Главная / Статьи / Влияние свойств кроссовок на организм бегуна

Статьи

Влияние свойств кроссовок на организм бегуна

Современная обувь для бега отличается от обуви, которая была доступна бегунам полвека тому назад. За последние пять десятилетий получены новые данные о том, что беговая обувь может влиять на движения стопы, на реакцию опоры и энергозатраты во время бега. Основным элементом беговой обуви является подошва, которая имеет два компонента: наружную подошву и средний слой. Наружная подошва представляет собой тонкий материал, который обеспечивает сцепление и обладает устойчивостью к истиранию при контакте с землей. Средний слой — это относительно толстый и мягкий материал, помещенный между наружной подошвой и стелькой кроссовок. В качестве среднего слоя применяют материал, обладающий амортизирующими свойствами. Его твердость отличается от твердости соседних элементов обуви.

Рис. 1. Конструкция кроссовок, термином MIDSOLE обозначен средний слой


Твердость материала подошвы измеряется с помощью дюрометра. Твердость по Шору — один из методов измерения твердости материалов, как правило, низкомодульных материалов — полимеров: пластмасс, эластомеров, каучуков.  Твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы-индентора под действием калиброванной пружины. Метод Шора включает 12 шкал измерения. Чаще всего используют шкалу A для мягких материалов или шкалу D для более твердых материалов. Твёрдость  обозначают в виде числового значения шкалы, к которому прибавляют букву используемой шкалы. Показатели регулируются международным стандартом ISO 868 и рядом национальных стандартов.  Школьный ластик имеет твердость  50А, а резина в автопокрышке колеса  70A. Подошвы с низким показателем являются более сжимаемыми и мягкими, а с более высоким показателем — менее сжимаемыми и твердыми.

 Рис. 2. Принцип работы дюрометра
Рис. 3. Определение твердости материала по Шору методом вдавливания

Основные  исследования свойств кроссовок сосредоточены на их способности поглощать ударную нагрузку, которую испытывает бегун. В 1980 году P. Cavanagh и M. LaFortune исследовали спортсменов, которые пробегали по силовым платформам и обнаружили интересные данные относительно связи движения с обувью.

Рис. 4. Силовая платформа фирмы Кистлер для определения реакции опоры
Рис. 5. Исследование движения на силовых платформах  в лаборатории биомеханики
Рис. 6. Графики вертикальной, продольной и поперечной составляющих реакции опоры при нагрузке правой и левой нижних конечностей

Исследователи исходили из того, что при беге спортсмены применяют разную технику приземления и отталкивания от опоры. В зависимости от техники бега, спортсмены разделяются на 3 основные группы: приземляющиеся на пятку, приземляющиеся на средний отдел стопы и приземляющиеся на передний отдел стопы.

Рис. 7. Приземление стопой на пятку, на средний отдел и на носок стопы

По данным замеров при беге вертикальная составляющая реакции опоры   в 2,8 раза превышает массу тела у бегунов, которые приземляются на пятку или на средний отдел стопы. Испытуемые демонстрируют разные формы графика реакции опоры в зависимости от области нагружения стопы. У бегунов, приземляющихся на пятку, имеется начальный высокочастотный пик, соответствующий переднему толчку, когда пятка ударяется о землю, а затем более низкочастотный пик пропульсии, когда нога отталкивается от опоры, при этом центр масс тела смещен назад.  Те, кто приземляются на средний отдел стопы, не демонстрируют высокочастотный сигнал и дают только низкочастотный пик пропульсии.

 

 

Рис. 8. График реакции опоры у бегуна, который приземляется на пятку и у бегуна, который приземляется на средний отдел стопы

