Что есть ходьба с точки зрения физики

То, что вы делаете десятки тысяч раз в день в течение всей жизни, должно быть вам прекрасно известно. Так принято думать, но это далеко не всегда верно. Лучший пример — ходьба и бег. Есть ли что-нибудь более нам знакомое, чем эти движения? А много ли найдется людей, которые ясно представляют себе, как, собственно, передвигаем мы свое тело при ходьбе и беге и в чем разнятся эти два рода движений? Послушаем же, что говорит о ходьбе и беге физиология [Текст отрывка заимствован из “Лекций по зоологии” проф. Поля Бера; иллюстрации прибавлены составителем.]. Для большинства, я уверен, это описание будет совершенно ново.

“Предположим, что человек стоит на одной ноге, например, на правой. Вообразим себе, что он приподнимает пятку, наклоняя в то же время туловище вперед (При этом идущий человек, отталкиваясь от опоры, оказывает на нее добавочное к весу давление — около 20 кг. Отсюда, между прочим, следует, что идущий человек сильнее давит на землю, чем стоящий. — Я. П.).

Как человек ходит. Последовательные положения тела при ходьбе.

При таком положении перпендикуляр из центра тяжести, понятно, выйдет из площади основания опоры, и человек должен упасть вперед. Но едва начинается это падение, как левая нога его, оставшаяся в воздухе, быстро подвигается вперед и становится на землю впереди перпендикуляра из центра тяжести, так что последний, т. е. перпендикуляр, попадает в площадь, образуемую линиями, которыми соединяются точки опоры обеих ног. Равновесие таким образом восстанавливается; человек ступил, сделал шаг.

Графическое изображение движений ног при ходьбе. Верхняя линия (А) относится к одной ноге, нижняя (В) — к другой. Прямые линии отвечают моментам опоры о землю, дуги — моментам движения ног без опоры. Из графика видно, что в течение промежутка времени а обе ноги опираются о землю; в течение b — нога А в воздухе, В продолжает опираться; в течение с — вновь обе ноги опираются о землю. Чем быстрее ходьба, тем короче становятся промежутки а, с (ср. с графиком бега, последний рисунок).

Он может и остановиться в этом довольно утомительном положении. Но если хочет идти дальше, то наклоняет свое тело еще более вперед, переносит перпендикуляр из центра тяжести за пределы площади опоры и в момент угрозы падения снова выдвигает вперед ногу, но уже не левую, а правую — новый шаг, и т. д. Ходьба поэтому есть не что иное, как ряд падений вперед, предупреждаемых вовремя поставленной опорой ноги, остававшейся до того позади.

Как человек бежит. Последовательные положения тела при беге (есть моменты, когда обе ноги находятся без опоры.

Рассмотрим дело несколько ближе. Предположим, что первый шаг сделан. В этот момент правая нога еще касается земли, а левая уже ступает на землю.

Графическое изображение движения ног в беге

Из графика видно, что для бегущего человека существуют моменты (b, d, f), когда обе ноги витают в воздухе. Этим и отличается бег от ходьбы.

Но если только шаг не очень короток, правая пятка должна была приподняться, так как именно это-то приподнимание пятки и позволяет телу наклониться вперед и нарушить равновесие. Левая нога ступает на землю прежде всего пяткой. Когда вслед за тем вся подошва ее становится на землю, правая нога поднимается совершенно на воздух. В то же время левая нога, несколько согнутая в колене, выпрямляется сокращением трехглавой бедренной мышцы и становится на мгновение вертикальной. Это позволяет полусогнутой правой ноге продвинуться вперед, не касаясь земли, и, следуя за движением тела, поставить на землю свою пятку как раз вовремя для следующего шага.

Подобный же ряд движений начинается затем для левой ноги, которая в это время опирается на землю только пальцами и вскоре должна подняться на воздух.

Бег отличается от ходьбы тем, что нога, стоящая на земле, внезапным сокращением ее мышц энергично вытягивается и отбрасывает тело вперед, так что последнее на одно мгновение совсем отделяется от земли. Затем оно снова падает на землю на другую ногу, которая, пока тело было на воздухе, быстро передвинулась вперед. Таким образом, бег состоит из ряда скачков с одной ноги на другую”.

Что касается энергии, затрачиваемой человеком при ходьбе по горизонтальной дороге, то она не равна нулю, как иные думают: центр тяжести тела пешехода при каждом шаге поднимается на несколько сантиметров. Можно рассчитать, что работа при ходьбе по горизонтальному пути составляет около одной пятнадцатой доли работы поднятия тела пешехода на высоту, равную пройденному пути.

Разделы: Физика

Цель образовательная: показать применение законов механики при рассмотрении строения и функций организма человека, закрепление материала по механике.

Развивающая цель: развитие мышления.

Воспитательная цель: формирование познавательного интереса у учащихся: познай себя, и ты познаешь мир.

Оборудование: таблицы «Кровообращение», «Мышцы человека», скелет человека, кинофрагменты.

I. Организационный момент. Цели, план проведения.

Учитель: Как к живой, так и не живой природе применимы физические законы, но они не исчерпывают сложность поведения живой природы. Если рассматривать все знания, накопленные человечеством за 100%, то 95 % — знания о мире, космосе – знания о костном, т.е. неживом веществе планеты. 5% — знания о живом веществе, 0,05% — знания о человеке.

Сегодня на уроке – конференции мы попробуем взглянуть на себя со стороны, основываясь на знаниях, полученных в курсе механики.

1. Сообщение: «Гулливер и лилипуты. Это возможно?»

Не погрешил ли Свифт против физики в своих путешествиях Гулливера великанов и лилипутов? Да, погрешил. Его великаны в 12 раз больше нормального человека. По законам механики человекоподобное существо высотой более 20м должно было бы иметь столь массивный скелет, что, по всей вероятности, оно попросту сломалось бы под его тяжестью. Галилей высказал мысль, что увеличение размеров привело бы к тому что, тело было бы раздавлено или сломано тяжестью своего собственного веса. Человек огромных размеров должен быть толстым и неповоротливым. Растет потребность в пище пропорционально объему тела, а возможность ее добывания уменьшается, вследствие понижения подвижности.

Законы физики определяют некоторый предел размерам животных и человека. Имеются ли у физики возражения против лилипутов? С точки зрения законов механики здесь все в порядке, но возникает вопрос теплообмена. Если у нас в теле выделяется излишняя теплота, мы потеем – т.е. включаем дополнительный механизм охлаждения. Люди – лилипуты Свифта ростом немного больше 10 см вряд ли могли бы существовать. Им приходилось бы много дышать, непрерывно питаться, все время находиться в быстром движении и при этом кутаться в теплые одежды. Так что для человеческого организма существующие размеры являются не только оптимальными, но и, по сути дела единственно возможными.

Учитель: Итак, особенно крупные животные не бывают грациозными, при возрастании размеров произойдет недопустимое возрастание механических нагрузок на организм. Как позаботилась природа о человеке?

2. Сообщение: «Скелет человека» кинофрагмент.

Как же работают наши кости? Как и строительные элементы, они работают в основном на сжатие – растяжение и на изгиб. Оптимальной конструкцией является кость с частично отсутствующей сердцевиной – трубчатые кости. Развитию костной системы в процессе эволюции привело к уменьшению массы человека примерно на 25% при сокращении прочности скелета. Достаточно ли прочны наши кости? Причиной высокой прочности костей является их композиционная природа. Именно она одновременно обеспечивает и большую твердость костей скелета, и их эластичность.

Кости нашего скелета по прочности превосходят и гранит, и бетон. Однако, чтобы избежать разрушения тела, возникающие в нем механические напряжения не должны превышать предел прочности больше допустимого напряжения, это называется запасом прочности.

На примере человека можно проследить все виды деформации. Деформации сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности и покровы ступней. Деформации растяжения – верхние конечности, связки, сухожилия, мышцы. Изгиба – позвоночник, кости таза; кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и т.д.

Бедренная кость, поставленная вертикально, может выдержать давления груза в полторы тонны (автомобиль «Волга»). Какие бы нагрузки не прикладывались, кость никогда не работает на излом, а только на растяжение и сжатие. Прекрасной иллюстрацией прочности костей человека может служить скелет каратиста. Каратист концентрирует свой короткий удар на очень малом участке тела, не делая при этом длинных махов руками. Поэтому удар каратиста может разрушать ткани и кости противника, на которые он направлен. Хорошо тренированный каратист может в течение нескольких миллисекунд нанести удар в несколько киловатт. Рука каратиста не ломается при ударе даже о бетонный брусок, который частично объясняется большей прочностью кости по сравнению с бетоном. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар.

