stringtranslate.com

Механика беговых лезвий Оскара Писториуса

Оскар Писториус бежит во время чемпионата мира по легкой атлетике 2011 года в Тэгу , Южная Корея.

Механика беговых лезвий, используемых бывшим паралимпийским бегуном из Южной Африки Оскаром Писториусом, основана на специальных полимерных протезах, армированных углеродным волокном . У Писториуса двойная ампутация ниже колена , и он принимал участие в соревнованиях по легкой атлетике как для людей с ограниченными возможностями, так и для людей с ампутацией T44 . Право Писториуса участвовать в международных соревнованиях для людей с ограниченными возможностями одобрено Международной ассоциацией легкоатлетических федераций ( IAAF ).

Писториус начал бегать в 2004 году после травмы колена, полученной во время игры в регби, которая привела к реабилитации в Центре высоких достижений Университета Претории [1] с тренером Эмпи Лоу. [2] Его первые беговые лезвия были установлены южноафриканским протезистом Франсуа Вандерваттом. Поскольку он не смог найти подходящие беговые лезвия в Претории , Вандерватт заказал изготовление некоторых из них местному инженеру в Hanger Orthopedic Group. Они быстро сломались, и Вандерватт направил Писториуса к американскому протезисту и паралимпийскому спринтеру Брайану Фрейзуру для установки лезвий из углеродного волокна исландской компании Össur . [3]

Участие Писториуса в международных соревнованиях по спринту среди неинвалидов в 2007 году вызвало вопросы об использовании им беговых лезвий, и IAAF внесла поправки в свои правила, запретив использование «любого технического устройства, включающего пружины, колеса или любой другой элемент, который дает пользователю преимущество перед другим спортсменом, не использующим такое устройство». После первоначальных исследований Писториус был признан не имеющим права участвовать в соревнованиях по этим правилам IAAF. [4] После представления дополнительных исследований Арбитражный суд ( CAS ) постановил, что его беговые протезы не показали чистого конкурентного преимущества по сравнению с биологическими ногами. [5] В 2012 году Писториус прошел квалификацию и участвовал как в Олимпийских играх 2012 года , так и в Паралимпийских играх 2012 года, используя свои беговые лезвия, став первым спринтером-ампутантом, участвовавшим в Олимпийских играх. [6]

Спортивные протезы Писториуса

Лезвия представляют собой транстибиальные протезы , то есть они заменяют ноги и ступни, ампутированные ниже колена (BK). Они были разработаны медицинским инженером Ван Филлипсом , который основал Flex-Foot, Inc. в 1984 году. В 2000 году Ван Филлипс продал компанию Össur , которая по состоянию на 2012 год все еще производит лезвия. Они разработаны для хранения кинетической энергии как пружина, что позволяет владельцу эффективно прыгать и бегать. [7]

Писториус в лезвиях Flex-Foot Cheetah

Углеродное волокно на самом деле является полимером, армированным углеродным волокном , и является прочным, легким материалом, используемым в ряде приложений, включая спортивные товары, такие как бейсбольные биты, детали автомобилей, шлемы, парусные лодки, велосипеды и другое оборудование, где важны жесткость и высокое отношение прочности к весу . Полимер, используемый для этого оборудования, обычно является эпоксидным , но также используются и другие полимеры, в зависимости от применения, и могут быть включены другие армирующие волокна. В процессе изготовления лезвия листы пропитанного материала разрезаются на квадратные листы и прессуются на форме для получения окончательной формы. От 30 до 90 листов могут быть уложены слоями, в зависимости от ожидаемого веса спортсмена, а затем форма автоклавируется для сплавления листов в сплошную пластину. Этот метод уменьшает количество пузырьков воздуха, которые могут вызвать разрывы. После охлаждения результат разрезается по форме лезвий. Готовое лезвие прикручивается болтами к гнезду из углеродного волокна, которое идеально подходит для каждой из ног Писториуса. Они изготавливаются на заказ и составляют большую часть общей стоимости, вместе с оценкой и установкой готовых протезов. Каждая конечность стоит от 15 до 18 000 долларов США. [8]

