Yurish parametrlarining energiya narxiga ta'siri - Effect of gait parameters on energetic cost

Yurish parametrlarining energiya narxiga ta'siri qanday o'zgarishini tavsiflovchi munosabatlardir qadam uzunligi, aniqlik, qadam kengligi va qadam o'zgaruvchanligi mexanik ta'sir ish va metabolik narx da ishtirok etish yurish. Ushbu aloqaning manbai ushbu yurish parametrlarining metabolik jihatdan maqbul ko'rsatkichlardan chetlanishidan kelib chiqadi, atrof-muhit, patologik va boshqa omillar ta'sirida bo'ladi.

Yugurish yo'lakchasida yurish paytida metabolik faollikni VO2 o'lchovi orqali kuzatish.

Transport narxi [COT]

Insonda yurish, ma'lum bir masofani bosib o'tish uchun tanadan kimyoviy energiya sarflanishi kerak. Ushbu munosabatlar o'lchovsiz atama bilan ifodalanishi mumkin, transport narxi (COT).,[1] miqdorini tavsiflovchi metabolik energiya tanani masofa birligini siljitish uchun zarur. O'z-o'zidan tanlangan tezlikda yuradigan sog'lom odamlar transport xarajati taxminan 0,8 kaloriya / metr / kilogrammni tashkil qiladi.[2] Tezlik, barqarorlik sharoitlari va boshqa ichki va tashqi omillarga qarab,[3][4][5] yurish uchun transport narxi o'zgarishi mumkin. Ushbu o'lchangan metabolik o'zgarishlar qadam uzunligi, qadam kengligi va boshqa parametrlarining o'zgarishiga bog'liq yurish COT-ga to'g'ridan-to'g'ri ta'sir ko'rsatadigan[6][7]

Yurish afzal

Yurish tezligi va transport narxi (COT) o'rtasidagi bog'liqlikning sifatli tasviri. Yashil chiziq minimal COT bilan yurish tezligini bildiradi.
~ 90 m / min belgilangan yurish tezligida qadam tezligi (yoki kadans) va energiya sarfi nisbati o'rtasidagi bog'liqlikni sifatli tasvirlash.

Metabolik xarajatlar nominal yurishni tanlash bilan tabiiy ravishda optimallashtirilgan. Beqarorlik va xavf kabi tashqi omillar organizmning ustuvor vazifalarini vaqtincha o'zgartirishi mumkin bo'lsa-da,[3] vazifaga bog'liq bo'lgan energiya sarfini minimallashtirishning asosiy maqsadi[8] oxir-oqibat belgilashda ustunlik qiladi yurishni afzal ko'rdi. Natijada, odamlar a ni tanlashga moyil yurish tezligini afzal ko'rdi bu ularni kamaytiradi transport narxi. Yurish va transport narxining o'zaro bog'liqligi parabolaga o'xshaydi, chunki u eng kam yurish tezligiga ega, ya'ni sekinroq yoki tezroq yurish 1 km yurish uchun baquvvat narxni oshirishi mumkin.[1] Har bir yurish tezligida qadam uzunligi va aniqlik metabolik xarajatlar uchun optimallashtirilgan. Bir xil yurish tezligiga erishish uchun qadam uzunligi va kadansning bir nechta mutanosib kombinatsiyalaridan foydalanish mumkin bo'lsa, tezroq va qisqa qadamlar yoki optimal kombinatsiyadan sekinroq va uzoqroq qadamlar tashish transport narxining oshishiga olib keladi.[9]

Yurish parametrlarining ta'riflari

Belgilangan yurish tezligi uchun yurish parametrlari barchasi har xil odamlarning kattaligiga (masalan, oyoq uzunligi) qarab o'zgaradi. Biroq, o'z-o'zidan tanlangan odatiy yoki o'rtacha qiymat insonning o'rtacha kattaligiga qarab baholanishi mumkin. Ushbu parametrlarga bog'liq bo'lgan mexanik ish va metabolik xarajatlarni dinamik yurish modeli.

