BIOMECHANIKA
Biomechanika – od grec. słowa mechane - narzędzie, jest to dyscyplina naukowa, zajmująca się organizmami żywymi traktowanymi jako narzędzia o określonych funkcjach mechanicznych.
Biomechanika – bada właściwości mechaniczne tkanek, narządów, układów oraz ruch mechaniczny żywych organizmów – jego przyczyny i skutki. Przyczynami ruchu są siły zewnętrzne ( ciężkości) i wewnętrzne ( zwłaszcza mięśniowe). Skutkiem jest zmiana położenia ciała własnego lub obcego albo naprężniaczy odkształcenia ciała.
Cybernetyka – nauka o systemach sterowania oraz związanym z tym przetwarzaniu i przekazywaniu informacji ( komunikacja).
Kinematyka – dział mechaniki zajmujący się matematycznym opisem układów mechanicznych oraz badaniem geometrycznych właściwości tego ruchu. Kinematyka abstrahuje od działających sił i bezwładności ciała.
„Przedmiotem biomechaniki jest badanie przyczyn oraz skutków działania sił zewnętrznych i wewnętrznych na układ biologiczny, a w szczególności na człowieka. Biomechanika jest interdyscypliną dziedziną nauki, której obszar badań leży na pograniczu nauk ścisłych ( mechanika) i biologicznych ( biologia medyczna)”.
Dwa warunki statyki:
1) suma siły = 0
2) suma momentów siły musi się = 0
Ruch obrotowy – moment siły – M0 = r P
Ruch postępowy – siła
UKŁAD RUCHU
1) Pojęcia kinematyczne
- człon – kość ( element, który nie zmienia swoich wymiarów geometrycznych pod wpływem siły).
- para biokinematyczna – połączenie dwóch członów ( musi być co najmniej 2 pary, wtedy powstanie 3 człon)
Kiedy są co najmniej 3 człony ( 2 pary biokinematyczne) wtedy powstaje – łańcuch biokinematyczny.
- łańcuch biokinematyczny zamknięty – nie ma członu wolnego, w jednym przegubie wymusza ruch w pozostałych stawach ( 4 człony)
- łańcuch biokinematyczny otwarty – posiada człon wolny ( np. kończyna dolna – niezależny ruch), nie wymusza ruchów innego przegubu ( 3 człony), łańcuch wykonuje ruch ( np. k. górna, k. dolna)
RUCHLIWOŚĆ
- Stopnie swobody – możliwość wykonywania ruchu ( 6 stopni swobody = 3 postępowe, 3 – obrotowe)
- Więzy – zebrane możliwości ruchu ( np. 2 kości = staw biodrowy, nie ma ruchów postępowych)
- Klasy połączeń stawowych – ilość więzów mówi o klasie
- Zakres ruchów pary biokinematyczne – bierny zawsze większy od czynnego
- Ruch obrotowy – droga kątowa ( tylko ruch obrotowy)
- Ruch postępowy – przemieszczenie liniowe
- Biomechanizm – podstawa + łańcuch biokinematyczny ćwiczenia w pozycjach izolowanych
- Biomechanizm chwilowy – zmienna podstawa, zmienny łańcuch biokinematyczny
Czynność mięsni w biomechanizacji:
- antycypacyjna – czynność statyczna Mz = Mw ( stabilizacja zawsze przed funkcją ruchową)
- ruchowa
Funkcja dynamiczna czynności:
- koncentryczna ( pokonująca)
- ekscentryczna w łańcuchu
Mięsnie antygrawitacyjne – ( m. posturalne, przeciwciążeniowe)
Choroba przeciążeniowa kręgosłupa ( autor J. Stoddry) podział na mięśnie toniczne i fazowe ( mięśnie posturalne – postawy łatwo ulegają przykurczą, a mięśnie fazowe nie)
Energia potencjalna: Ep = m g h ( zmiana do minimum)
SIŁY REAKCJI ( WG III ZASADY DYNAMIKI NEWTONA)
I zasada dynamiki ( zasada bezwładności).
Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym ( po prostej ze stałą prędkością)
II zasada dynamiki
Gdy siły działające na ciało nie równoważą się to ciało porusza się ruchem zmiennym. Kierunek i zwrot tego przyśpieszenia są zgodne z kierunkiem siły.
Wartość przyśpieszenia ciała o masie m jest wprost proporcjonalny do wartości wypadkowej siły działającej na to ciało, a jego kierunek i zwrot są zgodne z kierunkiem i zwrotem tej siły. Ciało o większej masie pod działaniem takiej siły wypadkowej uzyskuje mniejsze przyśpieszenie .
Przyśpieszenie ruchu ciała jest wprost proporcjonalne do wartości siły, a odwrotnie proporcjonalne do masy ciała.
III zasada dynamiki ( zasada akcji i reakcji)
Siły wzajemnego oddziaływania na siebie dwóch ciał mają takie same wartości, ten sam kierunek, przeciwny zwrot i różny punkt przyłożenia. Siły te nie równoważą się bo działają na dwa różne ciała.