Писториус использует одни и те же лезвия Össur с 2004 года. Он родился без малоберцовых костей и с деформированными стопами, и его ноги были ампутированы примерно на полпути между коленом и лодыжкой, чтобы он мог носить протезы. Он носит носки и подушечки, которые видны над гнездами, чтобы уменьшить натирание и предотвратить появление волдырей, а гнезда имеют ремни спереди, которые можно затянуть, чтобы протез прилегал более плотно. [9]

Писториус использует изготовленные на заказ шипы на лезвиях. До разработки шипов его шипы были изменены путем шерохования поверхности и установки шипов, продающихся в свободной продаже, вручную, но результаты при использовании этого метода были непоследовательными. Исследования проводились в исландской лаборатории Оссура с использованием чувствительной к давлению беговой дорожки и пленки при 500 кадрах в секунду для измерения удара лезвия, и была создана шипованная накладка, которая включает в себя промежуточную подошву из двух отлитых на станке кусков пены разной плотности для смягчения удара, с пластиной из углеродного волокна на дне. Разработчики прикрепили накладку контактным клеем, который можно быстро удалить с помощью нагрева, когда шипованную накладку необходимо заменить. [10]

Из-за изогнутой конструкции лезвия должны быть немного длиннее, чем биологическая нога и ступня бегуна. Лезвия заменяют шарнир лодыжки эластичной компрессией, которая сгибает и отпускает лезвие с каждым шагом, поэтому несжатое лезвие оставляет пользователя стоящим на цыпочках. Они предназначены для движения вперед, поэтому не имеют поддержки пятки сзади. По словам Джоша Макхью из Wired Magazine , «Кажется, что Cheetahs подпрыгивают сами по себе. На них невозможно стоять неподвижно, и трудно двигаться медленно. Как только они начинают двигаться, Cheetahs становится чрезвычайно трудно контролировать». [8]

Как работают лезвия

Писториус бежит в Исландии в 2007 году.

В 2007 году Писториус подал заявку на участие в соревнованиях по легкой атлетике для людей без инвалидности. Сначала его приняли, но вскоре возникли вопросы о том, дают ли ему лезвия несправедливое преимущество. После того, как первоначальное исследование показало, что лезвия действительно дают преимущество, Международная ассоциация легкоатлетических федераций (IAAF) изменила свои правила, запретив использование технических устройств, которые дают преимущество, и постановила, что он не имеет права участвовать в соревнованиях. Писториус оспорил это решение, проведя дополнительное исследование, и был восстановлен Спортивным арбитражным судом (CAS) в 2008 году, что означает, что он может продолжать участвовать в соревнованиях для людей без инвалидности, пока он использует оборудование, которое изучалось в исследовании. [11]

Выступление Писториуса в ранних забегах без инвалидности вызвало вопросы из-за двух основных проблем: его манеры бега и времени маха ногой. Большинство спринтеров выпрыгивают из колодок с лучшим временем и замедляются по мере продвижения гонки, но Писториус пробежал «отрицательный сплит», медленно стартуя и набирая скорость во второй половине гонки (хотя он больше не использует эту схему). Его среднее время также было меньше в забеге на 400 м по сравнению с другими бегунами, чем в забеге на 200 м. [12] Споры об использовании лезвий продолжаются, но исследование предоставило значительную информацию о том, как они работают на практике, и ожидается, что последуют другие исследования. [13]

У спринтеров без инвалидности есть икры и лодыжки, которые возвращают и усиливают энергию, поставляемую их бедрами и коленями, в то время как Писториус компенсирует это дополнительной работой, потому что у него нет икр и лодыжек с их связанными сухожилиями и мышцами. Анализ, опубликованный журналом Engineering & Technology, оценивает, что при использовании лезвий Писториус должен генерировать в два раза больше мощности от своих ягодичных и четырехглавых мышц, чем обычный спринтер. [14] Другие источники также приписывают основные мышцы живота и более быстрый взмах руками. [15] Его тренер подсчитал, что около 85% его силы исходит от его бедер, а остальное от его коленей. Это приводит к походке, которая слегка переваливается, так как Писториус качает верхнюю часть тела, чтобы уравновесить пружинящее действие лезвий. Лезвия сжимаются под его весом, затем освобождаются, когда он движется вперед, обеспечивая передний толчок от кончиков, когда они возвращаются в свою формованную форму. Когда они отскакивают, он слегка качает их в сторону и бросает вперед для следующего шага. [8]

