ЭНЕРГИЯ, СБЕРЕГАЕМАЯ УПРУГОСТЬЮ

Теннисный мяч, упавший на твердую поверхность, подпрыгивает много раз, но высота отскока постепенно снижается. Когда мяч ударяется о поверхность, его кинетическая энергия расходуется на упругую деформацию, а затем снова освобождается, и мяч подскакивает.

Пока он летит вверх, его кинетическая энергия переходит в потенциальную, но лишь для того, чтобы снова перейти в кинетическую при снижении. Энергия постепенно теряется из-за трения о воздух, а также внутреннего трения во время эластической деформации мяча. Однако небольшого притока энергии, такого, который лишь едва превысил бы потери от трения, достаточно, чтобы мяч продолжал подскакивать.
Есть ли здесь какое-либо сходство с локомоцией животного?' Как мы видели, много энергии уходит на ускорение и замедление движений конечностей и на перемещение центра тяжести в поле земного тяготения. Если бы какие-то упругие элементы могли действовать как пружины и запасать часть кинетической энергии, то это дало бы большую экономию.
Эластичные элементы, требующие рассмотрения, — это сухожилия и мышцы. На первый взгляд может показаться странным, что мышцы можно считать упругими телами, поскольку их главная функция — сокращаться и развивать силу. Но посмотрим на бегущего человека в тот момент, когда его нога касается земли. Если бы мышцы ног были вялыми и расслабленными, человек упал бы; очевидно, они должны сопротивляться растяжению и, следовательно, быть сокращены еще до интересующего нас момента. Кинетическая энергия тела создает силу для растяжения мышц, а они сопротивляются, что требует работы. Может ли какая-то доля кинетической энергии поглощаться упругими элементами и затем освобождаться?
Наиболее важные исследования по этому вопросу провела группа итальянских ученых в Милане, среди них Р. Маргариа и Дж. Каванья, и полученные ими результаты очень много * дали для понимания энергетики локомоции.
Изменения потенциальной и кинетической энергии во время бега и величину сил, действующих на опору, можно изучать с помощью силовой платформы — устройства в принципе очень простого. Человек или животное бежит по твердой платформе изве: стной массы, подвешенной на очень тугих пружинах, и соответствующие датчики регистрируют малейшие движения платформы в трех измерениях. Зарегистрированные движения используются затем для вычисления сил и их направления в течение всего периб-

да, когда нога соприкасается с платформой. Из этих данных можно вычислить всю механическую работу, необходимую для одного шага. Оказалось, что работа на 1 км пути не зависит от скорости бега, а общая механическая работа бегущего человека составляет около 0,4—0,5 ккал/(кг-км) (Cavagna, 1964).
Одновременное измерение потребления кислорода показывает расход метаболической энергии. Расчет коэффициента полезного действия (отношения полезной работы к затрате энергии) дает величину около 50%. Такая цифра кажется совершенно непомерной, так как все имеющиеся данные говорят о том, что к. п. д. мышц при превращении химической энергии во внешнюю механическую работу не может превышать 25%. Но это расхождение исчезает* если половина механической работы, зарегистрированной с помощью силовой платформы, совершалась за счет накопленной кинетической энергии, освобождавшейся при упругой отдаче растянутых мышц ноги. Вывод о том, что запасание энергии в форме упругой деформации играет важную роль в локомоции человека и животных, был полностью подтвержден последующими работами.
Каждый легко может сам убедиться в том, что упругая отдача существенно сберегает энергию. Попробуйте из положения стоя приседать, сильно сгибая колени; вы увидите, что подниматься гораздо легче, если выпрямлять ноги немедленно, чем если задерживаться на секунду в положении с согнутыми коленями, прежде чем снова выпрямиться. При сгибании колен мышцы-разгибатели напряжены и контролируют движение вниз. Если они начнут тотчас снова сокращаться, то поможет упругая отдача; если же позволить им расслабиться до подъема туловища, такой отдачи не будет. Но реальна ли кажущаяся разница ,в усилии?
Чтобы выяснить это объективно, можно измерять потребление кислорода. Когда упражнения со сгибанием колен выполняются на платформе, можно точно измерить работу, совершаемую при выпрямлении ног, и она окажется одинаковой при обоих упражнениях. Разницы трудно было бы и ожидать, поскольку при каждом распрямлении испытуемый поднимает одну и ту же массу (свое тело) на одну и ту же высоту, и измерения подтверждают этот вывод.
В серии опытов испытуемые совершали ровно 20 приседании в минуту, но в одном случае выпрямляясь немедленно после сгибания колен, а в другом — после полуторасекундной задержки, причем общее число приседаний в минуту оставалось одним и тем же (Thys et al., 1972). Результаты подтвердили субъективное впечатление (табл. 11.4). Когда использовалась упругая отдача, потребление кислорода снижалось на 22%. Совершаемую механическую работу измеряли на платформе, что давало^ возможность вычислить коэффициент полезного действия, который поразительным образом возрастал на 37%.
Таблица 11.4
Потребление кислорода и механический коэффициент полезного действия при приседании. В одном случае испытуемые делали короткую паузу, сидя на корточках; в другом случае использовали упругую отдачу, немедленно выпрямляясь. (Thys et al., 1972)

