Как правильно бегать — с пятки или с носка? Измеряем, сравниваем ударные нагрузки, время в полете. Android, акселерометр

В интернет почти все "бегают" с носка, а в реальных соревнования и пробегах - с пятки. Ситуация интересная и неоднозначная. Основные опасения обычно связывают с ударными нагрузками на колени. Ниже приведен упрощенный рисунок анатомии стопы.

При беге с носка ударная нагрузка проходит через плюсневые, клиновидную, ладьевидную кости, таранно-пяточную межкостную связку, таранную кость, голеностопный сустав, малоберцовую и большеберцовую кости в колено. Дополнительно амортизация осуществляется за счет упругого натяжения ахиллова сухожилия при упругом изгибе и движении вверх системы из плюсневых, клиновидной, ладьевидной, кубовидной и других костей.

При беге с пятки ударная нагрузка проходит через пяточную кость, задний подтаранный сустав, голеностопный сустав, малоберцовую и большеберцовую кости в колено.

Приблизительная оценка биомеханики стопы приводит нас к выводу, что при беге с носка за счет больших упругих деформаций в системе будет лучшее гашение ударных нагрузок, чем при беге на пятку. Далее мы визуализируем эту разницу. Но бегать мы будем в современных беговых кроссовках и, возможно, это кардинально изменит ситуацию.

Приступим к экспериментам. Закрепим смартфон с приложением для записи показаний акселерометра на теле и сделаем одиночные прыжки, серии прыжков на двух ногах и пробежки на носках и в стиле "с пятки". Ниже графики, построенные на основе данных с акселерометра.

На графике выше мы видим, что начальное сгибание колен (приготовление к отталкиванию) образует провал примерно с 10 до 5 единиц показаний акселерометра. Далее следует отталкивание и показания достигают порядка 22 единиц. Затем значения быстро падают до 0. Это наступает фаза безопорного полета или состояние невесомости. Полет длится около 0.4–0.5 секунды. Затухающее колебание около 0 вызвано резонансным колебанием жировых отложение и мышц тела из‑за их упругого крепления к костям скелета. Далее полет заканчивается и начинается фаза приземления и торможения. Показания акселерометра снова достигают величин порядка 20 единиц измерений и снижаются до 10 через затухание по экспоненте с наложенным на него резонансным колебанием жира, внутренних органов и мышц.

На графике выше — показания акселерометра при беге на носках. Отталкивание и амортизация при приземлении производится усилием одной ноги без касания пяткой земли. График в целом более пологий, «мягкий», практически нет ударных нагрузок (больше похож на синусоиду) и наклон кривых разгона и торможения больше из‑за того, что сила, развиваемая одной ногой меньше, чем двумя, и суммарная жесткость двух стоп и двух ахилловых сухожилий больше, чем в ситуации с работой одной ногой. Время в полете 0.1–0.15 секунды.

На графике выше мы видим сначала первые несколько шагов почти плавную синусоиду, затем начинается бег с акцентом на пятку. Замечаем, что твердая постановка на специальную амортизирующую пятку современных беговых кроссовок сразу после окончания фазы полета действительно рассеивает часть энергии в процессе совершения малоамплитудных относительно высокочастотных колебаний. Это уменьшает пиковую нагрузку с 23 до 18 единиц показаний акселерометра.

На графике выше приведено сравнение графиков показаний акселерометра при беге с носка и с пятки в современных беговых кроссовках по асфальту. Время в полете в одном шаге равно примерно 0.14–0.15 сек. Представляется, что высокочастотное и относительно малоамплитудное затухающее колебание эффективно рассеивает энергию удара при беге с пятки и уменьшает пиковую максимальную нагрузку на опорно‑двигательный аппарат. Исходя из проведенного в данной статье исследования логичен вывод, что бег с пятки в современных беговых кроссовках по асфальту лучше бега с носка (по крайней мере для бегуна, принявшего участие в исследовании и использованных им кроссовок).

Android, Delphi и акселерометр

Весьма просто создать приложение для работы с данными акселерометра Android смартфона на Delphi.

Пример с исходником находится https://github.com/Embarcadero . Альтернативный код https://github.com/omarreis/FiremonkeySensorFusion

Примерный код для работы с акселерометром на Delphi:

procedure TAccelerometerForm.Timer1Timer(Sender: TObject);
var
  LProp: TCustomMotionSensor.TProperty;
begin
  for LProp in MotionSensor1.Sensor.AvailableProperties do
  begin
    { get the data from the sensor }
    case LProp of
      TCustomMotionSensor.TProperty.AccelerationX:
      begin
        lbAccelerationX.Text := Format('Acceleration X: %6.2f', [MotionSensor1.Sensor.AccelerationX]);
      end;
      TCustomMotionSensor.TProperty.AccelerationY:
      begin
        lbAccelerationY.Text := Format('Acceleration Y: %6.2f', [MotionSensor1.Sensor.AccelerationY]);
      end;
      TCustomMotionSensor.TProperty.AccelerationZ:
      begin
        lbAccelerationZ.Text := Format('Acceleration Z: %6.2f', [MotionSensor1.Sensor.AccelerationZ]);
      end;
    end;
  end;
end;

Традиционное решение на Java https://github.com/nicolashahn/BackgroundAccelerometer

Факультативные материалы к статье

В точности тот же самый *.APK приложения на Java, что я использовал при написании этой статьи >>Рекордер акселерометра (бесплатный, без рекламы). Проверка на вирусы: https://www.virustotal.com/gui/file/2b9f1164393b6f0fe1ce6a5876765455ab835edc39656bac93157486ee9b564e/detection

Акселерометр на Delphi и пример его использования для тренировок из моей статьи на Xабре: Игра для тренировки мышц ног и мышц пресса. Прототип приложения для серьезной нагрузки без мучений в игровой форме

В этой моей статье на Хабре описано упражнение для развития силы и плавности отталкивания и "доталкивания" при беге: Сделайте это и бегать будет легче, чем ходить. Упражнение для тренировки летящего бега, получите удовольствие от бега

Моя статья на Хабре: Как быстро бег уничтожает колени. Опрос любителей и мнение профессионалов — в опросе приняло участие более 400 человек.