Писториус всегда медленно начинает гонку, потому что гибкие лезвия не обеспечивают толчка от колодок. Писториус должен начать с неудобного положения, вынести ногу наружу и резко подняться с колодок, чтобы начать бег, тогда как предпочтительный метод — отталкиваться горизонтальной силой. [16] [17] В течение первых 30 метров гонки он держит голову опущенной и делает короткие, быстрые шаги. Когда он устанавливает ритм, он может поднять голову и увеличить скорость. В то время как некоторые бегуны бегают трусцой вверх и вниз, теряя энергию, Писториус направляет энергию вперед, что выглядит так, будто он катится на колесах. Он также компенсирует корректировки, которые лодыжки делают на поворотах, разбивая кривые на короткие прямые линии. По словам его тренера Эмпи Лоу, Писториус может использовать внутренний наклон, чтобы генерировать силу и выходить из поворота быстрее. [8]

Исследовать

исследование Брюггеманна

Писториус бежит в первом забеге на 400 метров на летних Олимпийских играх 2012 года в Лондоне

Чтобы решить вопросы о лезвиях, Писториусу было предложено принять участие в серии научных испытаний в ноябре 2007 года в Немецком спортивном университете в Кельне с профессором биомеханики Петером Брюггеманном и техническим экспертом IAAF Элио Локателли. После двух дней испытаний Брюггеман сообщил, что Писториус использовал примерно на 25% меньше энергии, чем спортсмены без инвалидности, как только он достигал заданной скорости. Исследование также показало, что он показал значительные различия в механике спринта, со значительно отличающимися максимальными вертикальными силами возврата к земле, и что положительная работа или возвращенная энергия была почти в три раза выше, чем у человеческой лодыжки. Потеря энергии в лезвии во время фазы опоры, когда нога находилась на земле, была измерена как 9,3%, в то время как потеря энергии в нормальном голеностопном суставе была измерена как 42,4%, показывая разницу более чем в 30%. Анализ Брюггеманна показал, что лезвия обеспечивают более низкое потребление энергии при той же скорости, и что потери энергии в лезвии значительно меньше, чем в человеческой лодыжке при максимальной скорости. [18] В декабре того же года Брюггеманн заявил газете Die Welt , что Писториус «имеет значительные преимущества перед спортсменами без протезов, которых мы тестировали. Это было больше, чем просто несколько процентных пунктов. Я не ожидал, что это будет так очевидно». [19] Исследование было опубликовано в 2008 году в журнале Sports Technology , [20] но более поздние исследователи заявили, что анализ «не учитывал достаточно переменных». Комментаторы также утверждали, что исследование IAAF неточно определило, дают ли гепарды чистое преимущество, поскольку измерение чистого преимущества или недостатка, полученного спортсменом, использующим гепардов, невозможно с учетом современных научных знаний. [21] Во-вторых, исследование IAAF, возможно, не измеряло производительность Писториуса по сравнению с соответствующими контрольными группами. IAAF использовала пять спортсменов без инвалидности, которые бегали 400 метров за такое же время, как и Писториус, в качестве контрольной группы. Однако, поскольку Писториус был относительно новичком в беге, он мог недостаточно тренироваться, чтобы максимально раскрыть свой физический потенциал и достичь пиковых результатов, когда проводилось исследование IAAF. В марте 2007 года, примерно за 9 месяцев до проведения исследования IAAF, тренер Писториуса прокомментировал, что Писториус недостаточно тренировался, чтобы достичь верхней части тела, сопоставимой с верхней частью тела большинства элитных спринтеров. Чтобы получить наиболее точное представление о том, как протезы влияют на результаты Писториуса, его следует сравнивать со спортсменами с похожим физическим потенциалом. Следовательно, исследование IAAF могло быть некорректным, поскольку оно сравнивало Писториуса, который мог иметь физический потенциал бежать быстрее, чем его нынешнее время, со спортсменами на пике их формы. [22]

Исследование Вейанда и др.

