Механика бегущего лезвия Оскара Писториуса - Википедия - Mechanics of Oscar Pistoriuss running blades

Оскар Писториус работает во время 2011 Чемпионат мира по легкой атлетике в Тэгу, Южная Корея

В механика ходовых лопастей используется паралимпийским бегуном из Южной Африки Оскар Писториус зависит от специальный полимер, армированный углеродным волокном протезирование. У Писториуса вдвое ниже колена. ампутации и соревнуется как в не инвалидах, так и в T44 человек с ампутированной конечностью легкая атлетика События. Право Писториуса участвовать в международных соревнованиях без инвалидности санкционировано Международной ассоциацией легкоатлетических федераций (ИААФ ).

Писториус начал бегать в 2004 году после травмы колена в регби, которая привела к реабилитации в Университет Претории Центр высокой производительности[1] с тренером Эмпи Лоу.[2] Его первые гоночные лезвия были установлены в Южной Африке. протезист Франсуа Вандерватт. Потому что он не смог найти подходящие рабочие лезвия в Претория, Вандерватт приказал, чтобы некоторые из них были изготовлены местным инженером Hanger Orthopaedic Group. Они быстро сломались, и Вандерватт направил Писториуса к американскому протезисту и паралимпийскому спринтеру. Брайан Фразур для установки на лезвия из углеродного волокна исландский Компания Össur.[3]

Участие Писториуса в международных соревнованиях по спринту без инвалидности в 2007 году подняло вопросы об использовании им беговых лезвий, и ИААФ внесла поправки в свои правила, запретив использование «любого технического устройства, которое включает в себя пружины, колеса или любой другой элемент, который предоставляет пользователю преимущество перед другим спортсменом, не использующим такое устройство ». После первоначальных исследований Писториус был признан непригодным для участия в соревнованиях по этим правилам ИААФ.[4] После того, как были представлены дальнейшие исследования, Арбитражный суд (CAS ) постановил, что его беговые протезы не продемонстрировали явного конкурентного преимущества перед биологическими ногами.[5] В 2012 году Писториус квалифицировался и участвовал в обоих Олимпийские игры 2012 года и Паралимпийские игры 2012 года используя свои лезвия для бега, он стал первым спринтером-инвалидом, который участвовал в Олимпийских играх.[6]

Легкоатлетические протезы Писториуса

Лезвия транстибиальные протезы, то есть они заменяют ноги и ступни, ампутированные ниже колена (BK). Их разработал инженер-медик. Ван Филлипс которые основали Flex-Foot, Inc. в 1984 году, а в 2000 году продали компанию Össur который сейчас (в 2012 году) производит лезвия. Они предназначены для хранения кинетической энергии, как пружина, позволяя владельцу эффективно прыгать и бегать.[7]

Писториус носит Flex-Foot Cheetah лезвия

Углеродное волокно на самом деле полимер, армированный углеродным волокном, и представляет собой прочный и легкий материал, который используется в ряде областей применения, включая спортивные товары, такие как бейсбольные биты, автомобильные детали, шлемы, парусные лодки, велосипеды и другое оборудование, имеющее жесткость и высокую соотношение прочности и веса это важно. Полимер, используемый для этого оборудования, обычно эпоксидная смола, но также используются другие полимеры, в зависимости от области применения, и другие армирующие волокна также могут быть включены. В процессе изготовления лезвия листы пропитанного материала разрезаются на квадратные листы и прижимаются к форме для получения окончательной формы. В зависимости от ожидаемого веса спортсмена можно уложить от 30 до 90 листов, а затем форму автоклавируют для сплавления листов в сплошную пластину. Этот метод уменьшает количество пузырьков воздуха, которые могут вызвать разрывы. Когда результат остынет, ему нарезают форму лезвий. Готовое лезвие прикручено к гнезду из углеродного волокна, которое плотно прилегает к каждой ноге Писториуса. Они изготавливаются по индивидуальному заказу и составляют основную часть общей стоимости вместе с оценкой и установкой готовых протезов. Каждая конечность стоит от 15 до 18 000 долларов США.[8]

Писториус использует те же лезвия Össur с 2004 года. Он родился без фибулы и с деформированными ступнями, и его ноги были ампутированы примерно на полпути между коленом и лодыжкой, чтобы он мог носить протезы. Он носит носки и прокладки, которые видны над гнездами, чтобы уменьшить натирания и предотвратить образование волдырей, а перед гнездами есть ремни, которые можно затянуть, чтобы протез прилегал более плотно.[9]