Учитель: наш организм создан природой с учетом знаменитого «золотого правила механики».

3. Сообщение: «Рычаги в организме человека»

В скелете животных и человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, у человека – кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев. Рычажные механизмы скелета обычно рассчитаны на выигрыш в скорости при потери в силе. Рассмотрим условия равновесия рычага на примере черепа (приложение №1). Здесь ось вращения рычага О проходит через сочленение черепа с первым позвонком. Спереди от точки опоры на относительно коротком плече действует сила тяжести головы , позади – сила тяги мышц и связок, прикрепленных к затылочной кости. Рука тоже представляет собой совершенный рычаг, точка опоры которого находится в локтевом суставе. Действующей силой является сила двуглавой мышцы (бицепс), которая прикрепляется к бугорку лучевой кости, преодолеваемым сопротивлением является груз , приложенный к кисти. Под действием силы рычаг – рука поднимает груз, находящийся на ладони. Чертёж показывает этот момент вращения мышечной силы (произведение силы на её плечо) равен в данном случае Момент вращения груза M будет равен .Если пренебречь массой лучевой кости, то в состоянии равновесия =

Точка приложения силы находится на расстоянии =3 см (т.е. плечо силы =3 см), а плечо силы тяжести =30 см, отсюда следует

Таким образом, чтобы удержать груз M, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающую величину груза (приложение №2). То, что проигрываем здесь в силе, не имеет особого значения, — мышца обладает достаточно большой силой. Зато очень важно то, что, проигрывая в силе, мы выигрываем в других отношениях. Небольшое сокращение длины мышцы позволяет в данном случае осуществить значительное перемещение ладони с грузом (мы можем поднять груз даже к плечу). Кроме того, мы выигрываем в скорости перемещения. Мышцы не могут очень быстро сокращаться; к счастью, при таком рычаге этого не требуется: скорость перемещения ладони с грузом оказывается в 10 раз больше скорости сокращения мышцы. Другими словами, проигрывая в 10 раз силе, мы во столько же раз выигрываем в длине и скорости перемещения груза. Другим примером работы рычага является действие свободы стопы при подъеме на полупальцы. Опорой О рычага, через которую проходит ось вращения, служат головки плюсневых костей. Преодолеваемая сила – вес всего тела – приложена к таранной кости. Действующая мышечная сила осуществляющая подъем тела, передаётся через ахиллово сухожилие и приложена к выступу пяточной кости (приложение №3).

Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как согнутой? Когда рука вытянута, то направление действия мышечной силы составляет малый угол с продольной осью вращения рычага (приложение №4). Чтобы в этом случае удержать груз такой же, как и при согнутой руке, нужно значительно увеличить мышечное усилие. При одном и том же мышечном усилии вытянутой рукой можно удержать значительно меньший груз, чем согнутой.

Учитель: Поражает исключительная целесообразность устройства нашей опоры – двигательной системы. Форма костей и суставов, как мы выяснили, обеспечивает человеку наиболее выгодные условия для движения. Ещё сложнее строение и взаимоотношение мышц – двигателей нашего тела.

4. Сообщение: «Мышцы и движение» кинофрагмент.

Одни из самых сильных мышц у человека те, что расположены по обе стороны рта и отвечают за сжатие челюстей. Они способны развивать усилие до 700H! Согласно исследованиям у плачущего человека задействованы 43 мышцы лица, в то время, как у смеющегося всего 17 таким образом смеяться энергетически выгодно. Если бы все мышцы человека напрягались, они бы вызвали силу давления, примерно равную 250 кН.

Строение и форма мышц зависит от той работы, которую приходится им чаще всего выполнять. Сила, развиваемая мышцей, является геометрической суммой сих отдельных волокон. Поэтому, чем толще мышца, тем она сильнее — например икроножная мышца. Она может поднять груз массой до 130 кг. В среднем же мышцы человека на каждый 1 см 2 сечения развивают силу 160 Н. Эта сила может изменяться, т.к. определяется не только ЦНС, но и внешними механическими условиями, нагрузкой.

Если вы подняли гирю в несколько килограммов и держите её на весу, то с точки зрения механики вы совершили работу только при поднятии груза, но держать гирю на весу не на много легче, чем поднять её вверх, хотя А=О. Это объясняется тем, что мышцы приводящие в движении руки или ноги, способны к быстрым сокращениям, но каждое сокращение длится малое время. Сокращение мышцы вызывается сигналом, поступающим к ней по нервам головного мозга. Если длительное время держать груз на весу, такие сигналы непрерывно друг за другом поступают к мышце. Когда приходит очередной сигнал, мышца сокращается, но тут же сама по себе расслабляется впредь до получения следующего сигнала. В результате груз, который вы держите, испытывает малые колебания вверх и вниз. Рука дрожит, что особенно заметно, если гирю держать достаточно долго. Скелетные мышцы не способны удерживать груз в строго определенном положении. При периодическом поднятии груза на малые расстояния работа будет совершаться. Поэтому рука устает, не только когда вы поднимаете груз, но и когда держите его на весу.

Учитель: Основой основ для жизни человека является кровь и система кровообращения. Можем ли мы применить закон механики к движению крови в организме человека?

5. Сообщение: «Движение крови по сосудам. Закон Бернулли».

Сосуды пронизывают все участки нашего тела. Сердце – это насос, нагнетающий кровь в артериальную систему. Кровь течет по разветвляющимся артериям до капилляров. Их общая длина 100 тыс. км. Сокращаясь, мышца давит на стенки вен, которые сжимаются и выдавливают кровь по направлению к сердцу, т.к. клапаны, находящиеся выше, открываются, а находящиеся ниже – закрываются.. Чем объяснить, что давление крови с удалением от левого желудка сердца падает? По различным участкам кровеносного русла кровь течет с разной скоростью. Причина? Данное явление не связано с силами трения, а связано с уравнением Бернулли.

Чем больше сечение, тем скорость течения жидкости по ней меньше. Сердце работает частотой 60 Гц, следовательно, струя должна быть прерывистой, а она непрерывна. Пульсация сглаживается т.к. кровеносные сосуды эластичны. Поэтому когда кровь поступает в аорту, та расширяется до тех пор, пока приток крови не прекратится. После этого силы упругости растянутой стенки, стремясь вернуть её к первоначальным размерам, выжимают кровь в более удаленный от сердца участок артерии. Этот участок артерии растягивается, и все начинается сначала.

В результате после каждого сокращения сердца вдоль артерии в направлении от сердца к периферии пробегает волна деформации, подобна тому, как распространяются волны на поверхности воды от брошенного в неё камня. И если на артерию, находящуюся вблизи поверхности тела (например – у запястья), наложить пальцы, то можно ощутить эти волны в виде толчков пульса. Удивительный двигатель – сердце, в среднем за сутки сокращается 100 тыс. раз и перекачивает при этом 10 тыс. литров крови.

6. Сообщение: «Равновесие. Центр тяжести. Человек.»

Центр тяжести (так называют точку притяжения силы тяжести) существует у любого тела. Иногда точку приложенной силы тяжести называют центром масс. Это ни какая-нибудь выделенная точка, она ничем не отличается от других и, более того, может вообще находиться вне тела как у бублика или стула. Давайте рассмотрим несколько ситуаций, в которых мы были или можем быть:

1. Может ли человек, упершийся правой ногой и правым плечом в стену, поднять левую ногу и не потерять равновесие? (нет, так как вертикальная линия, проходящая, через центр тяжести, будет так же проходить через ступню правой ноги);
2. Почему человек, несущий груз на спине, наклоняется вперед? (груз изменяет положение центра тяжести, и человек, находящийся в неустойчивом положении наклоняется, чтобы вертикаль, проходящая через центр тяжести, прошла через центр опоры);
3. Почему трудно стоять на одной ноге? (площадь опоры мала. Поэтому человеку, стоящему на одной ноге, трудно удержать равновесие).
4. Почему при ходьбе люди размахивают руками? (когда человек перемещает ногу вперед, вперед смещается центр тяжести. Чтобы сохранить первоначальное положение центра тяжести, руку отводят назад, такое чередование повторяется при каждом шаге).

Учитель: Человеку было недостаточно просто ходить, ему захотелось бегать, прыгать; ставить рекорды, летать и возникла новая проблема – действие ускорения на человека.

7. Сообщение: «Вестибулярный аппарат. Действие ускорений»

Изучая законы Ньютона, мы много говорили об ускорении.