	Потребление кислорода, л/мин	Коэффициент полезного действия
Без отдачи	1,89	0,19
С отдачей	1,49	0,26
Разность	—22%	+37%

Другое сходное упражнение состоит в стоянии на цыпочках с выпрямленными неподвижными коленями и многократных небольших подскоках на обеих ногах. В этом упражнении эластическая энергия накапливается в сокращенных икроножных мышцах, когда они растягиваются. Таким образом, только часть положительной работы по подъему тела совершается за счет энергии химических процессов, происходящих в мышцах; другая часть производится за счет эластической энергии, запасаемой в сокращенных мышцах. Эта последняя составляет 60% всей энергии, и только 40% дают обменные процессы (Thys et al., 1975).

Тот факт, что при упражнениях и локомоции мышцы часто активно сокращаются сразу же после того, как они были растянуты внешней силой, чрезвычайно важен. Опыты на изолированных мышцах показывают, что при укорочении после растяжения мышца развивает большую силу, чем в том случае, когда при той же скорости и длине она укорачивается после изометрического сокращения. Согласно имеющимся данным, помимо эластических характеристик мышцы возможны также некоторые изменения сократительного процесса, так как во время сокращения после растяжения изменяются показатели силы и скорости (Cavagna et al., 1968; Са- vagna, Citterio, 1974).
Иной подход применен при исследовании животных. Обученная; немецкая овчарка совершала с разбега длинный прыжок на три метра через ряд барьеров. В том месте, где собака отрывалась от опоры, была установлена силовая платформа, которая давала информацию о силах, развиваемых во время прыжка, и их направлении. Нас будет интересовать здесь совместная работа икроножной и подошвенной мышц — единственных мышц, сила которых действует на голеностопный сустав (рис. 11.21) (Alexander, 1974). Эти мышцы должны развивать силу в течение всего времени соприкосновения задних лап с опорой. Из силы, действующей на платформу, с учетом отношения плеч рычага, которым служит кость у голеностопного сустава, можно вычислить общую силу, развиваемую обеими мышцами.

Рис. 11.21. Контурные изображения собаки, совершающей с разбега длинный прыжок с силовой платформы. Цифры обозначают кинокадры, снятые с частотой 56 кадров в секунду. Стрелка на каждом контуре показывает направление и величину результирующей силы для данного кадра. Точками помечены суставы, использованные при вычислении силы. Справа внизу — контур скелета задней ноги в момент отрыва, показывающий положение икроножной и подошвенной мышц. (Alexander, 1974.)


На рис. 11.22 показаны изменения силы во время приземления и при отрыве от опоры. На этом графике сила, равиваемая совместно икроножной и подошвенной мышцами, отложена против изменения длины этих мышц, вычисленного по кинокадрам, снятым во время прыжка. Числа на графике соответствуют кадрам пленки, начиная с какого-то момента после соприкосновения задних лап с платформой. Кадры 15 и 16 соответствуют периоду прироста силы по мере растяжения мышц; затем мышцы снова укорачиваются (17—20), и сила падает до нуля, когда задние ноги отрываются от платформы.
Эта запись чрезвычайно интересна. При растяжении мышц над ними совершается работа, равная силе, умноженной на расстояние. В фазу отрыва от платформы эта работа возмещается, и поскольку путь остается в точности тем же, работа (силахрасстояние) во время отдачи должна быть точно такой же, как работа, произведенная над мышцей при растяжении. Таким образом, икроножная и подошвенная мышцы с их сухожилиями вели себя как пассивные упругие тела. По степени растяжения сухожилий и их эластическим свойствам (сила известна по данным регистрации) можно вычислить, что большая часть энергии упругости, вероятно, накапливается в сухожилиях.