Qadam uzunligi

Bosqich uzunligi - bu harakatlanish yo'nalishiga parallel ravishda, bir oyoqning dastlabki aloqa nuqtasi va qarama-qarshi oyoqning ketma-ket dastlabki aloqa nuqtasi orasidagi masofa o'lchovidir. Oddiy yurishda chapga va o'ngga qadam uzunliklari o'xshash. Bosqich uzunligiga o'xshash yana bir metrik, qadam uzunligi deb nomlanadi, bu xuddi shu oyoqning navbatdagi dastlabki aloqa nuqtalari orasidagi masofani o'lchaydi va chap va o'ng qadam uzunliklari odatda tengdir. O'z-o'zidan tanlangan yurish tezligida odatdagi qadam uzunligi erkaklar uchun taxminan 0,75 metrni tashkil qiladi va ayollar uchun jinsning o'ziga xos o'rtacha oyoq uzunligi qisqaroq.[1][9][10] Boshqa yurish tezligi uchun, munosabatlar asosida afzal qilingan qadam uzunligini taxminan taxmin qilish mumkin , qayerda qadam uzunligi va yurish tezligi.[11]

Kadans

Kadans - bu yurish tezligining metrikasi, odatda daqiqada qadamlar sonida o'lchanadi. Ushbu parametr, shuningdek, qadam chastotasi deb nomlanadi. O'z-o'zidan tanlangan yurish tezligida qadam chastotasi taxminan 100 qadam / min.[2][12]

Qadam kengligi

Bosqich kengligi - har bir oyoq o'rta chizig'iga perpendikulyar bo'lgan, bir oyoqning dastlabki aloqa nuqtasi va qarama-qarshi oyoqning ketma-ket dastlabki aloqa nuqtasi orasidagi masofa o'lchovidir. O'z-o'zidan tanlangan yurish tezligida qadam kengligi odatda 10 dan 12 sm gacha. Bu qadam kengligini tenglashtiradigan munosabatlarga asoslanadi , qayerda bu oyoq uzunligi.[13]

Qadam o'zgaruvchanligi

Bosqichning o'zgaruvchanligi - bu bitta yurish sinovi davomida barcha amal qilingan qadamlardan hisoblangan qadam uzunligi va qadam kengligining standart og'ish o'lchovidir. O'z-o'zidan tanlangan yurish tezligida qadam kengligi o'zgaruvchanligi (~ 2,8 sm) deyarli har doim qadam uzunligining o'zgaruvchanligidan (~ 1,8 sm) katta[7][14]

COT uchun ramka sifatida dinamik yurish

Tersinib sarkaç nazariyasida magistral traektoriya yo'li bo'ylab harakatlanadigan massasiz oyoq ustidagi massa markazi. Tezlik vektorlari erga reaktsiya kuchiga perpendikulyar ravishda 1 vaqt va 2 vaqt ko'rsatilgan.

Dinamik yurishda inson tanasi sifatida modellanishi mumkin massa markazi (MAQOMOTI) bitta tayanchda massasiz qattiq oyoq va ikki tomonlama qo'llab-quvvatlash paytida ikkita massasiz oyoq bilan qo'llab-quvvatlanadi,[15] bu mos keladi passiv dinamikasi teskari sarkacın, aks holda yurishning teskari sarkaç nazariyasi. Yagona qo'llab-quvvatlashda, beri hech qanday ish qilinmaydi erga reaktsiya kuchi MAQOMOTI harakatiga perpendikulyar. Ikki tomonlama qo'llab-quvvatlashda, orqadagi oyoq COM harakatini yuqoriga yo'naltirish uchun etakchi oyoq bilan birgalikda ishlaydi. Ushbu bosqichma-bosqich o'tish davrida orqadagi oyoq MAQOMOTIda ijobiy mexanik ishlarni bajaradi, etakchi KOM esa salbiy mexanik ishlarni bajaradi. Yurish yurishini barqaror ushlab turish uchun ushbu ish muddatlari yoki aniq ishlarning yig'indisi nolga teng bo'lishi kerak, chunki tizim energiyasidagi har qanday o'zgarishlar o'tish boshlanishi va oxiri o'rtasida har xil MAQOMOTI tezligini keltirib chiqaradi. Ushbu tizimning ideal aniq mexanik ishi nolga teng bo'lsa-da, mushaklarning qisqarishi erdagi reaktsiya kuchlarini hosil qilish uchun zarur bo'lib, sarf qilingan metabolik energiya nolga teng.

