мы начинаем фазу наступания на землю не с пятки, а с переката и носка, тем самым не нагружая ахилловы сухожилия и позвоночник. Но при таком способе передвижения затрачивается масса энергии. Да и невозможно длительное время находиться в таком режиме.
На шаг впереди эволюции: технологии для ходьбы
Эволюционный шаг в сторону прямохождения и энергосберегающего типа передвижения (ходьбы) был сделан в условиях, когда человек передвигался по естественному ландшафту — по земле. Однако эволюция не успевает отточить все приспособления организма под достижения прогресса.
- Источник:
Legion Media
В частности, амортизирующая жировая подушка на пятке оказалась недостаточно мягкой для передвижения по искусственным твердым поверхностям и недостаточно высокой, чтобы компенсировать устройство опорно-двигательного аппарата, заточенного под подвижную и возвышенную пятку.
Небольшой подъем пятки естественен — во-первых, в ходе эволюции опорно-двигательный аппарат полностью не перестроился с такого положения стопы, а во вторых — когда пятка чуть-чуть приподнята, наш центр масс стремится двигаться вперёд, и это помогает при ходьбе. Не зря ортопеды советуют носить обувь на небольших каблуках — чтобы пятка была немного приподнята. Однако на твердых поверхностях отнюдь не помешает дополнительная амортизация.
Предотвратить излишнюю усталость и возможные травмы может помочь амортизирующая обувь или выбор соответствующего покрытия для ходьбы и бега, отвечающего скоростным характеристикам передвижения. Соответствующего — значит, не слишком мягкого и не слишком жесткого: в первом случае слишком мягкая поверхность погасит весь удар, а во втором слишком жесткая не сожмется, чтобы вернуть упругую энергию обратно на толчок.
Амортизация в кроссовках: в чем ее несовершенство
Такие технологии в настоящее время уже хорошо развиты для беговых кроссовок, но практически не адаптированы под ходьбу. Технологии изготовления кроссовок подразумевают преимущественно два направления:
смягчающие подошвы для длительного бега;
более жесткие и упругие конструкции для быстрого бега на короткие дистанции.
Технологии кроссовок: смягчающие гелевые вставки, волна, которая работает как пружина, и амортизирующая воздушная подушка
- Источник:
предоставлено Татьяной Морозовой
Чем большей жесткостью обладает материал и чем сильнее сжатие, тем больше упругой энергии запасается. Получается, что максимальной отдачи удается добиться только в обуви из жестких материалов на больших скоростях передвижения (когда толчок ногой о землю максимален).
В результате при беге на длинные дистанции мы используем мягкие материалы, рассчитанные на легкий толчок, и не получаем отдачи. А для быстрого бега применяем жесткие конструкции, которые совсем не дают амортизации, зато они работают на дальнейшее ускорение, и есть эффективность.
Кстати, для комфортной ходьбы, а не бега, кроссовки вообще не подходят, так как при данной нагрузке (в отличие от бега) запасенной упругой энергии не хватает, чтобы вытолкнуть ногу вперед, и создается эффект «проваливания».
Нам хочется получить ускорение на любом темпе, но для медленного бега на длинные дистанции важнее амортизация и защита ног от долгосрочных ударных нагрузок. Но если взять мягкие материалы, то упругой энергии при сжатии они запасут совсем мало. И что же делать? Использовать жесткие материалы, но играть за счет формы и добиваться их сжатия при меньшей нагрузке и, как следствие, смягчения и вместе с тем отдачи упругой энергии на дальнейшее проталкивание вперед при меньших ударных нагрузках. И ученые уже придумали, как это осуществить.
Как работают динамические каблуки
Такие технологии используются в динамических каблуках. Это новая разработка ученых из МФТИ. Благодаря своим сложным формам и упругим материалам они не только снижают ударную нагрузку при ходьбе, беге и танцах, но и выталкивают вперед.
Модели динамических каблуков. Если использовать сложные витиеватые конструкции из более жестких материалов, которые благодаря форме будут сжиматься и при небольших нагрузках, то в силу свойств материала они суммарно будут запасать больше упругой энергии, нежели монолитные формы из менее жестких материалов
- Источник:
предоставлено Татьяной Морозовой
Динамические каблуки берегут колени, позвоночник, связки и сухожилия. Они работают как пружина, которая, сжимаясь при наступании, обеспечивает мягкость, но также не теряет энергию толчка, а «запасает» ее в упругую энергию и возвращает на проталкивание вперед. Подобраны оптимальные для ходьбы сочетания мягкости и упругости каблуков с повышением эффективности передвижения. Для каблуков разной высоты подбираются соответствующие формы и материалы.
Технология для здоровья
При носке динамических каблуков разгружается позвоночник, снимается напряжение в коленях и ахилловых сухожилиях, и ходьба становится легче и приятнее. А главное, что носить обувь с динамическими каблуками можно дольше и при этом не уставать.
Упругие каблуки после начального сжатия при наступании и амортизации быстро реагируют, восстанавливаются после деформации и выталкивают вперед. В результате при ходьбе получается дополнительный импульс вперед благодаря упругой энергии сжатия, которую каблук получает от удара ноги о землю. Законы сохранения энергии сохраняют ваши суставы.
Амортизирующий каблук также препятствует развитию вальгусной деформации: когда таким каблуком гасится толчковый удар, увеличивается время наступания на пятку и, таким образом, уменьшается время нахождения на носочной части стопы и оказываемое на нее давление. Следовательно, разгружается передний отдел стопы и ослабляются нагрузки на кость большого пальца, которая становится меньше подвержена различным деформациям.
Примеры амортизационных устройств, близких по принципу действия к динамическим каблукам: подвески и рессоры автомобилей, амортизации для велосипедов и безвоздушные шины (на фото), которые особенно актуальны в космосе и уже используются в марсоходах
- Источник:
предоставлено Татьяной Морозовой
Само слово «амортизация» означает «гашение, смягчение, ослабление» и не подразумевает обратной отдачи. Поэтому обувь с упругими конструкциями, которые в свою очередь еще и амортизируют, лучше называть мягко-упругой обувью.
При наступании на каблук действует сила тяжести, сила упругости сжатия каблука и сила реакции опоры (которая тоже имеет упругую природу, но упругость здесь зависит от параметров опоры). Причем получается, что чем жестче поверхность под ногами, тем сильнее удар и больше смягчает каблук. Таким образом, плитка и асфальт при ходьбе на динамических каблуках одинаково «приравниваются» к ходьбе по земле.
Модели динамических каблуков. В процессе разработки оптимальных моделей каблуков проведены биомеханические исследования динамики шага и ходьбы на высоких и средних каблуках, рассчитаны ударные нагрузки, деформации и напряжения в различных частях каблука
- Источник:
предоставлено Татьяной Морозовой
Подведем итог: эффективное передвижение с повышением производительности возможно только на каблуках с соответственно подобранными формами и материалами и достаточной высотой для их сжатия. При этом также не наблюдается эффекта заваленной назад пятки, как в некоторых кроссовках, в которых пятка и носок находятся практически на одной высоте. Будущее за такими технологиями. Возможно, уже скоро нам удастся избавиться от «проклятия прямохождения», и мы вновь полюбим прогулки.