Рассмотрим, как влияют ускорения на организм человека. Нервные импульсы, сигнализирующие о пространственном перемещении тела, в том числе и головы, поступают в специальный орган – вестибулярный аппарат. Вестибулярный аппарат информирует головной мозг об изменении скорости движения. Характеристика пороговых величин раздражений вестибулярного аппарата, доходящих до сознания человека, а также средние ускорения при разных движениях, следующие: карусель, а = (3-4) м/с 2 ; лифт а = 2 м/с 2 выполнение фигур высшего пилотажа а = (20-80) м/с 2 ; разбег спортсмена на старте а = (8-10) м/с 2 ; катапультирование из самолета а = 200 м/с 2 . Каковы воздействия ускорений?

Если на человека действует ускорение в направлении от головы к ногам, численно равное 2g, то ощущается давление всего тела на сиденье, напряжение мышц, но нарушений самочувствия не наблюдается. При а = (2-4)g требуется большие усилия для удержания головы в вертикальном положении, ощущается затруднительность дыхания, неприятные, а подчас болезненные ощущения смещения внутренних органов. Уменьшается точность движений, увеличивается число ошибок при оценке показаний приборов самолета, из-за смещения подвижных участков кожи на лице меняется внешний облик человека. При а = (4-5)g помимо этих явлений часто возникают зрительные нарушения («серая пелена») при дальнейшем увеличении ускорений а = (5-6)g свыше 5 сек. Могут возникнуть нарушения сознания. Все эти воздействия носят временный характер. Ещё К.Э.Циолковский предлагал для повышения выносливости человека к действию ускорений помещать его тело в жидкость одинаковой с ним плотности. Подобная защита достаточно широко распространена в природе. Так защищается зародыш в яйце, так предохраняется плод в утробе матери.

Учитель: Кому принадлежат слова: «Человечество не останется вечно на земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе околосолнечное пространство».

8. Сообщение: «Невесомость и человек»

Слова «антигравитация», «антигравитационный» долгое время казались выходцами из фантастики. А между тем мы буквально на каждом шагу только тем и занимаемся, что преодолеваем земное притяжение. Кровь в наших жилах притягивается Землей и понятно, что есть в организмах человека и животного специальные механизмы, обеспечивающие равномерное распределение крови по телу. Есть знаменитая древняя формула: лучше сидеть, чем стоять, лучше лежать, чем сидеть. Физический смысл этого изречения, при желании, можно отнести к снабжению организма кровью. Ведь когда лежащий человек встает или стоящий ложится, он коренным образом меняет свое положение в поле земного тяготения. В легких человека находятся особые пузырьки – альвеолы, через их стенки кислород поступает в кровь. В верхние отделы легких крови поступает меньше чем в нижние, это связано только с тем, что в распределение крови по организму важную роль играет гравитация. У лежащего на спине человека легкие заполняются кровью более равномерно. Зато, как показали эксперименты, жизненная емкость легких у сидящего человека больше, чем у лежащего, и еще больше она у стоящего. Уровень обмена энергии у человека при стоянии на 10-18% больше, чем когда он лежит на спине.

Каков реальный срок безвредного пребывания в невесомости? По мнению многих специалистов, такой срок должен существовать и считаться с этим необходимо. Тренировки, тренировки и еще раз тренировки. Мышцы, во всяком случае, большинство из них можно так поддерживать в работоспособном и здоровом состоянии. Хуже дело обстоит с костями скелета. Ноги несут обычно на себя тяжесть всего тела. Как вернуть им в этом отношении хотя бы ощущение нагрузки? В невесомости ткани обескровливаются, а кровь, наоборот, становится сильно разбавлена тканевой жидкостью. Расширяются центральные вены и предсердия, чтобы пропускать избыток крови (увы, кажущийся) и удалять его через почки. С жидкостью из организма уходит и кальций.

К невесомости не приспособлен механизм снабжения органов тела кровью через артерии. Все космонавты говорили о временных приливах крови к голове, видели, как у товарищей по кабине космического корабля становятся одутловатыми лица и даже морщины разглаживаются. Это организм гонит кровь в голову с силой, преодолевать – то в невесомости нечего.

Учитель: Существует старинная притча о мудреце и юноше. Юноша спросил: «ты знаешь намного больше, чем я; почему же, отвечая на вопрос, ты сомневаешься чаще, чем я?» и тогда мудрец нарисовал палкой на песке два круга; малый внутри большого, «Посмотри, — сказал он юноше, — внутри малого круга заключено все, что знаешь ты, а в большом – все, что знаю я. Разве не ясно, что чем больше круг, тем длиннее ограничивающая его окружность, а значит, и больше соприкосновение с областью неопознанного?»

Не только поэты, но и физики сомневались временами в познаваемости природы. Однако подобные кризисы неизбежно преодолевались, завершаясь, раз новым качественным скачком в процессе научного познания.

Что есть ходьба с точки зрения физики

Физика – одна из основных наук о природе.

На уроках физики мы часто рассматриваем физические явления и законы, в основном связанные с неживой природой, а о живой говорим мало. Но живая природа тоже уникальна, и здесь действуют все законы физики.

Насекомые передвигаются, скользя по глади воды, и не тонут, так как их вес не преодолевает силу поверхностного натяжения воды. Многие перелетные птицы во время длительных путешествий выстраиваются в клин, чтобы уменьшить силу трения о воздух и силу сопротивления.

А что уж говорить о самом человеке? Он – часть природы. В нем самом и в его действиях много физический явлений.

Я решил подтвердить гипотезу о том, что на организм человека действует большое количество сил, как внешних, так и внутренних.

Цель работы: научиться применять законы физики для объяснения законов и процессов, протекающих в организме человека, и исследовать свои физические характеристики.

— осуществить подбор и анализ материала, отвечающего на вопрос: какие физические явления и процессы играют важную роль в жизни человека;

— опираясь на знания, полученные в этом учебном году, провести ряд опытов, раскрывающих физические характеристики моего организма;

— сделать выводы по полученным результатам.

— теоретический (сбор и изучение материала в различных источниках: литература, Интернет-ресурс);

— эмпирический (измерения, расчет физических данных).

Предмет исследования:физические характеристики организма человека.

Объект исследования: мой организм.

Практическая значимость работы заключается в том, что знание личных физических характеристик имеет значение для определения резерва физического здоровья человека. Также не менее важно знать, какие физические законы объясняют процессы, протекающие в организме.

Результаты моей работы актуальны и представляют интерес для людей, которые интересуются физикой, и стремятся познать себя, свой организм, своё тело с точки зрения физики.

1. Физика человека

2. Рассмотрим основные процессы жизнедеятельности человека и попробуем объяснить их с точки зрения физики.

1.1. Силы, действующие на человека

Если рассматривать человека как объект изучения физики, то можно увидеть, что многие привычные нам действия подчиняются ее законам.

Любое движение, упражнение, положение тела осуществляется при взаимодействии сил, оказывающих действие на тело человека. Эти силы подразделяют на внешние и внутренние.

Внешние – это силы, действующие на человека извне, при взаимодействии его с внешними телами (земля, гимнастические снаряды, любые предметы). Наибольшее значение для движений человека имеют сила тяжести, сила реакции опоры и сила сопро­тивления среды. Спортсмены, выполняя упражнения со штангой, учитывают силу тяжести, направленную вниз. Если бы не существовало трения, человек не мог бы ходить и бегать: нога, которой произво­дится отталкивание, скользила бы назад, и перемещение тела было бы невозможно (нечто подобное наблюдается при ходьбе по сколь­зкому льду). Сила сопротивления среды действует на тело человека при его движениях в воздушной или водной среде. Уменьшают тормозящее влияние среды принимая наиболее выгодную (обтекаемую) форму тела.

Внутренние силы возникают внутри тела человека при взаи­модействии частей тела. Основная активная внутренняя сила — сила сокра­щения мышц.

Если силы, действующие на тело, уравновешены, то оно на­ходится в покое; если же их равнодействующая не равна нулю, то тело перемещается в направлении этой равнодействующей.

Каж­дая из сил может быть движущей или тормозящей. Например, сила тяжести при движении вниз является движущей силой, а при дви­жении вверх — тормозящей. Сила попутного ветра, например, при ходьбе — движущая сила, а сила встречного вет­ра — тормозящая.

Для человека также характерна инерция. Ее типичным случаем являются прыжки. В начале прыжка тело человека находится под действием силы, развиваемой мышцами ног. Пока они не отрываются от поверхности земли. После этого никакого двигательного усилия уже не нужно. Тело движется вперед, преодолевая сопротивление воздуха и силу тяжести, исключительно вследствие инерции.

Человек может развивать большую силу, если будет двигаться с ускорением. Следовательно, чем лучше разогнаться, тем дальше будет прыжок.

