Mechanika biegnących ostrzy Oscara Pistoriusa
Mechanika bieżni używanych przez południowoafrykańskiego byłego biegacza paraolimpijskiego Oscara Pistoriusa opiera się na specjalnej protezie polimerowej wzmocnionej włóknem węglowym . Pistorius ma podwójną amputację poniżej kolana i brał udział zarówno w zawodach lekkoatletycznych osób pełnosprawnych, jak i osób po amputacji T44 . Uprawnienia Pistoriusa do startowania w międzynarodowych imprezach dla osób niepełnosprawnych są sankcjonowane przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Federacji Lekkoatletycznych ( IAAF ).
Pistorius zaczął biegać w 2004 roku po kontuzji kolana w rugby, która doprowadziła do rehabilitacji w High Performance Center na Uniwersytecie w Pretorii pod okiem trenera Ampie Louw. Jego pierwsze wyścigowe ostrza zostały dopasowane przez południowoafrykańskiego protetyka Francois Vanderwatta. Ponieważ nie był w stanie znaleźć odpowiednich łopatek do biegania w Pretorii , Vanderwatt zlecił ich wykonanie lokalnemu inżynierowi z Hanger Orthopaedic Group. Te szybko się zepsuły, a Vanderwatt skierował Pistoriusa do amerykańskiego protetyka i sprintera paraolimpijskiego Briana Frasure'a, aby dopasował ostrza z włókna węglowego przez islandzkiego Firma Ossur .
Udział Pistoriusa w międzynarodowych zawodach sprinterskich osób pełnosprawnych w 2007 roku wzbudził wątpliwości co do używania przez niego łopatek do biegania, a IAAF zmieniło swoje zasady, zakazując używania „wszelkich urządzeń technicznych, które zawierają sprężyny, koła lub jakikolwiek inny element, który zapewnia użytkownikowi przewagę nad innym sportowcem, który nie korzysta z takiego urządzenia”. Po wstępnych badaniach Pistorius został uznany za niekwalifikującego się do zawodów zgodnie z tymi przepisami IAAF. Po przedstawieniu dalszych badań Sąd Arbitrażowy ( CAS ) orzekł, że nie wykazano, aby jego protezy biegowe zapewniały przewagę konkurencyjną netto nad nogami biologicznymi. W 2012 Pistorius zakwalifikował się i startował w obu Igrzyska Olimpijskie 2012 i Igrzyska Paraolimpijskie 2012 , używając swoich ostrzy do biegania, stając się pierwszym sprinterem po amputacji, który pobiegł na igrzyskach olimpijskich.
Lekkoatletyczne protezy Pistoriusa
Ostrza są protezami przez piszczelowymi , co oznacza, że zastępują nogi i stopy amputowane poniżej kolana (BK). Zostały opracowane przez inżyniera medycznego Van Phillipsa , który założył firmę Flex-Foot, Inc. w 1984 r., aw 2000 r. sprzedał firmę firmie Össur , która obecnie (w 2012 r.) produkuje ostrza. Są zaprojektowane do magazynowania energii kinetycznej jak sprężyna, umożliwiając noszącemu efektywne skakanie i bieganie.
Włókno węglowe jest w rzeczywistości polimerem wzmocnionym włóknem węglowym i jest mocnym, lekkim materiałem używanym w wielu zastosowaniach, w tym w artykułach sportowych, takich jak kije bejsbolowe, części samochodowe, kaski, żaglówki, rowery i inny sprzęt, w którym sztywność i wysoka Ważny jest stosunek wytrzymałości do masy . Polimerem stosowanym w tym sprzęcie jest zazwyczaj żywica epoksydowa , ale stosuje się również inne polimery, w zależności od zastosowania, a także inne włókna wzmacniające. W procesie produkcji ostrzy arkusze impregnowanego materiału są cięte na kwadratowe arkusze i dociskane do formy w celu uzyskania ostatecznego kształtu. Można ułożyć od 30 do 90 arkuszy, w zależności od oczekiwanej wagi sportowca, a następnie formę autoklawuje się, aby połączyć arkusze w litą płytę. Ta metoda redukuje pęcherzyki powietrza, które mogą powodować pęknięcia. Po schłodzeniu wynik jest cięty na kształt ostrzy. Gotowe ostrze jest przykręcone do gniazda z włókna węglowego, które jest ściśle dopasowane do każdej nogi Pistoriusa. Są one wykonywane na zamówienie i stanowią większość całkowitych kosztów, wraz z oceną i ustawieniem gotowych protez. Każda kończyna kosztuje od 15 do 18 000 USD.