Oyoqlarni silkitish mexanikasi

Tersinib sarkaç nazariyasidagi massasiz oyoq taxminlari tebranish uchun zarur bo'lgan ish hajmini qoldiradi qarama-qarshi bitta qo'llab-quvvatlash paytida oyoq. Osilib turadigan mayatnik paradigmasi bilan oyoq chayqalishining o'xshashligi tufayli bajariladigan ishda tortishish kuchi ustunlik qiladi.[16] Oyoq tabiiy chastotadan tashqarida aylantirilgan bo'lsa, mushak harakati natijasida hosil bo'lgan kestirib, moment sezilarli darajada kattalashadi. Oddiy barqaror yurish uchun, oyoqning tebranishini amalga oshirish uchun sarflanadigan energiya, sarflangan umumiy metabolik energiyaning 10% dan 30% gacha to'g'ri keladi.[17][18]

Yurish parametrlari va energiya narxi

Har bir yurish parametrining o'zgarishi yurishning energetik narxiga ta'sir qiladi. Biroq, xuddi shu o'zgarishlar boshqa yurish parametrlariga ham ta'sir qiladi va bu inson tanasini qo'llashni talab qiladigan savdo-sotiqlarga olib keladi optimallashtirish bu energiya sarfini minimallashtirish.

  • Qadam uzunligi

Energiya narxi uzoqroq qadamlar bilan oshib boradi, chunki er-xotin qo'llab-quvvatlash paytida erga reaktsiya kuchlari kuchayadi va tebranish bosqichida kestirib, ko'proq moment paydo bo'ladi. Dinamik yurish modeliga ko'ra, bosqichma-bosqich o'tishdagi mexanik ish qadam uzunligiga mutanosib ravishda oshadi va quyidagicha tavsiflanishi mumkin , qayerda bu mexanik ish tezligi va bu aniq metabolizm tezligining mutanosib o'sishiga teng keladigan qadam uzunligi.[19] Ushbu munosabatlar MAQOMOTIni uzoqroq qadam uzunliklari bilan bog'liq bo'lgan kengroq burchakka yo'naltirish uchun vertikal quvvat hissasining kamayishi bilan bog'liq. Kattaroq qadam uzunliklari, shuningdek, burilish bosqichida keng burchakka o'tish uchun qo'shimcha kestirib, momentni talab qiladi, bu esa metabolik xarajatlarning oyoq uzunligining kvadratiga ko'payishiga yordam beradi.[15]

  • Kadans

Kadansning ko'payishi vaqt birligi ichida oyoqlarning tebranishi va bosqichma-bosqich o'tish holatlarini keltirib chiqaradi, bu esa energetik xarajatlarning o'sishiga olib keladi. Mexanik ish va qadam chastotasi o'rtasidagi bog'liqlikni quyidagicha tavsiflash mumkin bosqichma-bosqich o'tish uchun, qaerda bu mexanik ish stavkasi va qadam chastotasi.[19] Metabolizm narxining darajasi ham ushbu bog'liqlikdan kelib chiqadi. Kadansning oyoq belanchak metabolizm narxiga ta'siri taxminan quyidagicha , qayerda metabolik xarajatlarning darajasi va qadam chastotasi[17]

  • Qadam kengligi

Qadam uzunligi va chastotasini tanlashga o'xshab, odamlar ham metabolizm bo'yicha optimal qadam kengligini tanlaydilar.[6] Kengroq pozitsiyani qabul qilish passiv dinamik tizimning barqarorligini oshiradi, shuningdek, burilish oyog'ining turg'un oyog'idan lateral tozalanishini oshiradi.[20] Dinamik yurish modeliga ko'ra, oyoqlarning medilateral "chayqalishi" teskari sarkaç paradigmasi bilan ham tavsiflanishi mumkin va kengroq pozitsiya xuddi shu tarzda MAQOMOTI yo'nalishini oshirish uchun er reaktsiyasi kuchini oshirishni talab qiladi va shu bilan metabolik talabni oshiradi. Torroq pozitsiyada, bo'sh joy etarli emasligi sababli, aylanuvchi oyoqni lateral ravishda proektsiyalash uchun kestirib, tork kuchaytirilishi mumkin, bu esa metabolik xarajatlarning oshishiga olib keladi.[6] Bosqichma-qadam o'tish uchun qadam kengligi va energetik narx o'rtasidagi bog'liqlikni quyidagicha ta'riflash mumkin , qayerda metabolik xarajatlarning darajasi, bu mexanik ish stavkasi va qadam kengligi.

