Кинематика позы

Материал из BrainstormWiki
Перейти к: навигация, поиск

Центр давления, центр масс, центр гравитации

В механическом смысле чтобы не упасть нужно "просто" держать центр масс над опорой.

CoP.jpg

Здесь важно различать следующие понятия

  • Центр масс CoM у нас находится несколько выше пупка - но его положение меняется, например, при изменении положения рук и позы вообще, если в руках этих есть груз и так далее. В некоторых особенно выгнутых позах он может быть вообще вне пределов тела
  • Центр гравитации - Center of Gravity, CoG - не самый удачный термин, прижившийся в литературе, означает проекцию центра масс на опору (в спокойной позе вертикальную, но при движении в виражах/поворотах надо учитывать инерциальные силы)
Для компенсации движения CoM вправо оранжевая точка CoP должна сместиться правее красной CoG. Это создаст момент сил, способный остановить движение высокорасположенной массы тела
  • Центр давления CoP в спокойной позе находится между ног, точнее, каждая из подошв создает свою, и разную силу давления на поверхность, но можно вывести и суммарную точку, отражающую точку приложения эффективного вектора реакции опоры. Это делают в большинстве экспериментов используя Force plate

Центр давления для хоть сколько-нибудь динамической позы не совпадает с центром гравитации - см. подпись под рисунком.

Однако в статической позе мы стремимся удерживать и CoG и CoP практически по центру опоры, c минимальными отклонениями, которые называются Postural Sway

Любое отклонение должно быть скомпенсировано и постоянные компенсации — это и есть равновесие. Если Центр гравитации выйдет за пределы опоры - компенсация неуспешна, тело упадет. И никакая стабилизация головы не спасет.

Отметим, что примерно 80% литературы по теме не делает разницы между CoP и CoG, что является ошибкой, и иногда ошибкой критичной, влияющей на выводы. см. Winter: Human Balance and posture control during standing and walking 1995

Компенсации

Самая простая из них — изменение напряжений в тонусе ног/стоп, что изменит и силу давления, а значит и центр давления. Центр давления должен опередить проекцию центра масс в его движении, и тогда возникающий момент остановит центр масс. Все остальное тело при этом может быть прямым.

Это самая простая модель обратного маятника.

Inverted pendulum.jpg

Можно (относительно резко) двигать тазом, сильно перемещая фактически центр масс; такую модель называют двойным обратным маятником.

Hips.jpg

Но главная и самая надежная стратегия, позволяющая восстановить равновесие, особенно в ситуации с двигающимся центром тяжести - перешагивание. Отставив ногу мы можем резко изменить площадь опоры в нужном направлении, приведя центр масс в положение над ней. В этом смысле баланс неразрывно связан с локомоцией.

Stepping.jpg

Но возможны и другие — например, балансируя на канате, или просто расположив подошвы друг за другом (тандемом, как такую стойку называют) — человек как правило расставит руки в стороны и будет использовать движения рук для баланса. Хотя это все более -менее делают, анализ такой стратегии в литературе встречается редко.


Центр давления можно измерять практически напрямую, на так называемой force plate. Лучше на двух - по одной под каждую ногу, но так делают редко.

Дальнейшие соображения

Помимо того, что центр масс - точка переменная, в этой задаче есть еще несколько важных особенностей:

  • Линия, соединяющая центр масс и центр гравитации, далеко не всегда вертикальная. При выполнении поворотов она наклонена внутрь поворота (но в рамках системы отсчета, связанной с двигающимся человеком — все то же самое)
  • Если центр масс движется с заметной скоростью, то никакое усилие со стороны ног может не смочь его остановить, иногда даже серией шагов. В этом случае даже если в моменте центр гравитации находится точно посередине опоры - тело находится не в равновесии, и потребуется шаг, серия шагов или падение. Собственно, при ходьбе центр гравитации почти никогда не находится в пределах опоры - и это нормально
  • Человек на самом деле не обратный маятник, а гибкая напряженная сочлененная во многих местах (позвонки) структура, и модель маятника на одном-двух шарнирах работает лишь как первое приближение. Люди, понимающие эту модель слишком буквально, начинают считать, что и основное место проприоцептивной чувствительности там в "шарнире" - т.е. в голеностопах. Это ровно то место, где эта модель неверна.
  • С четвероногими животными можно вообще построить эксперимент, разрушающий все эти маятники: вот например, Орловский и коллеги ставит кота на две качающиеся в противофазе платформы. Здесь центр масс и центр гравитации никуда не двигаются, но позные реакции необходимы и нормально отрабатываются

Shoulderhipdissociation.jpg