CC BY
11ГЕНДЕРЗАВИСИМЫЕ ОСОБЕННОСТИ БИОМЕХАНИКИ И ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ХОДЬБЫ МОЛОДЫХ ЛЮДЕЙ НА ТРЕДМИЛЕ В УСЛОВИЯХ ЛАБОРАТОРНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК/UDC 796.012.412.3: 620.95
Поступила в редакцию 12.11.2019 г.
Информация для связи с автором: logsi@list.ru
Доктор биологических наук, профессор С.И. Логинов1 Кандидат биологических наук А.С. Кинтюхин1 Кандидат биологических наук доцент А.С. Снигирев1 Кандидат биологических наук Р.О. Солодилов1
1 Сургутский государственный университет, Сургут
GENDER-RELATED FEATURES OF BIOMECHANICS AND VARIABILITY OF TREADMILL WALKING IN YOUNG PEOPLE IN LABORATORY STUDY
Dr. Biol., Professor S.I. Loginov1 PhD A.S. Kintyukhin1
PhD, Associate Professor A.S. Snigirev1 PhD R.O. Solodilov1
1 Surgut State University, Surgut
Аннотация
Цель исследования - установить особенности биомеханики и вариабельности ходьбы молодых людей при движении на беговой дорожке с повышающейся скоростью.
Методика и организация исследования. В выборке молодых людей (п=37, возраст 19,8±1,95 года, в т. ч. 18 девушек) изучены особенности биомеханики и вариабельности ходьбы на беговой дорожке с возрастающей скоростью (2*7 км/ч) по 5 мин на каждой скорости. На основе видезаписи рассчитывали длительность полного шага (ДПШ, с), амплитуду моды (АМ, %), индекс походки (ИП, у.е.), длину шага (ДШ, мм).
Результаты исследования и выводы. Установлено, что по мере увеличения скорости ходьбы ИХ (индекс ходьбы) увеличивается в 15,3 раза у мужчин и в 19,4 раза у женщин, тогда как ДПШ уменьшается в 1,83 раза у женщин и в 1,67 раза у мужчин. Хаотичность ходьбы возрастала, о чем свидетельствовало увеличение площади квазиаттрактора с 15 489 у.е. при комфортной скорости 5 км/ч до 63 191 у.е. при экстремальной скорости 7 км/ч. В условиях Севера индекс ходьбы и площадь квазиаттрактора можно использовать в качестве показателей индивидуальной реакции организма на физическую нагрузку у лиц молодого возраста.
Ключевые слова: каденция, ходьба, индекс походки, квазиаттракторы, молодежь.
Annotation
Objective of the study was to establish the peculiarities of biomechanics and variability of walking of young people when moving on a treadmill with increasing speed.
Methods and structure of research. In a sample of young people (n = 37, age 19.8 ± 1.95 years, including 18 girls), the peculiarities of biomechanics and variability of walking on a treadmill with an increasing speed (2^7 km / h) of 5 min were studied at every speed. Based on the video recordings, the duration of the full step s), the amplitude of the mode %), the gait index (, cu), and the step length (L, mm) were calculated.
Results of the study. It was found that with increasing walking speed (walking index), their activity increases 15.3 times in men and 19.4 times in women, while DPS decreases 1.83 times in women and 1.67 times in men. The randomness of walking increased, as evidenced by the increase in the area of the quasi-attractor from 15 489 cu at a comfortable speed of 5 km / h to 63 191 cu at an extreme speed of 7 km / h. In the North, the walking index and the area of the quasi-attractor can be used as indicators of the individual reaction of the body to physical activity in young people.
Conclusion. The tempo-rhythmic characteristic (cadence) of walking was presented by us earlier and it was shown that a cadence of 96 steps / min corresponds to an energy consumption of 3 MET for women and 92 steps / min for men. The dependence of energy consumption on the value of the cadence is displayed by an equation of the form: E = 3.31 - 0.044K + 0.004K2, where E is the energy consumption in MET, K is the cadence in steps / min, 0.044 and 0.004 are empirical coefficients. By the formula, you can determine the cadence in steps / min at 4 and 5 MET in cases when it is necessary to increase the intensity of walking among university students or during rehabilitation of outpatients.
Keywords: cadence, walking, gait index, quasi-attractors, youth
Введение. Ходьба сопровождается непрерывным контролем длины шага, времени шага, скорости шага и ширины шага за счет механизмов прямой и обратной связи. В условиях наземной ходьбы эти процессы приводят к корреляции параметров походки в ряду последовательных шагов (статистическая стабильность) [5].