На примере человека можно проследить все виды деформации.

Деформацию сжатия испытывают позвоночный столб, нижние конечности, покровы ступней; растяжения – верхние конечности, связки, сухожилия; изгиба – позвоночник, кости таза; кручения – шея при повороте головы, туловище в пояснице при повороте, кисти рук при вращении и др. (Приложение 1).

Позвоночный столб, как правило, подвергается сжатию как под воздействием веса тела, так и натяжения различных мышц и сухожилий. Для их удержания и обеспечения подвижности он имеет сложную S-образную форму. Позвоночник – наиболее рано стареющий орган, поэтому его изменения начинаются уже с 18-летнего возраста.

Деформация характерна и для мышц человека. Мышечная ткань обладает свойством растягиваться и сокращаться, ей присущи эластичность и упругость. В теле человека насчитывается около 600 мышц.

Центр тяжести существует у любого тела (Приложение 2).

Почему человек, несущий груз на спине, наклоняется вперед? Груз изменяет положение центра тяжести, и человек, находящийся в неустойчивом положении наклоняется, чтобы вертикаль, проходящая через центр тяжести, прошла через центр опоры.

Почему трудно стоять на одной ноге? Площадь опоры мала. Поэтому человеку, стоящему на одной ноге, трудно удержать равновесие.

Почему при ходьбе люди размахивают руками? Когда человек перемещает ногу вперед, вперед смещается и центр тяжести. Чтобы сохранить первоначальное положение центра тяжести, руку отводят назад, такое чередование повторяется при каждом шаге.

1.4. Рычаги в теле человека

В скелете человека все кости, имеющие некоторую свободу движения, являются рычагами. Например, кости конечностей, нижняя челюсть, череп, фаланги пальцев.

Рука представляет собой совершенный рычаг, точка опоры которого находится в локтевом суставе (Приложение 3). Под действием силы рычаг – рука поднимает груз, находящийся на ладони. Чтобы удержать груз, необходимо усилие мышцы, в десять раз превышающую величину груз.

Почему вытянутой рукой нельзя удержать такой же груз, как согнутой? Если вы подняли гирю в несколько килограммов и держите её на весу, то с точки зрения механики мы совершили работу только при поднятии груза, но держать гирю на весу не легче, чем поднять её вверх, хотя работа равна нулю. Это объясняется тем, что мышцы, приводящие в движении руки или ноги, способны к быстрым сокращениям, но каждое сокращение длится малое время. Сокращение мышцы вызывается сигналом, поступающим к ней по нервам головного мозга. Если длительное время держать груз на весу, такие сигналы непрерывно друг за другом поступают к мышце. Когда приходит очередной сигнал, мышца сокращается, но тут же сама по себе расслабляется до получения следующего сигнала. В результате груз, который мы держим, испытывает малые колебания вверх и вниз. Рука дрожит, что особенно заметно, если гирю держать достаточно долго. Скелетные мышцы не способны удерживать груз в строго определенном положении. При периодическом поднятии груза на малые расстояния работа будет совершаться. Поэтому рука устает, не только когда мы поднимаем груз, но и когда держим его на весу.

Одни из самых сильных мышц у человека те, что расположены по обе стороны рта и отвечают за сжатие челюстей. Они способны развивать усилие до 700 H. Согласно исследованиям у плачущего человека задействованы 43 мышцы лица, в то время как у смеющегося всего 17. Таким образом смеяться энергетически выгодно.

Строение и форма мышц зависит от той работы, которую приходится им чаще всего выполнять. Сила, развиваемая мышцей, является геометрической суммой сил отдельных волокон. Поэтому, чем толще мышца, тем она сильнее,  например, икроножная мышца. Она может поднять груз массой до 130 кг.

Если бы все мышцы человека напрягались, они бы вызвали силу давления, примерно равную 250 кН.

1.5. Движение крови

Сосуды пронизывают все участки нашего тела (Приложение 4). Кровь течет по ветвям артерий до капилляров. Их общая длина около 100 тыс. км.

Сердце – это насос, нагнетающий кровь в артериальную систему. Оно работает в импульсном режиме. Во время каждого импульса, длящегося примерно 0,25 с, сердце выталкивает в аорту около 0,1 л крови. Удивительный двигатель в среднем за сутки сокращается 100 тыс. раз и перекачивает при этом 10 тыс. литров крови. Вследствие насосной функции сердца в сосудах создается постоянное давление крови. Кровь течет по ним из области высокого давления в область низкого.

Пища, находясь в полости рта человека, проталкивается в глотку, а затем к пищеводу мышечными сокращениями языка. Затем происходит сокращение мышц пищевода, и пища проходит в желудок. Роль смазки в данном процессе играет слюна. Она обволакивает пищу, тем самым уменьшая силу трения, возникающую при ее движении по пищеводу.

А как мы пьем? При питье мы расширяем грудную клетку, под давлением наружного воздуха жидкость устремляется в то пространство, где давление меньше, и таким образом проникает в наш рот. Итак, строго говоря, мы пьем не только ртом, но и легкими.

1.7. Диффузия в организме человека. Дыхание

В процессе всасывания пищи большую роль играет диффузия — взаимное проникновение молекул одного вещества в другое.

Наибольшее всасывание происходит в тонких кишках, стенки которых приспособлены для этого. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65 м 2 . Она покрыта ворсинками — микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2 – 1 мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4 – 5 м 2 , то есть в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела.

Дыхание – это перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы, тоже является примером диффузии. В дыхании у человека принимает участие вся поверхность тела. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе.

Однако, во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с лёгкими. При вдохе объем грудной клетки и легких увеличивается, при этом в них понижается давление, и воздух через нос и горло входит в легочные пузырьки. При выдохе объем грудной клетки и легких уменьшается. Давление в легочных пузырьках увеличивается, и воздух с избыточным содержанием углекислого газа выходит из легких наружу.

Сколько воздуха мы вдыхаем?

При каждом вдохе человек вводит в свои легкие около поллитра воздуха. В минуту мы делаем в среднем 18 вдыханий. Значит, за одну минуту в нашем теле успевает побывать 9 литров воздуха. Это составляет в час 540 л. За сутки человек вдыхает около 12 кубометров воздуха. Но, если принять в расчет, что вдыхаемый воздух состоит на 4/5 из бесполезного для дыхания азота (Приложение 5), то оказывается, что наше тело потребляет кислорода около 8 кг, то есть примерно столько же по весу, сколько и пищи (твердой и жидкой).

2. Исследовательская часть: определение физических показателей моего организма

Для расчета физических показателей моего организма с помощью напольных весов и ростомера я измерил свои рост и вес:

— мой рост – 171 см

— масса тела – 47 кг.

2.1. Определение объема тела

Объем тела я определял двумя способами:

1) по объему вытесненной воды.

Для этого в ванну была налита вода и отмечен ее уровень. Затем я полностью погрузился в воду и отметил новый уровень. После этого емкостью известного объема (банкой) долил воду до отмеченного второй раз уровня. Объем долитой воды равен объему моего тела.

Объем тела, измеренный данным способом, равен 46 л = 0,046 м³.

2) математически (Приложение 6).

Полный объем тела определяла по формуле:

где объем головы (объем шара),

объем тела (объем параллелепипеда),

объем руки (объем усеченного конуса),

объем ноги(объем усеченного конуса).

Правильная обувь с точки зрения физики

1. Введение

Моя бабушка постоянно жалуется на боль в ногах. Невольно мое внимание постоянно привлекали её уродливые ноги: выпирающие косточки, натоптыши, отеки, синюшная сеточка из вен и, конечно, постоянная боль. Я стала расспрашивать свою бабулю, что стало причиной её больных ног. После её рассказа, я задумалась о значении обуви для здоровья ног.

Как известно, большинство современных людей стараются подчеркнуть свою привлекательность и стремятся соответствовать модным тенденциям. Неотъемлемой частью моды является красивая обувь. Мои личные наблюдения позволили сделать вывод: мои сверстницы и я (в том числе) часто ходим весь день в спортивной обуви или «балетках» (туфли без каблука), девушки и женщины – в стильных туфлях на высоких каблуках, ребята и мужчины – в модных кроссовках. Взрослея, девочки отдают предпочтение обуви на высоком каблуке.

Нередко мы покупаем обувь, руководствуясь только ее внешним видом. Нам важно, насколько привлекательно и модно обувь выглядит. А ведь к выбору обуви важно подойти со всей серьезностью: от того, что мы носим на ногах, зависит наше здоровье.

Среди различных патологий болезни ног занимают значительное место. Многие люди страдают от болей в ногах, но не знают, с чем они связаны. Болезни ног могут быть вызваны как внешними, так и внутренними факторами.