В 2008 году группа из семи исследователей провела испытания в Университете Райса , включая Питера Вейанда, Хью Херра , Роджера Крама, Мэтью Бандла и Алену Грабовски. Группа собрала метаболические и механические данные с помощью косвенной калориметрии и измерений силы реакции опоры по результатам Писториуса во время бега на беговой дорожке с постоянной скоростью и обнаружила, что потребление энергии было на 3,8% ниже, чем средние значения для элитных бегунов на длинные дистанции без инвалидности, на 6,7% ниже, чем для бегунов на средние дистанции и на 17% ниже, чем для бегунов на короткие дистанции 400 м без инвалидности. При скорости спринта 8,0, 9,0 и 10,0 м/с Писториус показал более длительное время контакта стопы с землей, более короткое время взмаха ноги и более низкие средние вертикальные силы, чем здоровые спринтеры. Группа пришла к выводу, что бег на лезвиях, по-видимому, физиологически похож, но механически отличается от бега с биологическими ногами. Исследование было опубликовано несколько месяцев спустя в журнале « Journal of Applied Physiology» . [23] [24] Крам также заявил, что «уровень потребления энергии у Писториуса был ниже, чем у среднестатистического человека, но сопоставим с другими спортсменами высокого уровня». [25]

Легкость и жесткость лезвия по сравнению с мышцами и костями может позволить бегунам по лезвию махать ногами быстрее, чем бегуны без инвалидности. В комментариях к статье Питер Вейанд и биомеханик Мэтью Бандл отметили, что исследование показало, что Писториус переставлял ноги на 15,7% быстрее, чем большинство спринтеров с мировыми рекордами, что позволило увеличить скорость спринта на 15–30%. [26]

Исследование Грабовски и др.

В 2008 году исследовательская группа, в которую входили Алена Грабовски, Роджер Крам и Хью Херр, провела последующее исследование отдельных ампутантов с беговыми лезвиями, которое было опубликовано в Biology Letters . Эффективность пораженной ноги каждого из шести ампутантов сравнивалась с эффективностью их биологической ноги. Группа измеряла время взмаха ноги и силу, приложенную к беговой поверхности на высокоскоростной беговой дорожке в Лаборатории биомеханики Ортопедической специализированной больницы , а также изучала видео спринтеров с Олимпийских и Паралимпийских игр. Они не обнаружили никакой разницы во времени взмаха ноги на разных скоростях и зафиксировали время взмаха ноги, аналогичное таковому у спринтеров без инвалидности. Они также обнаружили, что отдельные беговые лезвия снижали производство силы отталкивания стопы от земли у испытуемых бегунов в среднем на 9%. Поскольку производство силы обычно считается наиболее значимым фактором скорости бега, исследователи пришли к выводу, что это снижение силы ограничивало максимальную скорость спринтеров. Грабовски также обнаружил, что люди с ампутированными конечностями обычно увеличивают время взмаха ногой, чтобы компенсировать недостаток силы. [27]

Другое обсуждение

Продолжается обсуждение относительного преимущества или недостатка использования лезвий. Исследователи и аналитики также отмечают, что исследования проводятся на ровных, стационарных беговых дорожках и не измеряют производительность от стартовых колодок или на реальных изогнутых дорожках. Они также не принимают во внимание различия в физиологии между ампутантами и неампутантами, у которых есть такие факторы, как мускулатура, высота и вес лезвия и различия в характере кровообращения из-за истории потери конечности. [28]

Паралимпийские игры 2012 года

Споры по поводу влияния длины бегового лезвия возникли на Паралимпийских играх 2012 года , когда бразильский бегун Алан Оливейра и бегун из США Блейк Липер перешли на более длинные беговые лезвия за несколько месяцев до Паралимпийских игр 2012 года. Это привело к заметному улучшению их времени бега. Писториус пожаловался после забега на 200 метров, что лезвия обеспечивали искусственное удлинение шагов бега, что было бы нарушением правил МПК , несмотря на то, что лезвия находились в допустимых пределах высоты для соответствующих спортсменов. [29] Его жалобу поддержали бегуны на одной ноге, включая Джерома Синглтона и Джека Свифта , которые призвали разделить классы T43 с двойным лезвием и T44 с одним лезвием в будущих соревнованиях, поскольку бегуны с одним лезвием не могли регулировать высоту протезов и всегда должны были соответствовать длине своей биологической ноги с беговым лезвием. [ необходима ссылка ]