При этом человек перемещается на заданное расстояние (длина шага - ДШ) за заданное время (время шага - ВШ) в течение полного цикла шага (шаг левой и шаг правой ногой). Результирующая скорость определяется соотношением длины шага и времени шага (скорость шага, СШ = ДШ/ВШ), что характеризует темпо-ритмическую со-
ставляющую ходьбы, или каденцию. Теоретически бесконечная комбинация ДШ и ВШ может дать на выходе много моделей походки с разной скоростью передвижения. В то же время управление движением обеспечивает высокую согласованность ходьбы в ряду «шаг за шагом» лишь с небольшими остаточными пошаговыми колебаниями [6]. Показано, что подобная высокая согласованность на основе предпочтительных, спонтанно выбранных величин длины и времени шага совпадает с минимальными затратами энергии [4, 3]. Ограничение ходьбы с помощью заданной скорости беговой дорожки изменяет статистическую стабильность на нестабильность [6]. Вместе с тем вопрос о том, как формируется нестабильность (вариабельность) ходьбы при разных скоростях движения беговой дорожки, у молодых остается недостаточно изученным.
Цель исследования - установить особенности биомеханики и вариабельности ходьбы молодых людей при движении на беговой дорожке с повышающейся скоростью.
Методика и организация исследования. В работе приняло участие 19 юношей и 18 девушек в возрасте 19,8±1,85 года, всего 37 практически здоровых человек. До начала исследования участники подписали информированное согласие и подтвердили, что не имеют противопоказаний к тестам c физической нагрузкой.
Независимой переменной выступала ходьба на беговой дорожке Matrix с повышающейся скоростью от 2 до 7 км/ч с шагом в 1 км/ч, по 5 мин на каждой скорости с общей продолжительностью теста 30 мин. Шаги регистрировали с помощью видеокамеры GoPro Hero 6 Black, с частотой 120 кадров/с. Рассчитывали длительность полного шага (ДПШ, с), амплитуду моды (АМ, %), индекс походки (ИП, у. е.), длину шага (ДШ, мм), измеряли длину ноги (м), длину и массу тела (м, кг). Индекс походки, рассчитывали по формуле: ИП = АМо/(2 х Мо х dX), где Мо - значение модального класса (с); АМо - амплитуда моды ( %); dX - вариационный размах (разность между наибольшим и наименьшим значением интервала), с. Статистическую обработку проводили с помощью пакета программ Statistica, v. 10 (StatSoft, США). Предварительно оценивали нормальность распределения. Рассчитывали среднее
арифметическое (Х), среднеквадратическое отклонение (SD), медиану (М), 0,95-доверительный интервал (±0,95 ДИ). Для оценки достоверности наблюдаемых различий использовали двусторонний t-test для связанных и несвязанных групп, а также непараметрический критерий Уилкоксона, Манна, Уитни при уровне значимости р<0,05. В качестве альтернативы стохастическому методу по значениям параметров длины шага (х1) и скорости шага (х2) на плоскости строили квазиаттракторы (КА) и определяли площади, полученных КА SG по формуле S =Дх1хДх2, где Дх1 - вариационный размах по координате х1, значение длины шага испытуемого, а Дх2 - вариационный размах по координате х2, скорость изменений длины шага. В конечном итоге анализ длины шага проводили на основе сравнения площади КА в виде значения S, что позволяло рассмотреть вариабельность шагов как хаотический процесс [2].
Результаты исследования и их обсуждение. Анализ результатов показал, что юноши имели существенно большие длину и массу тела, длину ног (1,77±6,3 м, 72,3±13,8 кг 0,90±0,06 м против 1,67±5,8 м, 59,2±7,9 кг, 0,83±0,03 м соответственно, р<0,05), но не отличались от девушек по возрасту (19,5±2,4 против 20,1±1,5 лет) и индексу массы тела (22,9±3,9 против 21,2±2,6 кг/м2 соответственно) (табл. 1).
