«В то время любой анатом сказал бы вам, что сухожилие нерастяжимо, что сухожилие не обладает эластичностью, – вспоминает он. – Но мы пришли к выводу, который тогда показался нам совершенно потрясающим».
Когда рассчитанную силу приложили к сухожилию Счастливчика, оно растянулось на целых 3 см. Впоследствии Александер убедительно продемонстрировал на примере довольно экзотического набора других животных (в их число вошли разные виды кенгуру и верблюд), что «пружинами» ноги млекопитающего являются не мышцы, как многие предполагали, а сухожилия.
Александер заключил, что особенно существенную роль играет при этом ахиллесово сухожилие: на его долю приходится около 35 % энергии, которую мы используем при беге. Изучая ампутированные ступни человека (результат операций, которым подверглись страдающие некоторыми болезнями периферийных сосудов) и нижние части ног верблюдов, Александер вскоре выявил еще одну природную пружину: она располагалась в своде стопы и, по его расчетам, обеспечивала еще 17 % энергии, необходимой ноге для каждого бегового шага. Вместе эти два сухожилия-пружины дают примерно половину той энергии, которую мы во время бега используем при каждом шаге. Так Александер разгадал тайну, с которой некогда столкнулся Каванья.
Позже ученые выяснили, что при сокращении мышца служит чем-то вроде стенки-упора, перенаправляющей энергию, которую поглощают сухожилия в тот момент, когда нога ударяется о землю, обратно вниз, тем самым заставляя сухожилия растягиваться подобно резинкам, накапливая потенциальную энергию. Чем жестче при этом мышца, тем сильнее растягивается сухожилие и тем больше количество запасаемой энергии.
Молодой гарвардский аспирант Норм Хеглунд расширил сферу этих исследований, обратившись к более крупным и менее кротким животным. Вскоре после того, как вышла статья Александера о кенгуру, оказавшая немалое влияние на ученый мир, Хеглунду поручили незавидное задание – колошматить палкой по крышке кастрюли и орать во все горло, чтобы напугать, улестить и убедить целый ковчег довольно здоровенных тварей, заставив их носиться взад-вперед по коридору, проходящему по подвалу при лаборатории Каваньи в Миланском университете. Наблюдая за этим с безопасного расстояния, группа более почтенных исследователей записывала результаты забегов при помощи видеокамер и пластин, чувствительных к нагрузке. Среди подопытных животных Хеглунда были два медвежьих макака[7], дикая индейка, долгоног, пара собак, баран весом около 185 фунтов [84 кг] и кенгуру.
«Хуже всего дело обстояло с мартышками, – вспоминал Хеглунд много лет спустя, – потому что они очень смышленые. Уставая от бесконечных повторений одного и того же эксперимента, они начинали вопить и повсюду носиться, делая всё что угодно, только не то, чего вы от них хотите. Потом они принимались гадить себе в ладони и метать в вас своими экскрементами. Наконец они просто физически атаковали вас. В ход шли зубы, ногти и всё прочее».
В итоге Хеглунд, Каванья и Чарльз Ричард Тейлор, гарвардский биолог, руководивший знаменитой Конкордской биостанцией, выявили две отличающиеся друг от друга схемы передвижения, позволяющие эффективно накапливать и расходовать энергию. Первая модель объясняла бег, вторая – ходьбу.
При беге пружинообразные сухожилия растягиваются в тот момент, когда нога ударяется о землю, и изменяют форму, чтобы накопить упругую (механическую) потенциальную энергию. Когда наша ступня отрывается от поверхности, сухожилия высвобождают эту накопленную энергию, словно резинка, и придают нам импульс, направленный вперед и вверх – и переходящий в наш следующий беговой шаг. «По сути, – объясняет Хеглунд, – при беге мы передвигаемся небольшими прыжками, словно баскетбольный мяч или пружинная ходуля „пого“».