Pistorius używa tych samych ostrzy Össur od 2004 roku. Urodził się bez strzałek i ze zdeformowanymi stopami, a jego nogi zostały amputowane mniej więcej w połowie między kolanem a kostką, aby mógł nosić protezy nóg. Nosi skarpetki i wkładki, które są widoczne nad zębodołami, aby zmniejszyć otarcia i zapobiec powstawaniu pęcherzy, a zębodoły mają z przodu paski, które można zacisnąć, aby lepiej dopasować protezę.
Pistorius używa specjalnie wykonanych kolców na ostrzach. Przed opracowaniem podkładek jego kolce zostały zmienione poprzez zszorstkowanie powierzchni i ręczne nałożenie kolców dostępnych bez recepty, ale wyniki uzyskane tą metodą były niespójne. Badania przeprowadzono w islandzkim laboratorium firmy Össur przy użyciu czułej na nacisk bieżni i filmu z szybkością 500 kl./s aby zmierzyć uderzenie ostrza, i wyprodukował podkładkę z kolcami, która zawiera podeszwę środkową z dwóch formowanych maszynowo kawałków pianki o różnych gęstościach w celu amortyzacji uderzenia, z płytką z włókna węglowego na spodzie. Twórcy przymocowali podkładkę za pomocą cementu kontaktowego, który można szybko usunąć za pomocą ciepła, gdy konieczna jest zmiana podkładki pod kolce.
Ze względu na zakrzywioną konstrukcję ostrza muszą być nieco dłuższe niż biologiczna noga i stopa biegacza. Ostrza zastępują zawias kostki elastyczną kompresją, która wygina się i uwalnia ostrze przy każdym kroku, dzięki czemu nieskompresowane ostrze pozostawia użytkownika stojącego na palcach. Są zaprojektowane tak, aby poruszać się do przodu, więc nie mają podparcia pięty z tyłu. Według Josha McHugha z Wired Magazine : „Gepardy wydają się podskakiwać z własnej woli. Nie można na nich stać w miejscu i trudno jest poruszać się powoli. Kiedy już się rozkręcą, niezwykle trudno jest kontrolować gepardy”.
Jak działają ostrza
W 2007 roku Pistorius zgłosił się do startu w zawodach lekkoatletycznych. Na początku został zaakceptowany, ale szybko pojawiły się pytania, czy ostrza dają mu nieuczciwą przewagę. Po tym, jak wstępne badania wykazały, że ostrza rzeczywiście dają przewagę, Międzynarodowe Stowarzyszenie Federacji Lekkoatletycznych (IAAF) zmieniło swoje zasady, zakazując używania urządzeń technicznych, które dają przewagę, i wykluczyło go z rywalizacji. Pistorius zakwestionował orzeczenie dodatkowymi badaniami i został przywrócony przez Sąd Arbitrażowy ds. Sportu (CAS) w 2008 r., co oznacza, że może nadal startować w zawodach osób pełnosprawnych, o ile używa sprzętu badanego w badaniach.
Wyniki Pistoriusa we wczesnych wyścigach dla osób niepełnosprawnych wzbudziły wątpliwości z powodu dwóch głównych problemów: jego wzorca prowadzenia wyścigów i czasów wymachiwania nogami. Większość sprinterów wyskakuje z bloków z najszybszym czasem i zwalnia w miarę postępu wyścigu, ale Pistorius prowadził „negatywny podział”, zaczynając powoli i zwiększając prędkość w drugiej połowie wyścigu (chociaż nie używa już tego schematu) . Jego średni czas był również krótszy w wyścigu na 400 m w porównaniu z innymi biegaczami niż na 200 m. Kontrowersje dotyczące używania ostrzy trwają, ale badania dostarczyły wielu informacji na temat ich działania w zastosowaniu i oczekuje się, że nastąpią inne badania.
