ทำไมคนเราถึงเดินแกว่งมือ

27 มกราคม 2557

 

        เราทุกคนจะเดินแกว่งมือสลับกับการก้าวเท้า ในลักษณะดังแสดงในรูปที่ 1 มันเป็นไปโดยอัตโนมัติ เป็นอย่างนี้มาตั้งแต่เริ่มเดินได้คล่อง ก็เลยมองข้ามถึงสาเหตุ ซึ่งต้องอธิบายโดยใช้หลักการทางฟิสิกส์

 

รูปที่ 1

(ภาพจาก http://www.smerete.com/walking-for-better-health/)

 

        ถ้าถามใคร ก็ต้องบอกว่าอวัยวะที่มีบทบาทสำคัญสำหรับการเดินก็คือขาทั้งสองข้าง ตอนเดินนั้นเรือนร่างของเราเปรียบเหมือนเป็นลูกตุ้ม (pendulum) ที่แกว่งแบบกลับหัว โดยจุดที่เท้าสัมผัสพื้นเป็นเหมือนจุดหมุน (ในการเดิน เท้าแต่ละข้างสัมผัสพื้นสลับกัน) ดังที่ทราบกันมาตั้งแต่ครั้งเรียนวิชาฟิสิกส์เบื้องต้น  การแกว่งกลับไปกลับมาของลูกตุ้มก็คือการเปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมาระหว่างพลังงานจลน์กับพลังงานศักย์ของลูกตุ้ม  (เนื่องมาจากแรงโน้มถ่วงของโลก) ในกรณีลูกตุ้มที่ห้อยลงด้านล่างตามปกติ  ตอนที่ลูกตุ้มแกว่งไปสุดทางด้านซ้ายหรือขวา จะเป็นตำแหน่งที่ลูกตุ้มมีพลังงานศักย์สูงสุด ส่วนพลังงานจลน์มีค่าเท่ากับศูนย์  แต่เมื่อลูกตุ้มแกว่งลงถึงตำแหน่งต่ำสุด พลังงานจลน์จะกลับมามีค่าสูงสุด ในขณะที่พลังงานศักย์มีค่าลดลงต่ำสุด  การเคลื่อนไหวของร่างกายตอนเดินก็เป็นคล้ายกัน  เพียงแต่เป็นลูกตุ้มกลับหัว  (สังเกตการเคลื่อนที่ของขาซ้ายในรูปที่ 1) เราเคลื่อนตัวช้าลง (พลังงานจลน์ลดลง) เมื่อจุดศูนย์กลางมวลร่างกาย (สำหรับคนที่มีรูปร่างปกติ จุดศูนย์กลางมวล หรือ จุด center of mass ของร่างกาย จะอยู่ใต้สะดือเล็กน้อย) ถูกยกสูงขึ้น (พลังงานศักย์เพิ่มขึ้น) ในตอนช่วงกลางของแต่ละก้าว  แล้วก็เปลี่ยนเป็นมีอัตราเร็วเพิ่มสูงขึ้นอีก (พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น) เมื่อจุดศูนย์กลางมวลเคลื่อนต่ำลง (พลังงานศักย์ลดลง) และเคลื่อนไปข้างหน้าตามแนวโค้งของวงกลม (ที่มีจุดที่เท้าสัมผัสพื้นเป็นจุดศูนย์กลางวงกลม)  แล้วเกิดขึ้นซ้ำเดิมอีกสำหรับก้าวถัดไป

 

        ในกรณีของลูกตุ้มที่เกือบสมบูรณ์ คือมีการสูญเสียพลังงานที่จุดหมุนและจากการเสียดสีกับอากาศโดยรอบน้อยมาก  ถ้าเรายกลูกตุ้มขึ้น แล้วปล่อย ลูกตุ้มจะแกว่งอยู่อย่างนั้นนานมาก นั่นคือการเปลี่ยนกลับไปกลับมาระหว่างพลังงานศักย์กับพลังงานจลน์เป็นไปแบบเกือบสมบูรณ์ คือมีการสูญเสียน้อยมาก เช่นเดียวกับการเดินของเรา ถ้าเราเป็นลูกตุ้มที่เกือบสมบูรณ์ เราจะเดินได้โดยแทบจะไม่เหนื่อยเลย  แต่ในความเป็นจริงนั้น เราเป็นลูกตุ้มที่มีประสิทธิภาพเพียง 65 % เท่านั้น พลังงานอีก 35 % ที่สูญหายไปร่างกายต้องไปหามาชดเชยจากอาหารที่เรากินเข้าไป

 

แล้วแขนทั้งสองข้างเข้ามาเกี่ยวอะไรด้วย

 

รูปที่ 2

(ภาพจาก http://www.cookinglight.com/healthy-living/fitness/better-fitness-walk-00400000001776/)

 

        ถ้าดูเผินๆก็เหมือนกับว่าการแกว่งแขนตอนเดินทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานไปโดยไม่จำเป็น ไม่น่าจะมีประโยชน์อะไรกับการเดิน เพราะการแกว่งแขนก็ต้องใช้กล้ามเนื้อไหล่บ้างไม่มากก็น้อย แล้วเราแกว่งแขนทำไม  มีความพยายามที่จะหาคำตอบมานานแล้ว มีความเชื่ออยู่หลายแนวเรื่องเหตุผลของการแกว่งแขน บ้างเชื่อว่าช่วยลดการเคลื่อนที่แนวดิ่งของจุดศูนย์กลางมวลซึ่งมีผลดีทำให้แรงกระทำต่อเท้าลดลง  หรือช่วยลดโมเมตัมเชิงมุมของร่างกาย ทำให้เดินได้มั่นคงขึ้น แต่ก็มีที่เชื่อไปโน่นเลยว่าเป็นพฤติกรรมที่หลงเหลือมาจากบรรพบุรุษยุคแรกเริ่มที่เป็นสัตว์เลื้อยคลานสี่เท้า ฯลฯ