Писториус использует на лезвиях специальные шипованные накладки. Перед разработкой подушек его шипы меняли путем шероховатости поверхности и вручную накладывали шипы, продаваемые без рецепта, но результаты с использованием этого метода были несовместимыми. Исследования проводились в исландской лаборатории Оссура с использованием чувствительной к давлению беговой дорожки и пленки при 500 кадров в секунду для измерения удара клинка и изготовил подушку с шипами, которая включает в себя межподошву из двух сформованных на машине кусков пенопласта разной плотности для смягчения ударов, с пластиной из углеродного волокна внизу. Разработчики прикрепили подушечку контактным цементом, который можно быстро удалить с помощью нагревания, когда нужно заменить подушку для шипа.[10]

Из-за изогнутой конструкции лезвия должны быть немного длиннее, чем биологическая нога и ступня бегуна. Лезвия заменяют шарнир голеностопного сустава эластичным компрессором, который сгибает и отпускает лезвие при каждом шаге, поэтому несжатое лезвие оставляет пользователя на цыпочках. Они предназначены для движения вперед, поэтому у них нет поддержки пятки сзади. По словам Джоша МакХью из Проводной журнал «Кажется, что гепарды подпрыгивают сами по себе. На них невозможно стоять на месте, и трудно двигаться медленно. Когда они начинают двигаться, гепардов очень трудно контролировать».[8]

Как работают лезвия

Писториус работает в Исландии в 2007 году.

В 2007 году Писториус подал заявку на участие в соревнованиях по беговой дорожке. Сначала его приняли, но быстро возникли вопросы о том, дают ли лезвия ему несправедливое преимущество. После того, как первоначальные исследования показали, что лезвия действительно дают преимущество, Международная ассоциация легкоатлетических федераций (ИААФ) изменила свои правила, запретив использование технических устройств, дающих преимущество, и исключила его право участвовать в соревнованиях. Писториус оспорил постановление с дополнительным исследованием и был восстановлен Спортивный арбитражный суд (CAS) в 2008 году, что означает, что он может продолжать бегать на соревнованиях без инвалидов, пока он использует оборудование, которое было изучено в исследовании.[11]

Выступление Писториуса в первых забегах без инвалидности вызывало вопросы из-за двух основных проблем: его манеры бега и времени его махов ногой. Большинство спринтеров выпрыгивают из блоков с самым быстрым временем и замедляются по ходу забега, но Писториус бежал «отрицательный спринт», медленно стартуя и наращивая скорость во второй половине забега (хотя он больше не использует эту схему) . Его среднее время также было меньше в беге на 400 метров по сравнению с другими бегунами, чем в беге на 200 метров.[12] Споры по поводу использования лезвий сохраняются, но исследование предоставило значительную информацию о том, как они работают в применении, 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 икры и лодыжек с связанными с ними сухожилиями и мышцами. Анализ, опубликованный Инженерная технология По оценкам журнала, при использовании клинков Писториус должен генерировать вдвое больше энергии из своего ягодичный и квадрицепс мышцы, которые были бы у нормального спринтера.[14] В других источниках также упоминаются основные мышцы живота и более быстрое движение рук.[15] По оценке его тренера, около 85% его силы приходится на бедра, а остальное - на колени. Это приводит к походке, которая немного шатается, поскольку Писториус раскачивает верхнюю часть тела, чтобы уравновесить пружинящее действие лезвий. Лезвия сжимаются под его весом, а затем отпускаются, когда он движется вперед, создавая толчок вперед от кончиков, когда они возвращаются к своей форме. Когда они подпрыгивают, он слегка отклоняет их в сторону и бросает вперед для следующего шага.[8]

Писториус всегда медленно начинает гонку, потому что гибкие лезвия не обеспечивают толчка из блоков. Писториус должен начать из неудобного положения, повернуть ногу наружу и выпрыгнуть из блоков, чтобы начать бег, тогда как предпочтительный метод - отталкиваться с горизонтальной силой.[16][17] Первые 30 метров забега 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, как будто он катится на колесах. Он также компенсирует коррекцию лодыжек на поворотах, превращая изгибы в короткие прямые линии. По словам его тренера Эмпи Лоу, Писториус может использовать наклон внутрь, чтобы генерировать силу и выходить из поворота быстрее.[8]

Исследование

Брюггеман исследование

Писториус в первом круге бега на 400 м на Летние Олимпийские игры 2012 года В Лондоне