Красивые ноги – не должны быть мечтой, а вполне решаемой задачей каждого из нас. А красота, как известно, требует жертв. А наши ножки «страдают», «ноют», «просят о помощи». Вместе с ними и весь организм призывает позаботиться о ногах, ведь их здоровье – здоровье всего тела!

Это отнюдь не преувеличение. Ноги – это очень важная часть нашего организма. Кроме опорной и двигательной, они выполняют и функцию кровообращения: мышцы ног обеспечивают центральный кровоток. В нашем теле все взаимосвязано, даже наши ноги и сердце. Это еще одна причина приложить максимум усилий к тому, чтобы ноги всегда были здоровы и полны сил.

Актуальность выбранной темы определяется тем, что современная молодежь не умеет правильно выбирать обувь и ходить в ней. Аргументируя свой выбор модой и красотой, забывая, что скелет формируется к 20 годам, а неправильно выбранная обувь нарушает формирование скелета стопы и ведет к серьезным хроническим заболеваниям всего организма. Исходя из этого, разработаны цели и задачи работы.

Цель: Изучить практическое значение обуви, её влияние на здоровье человека, с точки зрения физики.

Задачи:

• Изучить литературу об истории появления и развития обуви у разных народов мира.
• Провести анкетирование, чтобы узнать мнения учащихся и преподавателей нашей школы о каблуках; провести анализ полученных данных.
• Ознакомиться с особенностями строения и физиологии стопы человека.
• Сравнить динамику и статику стопы находящуюся на ровной горизонтальной поверхности и на высоких каблуках.
• Провести исследование изменений формы стопы у школьников и сотрудников нашей школы. Объяснить с точки зрения физики возникновение заболеваний.
• Выяснить, почему так сложно ходить на высоких каблуках; установить зависимость давления на стопу от наличия каблука; определить идеальную высоту каблука и провести исследования по этим вопросам.
• Разработать правила, которые помогут сохранить наше здоровье;
• Ознакомить всех учениц школы с результатами данной работы.

Гипотеза: если обувь имеет каблук, то давление на стопу должно возрасти, что может нанести вред здоровью.

Предмет исследования – высокие каблуки.

Объект исследования – вред высоких каблуков на здоровье человека с точки зрения физики.

Методы исследований:

• теоретические методы – методы систематизации теоретического материала, исследовательские методы, обобщение накопленного материала, изучение и анализ научной и публицистической литературы по проблеме исследования, моделирование, исторический анализ и интерпретация полученных результатов исследования;
• экспериментальные методы – опорно-диагностические (анкетирование);
• обсервационные методы наблюдение, фиксирование результатов исследования, эксперимент;
• статистические методы – математические методы обработки результатов исследования, табличная и графическая интерпретация данных, математические расчеты с использованием физических формул.

Новизна и практическое значение:

• Делается попытка рассмотрения вреда высоких каблуков с точки зрения физики.
• Полученную информацию по результатам исследовательской работы можно использовать на уроках физики при прохождении тем: «Давление твердых тел», «Центр тяжести», «Простые механизмы. Рычаг».
• Полученную информацию по результатам исследовательской работы можно использовать в рамках внеклассной работы, как информацию для родителей и подростков.
• Привлечение внимания общественности к проблемам здоровья девушек, которые носят обувь на высоких каблуках.

2 . Теоретическая часть

2.1. История развития обуви

Проследить историю обуви, в том числе и историю появления каблука, позволяют археологические находки, исторические документы (папирусы, барельефы, картины, гравюры, и т.п.)

Уже с давних времен обувь считалась признаком благосостояния. Геродот писал, что на изготовление одной пары сандалий для фараона уходил годовой доход среднего города.

Каблуки впервые появились у египтян. Правда, носили их не фараоны и жрецы, а простые землепашцы, которым каблуки создавали необходимый упор, чтобы легче было передвигаться по рыхлой земле. В Древнем Риме сапожники по заказу куртизанок подбирали их обувь так, что от гвоздиков оставались следы с надписью: «Следуй за мной».

В Древней Греции для повышения статуса владельца вместо каблуков использовались деревянные платформы – котурны, которые увеличивали рост. Их надевали актеры греческого театра, чтобы лицедейство всем было видно.
Широко использовались платформы в Китае и Японии, где ношение подобной обувь заменило практику пеленания ног женщин для того, чтобы остановить рост их стопы.

Уменьшение размеров стопы лишало женщин быстрого уверенного шага, поэтому женщина не могла далеко уйти без поддержки, что сдерживало, как считали тогда, падение нравов.

Для века Ренессанса было характерно подчеркнутое стремление вверх, символизирующее возвышение человека над действительностью. Это отразилось и в моде на обувь. Большое распространение получили туфли– chopine, подобие сандалий на деревянной или пробковой платформе. Высота каблуков таких «сандалий» была умопомрачительной – от 14 до 60 см! остается только удивляться, как благородные дамы могли сохранять равновесие на таких ходулях. Сначала это воспринималось, как некое подобие циркового представления, однако в конце 16 –начале 17 века женщины Испании, Франции и Швеции гордо вышагивали в таких сандалиях.

Высокие каблуки были нужны при верховой езде, чтобы ноги лучше держалась в стремени. Поскольку езда на лошадях в Средние века оставалась прерогативной мужского пола, то и первые туфли на каблуках были созданы именно для мужчин. Веком позже практика ношения обуви с каблучками распространилось и на мужчин высшего сословия. В те времена высота мужского каблука составляла 6-8 см!

На женскую туфельку первой обратила внимание супруга герцога Орлеанского Екатерина Медичи. В 1533г. она заказала сапожнику пару модных туфель на каблуках, чтобы подчеркнуть свой высокий статус в обществе. Ее туфли были на деревянной платформе, завышенной под пяткой. Вскоре мода на высокие каблуки охватила всю французскую аристократию.

В моде были сапоги – не только военные, но и светские. Так продолжалось до конца 17 века, когда появились обтягивающие ногу, трикотажные чулки и пришла мода на башмаки, чем-то напоминавшие современные мужские туфли. В 1680году в моду вошли туфли на таком высоком и тонком каблуке, что ходить на них дамы могли, только опираясь на трость.

В 17 веке, в эпоху барокко, родился образ современного каблука. На первых порах это была платформа с вырезом под сводом стопы в виде арки. Законодателем моды в то время стал французский офицер, носивший ботфорты –тяжелые высокие кожаные сапоги с обязательными наборными каблуками. Однако после Великой Французской революции высокие каблуки были надолго забыты, как символ общественного неравенство и лишь в конце 19 века высокий каблук вновь привлек внимание модельеров, но уже как символ женской привлекательности.

В 1950 г. Итальянский модельер Сальваторе Феррагамо изобрел знаменитую шпильку: в качестве опоры для каблука он предложил длинный стальной стержень – стилет.

Итак, появившись сначала как деталь в основном мужской обуви, с 16 века каблук почти полностью перешел в распоряжение женщин.

2.3. Особенности строения и физиологии стопы человека

Ноги человека образуют 26 костей, более 100 связок и 33 сустава. В скелете стопы выделяют 3 отдела: предплюсну, плюсну и пальцы.

1. Предплюсна состоит из 7 прочных костей, расположенных в 2 ряда. Задний ряд включает в себя относительно крупные пяточную и таранную кости, передний состоит из ладьевидной, кубовидной и 3 клиновидных костей. На каждой из этих костей имеются суставные поверхности для соединения с соседними костями.
2. Наиболее крупная пяточная кость сзади вытянута и утолщена, образуя пяточный бугор, который служит опорой при стоянии и местом прикрепления сухожилия мощной мышцы (ахиллово сухожилие трехглавой мышцы голени).
3. Плюсна образована 5 короткими трубчатыми костями, из которых I – наиболее толстая, а II – наиболее длинная. Каждая плюсневая кость имеет основание, опирающееся на предплюсну, головку, сочленяющуюся с основной фалангой соответствующего пальца, и трубчатое тело. На основании V плюсневой кости (со стороны мизинца) имеется бугристость, легко прощупываемая через кожу.
4. Пальцы стопы имеют по 3 фаланги, кроме I (большого) пальца, у которого фаланг две. Все фаланги, особенно средние, значительно укорочены, а на V пальце средняя фаланга часто сливается с ногтевой.

Анатомическое строение здоровой стопы

3. Практическая часть

Результаты анкетирования

Для начала мы решили провести анкетирование. В анкетировании приняли участие 30 учениц, в возрасте от 11 до 17 лет, обучающиеся 5-11 классов, а также 20 сотрудников школы, в возрасте от 30 до 60 лет. Задав вопросы анкеты, мы получили следующие результаты.