Улучшение времени бега и широкая трансляция результатов гонки обеспечили публичную демонстрацию того, как длина лезвия влияет на производительность. Длина шага Писториуса была на 9% больше (2,2 м против 2,0 м), но Оливейра сделал больше шагов (99 против 92). Сочетание длины шага и частоты шагов привело к явно необычному результату с более длинными лезвиями. [30] Менеджмент Писториуса опубликовал заявление, в котором говорилось, что рост Писториуса всегда составляет 1,84 метра, независимо от того, какие протезы он носит, и что решение сохранить этот рост для его беговых лезвий было вопросом справедливости. [31]

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Майк Мун (2012), «Бегущий по лезвию: Оскар Писториус заставляет мир переосмыслить, что значит быть инвалидом», Reader's Digest Asia , заархивировано из оригинала 8 сентября 2015 г. , извлечено 29 августа 2012 г.
  2. ↑ Дэвис, Гарет А. (23 мая 2007 г.), Мой спорт: Оскар Писториус, The Daily Telegraph (Лондон) , получено 20 сентября 2012 г.
  3. ↑ Феликс Жилетт (10 ноября 2004 г.), «Высокий забег: паралимпиец обвиняется в незаконном подтягивании», Slate , архивировано с оригинала 13 сентября 2012 г.
  4. ↑ Найт, Том (10 января 2008 г.), Время вызова ИААФ по мечте Оскара Писториуса, The Daily Telegraph (Лондон) , получено 20 сентября 2012 г.
  5. ↑ Mackay, Duncan (18 мая 2008 г.), Диак расслабился из-за победы Писториуса, The Observer , получено 20 сентября 2012 г.
  6. ↑ Шоу, Алексис (4 августа 2012 г.), Писториус, 25 лет, первый спринтер с двумя ампутированными конечностями, участвующий в Олимпийских играх, ABC , получено 22 сентября 2012 г.
  7. ↑ Погаш, Кэрол (2 июля 2008 г.), «Личный призыв к изобретению протеза», New York Times , дата обращения 19 сентября 2012 г.
  8. ^ abcd Макхью, Джош (март 2007 г.), Blade Runner, Wired Magazine , получено 19 сентября 2012 г.
  9. ↑ Лестер, Джон (4 августа 2012 г.), Колонка: Писториус производит революцию в олимпийских представлениях , получено 22 августа 2012 г.
  10. ↑ Уилсон, Марк, Как Nike изготовила шипы для лезвий из углеродного волокна Оскара Писториуса , получено 19 сентября 2012 г.
  11. ↑ Булл, Энди (28 августа 2012 г.), «Паралимпийские игры 2012: Оскар Писториус показывает, чего могут достичь паралимпийцы», The Guardian , получено 22 сентября 2012 г.
  12. ^ Эпштейн, Дэвид (4 августа 2012 г.), Честно или фальшиво? Мнения экспертов разделились по поводу того, есть ли у Писториуса преимущество, архивировано из оригинала 6 августа 2012 г. , извлечено 19 сентября 2012 г.
  13. ↑ Лайонс, Кит (3 сентября 2012 г.), Поражение Писториуса от Оливейры подпитывает дебаты о «подрывных технологиях» , получено 22 сентября 2012 г.
  14. ↑ Паралимпийские игры 2012 года в Лондоне, лезвия Оскара Писториуса — аннотированная графика, Engineering & Technology, 28 августа 2012 г. , получено 19 сентября 2012 г.
  15. ↑ Наука Олимпиады: как работают лезвия Оскара Писториуса, NBC, архивировано из оригинала 29 сентября 2012 г. , извлечено 19 сентября 2012 г.
  16. ↑ Борден, Сэм (5 августа 2012 г.), «Писториус упускает шанс в финале, но сохраняет оптимизм», The New York Times , дата обращения 19 сентября 2012 г.
  17. ↑ Симпсон, Джейк (8 августа 2012 г.), «Никаких преимуществ в том, чтобы быть ампутантом»: защита протезов Оскара Писториуса, The Atlantic , получено 19 сентября 2012 г.