Чтобы решить вопросы о лезвиях, Писториусу было предложено принять участие в серии научных испытаний в ноябре 2007 г. Немецкий спортивный университет Кёльна с профессором Биомеханика Петер Брюггеманн и технический эксперт ИААФ Элио Локателли. После двух дней испытаний Брюггеманн сообщил, что Писториус потратил примерно на 25% меньше энергии, чем спортсмены без инвалидности, когда он достиг заданной скорости. Исследование также показало, что он продемонстрировал существенные различия в механике спринта со значительно различающимися максимальными вертикальными силами отдачи от земли, и что положительная работа или возвращаемая энергия были почти в три раза выше, чем у человеческой лодыжки. Потеря энергии в лезвии во время фазы опоры, когда ступня находится на земле, составила 9,3%, в то время как в нормальном голеностопном суставе была измерена 42,4%, что показывает разницу более 30%. Анализ Брюггеманна показал, что лезвия позволяют снизить потребление энергии при той же скорости, и что потери энергии в лезвии значительно меньше, чем в лодыжке человека на максимальной скорости.[18] В декабре того же года Брюггеманн заявил Die Welt газета, что Писториус «имеет значительные преимущества перед атлетами без протезов, которые были протестированы нами. Это было больше, чем несколько процентных пунктов. Я не ожидал, что это будет так ясно».[19] Исследование было опубликовано в 2008 г. Спортивные технологии,[20] но позже исследователи заявили, что анализ «не принял во внимание достаточное количество переменных». Комментаторы также утверждали, что исследование ИААФ не позволило точно определить, дают ли гепарды чистое преимущество, потому что измерение чистого преимущества или недостатка, предоставленного спортсмену, использующему гепарды, невозможно с учетом современных научных знаний.[21] Во-вторых, исследование ИААФ могло не измерить производительность Писториуса по сравнению с соответствующими средствами контроля. ИААФ использовала пять спортсменов без инвалидности, которые бегали на 400 метров за такое же время, что и Писториус, в качестве контрольных. Однако, поскольку Писториус был относительно новичком в беге, он, возможно, недостаточно тренировался, чтобы максимизировать свой физический потенциал и достичь своих пиковых результатов, когда проводилось исследование ИААФ. В марте 2007 года, примерно за 9 месяцев до проведения исследования ИААФ, тренер Писториуса прокомментировал, что Писториус не тренировался достаточно, чтобы добиться того, чтобы верхняя часть тела была соизмерима с верхней частью тела большинства элитных спринтеров. Чтобы получить наиболее точное представление о том, как протезы влияют на работоспособность Писториуса, его следует сравнить со спортсменами с аналогичным физическим потенциалом. Следовательно, исследование ИААФ могло быть ошибочным, потому что оно сравнивало Писториуса, у которого мог быть физический потенциал, чтобы бегать быстрее, чем его нынешнее время, со спортсменами на их пике.[22]

Weyand и др. изучать

В 2008 году группа из семи исследователей провела тесты на Университет Райса, в том числе Питер Вейанд, Хью Герр, Роджер Крам, Мэтью Бандл и Алена Грабовски. Команда собрала метаболический и механические данные косвенно калориметрия и измерения силы реакции земли на производительность Pistorius во время бега на беговой дорожке с постоянной скоростью и по ровной дорожке и обнаружили, что потребление энергии было на 3,8% ниже средних значений 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 400 метров без инвалидности. При скоростях спринта 8,0, 9,0 и 10,0 м / с Писториус показал более длительное время контакта ступни с землей, более короткое время поворота ног и более низкие средние вертикальные силы, чем у здоровых спринтеров. Команда пришла к выводу, что бег на лопастях физиологически похож, но механически отличается от бега биологическими ногами. Исследование было опубликовано несколько месяцев спустя в Журнал прикладной физиологии.[23][24] Крам также заявил, что «уровень потребления энергии у Писториуса был ниже, чем у среднего человека, но сравним с другими спортсменами высокого уровня».[25]

Легкость и жесткость лезвия по сравнению с мышцами и костью может позволить бегунам по лезвию махать ногами быстрее, чем бегунам без инвалидности. В комментариях к статье Питер Вейанд и биомеханик Мэтью Бандл отметили, что исследование показало, что Писториус перемещал ноги на 15,7% быстрее, чем у большинства мировых рекордсменов, что позволило увеличить скорость спринта на 15–30%.[26]