3.1. Результаты измерений высоты каблуков у учащихся 5-11 классов на день исследования:

7 учениц (учащиеся 8,9,11 классов) – 23 % от числа участников исследования – обувь на каблуке выше 5 см;

1 ученица (4%) – обувь на каблуке 2,5см;

16 учениц (53%) – обувь без каблука (балетки);

6 учениц (20%)– спортивная обувь.

3.2. Результаты измерений высоты каблуков у сотрудников школы на день исследования:

8 сотрудников (40%) – обувь на каблуке выше 5 см;

7 сотрудников (35%) – обувь на каблуке ниже 5 см;

5 сотрудников (25%) – обувь без каблука (тапочки).

3. 3. Социологический опрос

Мы провели анкетирование на выявление индивидуальных предпочтений при выборе обуви:

1. Какую высоту каблука обуви вы предпочитаете в повседневной жизни:

• обувь с каблуками 2,5 см приблизительно у 7% опрошенных;
• 37% учениц носят обувь на каблуке высотой выше 5 см;
• обувь с высотой каблука ниже 5 см приблизительно у 15% сотрудников.
• Обувь без каблуков носят 41% учащихся и сотрудников.

2. Предпочтения в выборе обуви в течение недели:

• Около 3 дней в неделю участницы носят обувь на плоской подошве;
• 2 дня в неделю школьницы предпочитают надевать обувь на каблуках;
• Всего лишь 2 дня в неделю ученицы надевают обувь на платформе.

3.С чем связан выбор обуви?

Обувь на каблуке:

• Около 22% опрошенных надевают каблуки, т.к. считают, что они подходят к стилю их одежды;
• 21% школьниц считают, что каблуки украшают девушку;
• 12% учениц признались, что носят каблуки, чтобы казаться выше ростом;
• И всего лишь 45% сказали, что надевают каблуки по настроению.

Обувь без каблука:

• 75% учениц носят обувь без каблука, объясняя это тем, что она удобнее и практичнее;
• 6% участниц считают, что обувь без каблука выглядит на ножке красиво;
• 19% опрошенных объясняют свой выбор тем, что обувь без каблука подходит к стилю одежды.

4. Как вы, думаете какова норма каблука?

• 37% опрошенных считают, что норма каблука больше или равна 5 см;
• 63% опрошенных утверждают, что норма каблука от 0 до 4 см.

К огромному сожалению, очень многие девушки знают о вреде каблуков, но считают, что красота важнее здоровья. Это одна из причин, из-за которой девушки бездумно надевают обувь либо на высоком каблуке или вообще без каблука.

Проведя анализ опроса, как и предполагалось, участницы выбирают каблук, в большинстве случаев, потому что считают, что девушка на каблуках выглядит красиво. Также в ответах встречались объяснения, что девушка на каблуках чувствует себя более уверенно, женственно.

Все же, участницы не спешат отказываться от обуви и на плоской подошве, т.к. считают, что она более удобна и практичная. Действительно, девушки ведут активный образ жизни. Им приходиться длительное время ходить пешком и в ускоренном темпе.

5. Есть ли у вас заболевания?

• 47% ответили – Да, есть, но они меня не беспокоят.
• 53% ответили, что они не знают, есть ли у них заболевания связанные со ступнями.

6. Знаете ли вы что такое ортопедическая обувь, и пользовались когда-нибудь?

• 23% опрошенных ответили: Да, мои родственники пользовались ортопедической обувью.
• 77% опрошенных ответили, что они не знают, что такое ортопедическая обувь, и для чего она нужна.
• 2 педагога ответили, что давно пользуются ортопедической обувью (возраст – 54, 60лет).

Вывод: Чем старше учащиеся, тем выше каблуки на обуви. 25% сотрудников – педагоги так же предпочитают носить модельную обувь. Участницы выбирают модельную обувь на высоком каблуке, знают о его вреде, но считают, что красота важнее здоровья, «красота требует жертв». Это одна из причин, из-за которой девушки бездумно надевают обувь на высоком каблуке.

Но 50% учениц предпочитают носить обувь без каблука (балетки), 25% сотрудников из обслуживающего персонала – носят обувь без каблука (тапочки). Участницы исследования не спешат отказываться от обуви на плоской подошве, т.к. считают, что она более удобна и практичная.

Встает вопрос: «Так зачем же мы так над собой издеваемся?». Все ради красоты и моды.

Проведение анкетирования и анализ результатов показали нам, что наша работа просто необходима, для того чтобы донести знания, которые мы получили при подготовке этой работы до тех, кто плохо понимает, что их ожидает в будущем.

Динамика и статика стопы на горизонтальной поверхности

Чтобы понять какие причины и факторы опасно влияют на здоровье вследствие длительного ношения обуви на высоком каблуке, надо обратиться к физике. Рассмотрим сначала динамику и статику стопы на горизонтальной поверхности.

Главное предназначение нашей стопы удержать массу тела и обеспечить ходьбу человека, т.е. движение в пространстве. Наша стопа имеет изогнутую форму – свод, который амортизирует наше тело во время ходьбы. В норме она имеет два свода – продольный (по внутреннему краю стопы) и поперечный (между основаниями пальцев). Продольный свод бывает внутренним и внешним. Они имеют форму арки. Оба свода стопы предназначены для удержания равновесия и предохранения организма от тряски при ходьбе. Короткие и прочные кости стопы имеют форму, точно соответствующую направлению и величине нагрузке. Стопа опирается на ровную поверхность тремя точками А, В и С: основаниями большого пальца и мизинца, а также пяткой, и представляет собой совокупность этих трех сводов. На эти своды сверху давит тяжесть всего тела, поэтому перегородки костей стопы расположены так, как располагались бы в этом случае элементы железобетонной сводчатой конструкции – под прямым углом друг к другу. При пяточной стопе вся нагрузка – вес тела – падает на задний отдел стопы; при опоре на необутую стопу большая часть нагрузки падает тоже на задний отдел.

Если рассмотреть положение тела на двух ногах босиком, то в механическом плане это выглядит абсолютно ненормальным и с этой позиции его можно считать чудом, т.к. представляет собой сооружение выдающейся нестабильности по трем причинам:

• во-первых, потому что площадь основания для контакта с опорой невелика по отношению к высоте всего сооружения;
• во-вторых, потому что верхняя часть сооружения более широкая и объемная, нежели нижняя, – как усеченная пирамида;
• в-третьих, потому что основание не врезано в опору (в землю); ни один архитектор не построил бы подобное сооружение, неминуемо обреченное упасть.

Когда архитектор конструирует высокую башню, небоскреб, он врезывает ее в землю при помощи глубокого фундамента. Такое сооружение, как человеческое тело, остается стабильным, когда вертикальная ось, проходящая через его центр тяжести, попадает в опорное основание, в виде зеленого прямоугольника, в который вписаны отпечатки стоп. Центр тяжести объемного тела – это теоретическая точка, в которой сконцентрирована вся масса этого тела. Эту точку также называют барицентром. Центр тяжести всего тела (красная точка), стоящего по стойке «смирно» располагается в области таза, примерно у второго-третьего крестцовых позвонков, т.е. на уровне 55% высоты тела. Такое расположение центра тяжести имеет огромное значение у женщин, поскольку именно в области таза вокруг этой точки происходит развитие плода, и, возможно, это оберегает его от различных потрясений.

Стоящее тело человека можно представить в виде простой двухсегментной модели: стопа — тело. Соединяет эти два звена голеностопный сустав, относительно его центра тело имеет одну степень свободы: наклон вперед, наклон назад. Опора при стоянии осуществляется на обе стопы, которые образуют площадь опоры — так называемую базу опоры.

Получается, что центр тяжести туловища оказывается намного впереди голеностопных сочленений, и все тело стремится «завалиться» вперед. В норме этому заваливанию препятствуют икроножные мышцы: при падении вперед произошло бы сгибание стоп в голеностопных сочленениях, а икроножная мышца, действуя как разгибатель стопы, препятствует падению и уравновешивает тело в положении стоя. Тело стоит тем прочнее, чем шире площадь опоры и чем ниже расположен центр тяжести. Равновесие сохраняется до тех пор, пока проекция центра тяжести располагается внутри площади опоры.

Наиболее типовые движения человека, связанные с нагрузкой стопы — ходьба. Ходьба является автоматизированным двигательным актом.

