Существует такое понятие, как произвольная скорость (очень неудачный термин, более подошло бы «комфортная скорость»). Это наиболее экономичная скорость, при поддержании этой скорости ходьбы активность мышц минимальна. Этот феномен вызван совпадением частоты действия мышечных сил c собственной частотой колебаний нижней конечности, рассматриваемой как маятник.
Это та скорость, которую выбирает человек, когда ему некуда спешить, и он не находится в состоянии глубокой депрессии (один из признаков угнетенного состояния – замедление скорости ходьбы).
При ходьбе человек размахивает руками, притом строго синхронно с ногами. Правая рука движется синхронно с левой ногой, левая рука – с правой ногой. Активное размахивание руками или полное бездействие рук выглядят странно и не помогают движению.
Впрочем, манера размахивать руками при ходьбе тоже решает какие-то проблемы и что-то компенсирует.
Что же компенсирует стандартная походка? Первым делом, она компенсирует вращательный момент, стремящийся повернуть тело влево относительно вертикальной оси при выносе вперед правой ноги, и соответственно влево при выносе вперед левой ноги. Если же при выносе вперед правой ноги вперед выносится левая рука, вращающий момент частично компенсируется.
Также, при выносе вперед правой ноги (делается один шаг) центр тяжести ЦТ человека поднимается и опускается, и при синхронном движении левой руки центр тяжести руки опускается и поднимается, т.е. происходит частичная компенсация энергозатратного подъема центра тяжести. Если бы компенсации не было, центр тяжести на каждом шаге поднимался бы не на 5 см, а на 7-8 см, и ходьба была бы более неэкономной.
Кроме скручивания и вертикальных колебаний центра тяжести, работа ног приводит еще и к вилянию бедрами. При шаге вперед правой ногой приподнимается правое бедро, соответственно при шаге левой ногой. Выраженность виляния зависит от длины ног, ширины шага и расстояния между местами прикрепления костей ног к костям таза. Для женщины это расстояние составляет около 20 см, что на 3–4 см больше, чем у мужчин, чем и объясняется особенность женской походки.
Значение произвольной скорости можно оценить, исходя из простой физико-математической модели, подсчитав или измерив частоту колебаний рук и ног.
Проделайте «опыт». Обопритесь на прямую левую ногу, чуть отклонитесь влево, чтобы правая нога повисла в воздухе, отведите ногу назад и отпустите, стараясь не прилагать никаких усилий по разгону или торможению ноги. Нога будет колебаться, как колеблется маятник напольных часов. Можно даже, после нескольких попыток, подсчитать период колебаний этого маятника. Подобный опыт можно проделать и в отношении руки.
Ноги и руки являются примерами т.н. физических маятников, у которых масса не сосредоточена на конце маятника, а распределена вдоль всего маятника. Рассчитав по формулам физики, исходя из размеров средней руки и масс ее частей, собственный период колебаний, получаем значение порядка 1,2-1,3 с. Соответственно, для ноги получаем 1,4-1,5 с.
Причина меньшего периода колебаний руки в том, что в процессе эволюции длина руки уменьшилась, что привело к повышению частоты колебаний. У общего предка человека и обезьян руки до колен еще доставали.
Вопрос в том, под что организм по команде мозга считает нужным подстраиваться при выборе произвольной скорости – под ногу, руку или «отключить» подстройку и двигать каждой конечностью независимо. Возможно, реализуются (с разной частотой встречаемости) все 3 способа, а также подстройка под некий средневзвешенный период.
При выборе произвольной скорости под ногу и ширине шага 0,80 м произвольная скорость составит 2*0,80/1,45 = 1,1 (м/с), или 4,0 км/ч. (В числителе формулы ширина двойного шага, поскольку период колебаний ноги 1,45 с приходится на двойной шаг).
Если бы организм подстраивался под период рук (что не исключено), произвольная скорость ходьбы составляла бы 2·0,80/1,25 = 1,28 (м/с), или 4,6 км/ч.
Можно на опыте убедиться, что именно скорость порядка 4-4,5 км/ч является наиболее комфортной. Итак, ходим мы с такой скоростью, чтобы в среднем скорость ходьбы соответствовала периоду свободных колебаний рук/ног, или некой средней, выбор здесь за мозгом. Скорей всего, выбор делается в пользу ног, как более массивного в сравнении с рукой органа.
И в заключение. Биологические системы сложны, охвачены множеством прямых и обратных связей, в простой модели учтены могут быть лишь самые важные связи. Выше мы рассматривали ногу как жесткую конструкцию, где бедро, голень и стопа располагаются вдоль одной прямой, подобное упрощение применялось и к руке. Но ноги и руки в процессе ходьбы постоянно меняют свою конфигурации, что изменяет их расчетные характеристики. Выше нами была сделана попытка как-то обосновать комфортную для человека прогулочную скорость, называемую произвольной, и в самом общем случае все сошлось..