  • Qadam o'zgaruvchanligi

Bosqich kengligining o'zgaruvchanligi yurish barqarorligi uchun asab tizimining faol boshqaruvi bilan bog'liq bo'lib, tashqi stabilizatorlar ishtirokida kamayadi[4][21] muvozanat buzilishlari ta'sirida ortadi.[7] Bosqich uzunligining o'zgaruvchanligi xuddi shunga o'xshash yurish paytida o'rta-lateral va old-orqadagi harakatlar o'rtasida mavjud bo'lgan birikma tufayli, lekin pasaytirilgan darajada.[13] Bosqich kengligining o'zgaruvchanligi metabolik xarajatlarning tezligi bilan ijobiy bog'liq va mediolateral muvozanat bilan bog'liq o'zgaruvchanlik nuqtai nazaridan afzal qilingan yurishdagi metabolik xarajatlarning taxminan 6% ni tashkil qiladi.[13] Qadamlarning o'zgaruvchanligi bilan duch keladigan ba'zi bir baquvvat xarajatlar qadam kengligi va qadam uzunligidagi aniq o'zgarishlar tufayli yuzaga kelishi mumkin bo'lsa-da, yurishning barqarorlikni boshqarish harakatlari bilan bog'liq bo'lishi mumkin bo'lgan xarajatlarning bir qismi mavjud.

Cheklangan optimallashtirish

Energiya narxlari konturi uchastkasi. Coutour chiziqlari transportning bir xil narxini talab qiladigan parametr kombinatsiyalarini aks ettiradi. Rangli chiziqlar turli xil parametrlarni optimallashtirishni aks ettiradi: (yashil) qadam chastotasi; (qizil) yurish tezligi; (ko'k) qadam uzunligi.

