Чтение онлайн

Условия устойчивости можно сформулировать следующим образом: физическое тело сохраняет равновесие до тех пор, пока отвесная линия, проведённая из его центра масс, будет проходить через площадь опоры. Если же такая вертикальная линия выходит за пределы площади опоры, то равновесие нарушается и тело падает (опрокидывается).

Так называемые «падающие башни» — в Пизе, в Болонье или «падающая колокольня» в Архангельске — не падают по той же причине, что и средний цилиндр на рисунке выше, хотя нам отчётливо видно, что они наклонены. Это происходит потому, что отвесная линия из их центра масс не выходит за пределы их основания.

Равновесие может быть более устойчивым и менее устойчивым. Увеличить устойчивость можно следующими способами:

• уменьшить угол наклона тела (чем тело меньше наклонено, тем оно более устойчиво);

• увеличить площадь опоры (чем больше площадь опоры, тем больше устойчивость);

• опустить ниже центр масс (чем ниже центр масс, тем устойчивость будет выше).

Рассмотрим подробнее каждый из этих трёх вариантов.

Самое устойчивое положение будет иметь тело, у которого угол наклона (угол относительно вертикальной линии) будет равен нулю (на рисунке выше это цилиндр слева). Чем угол наклона больше, тем тело менее устойчиво.

Вам, конечно же, знакомо выражение «морская походка»: моряки обычно ходят враскачку, так, чтобы каждым шагом «захватить» больше поверхности и обеспечить себе большую устойчивость за счёт увеличения площади опоры, если придётся резко опустить ногу в момент, когда судно качнётся. Эта привычка остаётся у них и на суше.

Рассмотрим человеческое тело. Центр масс человека находится где-то в области живота. Этот центр может быть чуть ниже или чуть выше в зависимости от телосложения. Чем ниже располагается центр масс, тем человек более устойчив. Например, женщины, как правило, обладают более массивной тазовой областью по сравнению с мужчинами. Соответственно, центр тяжести у женщин расположен несколько ниже.

По этому принципу работает хорошо всем знакомая игрушка — неваляшка, она же ванька-встанька, — у которой центр масс находится так низко, что при любом наклоне линия, опущенная из центра масс, будет проецироваться на опору, и игрушка будет возвращается в вертикальное положение.

Можно привести и обратный пример. Всем известны изящные изваяния женских фигур с кувшином на голове. В этом случае центр масс смещён вверх, и чтобы в реальной жизни нести груз таким образом, приходится держать голову и туловище строго прямо, так как малейшее отклонение от вертикали чревато потерей равновесия.

Тем не менее, если спросить жителей Африки, Азии или юга Европы, где грузы традиционно принято переносить подобным образом, почему они это делают, то они ответят: «Потому что это удобно, и так меньше устаешь».

Заставьте, например, посоревноваться с африканкой тренированного солдата, за плечами которого не один марш-бросок с полной боевой выкладкой. Пусть они будут одного веса, скажем, 70 кг. Взвалите на солдата 50-килограммовый рюкзак (это 70 процентов от веса тела), а на голову африканке поставьте корзину с таким же грузом. Так вот, она не только сумеет удержать свою поклажу, но и на одинаковом с солдатом переходе израсходует сил в два раза меньше!

А теперь снизьте нагрузку до пудовой гири (16 кг). Женщина её даже не заметит! Ни пульс, ни частота дыхания у нее не изменится. Зато посмотрите на беднягу-солдата…

Описанное выше — не фантазия, а подлинные эксперименты, проведенные медиками. В чем же здесь дело? Как объяснить необыкновенную экономичность переноски тяжестей на голове? Ответ можно получить, проведя ещё один опыт. Есть такой прибор — шагомер. Его действие основано на подсчете вертикальных колебаний грузика при ходьбе. Одно колебание — один шаг. В кармане брюк или на поясе шагомер работает прекрасно. В нагрудном кармане — уже хуже, со сбоями. А если положить его в шляпу, то может и вовсе перестать «тикать». Как будто вы вовсе не идете! Дело в том, что незначительных колебаний головы при ходьбе для него мало. Он их просто не замечает.

То же и с грузом, переносимым на голове. Он почти не колеблется, так как голова человека едва поднимается и опускается. Так уж мы устроены. К тому же нагрузка сосредоточена по линии позвоночника, а не болтается где-то за спиной (вспомните солдата). А раз груз практически неподвижен, то и работы никакой не совершается. Ведь, как вы знаете, основные силы при ходьбе затрачиваются на подъем тела.

Женщины кенийского племени луо, например, способны носить груз, равный почти 70 % веса их тела. Исследования физиологов доказывают, что переноска тяжестей на голове — самая экономичная для человеческого организма. А подтверждением этому могут служить законы физики: ведь, перемещая груз с постоянной скоростью по горизонтальной поверхности, человек практически не совершает работы, кроме затрачиваемой на преодоление силы трения.

А чтобы работа совершалась, надо либо идти с ускорением, либо поднимать груз. Последний вариант имеет место при ходьбе, когда корпус человека поднимается и опускается, как мы уже говорили, примерно на 5 см. Так что основные силы затрачиваются на подъем тела и груза при каждом шаге. Оказывается, голова при этом поднимается и опускается с меньшей вертикальной амплитудой, чем все тело. Причем эта особенность вырабатывалась эволюционным путем: мозг оберегался от сотрясения, рессорой же служил пружинящий позвоночник с двойным изгибом.

Хотя безусловно, большую роль в деле переноски грузов на голове играет тренировка, и людям, не знакомым с этим способом переноса грузов, подобных экспериментов лучше на себе не ставить.

В биомеханике принято говорить о центрах масс отдельных участков тела человека и об общем центре масс. Если массу всего тела принять за 100 %, то считают, что масса головы равна 7 % от массы всего тела, туловища — 43 %, руки — 6 % (плеча — 3, предплечья — 2, кисти — 1), ноги — 19 % (бедра — 12, голени — 5, стопы — 2).

В учебных расчётах определяют сначала центры масс каждой из шести частей (две руки, две ноги, голова и туловище), а затем центр масс всего тела, который называют общим центром масс.

У стоящего в обычной позе человека общий центр масс находится в нижней части живота.

В вертикальном положении (а именно оно нам интересно с точки зрения практики Чжань чжуан) опорой человека являются стопы. При этом площадью его опоры является площадь его подошв и пространства между ними: