Что такое способность к прямохождению

Cпособность человека к прямохождению

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 изменением в древней Африке климата: из-за постоянно снижающейся влажности лес редел, и места для обитания у человекообразных обезьян оставалось все меньше. «Однако проблема, какой именно способ передвижения был стартовым, до сих пор не решена и решена в ближайшее время не будет, — заверяет Виталий Харитонов. — Причина заключается в том, что находки останков наших предков довольно редки. Наша палеонтология гораздо беднее, чем палеонтология других млекопитающих. Пока не появятся новые (и притом однозначные) палеонтологические находки, вопрос можно считать открытым».

Источник

Прямохождение

Ходьба человека — наиболее естественная локомоция человека.

Существуют и другие определения, характеризующие эту локомоцию:

«…синергии, охватыващие всю мускулатуру и весь двигательный аппарат сверху донизу» [3]
«…циклический акт, то есть движение, в котором периодически повторяются вновь и вновь одни и те же фазы». [4]

Близкие по значению слова:

Содержание

Виды ходьбы

Не следует путать виды ходьбы с видами походки. Ходьба — двигательный акт, разновидность двигательной активности. Походка — особенность ходьбы человека, «манера ходить» [6]

Задачи ходьбы

Задачи ходьбы как важной локомоторной функции:

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.

Биомеханика 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

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.

График самой простой двухконтактной подограммы изображается в виде подограммы правой ноги и подограмма левой ноги. Красным цветом выделена подограмма правой ноги. То есть той ноги, которая в данном случае начинает и заканчивает цикл ходьбы — двойной шаг. Тонкой линией обозначают отсутствие контакта с опорой, затем мы видим время контакта на задний отдел стопы, на всю стопу и на передний отдел. Локомоторный цикл состоит из двух двуопорных и двух переносных фаз. По подограмме определяют интервал опоры на пятку, на всю стопу и на ее передний отдел. Временные характеристики шага выражают в секундах и в процентах к продолжительности двойного шага, длительность которого принимают за 100 %.

Все остальные параметры ходьбы (кинематические, динамические и электрофизиологические) привязывают к подограмме — основному методу оценки временной характеристики ходьбы.

Кинематика ходьбы

Проводя кинематический анализ ходьбы, прежде всего, определяют перемещение общего центра масс тела и угловые перемещения в крупных суставах нижних конечностей и в суставах стопы.

Кинематический анализ проводят, исследуя эти движения в трех основных анатомических плоскостях тела: в сагиттальной, в горизонтальной и во фронтальной плоскости. Движения сегментов тела соотносят с фазами временной характеристики ходьбы. Регистрация движений сегментов тела проводится как контактным, так и бесконтактным методом. Исследуют линейные и угловые перемещения, скорость и ускорение.

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 это сила, действующая на тело со стороны опоры. Эта сила равна и противоположна той силе, которую оказывает тело на опору. Если при стоянии сила реакции опоры равна весу тела, то при ходьбе к этой силе прибавляются сила инерции и сила, создаваемая мышцами при отталкивании от опоры.

Для исследования силы реакции опоры обычно применяют динамографическую (силовую) платформу, которая вмонтирована в биомеханическую дорожку. При опоре в процессе ходьбы на эту платформу регистрируют возникающие силы — силы реакции опоры. Силовая платформа позволяет регистрировать результирующий вектор силы реакции опоры.

Динамическая характеристика ходьбы оценивается путём исследования опорных реакций, которые отражают взаимодействие сил, принимающих участие в построении локомоторного акта: мышечных, гравитационных и инерционных. Вектор опорной реакции в проекции на основные плоскости разлагается на три составляющие: вертикальную, продольную и поперечную. Эти составляющие позволяют судить об усилиях, связанных с вертикальным, продольным и поперечным перемещением общего центра масс. Сила реакции опоры включает в себя вертикальную составляющую, действующую в направлении вверх-вниз, продольную составляющую, направленную вперед-назад по оси Y, и поперечную составляющую, направленную медиально-латерально по оси X. Это производная от силы мышц, силы гравитации и силы инерции тела.

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 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).