С целью уменьшить ударную нагрузку на тело человека, производители обуви в начале 1970-х годов начали разрабатывать модели кроссовок с подошвой, составленной из материалов с разными свойствами.  Было выдвинуто предположение, что твердость подошвы влияет на ударную нагрузку, которую испытывают нижние конечности бегуна. В 1985 году B. Nigg  сообщил об исследовании бегунов в кроссовках с  твердостью подошв 20, 30, 35, 40, 45, 50 и 55. Сопротивление  ударной нагрузке тем  меньше, чем ниже твердость подошвы.  В кроссовках с мягкой подошвой, которые имеют твердость 20 и 30 бегуны испытывают большую силу удара, чем в более твердых подошвах. В мягких подошвах с твердостью 20 и 30 возникает эффект предельной компрессии в результате быстрого сдавления мягкой  подошвы под действием веса тела. Компрессия подошвы продолжается до определенного уровня, а затем прекращается, что приводит к резкому росту нагрузки. Был сделан вывод, что обувь с мягкой подошвой приносит спортсмену больше ущерба, чем более жесткая подошва кроссовок. Во-первых, кроссовки с мягкой подошвой не амортизируют в должной степени реакцию опоры. Во-вторых, кроссовки с мягкой подошвой  и твердостью 25  позволяют стопе сделать большую пронацию и создают большую амплитуду движения во фронтальной плоскости, чем обувь с подошвой твердостью 35  или с более жесткой подошвой твердостью до 45. По данным  авторов исследования высота каблука не оказывает влияния на пронацию заднего отдела стопы.
В 1988 году B. Nigg исследовал влияние выноса каблука кроссовок и твердости подошвы  на пронацию заднего отдела стопы и ударную нагрузку.  Увеличение латерального выноса в заднем отделе подошвы увеличивает начальную пронацию заднего отдела стопы, но не оказывает влияния на пронацию всей стопы. Более жесткие подошвы в обуви с боковым выносом в заднем отделе изменяет вертикальную составляющую реакции опоры, но не изменяют её, если подошва обуви сделана мягкой. Лучшей конструкцией кроссовок для обеспечения низкой начальной пронации и низких пиков вертикальной составляющей реакции опоры  является относительно жесткая подошва без латерального выноса в её задней части.  Пронация стопы  в заднем отделе уменьшается, когда в задней части подошвы убирают вынос каблука, а край каблука имеет закругленную форму. Исходя из результатов имеющихся исследований,  B. Nigg предположил, что для уменьшения пронации заднего отдела стопы бегуна материал подошвы на латеральной части заднего отдела подошвы, куда приходится первый толчок реакции опоры, должен быть мягче, чем остальная часть подошвы. В подобной конструкции мягкий компонент расположен в заднее-латеральном отделе, чтобы уменьшить пронацию стопы во время бега, а каблук не имеет наружного выноса. В средней части подошва делается с увеличенной твердостью. Снижение пронации целесообразно у бегунов с врожденной пронацией стопы. В 1980 году B. Bates получил патент  на «кроссовки с дифференцированной амортизацией», согласно которому в подошве делают более твердую медиальную часть и более мягкую задне-латеральную часть, чтобы ограничить пронацию  стопы, а также уменьшить пик вертикальной составляющей реакции опоры во время бега. По данным D. DeLozier высота каблука обуви играет роль для пронации у бегунов опирающихся на пятку. Увеличение дистанции от пятки до земли делает большим рычаг передней и задней большеберцовых мышц для управления постановки стопы на опору. Для бегунов, которые приземляются на пятку, рекомендуют обувь, которая уменьшает расстояние от пятки до земли, а также имеет маленький задний и латеральный вынос на пятке, чтобы уменьшить эти рычаги. Воплощение идеи наборной подошвы с комбинированной твердостью была впервые представлена на рынке кроссовок в середине 1980-х годов и теперь является неотъемлемой частью почти всех современных моделей.
Твердость и толщина подошвы  влияют на энергозатраты, которые возникают при беге.
В 1980 году  T. McMahon и P. Greene провели исследование, чтобы выяснить возможность создания  обуви для снижения метаболических затрат при беге.  Они обнаружили, что затраты кислорода при беге увеличиваются примерно на 1% на каждые 100 граммов массы, добавляемой к ноге при беге как босиком, так и в обуви. Исследователи выяснили, что бег в обуви требует на 3-4% меньше энергии, чем бег босиком.  В 2014 году Tung изучал вопрос, может ли амортизация кроссовок сама по себе влиять на метаболические затраты при беге. Поиск показал, что бег в обуви и бег босиком на беговой дорожке требует одинаковых энергозатрат. Tung высказал предположение, что благотворное воздействие амортизации обуви уравновешивается массой обуви на ногах бегунов. D. Ferris  производил исследования ЦНС, чтобы определить её роль в адаптации ног к беговой нагрузке.  Автор выявил, что нервная система регулирует жесткость  нижних конечностей бегуна, чтобы приспособить её для свойств поверхности, по которой они бегут. Было показано, что бегуны могут регулировать работу мышц и суставов своих нижних конечностей, начиная с первого шага по поверхности с измененными свойствами. Бегуны осуществляют плавный переход в движениях при переходе от одного вида опорной поверхности к другому, так что параметры бега не зависят от изменения твердости поверхности, по которой они двигаются. Бегуны  оптимизируют жесткость нижних конечностей в ответ на реакцию опоры с поверхности с  разной твердостью и жесткостью, независимо от того, является ли она частью кроссовок  или находится вне обуви и является поверхностью, от которой они отталкиваются. Этот управляемый ЦНС механизм адаптации нижних конечностей отвечает за изменение метаболических затрат при беге по разным поверхностям и в обуви различной жесткости.

Мицкевич Виктор Александрович
Врач ортопед-травматолог, доктор медицинских наук

Дизайн и разработка сайта:
Елена Романова, Елена Филиппова
;