Главная / Статьи / Нужны ли для бега упругие стельки?

Статьи

Нужны ли для бега упругие стельки?

Спортсмены улучшают результаты за счет совершенствования техники, тренировок и нового оснащения. Для результатов, которые достигают спортсмены, имеет значение поверхность, по которой происходит бег и спортивная обувь. Чем более упругая поверхность и чем она менее податлива, тем больше организм экономит энергии. Экономия энергии объясняется действием двух факторов - поверхностью беговой дорожки и материалом обувной подошвы. Поверхность беговой дорожки способна накапливать и возвращать энергию. Обувь является составной частью спортивного снаряжения, которым пользуются атлеты во многих видах спорта. Свойства обуви, как масса, эластичность подошвы, жесткость при продольном изгибе влияют на энергетические затраты организма при беге. Для того, чтобы сухожилия и мышцы работали как пружины, они должны активно сокращаться и потреблять энергию. Независимо от вида обуви часть механической энергии накапливается и возвращается в живые структуры. Экономия энергии делает движения опорно-двигательной системы более эффективными. Легкая беговая обувь снижает инерцию во время маховых движений нижних конечностей и, т.о., снижает энергозатраты при беге. Эксперименты показывают, что вес обуви дает небольшую экономию энергии. На каждые 100 г добавленного веса на полупару энергетические затраты на бег увеличиваются в пределах 1%. Современные кроссовки имеют подошвы из пеноматериала, который смягчает удары, накапливает и возвращает механическую энергию. Энергия, запасаемая материалом подошвы и стелек, зависит от его эластичности, т.е. от сжатия, возникающего при нагрузке. Накопленная механическая энергия выражается в виде упругости. Если материал лишен упругости, то увеличиваются энергетические затраты на бег. Современные эластичные материалы, из которых сделана подошва и стельки снижают энергозатраты при беге приблизительно на 1% . Амортизация в обуви позволяет бегать с более прямыми ногами с меньшей амплитудой сгибания колена и, следовательно, затрачивать меньше мышечных усилий. У бегуна при движении по упругой поверхности мало изменяется положение общего центра масс тела, при этом уменьшается амплитуда сгибания коленного сустава в период опоры на всю стопу, что увеличивает жесткость нижних конечностей, увеличивается механическое преимущество околосуставных мышц, что снижает энергетические затраты на перенос тела над опорой. Правильно сконструированные кроссовки улучшают рычажные свойства конечностей для передачи силы, развиваемой мышцами ног, чтобы осуществить пропульсию тела вперед и вверх. Современные кроссовки сочетают в себе эластический материал подошвы, пеноматериал, либо воздушную подушку. Обувь для бега на длинные дистанции с подошвой из амортизирующей пены из термопластичного полиуретана снижает энергетические затраты на бег на 1- 2,8% по сравнению с обычной пеной, или на 1,1% по сравнению с подошвой из этиленвинилацетата.