Sprawni sprinterzy mają łydki i kostki, które powracają i wzmacniają energię dostarczaną przez biodra i kolana, podczas gdy Pistorius rekompensuje to dodatkową pracą, ponieważ nie ma łydek i kostek wraz z towarzyszącymi im ścięgnami i mięśniami. Analiza opublikowana przez Engineering & Technology szacuje, że używając ostrzy, Pistorius musi generować dwukrotnie większą moc z mięśni pośladkowych i mięśnia czworogłowego uda , niż zrobiłby to normalny sprinter. Inne źródła również przypisują mięśnie rdzenia brzucha i szybsze wymachiwanie ramionami. Jego trener szacuje, że około 85% jego mocy pochodzi z bioder, a reszta z kolan. Skutkuje to lekkim kołysaniem chodu, gdy Pistorius kołysze górną częścią ciała, aby zrównoważyć sprężynujące działanie ostrzy. Ostrza ściskają się pod jego ciężarem, a następnie zwalniają, gdy porusza się do przodu, zapewniając pchnięcie do przodu z końcówek, gdy wracają do swojego uformowanego kształtu. Kiedy odskakują, odchyla je lekko na bok i rzuca je do przodu, aby wykonać następny krok.
Pistorius jest zawsze powolny w rozpoczynaniu wyścigu, ponieważ elastyczne ostrza nie zapewniają wypychania z bloków. Pistorius musi rozpocząć bieg z niezręcznej pozycji, wychylić nogę na zewnątrz i wyskoczyć prosto z bloków, aby rozpocząć bieg, kiedy preferowaną metodą jest odpychanie się siłą poziomą. Przez pierwsze 30 metrów wyścigu spuszcza głowę i robi krótkie, szybkie kroki. Kiedy ustala rytm, może podnieść głowę i zwiększyć prędkość. Podczas gdy niektórzy biegacze biegają w górę iw dół, tracąc energię, Pistorius kieruje energię do przodu, wyglądając trochę, jakby toczył się na kółkach. Kompensuje również korekty kostek na zakrętach, dzieląc krzywe na krótkie, proste linie. Według jego trenera Ampie Louw, Pistorius może być w stanie wykorzystać pochylenie do wewnątrz, aby wygenerować siłę i szybciej wyjść z zakrętu.
Badania
badanie Brüggemanna
Aby odpowiedzieć na pytania dotyczące ostrzy, Pistorius został poproszony o wzięcie udziału w serii testów naukowych w listopadzie 2007 roku na Niemieckim Uniwersytecie Sportu w Kolonii z udziałem profesora biomechaniki Petera Brüggemanna i eksperta technicznego IAAF Elio Locatellego. Po dwóch dniach testów Brüggemann poinformował, że po osiągnięciu określonej prędkości Pistorius zużywał około 25% mniej energii niż zdrowi sportowcy. Badanie wykazało również, że wykazał on znaczne różnice w mechanice sprintu, ze znacznie różnymi maksymalnymi pionowymi siłami powrotu do podłoża, oraz że dodatnia praca lub zwrócona energia była prawie trzy razy większa niż w przypadku ludzkiej kostki. Utrata energii w łopatce podczas fazy podporu, gdy stopa była na ziemi, została zmierzona na 9,3%, podczas gdy w normalnym stawie skokowym wyniosła 42,4%, wykazując różnicę ponad 30%. Analiza Brüggemanna wykazała, że ostrza pozwoliły na mniejsze zużycie energii przy tej samej prędkości, a straty energii w ostrzu są znacznie mniejsze niż w przypadku ludzkiej kostki przy maksymalnej prędkości. W grudniu tego roku Brüggemann oświadczył Die Welt stwierdziła, że Pistorius „ma znaczną przewagę nad sportowcami bez protez kończyn, których testowaliśmy. Było to więcej