 

        Steven Collins วิศวกรด้านชีวะกลศาสตร์และทีมงานที่มหาวิทยาลัยมิชิแกนในสหรัฐอเมริกาได้ออกแบบการทดลองขึ้นมาเพื่อหาคำตอบ เป็นการศึกษาจากอาสาสมัครกลุ่มหนึ่ง จำนวน 10 คน  โดยให้ทดลองเดิน 3 แบบ คือแบบเดินแกว่งแขนตามปกติ (รูปที่ 1 และ 2)  แบบเดินไม่แกว่งแขน และแบบแกว่งตรงข้ามกับปกติคือแกว่งแขนด้านและจังหวะเดียวกับขาข้างที่กำลังก้าว (ฝรั่งเรียกว่าเดินแบบ tick-tocking)  โดยให้เดินบนกระดานที่ออกแบบมาเป็นพิเศษให้มีเกจอิเล็กทรอนิกส์เพื่อวัดค่าความเครียด (strain) คือแรงที่เกิดขึ้นในแต่ละขณะในทั้งสามระนาบ พรอ้มกับวัดทอร์ค (torque) คือแรงบิดรอบแกนดิ่งของร่างกาย  ในขณะเดียวกันก็วัดปริมาณการเผาผลาญออกซิเจนของร่างกายไปด้วย

 

        จากผลการวัดปริมาณออกซิเจนแสดงว่าอาสาสมัครใช้พลังงานในการเดินแบบไม่แกว่งแขนมากกว่าเดินแบบแกว่งแขนปกติ 10 % และแบบ tick-tocking ใช้พลังงานมากกว่าแบบแกว่งแขนปกติ 26 % แต่ทำไมจึงเป็นเช่นนี้ เมื่อวิเคราะห์ประกอบกับภาพวิดีโอที่ถ่ายไว้ตลอดเวลาด้วย พบว่าการเคลื่อนที่ของขาและลำตัวไม่ต่างกัน ในขณะที่แรงที่กดลงบนกระดานก็ไม่แตกต่างกัน แต่ทอร์คที่เกิดจะมากเป็นสองเท่าในกรณีที่เดินไม่แกว่งแขน และเพิ่มขึ้นเป็นสามเท่าในกรณีของการเดินแบบ tick-tocking เมื่อเปรียบเทียบกับการเดินแบบปกติ

 

        ดังนั้นจึงพิสูจน์ได้ว่าการเดินแกว่งแขนแบบปกตินั้นเป็นการช่วยลดทอร์คที่จะต้องมีเกิดขึ้นเพื่อต้านการหมุนของร่างกาย เพราะแต่ละก้าวที่เดินไม่ใช่ทำให้ร่างกายเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเท่านั้น แต่ทำให้ร่างกายพยายามหมุนรอบแกนดิ่งของตัวเองด้วย การเดินแบบ tick-tocking เป็นการไปซ้ำเติมการหมุนให้รุนแรงขึ้น กล้ามเนื้อขาจึงต้องทำงานมากขึ้นในการที่พยายามขัดขืนการหมุนนั้น การเดินแกว่งแขนปกติจึงส่งผลดีเป็นช่วยลดทั้งพลังงานที่เราต้องใช้ในการเดิน (ประสิทธิภาพในการเดินสูงขึ้น) พร้อมกับช่วยลดแรงบิดที่เข่าของเรา ก็เป็นประโยชน์ของแขนอีกหนึ่งประการ

 

        ความรู้นี้ยังมีประโยชน์ต่อการดูแลคนป่วยที่เป็นโรคบางชนิดที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ปกติเช่นโรคพาร์กินสันส์ เป็นต้น เพราะการเคลื่อนไหวที่ผิดปกติจะส่งผลเสียต่อการทรงตัวในการเดินและทำให้สิ้นเปลืองพลังงานของร่างกาย

 

เอกสารค้นคว้าเพิ่มเติม

  1. S. H. Collins, P. G. Adamczyk and A. D. Kuo, “Dynamic Arm Swinging in Human Walking”, Proc. R. Soc. B, 2009, 1-9.

บทความย้อนหลัง

หน้ากากผ้า


ฟิสิกส์ของการผัดข้าวผัด


ภาวะโลกร้อน: มุมมองเชิงฟิสิกส์


สนามแม่เหล็กโลก – สลับขั้ว?


ไฟฟ้ากับแมลง


กราฟีน : วัสดุมหัศจรรย์ประโยชน์อนันต์


การกำจัดขยะด้วยพลาสมาร้อน


คาร์บอน-14


ดวงอาทิตย์กับกลศาสตร์ควอนตัม


กลศาสตร์ควอนตัมในชีวิตประจำวัน


การบำบัดรักษาด้วยลำอนุภาคโปรตอน (Proton Therapy)


เรื่องของหลอดไส้


เตาอบไมโครเวฟ


เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารอบตัวเราที่ชื่อว่าไวฟาย (WiFi)


ประกวดออกแบบตราสัญลักษณ์ ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์


ฟิล์มกันความร้อนติดรถยนต์


ฟิสิกส์ของรถจักรยาน


วิธีคลายร้อนให้เมือง


ทำไมคนเราถึงเดินแกว่งมือ


แอลอีดีความเข้มสูง (High Brightness LED)


บทความทั้งหมด