Рис. 1. Динамика длительности полного шага (А) и индекса походки (B) в зависимости от скорости движения на беговой дорожке. Условные обозначения: кружок в центре фигуры - величина медианы (М), высота фигуры - 25-75 % величины показателя, вертикальные линии - величина разброса показателя, * - различия существенны по сравнению со скоростью 2 км/ч, р <0,05. Цифры под фигурами означают скорости от 2 до 7 км/ч соответственно
Таблица 1. Возраст и антропометрические показатели, X ± SD
Показатели Юноши, n=19 Девушки, n=18
Возраст, лет 19,5±2,4 20,1±1,5
Длина тела, м 1,77±6,3 1,67±5,8*
Масса тела, кг 72,3±13,8 59,2±7,9*
ИМТ, кг/м2 22,9±3,9 21,2±2,6
Длина ноги, м 0,90±0,06 0,83±0,03*
* - р<0,05 между показателями девушек и юношей
Таблица 2. Динамика параметров ходьбы молодых людей при разной скорости движения на беговой дорожке (X±SD), п=37
Показатель Скорость ходьбы, км/ч
2 3 4 5 6 7
Юноши, n=19
ДШ, мм 359±46 446±27* 510±28* 558±46* 597±58* 619±37*
ДОН, с 0,29±0,32 0,23±0,29 0,16±0,27* 0,09±0,26* 0,19±0,19* 0,11±0,21*
ДПН, с 0,24±0,03 0,23±0,012 0,21±0,013 0,20±0,014* 0,18±0,017* 0,14±0,09*
Девушки, n=18
ДШ, мм 366±39 420±36* 483±38* 514±32* 563±44* 594±39*
ДОН, с 0,38±0,3 0,23±0,3 0,12±0,28* 0,15±0,24* 0,05±0,24* 0,02±0,21*
ДПН, с 0,25±0,02 0,23±0,01 0,21±0,01* 0,20±0,01* 0,18±0,01* 0,17±0,01*
□ и
£ л
а
ч-
о
OJ и
Е а
■
с
га &
О OJ л Н
Условные обозначения: ДШ - длина шага (мм), ДОН - длительность опоры ноги (с), ДПН - длительность переноса ноги (с), уровне значимости р<0,05 между 2 км/ч и другими скоростями 3, 4, 5, 6, 7 км/ч.
- достоверно при
*
88 http //www.teoriya.ru № 1 • 2020 Январь | Yanuary
http://www.teoriya.ru
При увеличении скорости ходьбы изменялась временная и биомеханическая структура шага. При скорости 3 км/ч уменьшалась длительность опоры и переноса ноги, увеличивались длина шага и индекс походки (p<0,05) (табл. 2).
Длина полного шага у девушек и юношей прогрессивно снижалась по мере увеличения скорости движения на беговой дорожке. По сравнению со скоростью 2 км/ч существенно уменьшалась величина разброса значений показателя (см диапазон выбросов на рис. 1, фрагмент А).
Индекс походки существенно возрастал при скорости 5 км/ч и далее при последующих скоростях, что свидетельствует об активации нейромоторных механизмов регуляции ходьбы, причём в большей степени у девушек. Начиная со скорости 6 и 7 км/ч существенно увеличивался разброс данных (рис. 1, фрагмент B), что указывало на рост статистической нестабильности.
Рассчитанные нами фазовые портреты квазиаттракторов вариабельности ходьбы при комфортной скорости 5 км/ч и некомфортной скорости 7 км/ч в целом подтвердили переход к хаотическому регулированию процесса ходьбы, о чем свидетельствует четырехкратное увеличение площади ква-зиаттраткора при скорости 7 км/ч (рис. 2).
Обсуждение. 37 юношей и девушек выполнили в сумме 1100 мин ходьбы на беговой дорожке при разной скорости под видеокамеру. Режимы ходьбы были качественно и количественно разными для того, чтобы моделировать вариабельность в ряду «шаг за шагом». Скорость 2 км/ч была слишком медленной, а скорость 7 км/ч - слишком большой. Скорости 4 и 5 км/ч были признаны многими участниками как пред-почтительные (комфортные). Именно после этих скоростных режимов существенно возрастала статистическая нестабильность ходьбы. Изменялась структура шага. Увеличивалась длина шага, длительность опоры ноги достигала своих критически низких значений, тогда как время переноса ноги существенно не изменялось (см. табл. 2). Эти адаптивные перестройки сопровождались существенным ростом индекса ходьбы как показателя нестабильности походки.
Сходные с нашими данные были получены швейцарцами Terrier P., Turner V., Schutz Y (2012) при ходьбе на тредмиле при трех скоростях движения - низкой (соответствовала 2 км/ч), комфортной (4,5 км/ч) и высокой скорости (6 км/ч). Соответственно, была получена следующая динамика длины шага при минимальной и максимальной скоростях ходьбы - 0,56±0,05 м и 0,73±0,07 м (наши данные - 0,36±0,05 и 0,62±0,04 м), а также времени шага - 0,71±0,06 и 0,52±0,04 с (наши данные - 0,71±0,09 и 0,42±0,02 с). Все приведенные данные достоверно различались между собой (p<0,05). Что касается индекса нестабильности, предложенного авторами, его динамику трудно сравнивать с индексом походки, поскольку он представлен нормализованными данными среднеквадра-
i A
■ - - - - ~
SG= 15489 v.e. SG = 63191 y.e.