niż kilka punktów procentowych. Nie spodziewałem się, że będzie to tak jednoznaczne”. Badanie zostało opublikowane w 2008 roku w Sports Technology , ale później badacze stwierdzili, że analiza „nie wzięła pod uwagę wystarczającej liczby zmiennych”. Komentatorzy argumentowali również, że badanie IAAF nie określiło dokładnie, czy gepardy zapewniają przewagę netto, ponieważ pomiar przewagi netto lub niekorzystnej sytuacji przyznanej sportowcowi używającemu gepardów nie jest możliwy przy obecnej wiedzy naukowej. Po drugie, badanie IAAF mogło nie mierzyć wyników Pistoriusa w porównaniu z odpowiednimi kontrolami. IAAF wykorzystało pięciu pełnosprawnych sportowców, którzy biegli na 400 metrów w czasie podobnym do Pistoriusa, jako kontrole. Jednakże, ponieważ Pistorius był stosunkowo nowy w sporcie biegowym, mógł nie trenować wystarczająco, aby zmaksymalizować swój potencjał fizyczny i osiągnąć szczytowe wyniki, kiedy przeprowadzono badanie IAAF. W marcu 2007 roku, około 9 miesięcy przed przeprowadzeniem badania IAAF, trener Pistoriusa skomentował, że Pistorius nie trenował wystarczająco, aby osiągnąć górną część ciała proporcjonalną do górnej części ciała większości elitarnych sprinterów. Aby jak najdokładniej zrozumieć, w jaki sposób protezy wpływają na wyniki Pistoriusa, należy go porównać do sportowców o podobnym potencjale fizycznym. W rezultacie badanie IAAF mogło być błędne, ponieważ porównywało Pistoriusa, który może mieć fizyczny potencjał do biegania szybciej niż jego obecne czasy, z zawodnikami u szczytu formy.
Weyand i in. badanie
W 2008 roku zespół siedmiu badaczy przeprowadził testy na Rice University , w tym Peter Weyand, Hugh Herr , Rodger Kram, Matthew Bundle i Alena Grabowski. Zespół zebrał metaboliczne i mechaniczne za pomocą kalorymetrii pośredniej i pomiary siły reakcji podłoża na wyniki Pistoriusa podczas biegu na bieżni ze stałą prędkością i na równym poziomie, i wykazały, że zużycie energii było o 3,8% niższe niż średnie wartości dla elitarnych biegaczy długodystansowych, 6,7% niższe niż dla przeciętnych biegaczy długodystansowych i 17% niższe niż dla pełnosprawnych biegaczy sprinterskich na 400 m. Przy prędkościach sprintu 8,0, 9,0 i 10,0 m/s Pistorius wytwarzał dłuższe czasy kontaktu stopy z podłożem, krótsze czasy wymachu nogą i mniejsze średnie siły pionowe niż sprawni sprinterzy. Zespół doszedł do wniosku, że bieganie na łopatkach wydaje się fizjologicznie podobne, ale mechanicznie różni się od biegania na biologicznych nogach. Badanie opublikowano kilka miesięcy później w czasopiśmie Journal of Applied Physiology . Kram stwierdził również, że „wskaźnik zużycia energii przez Pistoriusa był niższy niż u przeciętnego człowieka, ale porównywalny z innymi sportowcami wysokiego kalibru”.
Lekkość i sztywność ostrza w porównaniu z mięśniami i kośćmi może pozwolić biegaczom z ostrzami na szybsze machanie nogami niż biegacze sprawni. W komentarzach do artykułu Peter Weyand i biomechanik Matthew Bundle zauważyli, że badanie wykazało, że Pistorius przestawiał nogi o 15,7% szybciej niż większość sprinterów rekordzistów świata, co pozwoliło na wzrost prędkości sprintu o 15–30%.