Грабовски и др. изучать

В 2008 году исследовательская группа, в которую входили Алена Грабовски, Роджер Крам и Хью Херр, провела повторное исследование одиноких людей с ампутированными конечностями с работающими лезвиями, которое было опубликовано Письма о биологии. Работоспособность пораженной ноги каждого из шести человек с ампутированной конечностью сравнивали с показателем их биологической ноги. Команда измерила время поворота ног и силу, приложенную к беговой поверхности на высокоскоростной беговой дорожке в лаборатории биомеханики в г. специализированная ортопедическая больница, а также изучили видео спринтерских бегунов с Олимпийских и Паралимпийских игр. Они не обнаружили разницы во времени размаха ног на разных скоростях и зафиксировали время размаха ног, аналогичное показателям спринтеров без инвалидности. Они также обнаружили, что одиночные беговые лезвия снижают воздействие силы стопы на опору у испытуемых бегунов в среднем на 9%. Поскольку создание силы обычно считается наиболее важным фактором в скорости бега, исследователи пришли к выводу, что это снижение силы ограничивает максимальную скорость спринтеров. Грабовски также обнаружил, что люди с ампутированными конечностями обычно увеличивают время поворота ног, чтобы компенсировать недостаток силы.[27]

Другое обсуждение

Продолжается обсуждение относительных преимуществ или недостатков использования лезвий. Исследователи и аналитики также отмечают, что исследования проводятся на горизонтальных стационарных беговых дорожках и не измеряют производительность с исходных блоков или на реальных изогнутых дорожках. Они также не принимают во внимание различия в физиологии людей с ампутированными конечностями и без конечностей, у которых есть такие факторы, как мускулатура, высота и вес лезвия, а также различия в структуре кровообращения из-за потери конечностей в анамнезе.[28]

Паралимпийские игры 2012 г.

Споры о влиянии длины бегового лезвия возникли на Паралимпийские игры 2012 года, как бразильский бегун Алан Оливейра и бегун из США Блейк Липер сменили лезвия на более длинные за несколько месяцев до Паралимпийских игр 2012 года. Это привело к заметному сокращению времени их работы. Писториус жаловался после забега на 200 м, что лезвия искусственно увеличивали беговые шаги, что было бы нарушением МПК правил, независимо от того, были ли лезвия в пределах допустимой высоты для соответствующих спортсменов.[29] Его жалобу поддержали бегуны на одной ноге, в том числе Джером Синглтон и Джек Свифт, который призвал T43 двойное лезвие и T44 Классы одиночных лезвий будут разделены в будущих соревнованиях, поскольку бегуны с одним лезвием не могут регулировать высоту протезов и всегда должны соответствовать длине своей биологической ноги с бегущим лезвием.[нужна цитата ]

Улучшение времени бега и широкая трансляция результатов гонки предоставили 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 скорости шага привело к явно необычным результатам с более длинными лезвиями.[30] Руководство Писториуса опубликовало заявление, в котором говорилось, что рост Писториуса всегда составляет 1,84 метра, независимо от того, какие протезы он носит, и что решение сохранить эту высоту для его беговых лезвий было вопросом справедливости.[31]