  18. ^ Оскар Писториус - Независимое научное исследование пришло к выводу, что протезы гепарда дают явные механические преимущества, IAAF, 14 января 2008 г. , получено 19 сентября 2012 г.
  19. ^ «Отчет: Искусственные конечности дают паралимпийскому чемпиону конкурентное преимущество», International Herald Tribune , 20 декабря 2007 г.
  20. ^ Bruggemann, Gert-Peter; Arampatzis, Adamantios; Emrich, Frank; Potthast, Wolfgang (2008), Биомеханика бега с двойной транстибиальной ампутацией с использованием специальных протезов для бега (PDF) , получено 3 октября 2012 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  21. ↑ Джонатан Клейтон (15 января 2008 г.), «Оскар Писториус обещает бороться с запретом на Олимпиаду», The Times , Лондон, архивировано с оригинала 2 декабря 2008 г.
  22. ^ Зеттлер, Патрисия Дж. «Использование гепардов — это мошенничество? Последствия технологически инновационных протезов для спортивных ценностей и правил». Бостонский университет, Международный юридический журнал, 27 (2009).
  23. ↑ Эвелет, Роуз (23 июля 2012 г.), Имеет ли Оскар Писториус с двумя ампутированными конечностями несправедливое преимущество на Олимпийских играх 2012 года?, Smithsonian Magazine , получено 19 сентября 2012 г.
  24. ^ Weyand, Peter G.; Bundle, Matthew W.; McGowan, Craig P.; Grabowski, Alena; Brown, Mary Beth; Kram, Rodger; Herr, Hugh (17 февраля 2009 г.), «Самый быстрый бегун на искусственных ногах: разные конечности, схожая функция?», Journal of Applied Physiology , 107 (3): 903–911, doi :10.1152/japplphysiol.00174.2009, PMID  19541739 , получено 19 сентября 2012 г.
  25. ↑ Bryen, Whitney (11 июля 2012 г.), Исследователи CU-Boulder помогают Оскару Писториусу стать первым человеком с ампутированными конечностями, участвовавшим в Олимпийских играх: исследования показывают, что его протезы не являются преимуществом, архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. , извлечено 19 сентября 2012 г.
  26. ↑ Гашиш, Рами (10 августа 2012 г.), Протезы ног Оскара Писториуса: дают ли они ему преимущество перед другими бегунами-олимпийцами?, Huffington Post , получено 19 сентября 2012 г.
  27. ^ Grabowski1, Alena M.; McGowan, Craig P.; McDermott, William J.; Beale, Matthew T.; Kram, Rodger; Herr, Hugh M. (4 сентября 2009 г.), «Протезы, предназначенные для бега, ограничивают силу соприкосновения с землей во время спринта», Biology Letters , 6 (2): 201–204, doi :10.1098/rsbl.2009.0729, PMC 2865064 , PMID  19889694 , получено 19 сентября 2012 г. {{citation}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  28. ↑ Rosewater, Amy (4 августа 2012 г.), Американский бегущий по лезвию: Джаррид Уоллес, архивировано из оригинала 6 августа 2012 г. , извлечено 22 сентября 2012 г.
  29. ↑ Харт, Саймон (3 сентября 2012 г.). «Споры о лезвии Оскара Писториуса: кислый виноград или право Южной Африки жаловаться на лезвия Алана Оливейры?». The Telegraph . Получено 20 сентября 2012 г.
  30. ^ Такер, Росс (сентябрь 2012 г.). «Писториус против Оливейры и технологий. Три быстрых мысли о 4-м раунде». Архивировано из оригинала 20 сентября 2012 г. Получено 20 сентября 2012 г.
  31. ↑ Лестер, Джон (5 сентября 2012 г.). «Колонка: творец истории Писториус тоже лицемер?». Associated Press. Архивировано из оригинала 12 января 2013 г. Получено 20 сентября 2012 г.

Внешние ссылки