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走路用腿走啊,甩胳膊有啥用吗?

2021-09-28  lindan9997

果壳2021-09-26


摆臂本身费力,却能让人走路更省力。

坐在街边,常能看到背着手慢慢踱步的大爷、用力甩着胳膊快走的大妈,不过更多见的走路姿势是随着迈步轻轻前后摆动手臂。

走路的时候,直接推动身体向前的是腿脚,可多数人还是会自然而然地甩起胳膊。那么,步行时摆臂是为了什么,又是怎么摆起来的呢?

用手摆动模型小人的腿,它的胳膊会自动跟着甩,我们走路也是这样吗?| 参考文献[1]

摆臂省力,除非猛甩或顺拐

关于摆臂的用途,可能的解释包括减少能量消耗及增加身体稳定性等等,甚至有研究者认为这只是四足行走的进化遗物,根本没用。现在科学家们还没有把所有机制理清,不过观点一致的是,走路时自然摆臂比较省力。

一项研究对比了7种不同摆臂方式下走路的能量消耗,其中包括自然摆臂、大爷的不摆臂、大妈的用力甩以及顺拐(同手同脚)[2]。

各种步行摆臂方式(自上向下):自然摆臂;手臂被固定在身体上;手臂前摆到与肩同高;顺拐 | 参考文献[2]

结果显示,以每小时4.5公里的速度步行时,相对于自然摆臂,顺拐或很用力甩手的姿势明显更费力,能量消耗分别增加了15.3%和17.5%。不摆臂的走路姿势也更费力,刻意让手臂垂在身体两侧比自然摆臂多消耗12%的能量

看到这些数据,就知道想省力和想增加能耗时分别该怎么摆臂了吧(不要打顺拐的主意)。

步行相同距离,不同摆臂方式下的能量消耗对比(以耗氧量衡量)| 参考文献[2]

如果比较大爷和大妈走路姿势的能量消耗,在速度相同的条件下,结果主要取决于大妈甩手有多用力。摆臂幅度比自然走路稍大的话,大妈走路更省力,但把手甩到与肩同高时反而比大爷的姿势费力。

除了节能之外,摆臂的其他作用目前还不十分明确。在平稳步行的状态下,有研究认为手臂摆动有助于维持身体侧向稳定性以及头部稳定,也有研究认为没有作用,甚至有负面影响。不过,多数研究者认为,因磕绊等失去平衡时,摆动手臂有助于身体重新恢复稳定[1, 3]。

图 | giphy

胳膊抵消腿旋转,为下肢省劲

摆臂本身会消耗一定的能量,走路的全身总能耗却可能因此降低,这是因为手臂为下肢节省了更多能量[4]。

人走路不摆臂的时候,脚蹬地面的方向并不指向正前方,而是存在一定的旋转。比如右脚向前迈步时,从头顶向脚下看,身体有一个逆时针方向的角动量,下一步迈左脚时角动量变为顺时针。这个由逆时针至顺时针的方向改变,需要人消耗能量蹬地产生。

而自然摆臂会在前迈右脚时产生顺时针的角动量,几乎可以抵消下肢在这个平面上的角动量,也就减少了迈步所需要的能量关于角动量与步行的更多内容)。

右脚前迈时,下肢存在逆时针角动量,摆臂提供顺时针角动量将其基本抵消 | 参考文献[4]

抵消下肢角动量是摆臂让走路省力的最主要原因,其他机制如减少身体质心上下移动等可能也有一定作用。

另外,很少的能量就足以维持步行中的手臂自然摆动,活动肩部和肘部所需的力只有腿部关节的百分之几[5]。这时,摆臂为下肢节省的能量明显大于摆臂本身的成本,从全身总能量消耗来看,自然摆臂比不摆臂省力。

但如果太用力甩胳膊,让其能量成本超过了为下肢节省的能量,摆臂反而比不摆更费力。至于顺拐,这时手臂摆动产生的角动量与下肢方向相同,因此让下肢蹬地更加费力,比不摆臂走路消耗能量更多[2]。

不同摆臂方式下的全身、手臂及下肢角动量对比 | 参考文献[2] 

即使不用力,胳膊也会自动甩

这样看,走路摆臂确实是可以省力的,接下来回到第一张图片的问题,人的胳膊是随着迈腿自动甩的,还是被肩部肌肉收缩拉动的?

近两百年来,科学家一直在研究摆臂是被动还是主动的。最初,研究者记录了步行中身体各部位的运动,分析后认为手臂摆动只是胸肩运动、重力和惯性的结果,完全是被动的,就像文章开头那个模型小人。

近期一项研究将人手臂绑在身上,肩上连接可以自由摆动的“假臂”,发现“假臂”也会随着迈腿前后摆动(左图为摆动的硬木棍,中图为软绳子,右图示肩连接处)| 参考文献[5]

一百年后,有研究者重新分析了之前记录的数据,认为作用在肩关节上的力不止有躯干带动和手臂重力,还有其他力参与了摆臂,比如肌肉收缩、肌腱或韧带等结构的牵拉。

几十年后,人们通过肌电图检查发现,步行时控制手臂的肩背肌肉确实在用力,支持了摆臂存在主动成分这个想法。之后研究者建立的模型也显示,虽然没有肌肉活动时手臂也可以摆动,但会出现令人不舒服的急速运动,不像人自然摆臂时那么平顺[3, 4]。

到现在,步行时手臂摆动的机制仍没有得到确切解释,多数研究者认为,摆臂很大程度上是被动的,只有一小部分来自肌肉收缩,这种主动控制可能帮助调整摆臂幅度、保持平顺和四肢配合默契[6]。

看完这些再站起来走几步,仔细去体会胳膊与腿的配合,你大概能感觉到……不会走路了。步行时四肢的运动及其配合非常精巧,但过程主要由脊髓中的神经元网络自动控制,而不是大脑皮层。不用集中注意力控制动作,我们的身体自己就可以协调好上下肢,找到最省力的步调。

忘记怎么走路了?别急,想点别的事,身体会带你好好走丨giphy

参考文献

[1] Pontzer H, Holloway JH 4th, Raichlen DA, Lieberman DE. Control and function of arm swing in human walking and running. J Exp Biol. 2009;212(Pt 4):523-534.

[2] de Graaf ML, Hubert J, Houdijk H, Bruijn SM. Influence of arm swing on cost of transport during walking. Biol Open. 2019;8(6):bio039263.

[3] Meyns P, Bruijn SM, Duysens J. The how and why of arm swing during human walking. Gait Posture. 2013;38(4):555-562.

[4] Park J. Synthesis of natural arm swing motion in human bipedal walking. J Biomech. 2008;41(7):1417-1426.

[5] Collins SH, Adamczyk PG, Kuo AD. Dynamic arm swinging in human walking. Proc Biol Sci. 2009;276(1673):3679-3688.

[6] Goudriaan M, Jonkers I, van Dieen JH, Bruijn SM. Arm swing in human walking: what is their drive? Gait Posture. 2014;40(2):321-6.

本文来自微信公众号 “果壳”(ID:Guokr42),作者:代天医,编辑:odette,36氪经授权发布。

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