Рекомендации

  1. ^ Майк Мун (2012), «Бегущий по лезвию: Оскар Писториус заставляет мир переосмыслить, что значит быть отключенным», Ридерз Дайджест Азия, заархивировано из оригинал 29 августа 2012 г., получено 29 августа 2012
  2. ^ Дэвис, Гарет А. (интервьюер) (23 мая 2007 г.), Мой спорт: Оскар Писториус, The Daily Telegraph (Лондон), получено 20 сентября 2012
  3. ^ Феликс Жилетт (10 ноября 2004 г.), «Высокий рост: паралимпиец обвиняется в незаконном поднятии ноги», Шифер, заархивировано из оригинал 12 сентября 2012 г.
  4. ^ Рыцарь, Том (10 января 2008 г.), ИААФ назвала время мечты Оскара Писториуса, The Daily Telegraph (Лондон), получено 20 сентября 2012
  5. ^ Маккей, Дункан (18 мая 2008 г.), Диак расслабился после победы Писториуса, Наблюдатель, получено 20 сентября 2012
  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
  7. ^ Погаш, Кэрол (2008-07-02), «Личный призыв к протезному изобретению», Нью-Йорк Таймс, получено 19 сентября 2012
  8. ^ а б c d МакХью, Джош (март 2007 г.), Бегущий по лезвию, Журнал Wired, получено 19 сентября 2012
  9. ^ Лестер, Джон (4 августа 2012 г.), Колонка: Писториус революционизирует олимпийские представления, получено 22 августа 2012
  10. ^ Уилсон, Марк, Как Nike сделала гусеничные шипы для лезвий из углеродного волокна Оскара Писториуса, получено 19 сентября 2012
  11. ^ Бык, Энди (28 августа 2012 г.), Паралимпийские игры 2012: Оскар Писториус показывает, чего могут достичь паралимпийцы, Хранитель, получено 22 сентября 2012
  12. ^ Эпштейн, Дэвид (4 августа 2012 г.), Справедливо или нечестно? Эксперты разделились во мнениях, есть ли у Писториуса преимущество, получено 19 сентября 2012
  13. ^ Лион, Кейт (3 сентября 2012 г.), Поражение Писториуса Оливейре подогревает споры о `` революционных технологиях '', получено 22 сентября 2012
  14. ^ Лондонские Паралимпийские игры 2012, лезвия Оскара Писториуса - аннотированная графика, Инженерная технология, получено 19 сентября 2012
  15. ^ Наука олимпиады: как работают лезвия Оскара Писториуса, NBC, получено 19 сентября 2012
  16. ^ Борден, Сэм (5 августа 2012 г.), «Писториус упускает шанс на финал, но остается оптимистом», Нью-Йорк Таймс, получено 19 сентября 2012
  17. ^ Симпсон, Джейк (8 августа 2012 г.), `` Нет преимущества перед тем, чтобы быть инвалидом '': защита протезов Оскара Писториуса, Атлантический океан, получено 19 сентября 2012
  18. ^ Оскар Писториус - Независимое научное исследование пришло к выводу, что протезирование гепарда дает явные механические преимущества, ИААФ, 14 января 2008 г., получено 19 сентября 2012
  19. ^ «Отчет: Искусственные конечности дают конкурентное преимущество паралимпийскому чемпиону», International Herald Tribune, 20 декабря 2007 г.
  20. ^ Брюггеманн, Герт-Петер; Арампацис, Адамантиос; Эмрих, Франк; Поттхаст, Вольфганг (2008), Биомеханика двойного транстибиального спринтерского бега с ампутированными конечностями с использованием специализированных спринтерских протезов (PDF), получено 3 октября 2012[постоянная мертвая ссылка ]
  21. ^ Джонатан Клейтон (15 января 2008 г.), «Оскар Писториус клянется бороться с запретом на Олимпиаду», Времена, Лондон
  22. ^ Зеттлер, Патрисия Дж. «Использование гепардов - обман? Значение технологически инновационных протезов для спортивных ценностей и правил». Журнал международного права Бостонского университета 27 (2009).
  23. ^ Эвелет, Роза (23 июля 2012 г.), Имеет ли Оскар Писториус с двумя ампутированными конечностями несправедливое преимущество на Олимпийских играх 2012 года?, Смитсоновский журнал, получено 19 сентября 2012
  24. ^ Weyand, Peter G .; Связка, Мэтью У .; McGowan, Craig P .; Грабовская, Алена; Браун, Мэри Бет; Крам, Роджер; Герр, Хью (17 февраля 2009 г.), Самый быстрый бегун на протезах: разные конечности, схожая функция?, Журнал прикладной физиологии, получено 19 сентября 2012
  25. ^ Брайен, Уитни (11 июля 2012 г.), Исследователи CU-Boulder помогают Оскару Писториусу стать первым инвалидом, участвующим в Олимпийских играх: исследования показывают, что его протезы не являются преимуществом, получено 19 сентября 2012
  26. ^ Гашиш, Рами (10 августа 2012 г.), Протезы ног Оскара Писториуса: дают ли они ему преимущество перед другими олимпийскими бегунами?, Huffington Post, получено 19 сентября 2012
  27. ^ Грабовский1, Алена М .; McGowan, Craig P .; Макдермотт, Уильям Дж .; Бил, Мэтью Т .; Крам, Роджер; Герр, Хью М. (4 сентября 2009 г.), Специальные протезы для бега ограничивают силу земли во время спринта., Письма о биологии, получено 19 сентября 2012
  28. ^ Роузуотер, Эми (4 августа 2012 г.), Американский бегун по лезвию: Джаррид Уоллес, заархивировано из оригинал 6 августа 2012 г., получено 22 сентября 2012
  29. ^ Харт, Саймон (3 сентября 2012 г.). «Споры вокруг лезвия Оскара Писториуса: кислый виноград или право Южной Африки жаловаться на лезвия Алана Оливейры?». Телеграф. Получено 20 сентября 2012.
  30. ^ Такер, Росс (сентябрь 2012 г.). «Писториус против Оливейры и Технолоджи. Три быстрых мысли о 4-м раунде». Архивировано из оригинал 20 сентября 2012 г.. Получено 20 сентября 2012.
  31. ^ Лестер, Джон (5 сентября 2012 г.). "Колонка: Историк Писториус тоже лицемер?". Ассошиэйтед Пресс. Архивировано из оригинал 12 января 2013 г.. Получено 20 сентября 2012.

внешняя ссылка