ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
Механизмы рекуперации энергии
Во время бега с любой скоростью человек сохраняет около 80% полной механической энергии. С ростом скорости передвижения существенно увеличивается доля энергии, сохраненной за счет ее передачи между звеньями тела, и уменьшается ее передача – за счет перехода кинетической энергии движения в потенциальную в поле силы тяжести и обратно.
Именно эффект рекуперации энергии определяет механическую эффективность движений человека. В настоящее время считается, что сохранение и повторное использование, или рекуперация, механической энергии происходит за счет действия трех механизмов:
-
перехода кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации и обратно;
-
перехода (или передачи) механической энергии от одного звена к другому;
-
перехода кинетической энергии движения в потенциальную энергию деформации мышц и сухожилий и обратно.
Первый механизм рекуперации. Сохранение полной энергии по этому механизму требует строго противофазного изменения кинетической и потенциальной фракций энергии. Такое явление наблюдается не во всех звеньях тела. Например, в беге и ходьбе потенциальная и кинетическая энергии стопы одновременно достигают нулевого значения в опорной фазе. Чем выше над опорой располагается звено, тем больше энергии оно может сохранить. Считается, что первый механизм рекуперации энергии обеспечивает в целом в естественных локомоциях экономию энергии в диапазоне 12 — 23%.
Второй механизм рекуперации. Механическая энергия может передаваться от звена к звену тела человека за счет воздействия через суставные сочленения посредством контактных сил, совершающих работу по изменению энергии соседнего звена. Здесь разумнее говорить о переходе энергии поступательного движения, когда прикладываемая к плато сила (последовательное вертикальное нагружение) преобразуется за счет спиральной анизотропии большеберцовой кости и особого шарнира-сочленения в энергию ее вращательного движения. По различным оценкам, рекуперирование энергии по механизму ее передачи от звена к звену составляет от 30 до 42% от полной энергии.
Третий механизм рекуперации энергии. Вследствие того, что мышцы человека работают только на сокращение, основному движению предшествует движение в противоположном направлении. Происходящее в таких предварительных движениях растяжение мышц приводит к накоплению в них энергии упругой деформации, используемой затем в основном движении. Если быть совсем точным, то растягиванию подвергаются мышечно-сухожильные структуры. Степень использования энергии упругой деформации зависит от условий выполнения движений, в частности, от времени между растягиванием и укорочением мышц. При увеличении паузы между предварительным растягиванием и последующим укорочением за счет релаксации мышц и сухожилий снижается энергетическая экономичность. Интервал времени, за который должна накопиться и использоваться энергия упругой деформации, определяется постоянной времени релаксации, например, для сгибания коленного сустава она равна 1,4 с. Если время движения больше времени релаксации, накопленная энергия полностью рассеивается и последующая фаза движения осуществляется только за счет метаболической энергии мышечного сокращения. По разным данным, рекуперация энергии в мышечно-сухожильных структурах составляет от 6 до 37%.
Исследователи установили, что кости бедра и большеберцовой кости совершают угловые перемещения относительно друг друга по следующим анатомическим осям :
-
первичное сгибание / разгибание;
-
вторичное вращение внутрь / наружу большеберцовой кости;
-
вторичное отведение / приведение.
Сгибание и разгибание являются необходимыми элементами движения во время ходьбы, в то время как вторичные движения принимают на себя прикладываемые нагрузки, осуществляя рекуперацию энергии. Цикл ходьбы начинается с фазы опоры / удара пяткой, который следует за опорой на обе ноги, когда обе ступни контактируют с землей. Затем происходит опора на одну ногу, после чего идет фаза переноса. В период фазы опоры формируется контактное давление в коленном суставе между мыщелоками бедренной кости и плато большеберцовой кости. В рамках неклассического подхода к задачам теории упругости эти контактные давления поддаются расчету, после чего определяются приведенные жесткости контакта.
Интересен тот факт, что в течение цикла ходьбы вращение большеберцовой кости изменяется (по данным эксперимента) от +4° до –4°, в то время как угол сгибания-разгибания изменяется от нуля до значения 30°. Значение +4° соответствует удару пяткой при начальном контакте ноги с опорной поверхностью, а –4° – завершению контакта. Исследователи [6-8] объясняют такое поведение особенностью кинематической связи в суставах.
Дальнейшее моделирование динамики позволило им уловить тенденцию взаимодействия указанных звеньев без учета очевидной кубической нелинейности. В этом-то и просматривается путь к оценке рекуперативных свойств системы. Анализ показывает, что динамическое поведение системы берцово-бедренного контакта характеризуется замкнутой траекторией, которая называется релаксационным колебанием.