У человека двуногое передвижение, при котором опора на одну ногу циклично сменяется двуопорным периодом, а затем опорой на другую ногу. При таких условиях последовательность шага пятка – плюсна – пальцы и толчок. Наша стопа при ходьбе осуществляет адаптацию к неровностям поверхности, выступает в роли своеобразного «рычага», который передает движение выше, одновременно с этим перераспределяет энергию движения, которая поступает сверху и гасит удар при приземлении ноги. Разумеется, все эти функции соответствуют определенным действиям, из которых и складывается сам шаг.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что стопе присущи четыре основные функции:

1. Рессорная – заключается в способности сводов стопы на 80% гасить энергию удара (т.е. амортизировать), возникающего в момент касания стопы с опорой во время ходьбы, т.е. способность стопы к упругому распластыванию под действием резко изменяющихся вертикальных нагрузок. Поэтому мы передвигаемся мягко и без толчков. Это спасает суставы и кости всего тела человека, в том числе позвонки и кости черепа, от постоянной микротравматизации и связанного с ней воспаления. Этот процесс регулируется за счет того, что передняя и задняя часть стопы, являются, соединенными эластичным сухожилием, которое «работает» как пружина. Получается, что стопа для тела, как шина для автомобиля. Она обеспечивает безопасное передвижение по различным поверхностям. Если шина повреждена, то машина едет плохо, и в итоге не может быть использована, то же и с ногой.
2. Балансировочная – способность сохранять заданную позу тела во время движения или в положении стоя при любых неровностях опоры, благодаря суставам стопы смещаться во всех плоскостях.
3. Перераспределения нагрузки – способность перераспределять нагрузку, когда нога опирается на всю стопу, чтобы наиболее эффективно пройти следующий этап — отталкивание от опоры.
4. Толчковая – способность стопы сообщать ускорение общему центру массы тела при перемещении в пространстве. Толчковая функция проявляется в осуществлении заднего и переднего толчков. Кинетическая энергия, образующаяся при ходьбе, передаётся стопе в момент соприкосновения пятки с опорой, сохраняется в ней во время переката на носок и снова передаётся телу в момент отрыва стопы от опоры. Это позволяет человеку совершать дальнейшее поступательное движение в любом направлении.

Функция и структура стопы с одной стороны зависит от вышележащих элементов опорно-двигательного аппарата, а с другой стороны оказывает на них как положительное, так и негативное влияние. Получается, что многое зависит от того как мы будем эксплуатировать этот орган, от которого зависит система управления нашим стоянием и движением.

А теперь представьте, что происходит с нашими стопами, когда мы поднимаемся на высокий каблук.

Точки опоры стопы с поверхностью

Перегородки костей стопы расположены под прямым углом друг к другу

При пяточной стопе вся нагрузка падает на задний отдел стопы

При опоре на необутую стопу большая часть нагрузки падает тоже на задний отдел

Эластичные сухожилие, соединяющее переднюю и заднюю часть стопы

Динамика и статика стопы на горизонтальной поверхности

Человеческое тело стоящее ровно на двух ногах босиком, представляет собой сооружение выдающейся нестабильности

Человеческое тело, остается стабильным, когда вертикальная ось, проходящая через его центр тяжести, попадает в опорное основание, в виде зеленого прямоугольника, в который вписаны отпечатки стоп

Такое расположение центра тяжести имеет огромное значение у женщин, поскольку именно в области таза вокруг этой точки происходит развитие плода, и, возможно, это оберегает его от различных потрясений

Простая двухсегментная модель: стопа – тело.

Тело стоит тем прочнее, чем шире площадь опоры.

Динамика и статика стопы находящаяся на каблуках

Так чем же грозит высокий каблук сточки зрения динамики и статики

При ходьбе мышцы и сухожилия ног работают как рессоры: растягиваясь, они берут на себя часть нагрузки и запасают энергию для следующего шага. Расплатой за прямохождение у человека является повышенное давление на стопы ног, в особенности на свод стопы. Но если стопу поднять на высокий каблук, эти рессоры оказываются заблокированными, и стопа лишается природных возможностей: равномерно распределять вес тела на площадь опоры; амортизировать шаговый импульс; создавать носком силовое отталкивание; удерживать равновесие, стоя на одной стопе практически полностью выключены. Получается, что женскую обувь на высоких каблуках следует приравнивать к экстремальной. Так женская стопа в обуви на высоких каблуках аналогично протезу, может нести только опорную функцию. При передвижении на высоких каблуках возрастает ударная нагрузка на весь опорно-двигательный аппарат – от голеностопных суставов до верхних отделов позвоночника. Кроме, того.

1. Происходит избыточная перегрузка передней части стопы.

Происходит перераспределение веса тела. Нагрузка на ноги вырастает в несколько раз. Стопам из-за этого приходиться тяжело, примерно, в пять-шесть раз выше нормы. Так, например, в обуви с каблуком высотой в 2 сантиметра нагрузка, т.е. вес тела, распределяется равномерно между передним и задним отделами стопы, а в обуви с высоким каблуком (8–10 сантиметров) большая часть нагрузки падает на передний отдел стопы, т.е. пальцы ног и мысок испытывают перегрузку. При таких условиях последовательность шага больше не пятка – плюсна – пальцы и толчок как у босого. На высоких каблуках, небольшой вес ложится на пятку и толчок почти полностью от плюсны. Стопа превращается в гору, когда вся нагрузка стремится вниз. Известно, что каждые два сантиметра высоты каблука увеличивают примерно на 25% давление на пальцы. Давление растет с увеличением высоты каблука. Ношение 8-сантиметрового каблука увеличивает давление на пальцы стоп уже на 75%.

Если длительное время носить обувь с высоким каблуком, то эти нагрузки, которые перераспределяются, в значительной мере изменяют анатомию стопы. Стопа уплощается, а рессорная функция стопы нарушается. Пяточное сухожилие оказывается незадействованным и постепенно атрофируется. При этом нарушается и кровообращение. Это неизбежно приводит к быстрому развитию необратимых заболеваний голеностопных, коленных, тазобедренных и межпозвоночных суставов, которые в результате быстро изнашиваются.

Около 30% учащихся имеют различные нарушения формы стопы: чаще поперечное и продольное плоскостопие.

Стоит заметить, что некоторые ученицы приобрели это заболевание в результате неправильного подбора обуви. Среди них можно встретить девушек, которые злоупотребляют обувью без каблука (балетки) или модельной обувью на высоком каблуке.

Приведу наиболее яркие примеры изменений в плантограммах:

Плантограмма ученицы Н. 1 класса (7 лет)

Плантограмма ученицы Н. 7 класса (13 лет)

Деформация стопы II степени.

Ученица Н. предпочитает носить обувь без каблука (балетки).

Плантограмма ученицы В. 1 класса (7 лет)

Плантограмма ученицы В. 9 класса (15 лет)

Деформация стопы III степени.

Ученица В. предпочитает носить модельную обувь на высоком каблуке.

У педагогов выявлены такие заболевания, как артроз (заболевания суставов), варикозное расширение вен, различные степени деформации плюсне–фалангового сустава большого пальца ноги. К сожалению, эти проблемы возникают в результате долгой носки модельной обуви на высоком каблуке.

Фото ног педагога с деформацией плюсне–фалангового сустава большого пальца ноги (до операции)

Фото ног (после операции)

2. Изменение положения центра тяжести

Стоя босиком человек, если провести через него вертикальную линию, образует перпендикуляр, угол 90°. На 5-ти сантиметровых каблуках тело наклоняется и угол уменьшается до 70°, а на 8-ми сантиметровых до 55°. Так же у босой женщины, смещение таза составляет 25°, на 2,5 сантиметровых каблуках он возрастает до 30°, на 5-ти сантиметровых до 45°, на 8 сантиметровых до 60°. Таким образом, телу, чтобы восстановить и сохранить вертикальное положение, нужно произвести ряд изменений в работе суставов. Центр тяжести смещается вперед, спина для сохранения равновесия уходит назад, увеличивается поясничный изгиб, а это ведет к искривлению и усилению давления на позвоночник и возможному смещению внутренних органов. Нагрузка на нижние поясничные отделы увеличивается в разы при такой позиции таза. Эффект – будут сокращаться икроножные мышцы, а также нарушается циркуляция крови в бедре. Увеличивается напряжение мышц ног, таза и поясничного отдела позвоночника

В результате:

1. боли в икроножных мышцах при снятии каблуков;
2. нарушается механики ходьбы;
3. боли в пояснице и мышцах спины;
4. ограничение подвижности суставов;
5. постепенное утоньшение и разрушение межпозвонковых дисков;
6. воспалительные процессы пищеварительной системы, органов малого таза и позвонка;
7. нарушениям осанки, сколиоз;
8. боли коленных и тазобедренных суставов.

