Mechanical energy and effective foot mass during impact loading of walking and running
Chi, K.-J., & Schmitt, D. (2005).
Journal of Biomechanics, 38(7), 1387–1395.
abst
The human heel pad is considered an important structure for attenuation of the transient force caused by heel-strike. Although the mechanical properties of heel pads are relatively well understood, the mechanical energy (Etot) absorbed by the heel pad during the impact phase has never been documented directly because data on the effective foot mass (Meff) was previously unavailable during normal forward locomotion. In this study, we use the impulse-momentum method (IMM) for calculating Meff from moving subjects. Mass-spring-damper models were developed to evaluate errors and to examine the effects of pad property, upper body mass, and effective leg spring on Meff. We simultaneously collected ground reaction forces, pad deformation, and lower limb kinematics during impact phase of barefoot walking, running, and crouched walking. The latter was included to examine the effect of knee angle on Meff. The magnitude of Meff as a percentage of body mass (M(B)) varies with knee angle at impact and significantly differs among gaits: 6.3%M(B) in walking, 5.3%M(B) in running, and 3.7%M(B) in crouched walking. Our modeling results suggested that Meff is insensitive to heel pad resilience and effective leg stiffness. At the instant prior to heel strike, Etot ranges from 0.24 to 3.99 J. The combination of video and forceplate data used in this study allows analyses of Etot and Etot as a function of heel-strike kinematics during normal locomotion. Relationship between Meff and knee angle provides insights into how changes in posture moderate impact transients at different gaits. 人間のかかとパッドは、かかとの打撃によって引き起こされる過渡的な力を減衰させるための重要な構造と見なされています。ヒールパッドの機械的特性は比較的よく理解されていますが、通常の前方移動では有効な足の質量（Meff）に関するデータが以前は利用できなかったため、衝撃段階でヒールパッドによって吸収される機械的エネルギー（Etot）が直接文書化されたことはありません。この研究では、動いている被験者からメフを計算するためにインパルス運動量法（IMM）を使用します。質量-ばね-ダンパーモデルは、エラーを評価し、パッドの特性、上半身の質量、および有効な脚のばねがメフに及ぼす影響を調べるために開発されました。裸足歩行、ランニング、しゃがみ歩行の衝撃段階で、地面反力、パッド変形、下肢の運動学を同時に収集しました。後者は、メフに対する膝の角度の影響を調べるために含まれていました。体重のパーセンテージとしてのMeffの大きさ（M（B））は、衝撃時の膝の角度によって異なり、歩行によって大きく異なります。歩行では6.3％M（B）、ランニングでは5.3％M（B）、3.7％Mです。 （B）しゃがんだ歩行。私たちのモデリング結果は、メフがヒールパッドの弾力性と効果的な脚の剛性に鈍感であることを示唆しました。ヒールストライクの直前のEtotの範囲は0.24〜3.99 Jです。この研究で使用したビデオとフォースプレートのデータの組み合わせにより、通常の移動中のヒールストライクの運動学の関数としてのEtotとEtotの分析が可能になります。 Meffと膝の角度の関係は、姿勢の変化がさまざまな歩行での過渡的な影響をどのように緩和するかについての洞察を提供します。
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