Grabowskiego i in. badanie
W 2008 roku zespół badawczy, w skład którego weszli Alena Grabowski, Rodger Kram i Hugh Herr, przeprowadził dalsze badanie pojedynczych osób po amputacji z biegnącymi ostrzami, które zostało opublikowane w Biology Letters . Wydajność każdej z sześciu kończyn dotkniętych amputacją porównano z wydajnością ich nogi biologicznej. Zespół zmierzył czas wymachu nogami i siłę przyłożoną do powierzchni biegowej na bieżni szybkobieżnej w Laboratorium Biomechaniki Specjalistycznego Szpitala Ortopedycznego , a także studiował wideo biegaczy sprinterskich z igrzysk olimpijskich i paraolimpijskich. Nie stwierdzili różnicy w czasie machania nogą przy różnych prędkościach i rejestrowali czas machania nogą podobny do tego, jaki mają sprawni sprinterzy. Odkryli również, że pojedyncze płozy zmniejszały wytwarzanie siły nacisku stopy na podłoże przez testowanych biegaczy średnio o 9%. Ponieważ produkcja siły jest ogólnie uważana za najważniejszy czynnik wpływający na prędkość biegu, naukowcy doszli do wniosku, że ta redukcja siły ogranicza prędkość maksymalną sprinterów. Grabowski odkrył również, że osoby po amputacji zazwyczaj wydłużały czas wymachu nogami, aby zrekompensować brak siły.
Inna dyskusja
Trwa dyskusja na temat względnych zalet lub wad używania ostrzy. Naukowcy i analitycy zwracają również uwagę, że badania naukowe są przeprowadzane na poziomych, stacjonarnych bieżniach i nie mierzą wydajności z bloków startowych ani na rzeczywistych zakrzywionych torach. Nie uwzględniają również różnic w fizjologii między osobami po amputacji i bez amputacji, które mają takie czynniki jak muskulatura, wysokość i waga łopatki oraz różnice we wzorcach krążenia krwi wynikające z historii utraty kończyny.
Igrzyska Paraolimpijskie 2012
Igrzysk Paraolimpijskich w 2012 roku pojawiły się kontrowersje dotyczące wpływu długości ostrzy do biegania , kiedy brazylijski biegacz Alan Oliveira i biegacz z USA Blake Leeper przerzucili się na dłuższe ostrza na kilka miesięcy przed Igrzyskami Paraolimpijskimi 2012. Doprowadziło to do znacznej poprawy ich czasów działania. Pistorius skarżył się po biegu na 200 m, że ostrza sztucznie wydłużyły bieg, co byłoby naruszeniem IPC przepisów, niezależnie od tego, czy łopatki mieściły się w dopuszczalnych granicach wzrostu dla danych sportowców. Jego skargę poparli biegacze jednonożni, w tym Jerome Singleton i Jack Swift , którzy wezwali do rozdzielenia klas T43 z podwójnym ostrzem i T44 z pojedynczym ostrzem w przyszłych wydarzeniach, ponieważ biegacze z pojedynczym ostrzem nie byli w stanie dostosować wysokości protez, i musi zawsze odpowiadać długości swojej biologicznej nogi z biegnącym ostrzem. [ potrzebne źródło ]
Poprawa czasu biegu i szeroko zakrojona transmisja wyników wyścigu stanowiły publiczną demonstrację wpływu długości ostrza na osiągi. Długość kroku Pistoriusa była w rzeczywistości o 9% dłuższa (2,2 m vs 2,0 m), ale Oliveira zrobił więcej kroków (99 vs 92). Połączenie długości kroku i tempa kroku doprowadziło do wyraźnie niezwykłej wydajności przy dłuższych łopatkach. Kierownictwo Pistoriusa wydało oświadczenie, w którym stwierdził, że Pistorius ma zawsze 1,84 metra wzrostu, niezależnie od tego, jakie protezy nosi, i że decyzja o utrzymaniu tej wysokości dla jego ostrzy do biegania była kwestią uczciwości.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Film z badania ruchu Uniwersytetu Rice.
- Elena Grawbowski wykład z mechaniki łopat
- Wideo obejmuje proces produkcyjny