Отметим, что при этом наши икроножные мышцы укорачиваются и удлиняются главным образом для того, чтобы менять жесткость системы, служа как бы регулятором громкости для ахиллесовых сухожилий. Чем жестче мышца, тем сильнее она натягивает сухожилие, а значит, тем большее напряжение к нему прикладывается. (Допустим, при пробежке нам попалась на пути лужа. Чтобы изменить длину шага, мы сгибаем ногу, делаем икроножную мышцу жестче, сжимаем сухожилие: это позволяет нам сделать короткий беговой шажок, после чего мы используем запасенную при этом энергию для того, чтобы перемахнуть через водную преграду.)
Эта же команда ученых выделила и другой тип движений, необходимый для ходьбы. Если при беге мы словно бы подпрыгиваем, как баскетбольный мяч, то при ходьбе наше тело сохраняет энергию скорее как качающийся маятник – еще одно рукотворное устройство, остроумно сконструированное для накопления и преобразования энергии. Точнее, при ходьбе наше тело действует как перевернутый маятник: туловище играет роль груза, закрепленного на нити, а нога играет роль собственно нити. Как и в случае обычного маятника, при ходьбе центр масс нашего тела то поднимается, то опускается, ускоряясь и замедляясь при каждом шаге. Нога при этом также совершает ритмические движения, расходуя энергию и теряя скорость, пока конечность идет вверх, преодолевая силу земного притяжения, и снова приобретая энергию, импульс и скорость на пути вниз, когда те же гравитационные силы, которые замедляли ее на пути вверх, толкают ее вперед. По оценкам Каваньи, этот силовой цикл, движимый гравитацией, обеспечивает до 60–65 % энергии, направляющей вперед каждый наш шаг при ходьбе, так что на долю мышц остается всего 35–40 %[8].
* * *
Работы Каваньи, Тейлора и Хеглунда позволили дать научное объяснение тому, чего не хватало старомодным протезам Хью Герра. В нормальной ноге сухожилия и мышцы тела образуют хитроумную сеть, способную передавать энергию туда-обратно, накапливать и высвобождать ее. Когда Герр ходил на своих безжизненных подпорках, не могло быть и речи о каких-то имеющихся в них мышцах или сухожилиях, которые захватывают и перерабатывают энергию: эти штуки просто висели на нем мертвым грузом. Разумеется, вскоре осознание этого факта сыграло важнейшую роль в усилиях Герра и его коллег по коренному преобразованию сферы дизайна протезов.
Однако, приступив к изучению основ биомеханики, Герр тут же задался еще одним вопросом: может ли он использовать эти открытия для того, чтобы еще лучше взбираться на вертикальные поверхности?
В один ясный день, года через два после завершения своих аспирантских штудий в МТИ, Герр добрался до знаменитого колорадского каньона Эльдорадо, расположенного близ Боулдера, в иззубренных предгорьях Скалистых гор. Он был в отпуске. На нем был облегающий спортивный костюм из черной лайкры. Его ляжки балансировали на паре коротеньких металлических стержней, прикрепленных к ступням младенческого размера. Но больше всего в его облачении бросалось в глаза то, что змеилось из флуоресцентной желтой скалолазной укладки, опоясывающей его тело.
Вместо обычных страховочных тросов и металлических зажимов, которые использует большинство скалолазов, Герр присоединил к своей «упряжи» длинные эластичные нити, похожие на сплетенные в косички резиновые полоски. Другие концы нитей он закрепил на внутренней части рук, ближе к плечам. Он назвал этот наряд «костюмом Человека-паука». Для тех, кто все-таки не обратит внимания на эту супергеройскую тему, Герр внес в свое восхождение еще один элемент: он стал подниматься на отвесную скалу без всяких страховочных веревок.
Всякий раз, когда смельчак тянулся вверх в поисках новой опоры для руки, паутина резинок, соединяющих его трицепс с упряжью, натягивалась подобно набору синтетических сухожилий, заставляя его преодолевать это сопротивление с помощью трицепса и мышц спины. Эта паутина создавала дополнительное сопротивление и для пальцев, когда он раскрывал ладонь и тянул руку вверх, чтобы ухватиться за подходящий выступ или выемку. Вся потенциальная энергия, получаемая таким образом, накапливалась в его костюме Человека-паука благодаря искусственным сухожилиям, вытягивающим энергию из тех групп мышц, которые обычно пребывали в праздности во время восхождений Герра.
