§ 2. Стопа как орган опоры и движения [1975 Лиокумович В.Х.

При разработке конструкции обуви необходимо учитывать специфику стопы как органа опоры и движения. Эти особенности изучает биологическая механика (биомеханика) - специальный раздел анатомии и физиологии двигательного аппарата. Так, с помощью биомеханического анализа может быть выявлена рациональная форма стелечной поверхности обуви, форма и размеры каблука и т. п.

Задача биологической механики состоит в описании движения, выявлении действующих при этом сил, их природы, условий действия и эффективности.

С механической точки зрения двигательный аппарат человека представляет собой сложную систему рычагов, приводимых в действие мышцами.

Силовое поле. Движения человеческого тела или его отдельных звеньев являются результатом взаимодействия внешних и внутренних сил. (Под звеном понимают отдельную анатомическую единицу - кость, имеющую самостоятельную подвижность.) Совокупность внешних и внутренних сил называют силовым полем. Конечности человеческого тела передвигаются в весьма сложном силовом поле. На рис. 17 в качестве примера приведены положения звеньев тела высококвалифицированного спортсмена в беге на длинные дистанции (по Н. А. Бернштейну).

Рис. 17. Изменение силового поля (векторы обозначены стрелками) звеньев ног при беге высококвалифицированного спортсмена (по Н. А. Бернштейну): а - непосредственно после отрыва ноги в начале полетного интервала; б - в середине полетного интервала (через 0,08 с)

К внешним силам прежде всего относятся сила тяжести тела и сила притяжения земли. Они действуют при опоре и на расстоянии, когда человек, не касаясь опоры, находится в полете (например, при прыжке).

Если человек находится в опорном положении, то вследствие его давления на опору одновременно возникает еще один вид внешней силы - опорная реакция.

Если опорная реакция не перпендикулярна к поверхности опоры, то ее можно разложить на две составляющие: перпендикулярную к опоре и направленную вдоль нее по касательной - силу трения.

К внешним силам относят также сопротивление среды, в которой движется человек. Чем больше скорость, тем выше сопротивление воздуха, тем большие мышечные усилия приходится прилагать человеку.

Другая большая группа сил - внутренние силы. Активные внутренние силы - это силы напряжения мышц, приложенные к костям; пассивные - это прежде всего сопротивление тканей, костей, принимающих на себя массу (вес) тела и другие внешние силы.

Особую роль играют инерционные реактивные силы участков тела, возникающие в результате взаимодействия с соседними частями.

Динамика ног в их взаимодействии с опорной поверхностью находит свое отражение в изменении положения центра тяжести всего тела. Усилия при ходьбе представляют собой пространственные векторы, которые можно разложить на три слагающих по направлениям - продольному, вертикальному и поперечному.

Для выяснения условий сохранения равновесия необходимо знать месторасположение общего центра тяжести. Если обе подошвенные поверхности стопы соединить прямыми линиями, касательными к большим пальцам и пяткам, то пространство, ограниченное этими линиями и боковыми поверхностями стоп, составит площадь опоры. Если центр тяжести попадает в какую-нибудь точку площади опоры, то человек находится в состоянии равновесия; если не попадает, то равновесие нарушается, и человек неминуемо упадет, если не сумеет своевременно скоординировать свое положение.

Двигательная деятельность человека. В основе всех движений человека лежит рефлекс - реакция организма на сигналы нервной системы.

Рефлекторный процесс протекает по дуге рефлекса, состоящей из трех частей: чувствительной, замыкающей и исполнительной.

Чувствительная часть воспринимает сигналы до начала движения, при выполнении и по окончании движения. В процессе движения и при его завершении в мозг подаются сигналы, в ответ на которые осуществляется управление движением (эту связь называют обратной).

Замыкание связей с чувствительной части на исполнительную происходит в самом мозгу. Эта сложнейшая связь (межцентральная) соединяет различные центры мозга (чувствительные и двигательные), приводит одни из них в возбуждение и тормозит другие. При возбуждении и торможении участвуют многие миллиарды клеток мозга.

Возникшие в результате этих процессов импульсы направляются по двигательным нервам к мышцам. К каждой мышце подходит множество нервных волокон, которые связаны с определенными группами мышечных волокон.

Каждое движение имеет свою структуру. Связи в структуре движений многообразны. Механические связи обусловливают передачу сил, изменение скоростей, величину и направление ускорений.

Не менее сложны анатомические связи. Самые сложные - это мышечные связи. Имеются мышцы, переходящие через один, два сустава и более. Для мышц характерно групповое взаимодействие, вследствие чего их связи чрезмерно сложны.

И, наконец, самые главные связи - физиологические. Именно нервные, рефлекторные связи более всего обеспечивают соединение всех элементов в единое неразрывное целое, они же и осуществляют управление движениями.

Движение и работа стопы. При стоянии работают сравнительно немногие мышцы. Неподвижность большей части суставов достигается благодаря простому напряжению связок, почти без участия мышц. При симметричном стоянии тяжесть тела человека равномерно распределяется на обе стопы.

При передвижении человека стопа опускается на опорную поверхность пяточной частью, затем перекатывается к своей передней части и отталкивается от опоры пучками и пальцами. Во время перемещения ноги из заднего положения в переднее пальцы стопы несколько разогнуты и направлены вверх. Стопа при этом сокращается в длину. При переходе стопы от опоры по всей поверхности к опоре на пучки она изгибается в плюсно-фаланговом и в предплюсневом сочленениях.

При ходьбе период опоры на пятку составляет 7% всего опорного периода, на всю стопу - 43% и на переднюю часть стопы - около 50%.