Bir necha alohida yurish parametrlari yurishning energetik narxiga sezilarli ta'sir ko'rsatganligi sababli, metabolik xarajatlarni optimallashtirishning asosiy maqsadini o'rganayotganda ushbu parametrlarning har birini hisobga olish kerak. Yurish tezligi, aniqligi va qadam uzunligi bo'yicha bunday optimallashtirishning vizualizatsiyasi a shaklida ifodalanishi mumkin kontur xaritasi, bir xil kontur chizig'ida joylashgan parametr kombinatsiyalari transportning bir xil narxini (kal / kg / m) taqsimlaydi.[2][22] Yashil, qizil va ko'k, nuqta chiziqlar navbati bilan navbati, yurish tezligi va qadam uzunligi cheklangan qiymatlarni ifodalaydi. Ushbu chiziqlar doimiy COT konturlari bilan bir nechta doimiy parametr qiymatlarini ifodalovchi chiziqlar hosil bo'lgan teguvchi nuqtalarni topish orqali hosil bo'lishi mumkin. Masalan, cheklangan yurish tezligi (qizil) uchun eng maqbul COTlarni vertikal chiziqlar chizish va ular kontur bilan teginsni qaerda hosil qilishini belgilash orqali topish mumkin, bu diagrammada B nuqtasida ko'rinadi. Keyin ushbu kesishmalar ketma-ketligi cheklangan yurish tezligida optimal COT egri chizig'ini hosil qilishi mumkin. Ushbu cheklangan optimallashtirish qiymatlari nafaqat tabiiy ravishda tanlanganligini aks ettiradi yurishning afzal parametrlari bitta parametrni har xil qiymatlarda aniqlash orqali kuzatiladigan, shuningdek, transport narxini aniqlashga imkon beradigan bashoratli xaritaning bir qismini tashkil etadigan ko'p o'zgaruvchan tizim.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ a b v Ralston, H. J. (1958). Energiya tezligi munosabati va tekis yurish paytida optimal tezlik. Internationale Zeitschrift für Angewandte Physiologie Einschliesslich Arbeitsphysiologie, 17 (4), 277-283.
  2. ^ a b v Zarrugh, M. Y., Todd, F. N. va Ralston, H. J. (1974). Bir darajali yurish paytida energiya sarfini optimallashtirish. Evropa amaliy fiziologiya va mehnat fiziologiyasi jurnali, 33 (4), 293-306.
  3. ^ a b Voloshina, A. S., Kuo, A. D., Deyli, M. A. va Ferris, D. P. (2013). Notekis joylarda yurishning biomexanikasi va energetikasi. Eksperimental biologiya jurnali, 216 (21), 3963-3970.
  4. ^ a b Ijmker, T., Houdijk, H., Lamoth, C. J., Beek, P. J., & van der Woude, L. H. (2013). Yurish paytida muvozanatni boshqarish uchun energiya narxi yurish tezligidan mustaqil ravishda tashqi stabilizatorning qattiqligi bilan pasayadi. Biomexanika jurnali, 46 (13), 2109-2114.
  5. ^ Detrembleur, C., Dierick, F., Stoquart, G., Chantraine, F., and Lejeune, T. (2003). Energiya narxi, mexanik ish va gemiparet yurishning samaradorligi. Yurish va duruş, 18 (2), 47-55.
  6. ^ a b v Donelan, J. M., & Kram, R. (2001). Inson yurishida afzal qilingan qadam kengligining mexanik va metabolik determinantlari. London Qirollik jamiyati materiallari. B seriyasi: Biologiya fanlari, 268 (1480), 1985-1992.
  7. ^ a b v .O'Connor, S. M., Xu, H. Z., & Kuo, A. D. (2012). Bosqichning o'zgaruvchanligi oshgan holda yurishning energiya qiymati. Yurish va duruş, 36 (1), 102-107.
  8. ^ McNeill Alexander, R. (2002). Energetika va odam yurishi va yurishini optimallashtirish: 2000 yil Raymond Perl yodgorlik ma'ruzasi. Amerika inson biologiyasi jurnali, 14 (5), 641-648.
  9. ^ a b Zarrugh, M. Y. va Radcliffe, C. W. (1978). Darajada yurishning metabolik narxini taxmin qilish. Evropa amaliy fiziologiya va mehnat fiziologiyasi jurnali, 38 (3), 215-223.
  10. ^ Sekiya, N., Nagasaki, H., Ito, H. va Furuna, T. (1997). Bosqich uzunligining o'zgaruvchanligi nuqtai nazaridan optimal yurish. Ortopedik va sport jismoniy terapiyasi jurnali, 26 (5), 266-272.
  11. ^ Grieve, D. W. (1968). Yurish naqshlari va yurish tezligi. Biotibbiyot muhandisligi, 3 (3), 119-122.
  12. ^ Cavagna, G. A., & Franzetti, P. (1986). Odamlarda yurishdagi qadam chastotasining determinantlari. Fiziologiya jurnali, 373 (1), 235-242.
  13. ^ a b v Bauby, C. E., & Kuo, A. D. (2000). Inson yurishida lateral muvozanatni faol boshqarish. Biomexanika jurnali, 33 (11), 1433-1440.
  14. ^ Owings, T. M., & Grabiner, M. D. (2004). Bosqichning kengligi o'zgaruvchanligi, ammo qadam uzunligining o'zgarishi yoki qadam vaqtining o'zgaruvchanligi emas, balki yugurish yo'lakchasi harakatlanishi paytida sog'lom va katta yoshdagi odamlarning yurishini ajratib turadi. Biomexanika jurnali, 37 (6), 935-938.
  15. ^ a b Donelan, J. M., Kram, R., & Kuo, A. D. (2002). Bosqichma-bosqich o'tish uchun mexanik ish inson yurishining metabolik narxini belgilovchi asosiy omil hisoblanadi. Eksperimental biologiya jurnali, 205 (23), 3717-3727.
  16. ^ Mochon, S., & McMahon, T. A. (1980). Balistik yurish: takomillashtirilgan model.Matematik bioskanlar, 52 (3), 241-260.
  17. ^ a b Doke, J., Donelan, J. M., & Kuo, A. D. (2005). Inson oyog'ini tebranish mexanikasi va energetikasi. Eksperimental biologiya jurnali, 208 (3), 439-445.
  18. ^ Gottschall, J. S., & Kram, R. (2005). Yurish paytida oyoq tebranishi uchun zarur bo'lgan energiya narxi va mushaklarning faolligi. Amaliy fiziologiya jurnali, 99 (1), 23-30.
  19. ^ a b Kuo, A. D., Donelan, J. M. va Ruina, A. (2005). Teskari sarkaç kabi yurishning energetik oqibatlari: qadamma-qadam o'tish. Mashq qilish va sport fanlari sharhlari, 33 (2), 88-97.
  20. ^ Kuo, A. D. (1999). Passiv dinamik yurishda lateral harakatni barqarorlashtirish. Xalqaro robototexnika tadqiqotlari jurnali, 18 (9), 917-930.
  21. ^ Donelan, J. M., Shipman, D. W., Kram, R., & Kuo, A. D. (2004). Odam yurishida faol lateral stabillashish uchun mexanik va metabolik talablar. Biomexanika jurnali, 37 (6), 827-835.
  22. ^ Bertram, J. E., & Ruina, A. (2001). Ko'p yurish tezligi va chastotali munosabatlar cheklangan optimallashtirish orqali bashorat qilinadi. Nazariy biologiya jurnali, 209 (4), 445-453.

Tashqi havolalar