Mechanik und Energetik des Schwunges des menschlichen Beins

Wir haben gemessen, wie viel metabolische Energie benötigt wird, um ein menschliches Bein zu schwingen. Ein vorheriges dynamisches Modell des Gehens sagte voraus, dass steigende metabolische Kosten für das Gehen mit Schrittlänge und Schrittfrequenz gegeneinander abgewogen werden, um die optimale Schritt-Kombination bei einer gegebenen Geschwindigkeit zu bestimmen. Einfache Pendel-Dynamik deutet darauf hin, dass die Kosten für das Gehen bei hohen Schrittfrequenzen mit dem Hin- und Herfahren der Beine relativ zum Körper verbunden sein könnten, wobei die Rate ungefähr mit der vierten Potenz der Frequenz zunimmt, möglicherweise aufgrund der geringen Effizienz bei der Erzeugung von Muskelkraft über kurze Zeiträume. Ähnliche Kosten wären für das isolierte Schwingen eines Beins schneller als seine natürliche Frequenz zu erwarten. Wir konstruierten ein Gerät zur Messung der auf das Bein geleisteten Arbeit und maß die metabolischen Kosten, während menschliche Probanden (N=12) ein Bein bei Frequenzen von 0,5-1,1 Hz und fester Amplitude schwangen. Die Rate der mechanischen Arbeit variierte in diesen Frequenzen von 0,02-0,27 W kg(-1). Der Nettometabolismus für das Beinschwingen (abzüglich der Kosten für das ruhige Stehen) stieg von 0,41-2,10 W kg(-1), ungefähr mit der vierten Potenz der Frequenz (R(2)=0,92) und in proportion zu einer hypothetisierten Kosten für die Kraftproduktion über kurze Zeiträume. Die Kosten für die Erzeugung von Kraft und Arbeit könnten für den Anstieg verantwortlich sein. In einem groben Vergleich könnte das Hin- und Herbewegen der Beine bei einer typischen Schrittfrequenz von 0,9 Hz etwa ein Drittel der Nett Energie (2,8+/-0,8 W kg(-1)) verbrauchen, die für das Gehen bei 1,3 m s(-1) notwendig ist.