Возрастные особенности мышечной деятельности при ходьбе в произвольном темпе
В возрастной физиологии труда необходимо разграничивать факторы количественного увеличения размеров и массы скелета и мышц и качественного становления физиологических процессов, используемых в приспособлении (адаптации) организма подростка к условиям труда и повседневной деятельности. В этом отношении показательным примером двигательной активности может служить такое универсальное движение, как ходьба.
Ходьба изучалась в ее развитии на исследуемых в возрастном диапазоне от 3 до 17 лет [11]. Анализировались изменения во времени биомеханических и электромиографических показателей выполнения шага. В исследованной таким образом ходьбе выступает ее общий план и последовательность составляющих элементарных актов. Отмечаются следующие части цельного цикла ходьбы: взаимодействие ноги с почвой, развитие переднего и заднего толчков, амортизация и свободный перенос ноги. Во время взаимодействия ног с почвой происходят сначала толчок ногой, находящейся позади (задний толчок), затем — ногой, находящейся впереди (передний толчок). В это время используются пассивные силы реакции, которые создают ускорение, необходимое для продвижения всего тела вперед. Во время фазы опоры движение тела вперед продолжается, причем проксимальные (находящиеся ближе к туловищу) части ноги совершают поворот вокруг центра голеностопного сустава. В момент заднего толчка создается запас потенциальной (поднятие общего центра тяжести тела) и кинетической (сообщение массам ноги скорости) энергии. В последующем движении переноса ноги происходит расходование этого запаса, причем нога движется по инерции, а мышцы находятся в расслабленном состоянии. Создание и расходование запаса энергии при движении ног можно рассматривать как проявление на периферии двигательного аппарата программирования движения и «опережающего отражения действительности» (по П. К. Анохину [1]).
При сравнении биодинамики ходьбы двух возрастных групп — детей 7—8 лет и подростков 14—15 лет — оказывается, что у детей наблюдается склонность к ходьбе в более быстром темпе: продолжительность цикла двойного шага у них меньше, чем у подростков. Однако скорость продвижения тела по направлению ходьбы у подростков выше. Более быстрое прохождение дистанции подростками, выполняющими меньшее число шагов в единицу времени, объясняется тем, что у них больше длина ног и соответственно больше длина каждого шага. Склонность к снижению частоты шагов у подростков при ходьбе в произвольном, наиболее удобном, темпе можно объяснить тем, что у них при сравнительно больших значениях массы и момента инерции ноги меньше, чем у детей, частота собственных колебаний конечности. Нервная система так регулирует свободный темп ходьбы, чтобы частота шагов, по возможности, мало отличалась от частоты собственных колебаний конечности, так как при этом условии достигается наибольшая экономия энергии при ходьбе. Аналогичное объяснение можно дать и тенденции детей к повышенной частоте шагов при свободной, произвольной, ходьбе. У них момент инерции ног меньше, чем у подростков, и соответственно частота собственных колебаний ноги и частота шагов выше. По-видимому, на характер ходьбы детей оказывает влияние также слабое развитие рефлекса на время, так как наряду с быстрым протеканием у них фазы переноса ноги наблюдается и ускоренное прохождение фазы опоры.
Установлено достоверное и закономерное уменьшение продолжительности периода биоэлектрической активности мышц при ходьбе в среднем произвольном темпе у подростков, а следовательно, и уменьшение периода нервной стимуляции мышц (рис. 33).
Рис. 33. Возрастные изменения биомеханических и электромиографических показателей ходьбы (за 100% приняты данные трехлетних детей): 1 — продолжительность залпа биотоков (икроножной мышцы), 2 — скорость ходьбы, 3 — амплитуда биотоков, 4 — кинетическая энергия
Уменьшение периода нервной стимуляции мышц и увеличение продолжительности пауз в работе мышц указывают на наличие в возрастном развитии постепенно повышающейся концентрации мышечной силы, о которой говорилось во второй главе. В данном случае концентрация мышечной силы выступает как закон возрастного развития физиологических механизмов регуляции мышечной деятельности.
На примере ходьбы видно, как программа целесообразного движения постепенно совершенствуется и уточняется на основе суммации возбуждения. Специфическая особенность регуляции движения ходьбы заключается в том, что выполняемые в каждом шаге траектории характеризуются плавностью. В них незаметно регуляции по ошибке траектории и соответствующего рыскания (небольшого отклонения попеременно в обе стороны от основного направления) звеньев конечности.
Регуляция и коррекция ходьбы происходит посредством уточнения развития скорости и ускорения различных звеньев конечности, т. е. по первым и вторым производным от траекторий. Если учесть, что ускорения сообщаются инертным объектам, какими являются звенья тела, то надо говорить как о регулирующем факторе о развиваемых мышцами напряжениях. Отсюда следует, что регуляция и коррекция движений происходят на основе сигналов о фактическом напряжении мышц и о его отличиях от запрограммированного, должного, напряжения.