График продольной составляющей опорной реакции имеет также два, но разнонаправленных максимума, соответствующих переднему и заднему толчкам и минимум равный нулю между ними. Величина этих максимумов при медленном темпе составляет 12 % и 6 %, при произвольном темпе — 16°/ и 24 %, при быстром — 21 % и 30 %. Продольная составляющая характеризуется аналогичной тенденцией увеличения переднего и заднего толчков при повышении темпа ходьбы.

Поперечная (медиолатеральная) составляющая вектора опорной реакции, так же как и продольная, порождена силой трения.

График поперечной составляющей опорной реакции по форме напоминает перевернутый график вертикальной составляющей. Кривая также располагает двумя максимумами, приуроченными к фазам переднего и заднего толчков и направленными медиально. Однако в самом начале цикла выявлен еще один максимум, имеющий противоположное направление. Это короткий период опоры на наружный отдел пятки. При увеличении темпа ходьбы все максимумы возрастают (красная линия), их значения составляют от веса тела: при медленном темпе — 7 % и 5 %, при произвольном темпе — 9 % и 8 %, при быстром — 13 % и 7 %. Зависимости этих величин от темпа ходьбы показаны на рисунке. Таким образом, чем выше темп ходьбы, тем больше сила и соответственно энергия, которая расходуется на преодоление силы трения.

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 силы реакции опоры в процессе ходьбы изображается в виде графика: «зависимость величины силы реакции опоры от времени опорного периода». График представляет собой перемещение вектора реакции опоры под стопой.

Нормальный паттерн, траектория перемещения реакции опоры при нормальной ходьбе представляет собой перемещение от наружного отдела пяти вдоль наружного края стопы в медиальном направлении к точке между 1 и 2 пальцем стопы. Траектория перемещения вариабельна и зависит от темпа и типа ходьбы, от рельефа поверхности опоры, от типа обуви, а именно от высоты каблука и от жёсткости подошвы. Паттерн реакции опоры во многом определяется функциональным состоянием мышц нижней конечности и инервационной структурой ходьбы.

Иннервационная структура ходьбы

Определение внешних вращающих моментов суставов главным образом, нижней конечности является на сегодня единственным объективным методом оценки внутреннего вращающего момента, который определяется мышечным усилием в различные фазы ходьбы (наряду с другими факторами: эластичность связок, сухожилий, геометрия суставной поверхности). А вот о распределении усилий различных групп мышц, о пространственно-временной характеристике работы мышц судят по данным электромиографического исследования. Эти данные соотносят с временной и силовой характеристикой каждой фазы шага и получают достаточно полное представление о работе основного двигателя человека и об управлении этим процессом.

Многоканальная миография с компьютерной обработкой полученного сигнала является традиционным объективным методом изучения иннервационой и биомеханической структуры ходьбы.

В ходьбе участвуют многие мышцы и группы мышц, однако для ходьбы наиболее значимыми мышцами являются мышцы разгибатели (трехглавая мышца голени, четырехглавая мышца бедра, большая и средняя ягодичная), и мышцы-сгибатели (подколенные сгибатели: полуперепончатая и полуперепончатая и бицепс бедра и передняя большеберцовая мышца).

Работа мышц-разгибателей является основным силовым источником для перемещения общего центра масс. Активность мышц разгибателей обусловлена также необходимостью притормаживания движения сегментов в фазу переноса. Сокращение мышц сгибателей направлено на коррекцию положения или движения конечности в переносную фазу. При обычных условиях ходьбы корригирующая функция мышц минимальна. Прямая мышца в составе четырёхглавой бедра обеспечивает амортизацию переднего толчка и последующее разгибание в коленном суставе в фазу опоры. Большая ягодичная мышца обеспечивает разгибание бедра в фазу опоры. Икроножная мышца — отталкивание от опорной поверхности и вертикальное перемещение общего центра масс. Подколенные сгибатели — регуляция скорости движения в коленном суставе. Передняя большеберцовая — коррекцию положения стопы.

Чередование различных режимов деятельности мышц заключает в себе определённый биомеханический смысл: во время уступающей работы увеличивается напряжение мышцы и её рефлекторная активация, кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругой деформации мышц. При этом эффективность уступающей (отрицательной) работы мышц превышает в 2-9 раз эффективность их преодолевающей (положительной) работы.

Основные биомеханические фазы

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 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.

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.

К таким движениям относят:

Источник