X, MM X. мм
Длинз шэгэ, мм
Рис. 2. Изменение площадей квазиаттраткора соотношения скорости шага (V, мм/с) и длины шага (Х, мм) при скорости движения тред-мила 5 км/ч (А) и 7 км/ч (В)
тических отклонений локальных средних арифметических за 10 последовательных шагов, а не всех шагов за 5 мин ходьбы по дорожке.
Оценка вариабельности походки с позиций теории хаоса и самоорганизации сложных систем предоставляет новые интересные результаты, подтверждаюшие хаотический характер ходьбы, однако данные во многом противоречивы и требуют дальнейших теоретических [1] и экспериментальных исследований.
Вывод. Темпо-ритмическая характеристика (каденция) ходьбы была представлена нами ранее и было показано, что каденция в 96 шаг/мин соответствует затратам энергии в 3 МЕТ у женщин и 92 шаг/мин у мужчин. Зависимость затраты энергии от величины каденции отображается уравнением вида: Е = 3,31-0,044 К + 0,004 К 2, где Е - расход энергии в МЕТ, К - величина каденции в шаг/мин,
0.044.и 0,004 - эмпирические коэффициенты. По формуле можно определить каденцию в шаг/мин при 4 и 5 МЕТ в случаях, когда необходимо повысить интенсивность ходьбы у студентов университета или при реабилитации амбулаторных больных.
Работа выполнена в рамках государственного задания при финансовой поддержке Департамента образования и молодежной политики Ханты-Мансийского автономного округа - Югры «Разработка и внедрение новых технологических решений оптимизации физической активности и здоровья, установление закономерностей реакции организма на физические нагрузки разной модальности в условиях ХМАО -Югры», регистрационный номер AAAA-A16-116092810015-8 от 28.09.2016 г. Литература
1. Бетелин В.Б. Стохастическая неустойчивость в динамике поведения сложных гомеостатических систем / В.Б. Бетелин, В.М. Еськов, В.А. Галкин, Т.В. Гавриленко // Доклады Академии наук. - 2017. - Т. 472. - № 6. - С. 642-644.
2. Еськов В.М. Эволюция хаотической динамики коллективных мод как способ описания поведения живых систем / В.М. Еськов, В.В. Еськов, Ю.В. Вохмина, Т.В. Гавриленко // Вестник Московского университета. - 2016. - № 2. - С. 3-15.
3. Логинов С.И. Каденция и биоэнергетика ходьбы молодых людей на Севере / С.И. Логинов, А.С. Кинтюхин, М.Я. Брагинский, А.С. Снигирев // Теория и практика физ. культуры. - 2019. -№ 11. - С. 93-95.
References
1. Betelin V.B., Eskov V.M., Galkin V.A., Gavrilenko T.V. Stohasticheskaya neustoychivost v dinamike povedeniya slozhnyih gomeostaticheskih sistem [Stochastic instability in dynamics of behavior of complex homeostatic systems]. Reports of the Academy of Sciences. 2017. v. 472. no. 6. pp. 642644.
2. Eskov V.M., Eskov V.V., Vokhmina Yu.V., Gavrilenko T.V. Evolyutsiya haoticheskoy dinamiki kollektivnyih mod kak sposob opisaniya povedeniya zhivyih sistem [Evolution of dynamics of collective modes to describe behavior of living systems]. Vestnik Moskovskogo universiteta. 2016. no. 2. pp. 315.
3. Loginov S.I., KintyuKhin A.S., Braginskiy M.Ya., Snigirev A.S. Kadentsiya i bioenergetika hodbyi molodyih lyudey na Severe [Young northerners' walking cadence and bioenergy rating study]. Teoriya i praktika fiz. kultury. 2019. no. 11. p. 9395.
4. Donelan J.M., Kram R., Kuo A.D. Mechanical and metabolic determinants of the preferred step width in human walking. Proc. Biol. Sci. 2001. V. 268. Issue 1480. P. 1985-1992. doi.10.1098/rspb. 2001.1761.
5. Terrier P. SteptoStep Variability in Treadmill Walking: Influence of Rhythmic Auditory Cueing. PLoS ONE. 2012. 7(10): e47171. doi:10.1371/journal.pone. 0047171.
6. Terrier P., Turner V., Schutz Y. GPS analysis of human locomotion: further evidence for longrange correlations in stridetostride fluctuations of gait parameters. Hum. Mov. Sci. 2005. V. 24, N 1. P. 97-115.
