Эффект качелей

Редакторская колонка, опубликованная в British Journal Of Sports Medicine, посвященная карбоновым вставкам в подошве современных гоночных тапок.

Влияние конструкции средней части подошвы обуви на её беговые характеристики обсуждается со ссылкой на Nike Vaporfly 4%. Толщина подошвы описывается, как основное изменение в беговой обуви, которая способствует изменению ее характеристик. Авторы этой небольшой статьи подчеркивают роль изогнутой пластины из углеродного волокна, встроенной в среднюю часть подошвы, и вводят новый эффект в механику бега, который они назвали «эффект качания» (teeter-totter effect).

Во время контакта с землей при беге, точка приложения силы реакции смещается вперед во время второй половины контакта с поверхностью, по направлению к переднему концу изогнутой пластины из углеродного волокна. Авторы предполагают, что в этом положении сила реакции опоры создает «противодействующую» силу на пятке (по направлению вверх). Если кривизна пластины спроектирована правильно, эффект качания приведет к появлению силы во время отталкивания, которая действует в нужном месте (пятка), в нужное время (во время отрыва стопы) и с правильной частотой (в зависимости от скорости бега и времени контакта с землей, где-то между 2 и 4 Гц). Эта сила на пятке, вероятно, в значительной степени способствует повышению экономичности бега. Чтобы максимально улучшить характеристики изогнутой пластины из углеродного волокна, необходимы три основных характеристики:

Жесткость изогнутой пластины должна быть такой, чтобы результирующая сила реакции опоры перемещалась достаточно далеко вперед во время бега.
Точка поворота, вокруг которой возникает эффект качания, не должна располагаться слишком далеко впереди, позволяя подошве действовать как точка опоры.
Кривизна подошвы обуви в передней части стопы должна быть значительной, но не слишком большой, чтобы обеспечить желаемый эффект качания.

Модельные оценки величины этого колебательного эффекта были сделаны для прототипа марафонской обуви (Salomon Group, Анси, Франция). Влияние различной кривизны пластин оценивали с использованием ранее описанной динамической модели ноги. Оценки модели показали повышение производительности и сдвиг вперед точки приложения сил для изогнутой пластины из углеродного волокна. Моделирование показало увеличение силы, действующей на пятку в фазе толчка. Эта же модель ноги была использована в предварительном исследовании на Nike Vaporfly NEXT%, где было предсказано увеличение производительности на 6% по сравнению с «обычными» беговыми кроссовками. Несмотря на то, что точка приложения сил Nike Vaporfly Next% немного сдвинулась вперед, большая часть прироста в производительности была обусловлена увеличением силы, действующей на пятку во время фазы толчка. Этот прирост в 6% согласуется с результатами “полевого” испытания, проведенного командой Salomon Footwear. В частности, это исследование показало, что у обычных бегунов, в отличие от элитных марафонцев, кроссовки Nike Vaporfly NEXT% помогли сократить время бега на 6% на их привычных дистанциях. Таким образом, результаты моделирования в лаборатории (репрезентативные для бегунов среднего уровня) коррелировали с результатами полевых испытаний. Эти данные и результаты моделирования подчеркивают то, что ключевым механизмом, способствующим повышению производительности, является изогнутая пластина. Величину изгиба пластины можно модифицировать, чтобы увеличить время пробегания марафона. По сравнению с «обычной» обувью, использование изогнутой пластины должно обеспечивать более высокое давление в пятке во время фазы отталкивания.

Высокий каблук в Nike Vaporfly 4%, скорее всего, смещает результирующую силу, возникающую при контакте с поверхностью во фазы отталкивания. Это соответствует усилению эффекта качания и увеличению силы, действующей на пятку, и следовательно, более быстрому бегу. Высокий каблук также позволяет использовать более изогнутую пластину, которая усиливает эффект качания. Основываясь на расчетах, полученных на экспериментальной модели, можно сделать вывод, что изогнутая жесткая пластина и возникающий в результате эффект качания в значительной степени способствуют более быстрому бегу, который мы все видели у спортсменов, которые бегут в Nike Vaporfly 4% или любой другой обуви аналогичной конструкции. Эти модели могут толкать пятку во время отрыва стопы и, таким образом, объясняют улучшение экономичности бега на 4–6% по сравнению с обычными тапками.

Интересно, что текущие данные показывают, что, по сравнению с эффектом качания, все остальные характеристики обуви влияют на производительность лишь незначительно.