Рис.1. Стельки из углеродного волокна

В современной обуви используются пластины из углеродного волокна, которые являются частью подошвы или делаются в виде съемных стелек. Входящий в состав стельки углепластик или карбонопластик, карбон, – это полимерный композитный материал из нитей углеродного волокна. Основная составляющая часть углепластика — это тонкие нити углеродного волокна 0,005-0,010 мм в диаметре, состоящие из атомов углерода. Нити легко сломать, но трудно порвать. Волокна переплетены между собой, из волокон сплетена ткань, которая может иметь разный рисунок. Нити запрессовываются в матрицу из эпоксидного полимера. Образуется каркас с углеродным волокном, что обеспечивает изделию его механические свойства. Плотность материала от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Структурированный углепластик имеет малую массу, высокую прочность и жёсткость. Материал прочнее стали, но легче её. Карбоновые стельки легкие и не занимают большой объем, хорошо помещаются в тонкую, плотную облегающую спортивную обувь. Углеродная пластина, которая помещена между двумя вспененными слоями стельки, увеличивает её жесткость при продольном изгибе, снижает энергозатраты при беге на 1% за счет изменения рычагов голеностопного сустава и плюснефалангового сустава стопы. Во время бега стельки обеспечивают поддержку своду стопы. Кроссовки с подошвами из эластичного материала и углеродными пластинами позволяют уменьшить затраты мышечной силы. Во время бега со скоростью 16,2 км/ч структуры стопы и ахиллово сухожилие возвращают до 35 Дж запасенной энергии. Абсолютные изменения эффективности бега при использовании стелек из углепластика малы и находятся в пределах от 0,08 до 0,17. Значимость стельки существенна для спорта, в котором успешный результат определяется десятыми долями секунды. Повышение эффективности движения в спринте на 0,36-0,63% повышает шансы атлета на победу (Gregory). По данным Hoogkamer обувь со стелькой из углепластика способна снизить энергозатраты при беге на 4% и возвратить 7,46 Дж механической энергии на каждый шаг, что обусловлено ее большей упругостью. Различия в вертикальной составляющей реакции опоры, частоте шагов и времени контакта не превышают 1%, что недостаточно, чтобы оказать влияние на энергозатраты. Hoogkamer и соавт. установили, что изменение энергетических затрат при беге с упругой стелькой аналогично изменению массы обуви. Изменение энергозатрат при беге не носит линейного характера. По мере увеличения скорости движения происходит увеличение сопротивления воздуха. При скорости бега 20,59 км/ч экономия энергии на 4% может привести к трехпроцентному увеличению скорости бега (Hoogkamer). Энергетические затраты зависят от квалификации бегуна и могут отличаться в разных группах спортсменов с разными энергозатратами в процессе нагрузки. У элитных марафонцев энергетические затраты организма могут быть относительно меньше из-за медленного поглощения кислорода по сравнению с бегунами низкого класса или практикующими соревнования на более короткие дистанции. По мнению Flores энергетическая стоимость бега не изменяется в зависимости от продольной жесткости обуви. Flores подсчитал, что увеличение отдачи энергии и жесткости индуцирует незначительные изменения в механике бега и не приводит к снижению энергетических затрат организма. Эффект карбоновой стельки по сравнению с обычной заключается в следующем: • Снижение частоты шага (Flores, Hoogkamer).
• Увеличение длины шага при беге на марафонскую дистанцию (Hoogkamer).
• Увеличение времени контакта с опорой (Flores, Hoogkamer, Beck).
• Увеличение вертикальной составляющей реакции опоры.
• Уменьшение пикового разгибательного момента голеностопного сустава.
• Уменьшение разгибания в плюснефаланговых суставах.
• Уменьшение нагрузки на голеностопный сустав (Hoogkamer).
• Упругая стелька не действует на механику тазобедренного и коленного суставов (Hoogkamer), не влияет на углы или моменты голеностопного, коленного и тазобедренного суставов, не изменяет мышечной активности ног, не оказывает значительного влияния на кинематику всего тела и работу икроножной мышцы, не уменьшает энергозатрат во время бега (Beck).

Рис.2. Вкладыш из углеволокна в обувной стельке.
Hoogkamer W, Kipp S., Frank J.H., Farina E.M., Luo G., Kram R. A Comparison of the Energetic Cost of Running in Marathon Racing Shoes.  Sports Med. 2018; 48(4): 1009–1019.