3. Опасность получения травмы

Когда мы ходим на высоких каблуках, то рискуем подвернуть ногу и получить травму. Наиболее распространенный случай – боковое растяжение связок. Объяснение здесь достаточно простое: площадь опоры обуви туфли с высоким каблуком значительно меньше, чем с низким, из-за этого при ходьбе труднее сохранять равновесие, ведь, согласно законам физики, предмет не опрокидывается только тогда, когда отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит внутри основания. Стоящий человек не падает только до тех пор, пока отвесная линия из центра тяжести находится внутри площадки, ограниченной краями его ступней. Поэтому так трудно стоять на одной ноге или высоких каблуках.

В результате:

1. не синяк, а перелом;
2. растяжение, вывих и даже разрыв связок лодыжки.

4. Исследования

Почему так сложно стоять на носочках?

Когда мы ходим на высоких каблуках, то получается, что мы все время находимся на носочках, при этом на нашу стопу действуют не маленькие силы. Давайте разберемся, почему стоять на пальцах стопы очень тяжело [13]. Рассчитаем силу реакции опоры (пола), силу, действующую со стороны голени на сустав в лодыжке и усилие, развиваемое в ахилловом сухожилии, когда мы стоим «на носочках». Расчеты проведем для женщины массой 75 кг. Нарисуем схему (Приложение 8).

F₁ – сила, действующая со стороны голени на сустав в лодыжке;

l ₁ – расстояние от точки касания стопой пола до сустава;

F₂ – усилие, развиваемое в ахилловом сухожилии – это прочный шнур из соединительной ткани, является продолжением икроножной мышцы и прикрепляется к пяточной кости;

l ₂ – расстояние от точки касания пола до места крепления ахиллова сухожилия;

F₃ – сила реакции опоры (пола), равная по модулю весу человека, т.е.

F3 = P = mg = 75 кг · 10 Н/кг = 750 Н

Запишем условие равновесия рычага (правило моментов):

Условие неподвижности тела в вертикальном направлении:

Решаем систему уравнений:

F₂ · 0,18 м – F₂ · 0,12 м = 90 Н · м; F₂ · 0,06 м = 90 Н · м;

F₂ = 1500 Н . F₁ = 1500 Н + 750 Н = 2250 Н.

Ответ: F₃ = 750 Н, F₂ = 1500 Н и F₁ = 2250 Н.

Из результата легко понять, почему стоять на пальцах стопы очень тяжело.

Зависимость давления на стопу от наличия каблука

Давление рассчитывали следующим образом:

• нашли площадь поверхности, на которую оказывается давление одной стопой по формуле: S₁= (В + С/2) ·S_к.
• Для этого мы с помощью карандаша обвели края подметки и каблука; посчитали число полных (В) и неполных клеток (С) и определили площадь одной клетки (S_к);
• для определения давления, оказываемого на твердую опору одной стопой, использовали формулу:

где p₁ – давление, m –масса, g – константа, равная 9,8 Н/кг, S₁ – площадь поверхности на которую оказывается давление.

• давление, оказываемое на твердую опору двумя стопами –

В результате исследования мы увидели, что чем больше площадь опоры, тем меньше давление, производимое одной и той же силой на эту опору. А также что давление, оказываемое на стопу в обуви на высокой шпильке высотой 10 см, почти в два раза превышает давление, оказываемое на стопу в обуви на маленьком каблуке высотой 2 см и сравнимо с давлением, которое оказывает гусеничный трактор на почву. По расчетам ученых при ходьбе это давление еще увеличивается более чем в два раза.

Потом мы представили, что будет, если женщина массой 70 кг случайно наступит кому -нибудь на ногу своим каблучком или своей шпилькой. Площадь, на которую при этом опирается женщина, будет равна для каблучка

S_к = 4 см 2 = 0,0004 м 2

S_ш = 1см 2 = 0,0001м 2 .

В результате измерений мы пришли к выводу, что давление, оказываемое одной шпилькой приблизительно равно давлению, которое оказывают 137 гусеничных тракторов, а давление каблука оказалось в 4 раза меньше давления шпильки на горизонтальную поверхность. Так что берегите свои ноги от чужих каблуков.

Определение идеальной высоты каблука

Все кости человека выдержаны в пропорции «золотого сечения». Пропорции различных частей нашего тела составляют число, очень близкое у «золотому сечению». Если эти пропорции совпадают с формулой «золотого сечения», то внешность или тело человека считается идеально сложенными. Деление тела точкой пупа – один из основных показателей «золотого сечения», т.е. талия, делит совершенное человеческое тело в пропорции «золотого сечения». Коэффициент идеального соотношения между ростом и длиной ног для мужчин он составляет k = 1,625, а для женщин k = 1,61. Известно, что пропорции мужчин ближе к «золотому сечению», чем пропорции у женщин. Однако женщина в обуви на каблуках может оказаться ближе к «Золотым пропорциям».

1). Вычислим идеальную и самую эстетически гармоничную высоту каблука для нескольких испытуемых согласно теории пропорциональности по следующей формуле:

где L – Ваш рост (в см); d – длина ног, измеряемая от линии талии до пола (в см); k -коэффициент, идеального соотношения между ростом и длиной ног (k = 1,61).

2). Вычислим самую физиологическую высоту каблука с точки зрения ортопедии по формуле:

где l – длина стопы (в см).

Согласно ортопедам, найденное значение высоты каблука по этой формуле, помогают ступням при ходьбе и оберегают их от усталости.

Результаты мы предоставили в виде таблиц.

В результате исследования мы убедились, что женщины, у которых значение пропорции ближе к «золотому сечению» в каблуках не нуждаются. Ну, а у тех, у кого наблюдались маленькие отклонения от идеальной пропорции, могут решить свою проблему с помощью каблуков. Знак минус означает, чтобы добиться золотой пропорции надо увеличить не нижнюю часть тела, с помощью каблуков, а верхнюю. Например, с помощью высокой прически или шляпы.

5. Заключение

В результате, проделанной работы, мы пришли к следующим выводам:

1. Врачи выступают против высоких каблуков – за то, что они деформируют ноги и наносят вред здоровью.
2. Большинство учащихся и преподаватели предпочитают каблук высотой 5 – 10 см, что с медицинской точки зрения является очень вредным не только для здоровья подростка, но и взрослой женщины.
3. Многие из тех, кто принимал участие в исследовании, осознавали, что обувь на высоких каблуках неудобна и даже травмоопасна, но отдавая дань моде, все-таки носят именно такую обувь, тем самым заведомо вредят своему здоровью.
4. Большая часть опрошенных учениц нашей школы отдают предпочтение обуви без каблуков (балеткам, кедам и кроссовкам), но этот вид обуви оказался не так уж и безвредным для здоровья.
5. Большая часть учениц начала носить обувь на каблуках в возрасте 12 – 13 лет, что, по мнению врачей-ортопедов очень опасно, так как скелет девушки окончательно формируется только к 17-18 годам. Преподаватели – с 18 – 20 годов что, по мнению врачей вполне допустимо.
6. Вред высоких каблуков с точки зрение физики объясняется избыточной перегрузкой передней части стопы, потерей рессорной функции стопы, неправильным распределением веса тела, изменением положения центра тяжести тела и уменьшением площади опоры.
7. В ходе проведения исследования я выявила очень тесную взаимосвязь влияния физических величин на здоровье человека и подтвердила свою гипотезу.

Несколько советов:

Каждый может рассчитать сам свою высоту каблука. У кого значение пропорции ближе к «золотому сечению» в каблуках не нуждаются. Ну, а у тех, у кого наблюдались маленькие отклонения от пропорции, могут решить свою проблему с помощью каблуков, прически или шляпы. Но физика рекомендует высоту каблука равную 2 сантиметрам. Чтобы не нанести вред своему здоровью необходимо соблюдать – правила.

Итак, удобная обувь должна: служить дополнительной опорой для стопы, защищать от факторов внешней среды, позволять естественно двигаться во время ходьбы, а также иметь супинатор, мягкую подошву, закругленный нос, устойчивый каблук, высота которого должна быть 2-3 см. Идеальная обувь изготовлена из натуральных материалов, соответствует размеру и конфигурации стопы, а еще она удобна, практична, универсальна и внешне эстетична.

Если вы все-таки хотите ходить на шпильках, нужно учиться! Потренироваться дома, присмотреться, как это делают модели. Выработанная таким образом походка – идеальна. Для подстраховки всегда держите поблизости любимые удобные туфли на низком каблуке или вообще без него, которые выручат в критический момент, когда ноги сильно устанут.