Рис. П.22. Сила, развиваемая совместно икроножной и подошвенной мышцами при прыжке собаки весом 35 кг, отнесенная к изменениям длины мышц. Цифры соответствуют номерам кадров, как на рис. 11.21. Сила в 1 кН равна 102 кгс; следовательно, максимальная сила приблизительно в 2 кН (кадр 16) составляет около 200 кгс. (Alexander, 1974.)


Если эти мышцы не совершают работы, то что же переносит собаку через барьеры? Только частично этот перенос можно отнести за счет энергии, накопленной во время пробега и освобождаемой при упругой отдаче. Во время соприкосновения задних ног с почвой укорачиваются и совершают работу мышцы-разгибатели, находящиеся на бедре. Масса этих мышц значительна, и они выполняют немалую долю работы при длинном прыжке (Alexander* 1974).
Кенгуру прыгают больше других животных; что мы можем узнать из этих прыжков? Когда кенгуру движутся медленно, исполь-
зуя все четыре ноги и хвост, потребление кислорода у них круто возрастает с увеличением скорости (рис. 11.23). Но при больших скоростях, когда животные прыгают только на задних ногах, при

Рис. 11.23. Записи, полученные на двух кенгуру (весом 18 и 28 кг), движущихся по тредбану. А — потребление кислорода; Б — частота шагов; В — длина шага. Левая часть каждого графика относится к движению на всех четырех ногах при участии хвоста («пятиногое движение»). Правая часть относится к прыжкам на мощных задних ногах, причем тяжелый хвост используется как балансир. Пунктирная линия на графике А — потребление кислорода млекопитающим весом 18 кг, бегущим на четырех ногах. (Dawson, Taylor, 1973.)


увеличении скорости от 8 до 22 км/ч (т. е. почти втрое) потребление кислорода больше не растет (Dawson, Taylor, 1973).
В связи с вопросом о роли эластичности интересно рассмотреть частоту прыжков у кенгуру. Несмотря на трехкратное увеличение скорости, число прыжков в минуту сильно не меняется; скорость возрастает почти исключительно благодаря удлинению каждого прыжка.
Что это значит? Если продолжительность одного прыжка не изменяется, то не должна изменяться и его высота, а только длина. Иными словами, требуется увеличение не вертикальной силы, а только вектора, направленного вперед, — для удлинения прыжка. Более длинный прыжок означает увеличение кинетической энергии, которой обладает тело животного в момент соприкосновения с землей, и если значительная часть этой кинетической энергии может быть поглощена упругими элементами, то это даст большую экономию энергии, нужной для увеличения скорости.
Измерения на силовых платформах и вычисление сил в длинном ахилловом сухожилии кенгуру говорят о том, что экономия, связанная с накоплением энергии эластичным сухожилием, достигает 40% той положительной работы, которую мышцы ног должны совершать во время соприкосновения животного с землей (Alexander, Vernon, 1975).

Еще по теме ЭНЕРГИЯ, СБЕРЕГАЕМАЯ УПРУГОСТЬЮ:

1. Энергия световой волны
2. Расход энергии на жизнедеятельность. 
3. Радиация и бюджет энергии
4. 3.5. Закон сохранения материи и энергии
5. Баланс энергии и микроклимат
6. 14. Изменение роли солнечной энергии
7. БИОМАССА И ПОТОК ЭНЕРГИИ
8. 10. Энергия жизни и ее лучи
9. Шестая динамика. Материя " пространство, энергия и время
10. Глава вторая УЧАСТИЕ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВВ ПРЕВРАЩЕНИИ ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИВ БИОСФЕРЕ
11. Сахара как источник энергии, уменьшающий потребность в животной пище
12. Ценотическая система в изменчивом окружении — меняется поток энергии через ценотическую систему
13. Механизм распространения и скорость световых волн
14. Биоэнергетическая эффективность возделывания гибридов и популяции кукурузы по технологиям различной интенсивност
15. Эффект Комптона