Жесткость изгиба обуви играет положительную роль в энергетике бега, если стелька не нарушает естественного движения в плюснефаланговых суставах (Oh). У упругой стельки имеется большая жесткость на изгиб, что значительно увеличивает момент рычага реакции опоры и уменьшает эффективность момента при отталкивании от опоры. Если стелька имеет длину, как вся стопа, то ее жесткость создает ограничение естественного разгибания и сгибания в плюснефаланговых суставах. В таких стельках одновременно происходит выключение из движения плюснефаланговых суставов и удлинение рычага 2 рода, который возникает при отталкивании стопы от опоры. Это вызывает увеличение нагрузки на трехглавую мышцу голени, которая делает сгибание стопы. Если стелька занимает 3/4 длины стопы, поддерживает пятку и свод стопы и не выключает из движения плюснефаланговые суставы, то она оказывает более позитивное влияние. В стельке 3/4 регистрируется уменьшение горизонтальной составляющей реакции опоры, изменение крутящих моментов в суставах нижних конечностей, незначительное увеличение моментов в голеностопном, коленном и тазобедренном суставах для поддержания устойчивого бега и не происходит существенных изменений в скорости подъема ОЦМ.
Существует мнение, что применение пластин из углеродного волокна в спортивной обуви во время соревнований по бегу обеспечивает их владельцам неоправданное преимущество перед конкурентами без таких стелек (Beck). По данному вопросу нет единого мнения. Исследования в одних случаях показывают, что жесткие пластины из углеродного волокна улучшают экономию бега на 0,812 и 1,1%, в то время как в других работах показано, что пластины из углеродного волокна не влияют на экономию бега (Beck). Углеродные пластины, улучшая экономию бега, изменяют те параметры, которые не влияют на метаболизм. Пластины из углеродного волокна повышают экономию бега за счет уменьшения моментов всех суставов ноги во время отталкивания. При этом уменьшение импульса ухудшает экономичность работы. По мнению Beck остается неясным, улучшают ли пластины из углеродного волокна экономию бега. Мышечные сокращения стимулируют расход энергии во время локомоции. Динамика движений плюснефалангового и голеностопного суставов более подвержена влиянию обуви с пластинами из углеродного волокна, чем динамика коленного и тазобедренного суставов. Причиной изменения экономности бега является изменения работы мышц подошвенных сгибателей под действием углеродных пластин. Пластины из углеродного волокна увеличивают жесткость обуви на изгиб и во время контакта с землей и смещают центр давления на стопе в переднем направлении. Это приводит к увеличению рычага между реакцией опоры и центром голеностопного сустава, росту момента голеностопного сустава, который вызван реакцией опоры. Чтобы предотвратить перегрузку голеностопного сустава, мышцы подошвенные сгибатели генерируют большую силу для того, чтобы создать равный момент, вокруг сустава во время контакта с опорой, направленный в противоположную сторону (Beck). К недостаткам углеродных стелек относится их большая жесткость, твердость и излишне острый край, который давит на внутреннюю стенку обуви. Твердая стелька врезается в подкладку обуви по всему периметру задника или в среднем отделе обуви. Край стельки может прорвать внутреннюю поверхность легких кроссовок. Пользователи упругих стелек отмечают, что в начале использования стелька кажется очень твердой и лишенной амортизации при переднем толчке, но после нескольких пробегов это ощущение уменьшается. Обычно, бегунам, пользующимся упругими стельками, рекомендуют увеличивать продолжительность нагрузки постепенно, и, по мере возможности, доводить их длительность до одного часа. Лица, занимающиеся оздоровительным бегом, не предъявляют жалоб на работу опорно-двигательной системы, вызванной стельками из углепластика.

Список литературы:
Owen N. Beck, Pawel R. Golyski, Gregory S. Sawicki. Adding carbon fiber to shoe soles may not improve running economy: a muscle-level explanation Sci Rep. 2020; 10: 17154. Nicolas Flores , Nicolas Delattre, Eric Berton, Guillaume Rao. Does an increase in energy return and/or longitudinal bending stiffness shoe features reduce the energetic cost of running? Eur J Appl Physiol. 2019 Feb; 119 (2):429-439. Robert W. Gregory, Robert S. Axtell, Marc I. Robertson, William R. Lunn. The Effects of a Carbon Fiber Shoe Insole. Athletic Performance in Collegiate Athletes Journal of Sports Science 6 (2018) 219-230 Wouter Hoogkamer, Shalaya Kipp, Jesse H. Frank, Emily M. Farina, Geng Luo, Rodger Kram. A Comparison of the Energetic Cost of Running in Marathon Racing Shoes. Sports Med. 2018; 48(4): 1009–1019. Keonyoung Oh, Sukyung Park. The bending stiffness of shoes is beneficial to running energetics if it does not disturb the natural MTP joint flexion. J Biomech. 2017 Feb 28;53:127-135.

Мицкевич Виктор Александрович
Врач ортопед-травматолог, доктор медицинских наук

Дизайн и разработка сайта:
Елена Романова, Елена Филиппова
;