Jeśli ciało A dział na ciało B siła F ( akcja) to ciało A siłą ( reakcja) o takiej samej wartości i kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie.
OBCIĄŻENIA UKŁADU RUCHU:
- zewnętrzne – głownie momenty siły ciężkości
Opory zewnętrzne – reakcja podłoża oraz inne siły bezwładności
- wewnętrzne - „mięśniowe”
Wektor siły mięśniowej i jego składowe – obrotowe – ruch i styczna – nacisk na staw
Biomechanizm – czynność mięsni w biomechanice
Reakcje więzów w stawach:
Metody i techniki oceny siły mięśniowej:
Nie można zbadać siły mięśniowej, możemy tylko zmienić moment siły zewnętrznej na podstawie tego wyniku, możemy w sposób pośredni zredukować wartość siły zewnętrznej:
- metoda wolitywna
- stymulacja
Zasady pomiaru momentu siły mięśni w statyce:
- elektromiografia – badanie potencjałów elektrycznych podczas skurczów ( ruchów) włókien mięśniowych
- globalne ( powierzchniowe)
interferencja wieku IR
igłowa i badanie jednej IR
Siła mięśnia w funkcji jego długości
Zakres skracania się i wydłużania sarkomeru, a zatem i włókna względem długości wejściowej, która wynosi 2,25 , jest ograniczony. Siła ( F) wyzwalana przez pobudzony sarkomeru jest funkcją jego długości ( I) F= f (I)
Pojedyncze włókienko wyzwala max siłę przy długości sarkomeru od 2 do 2,25. Siła ta maleje wraz z jego rozciąganiem oraz wówczas, gdy sarkomeru skraca się i nitki miozyny dochodzą do linii Z.
Jeżeli za wyjściową długość sarkomeru przyjmuje się wartość spoczynkową, czyli I0= 2,25, to przy jego rozciągnięciu do 3,65, a więc o 62% długości spoczynkowej, jego siła spadnie do zera.
Maksymalnie skrócony sarkomeru ma wymiary 1,27, czyli może się skrócić o ok. 44 %, wówczas jego siła też spada do zera.
Siła względem F/F0, zależy od stanu długości względnej l/l0 sarkomeru ( 100% = 2,25) Na rysunku uwzględniono siłę pochodzącą tylko od elementu kurczliwego sarkomeru.
Z charakterystyki struktury wynika, że mięsień ma elementy czynne, zdolne do wyzwalania siły i elementy bierne jak ściąganie i powiązanie oraz pozostałe tkanki łączne. Właściwości sprężyste tych elementów muszą być uwzględnione jeśli rozważana jest zdolność mięśnia do rozwijania siły, gdyż za ich pośrednictwem jest ona przenoszona na kość.
W modelu mięśnia możemy wyróżnić elementy kurczliwe EK oraz elementy sprężyste ułożone równolegle RES i szereg SES.
Model struktury mięśnia:
EK – elementy kurczliwe
RES – równoległe elementy sprężyste
Eksperymenty wykonywane na mięśniach żaby i królika dały, aczkolwiek otrzymano różne rezultaty dla mięśni pierzastych i wrzecionowatych, pewien ogólny pogląd na zależność siły mięśnia od stanu jego długości, uwzględniając właśnie obie składowe siły mięśniowe tj. czynna ( od elementów kurczliwych) bierne ( od szeregowych elementów sprężystych).
Siła mięśnia izometryczna w funkcji jego długości
F = F (I) I0 – długość spoczynkowa
d = składowe siły pochodzące od elementów kurczliwych
r = składowe siły pochodzące od elementów biernych
e = wypadkowa siły mięśnia – suma składowa d i r
PARAMETRY BIOMECHANICZNE UKŁADU RUCHU CZŁOWIEKA
1. Płaszczyzna strzałkowa:
- oś strzałkowa i pionowa
- dzieli ciało na część prawą i lewą
kończyny na cześć boczną i przyśrodkową
- ruchy: zginania, prostowania
- jest to płaszczyzna symetrii ( pośrodkowa)
2. Płaszczyzna czołowa:
- os poprzeczna i pionowa
- dzieli tułów, głowę i kończyny dolne na część przednia i tylną, kończyny górne na część dłoniową i grzbietową
- ruchy kończyny: odwodzenia, przywodzenia
tułowia i głowy – zginanie w bok ( prawo i lewo)
3. Płaszczyzna poprzeczna:
- oś strzałkowa i poprzeczna
- dzieli; tułów, głowę na część dolną i górną
kończyny na część dystalna i proksymalną
- ruchy kończyn: nawracanie, odwracanie
ruchy tułowia: skręty w lewo i w prawo
Układ odniesienia nie związany z ziemią jest układem nieintercyjnym.
Masa – ilość cząsteczek w danej objętości. Masa jest wielkością skalarną.
Ciężar – jest szczególnym rodzajem siły.
Q = m g [N] g = 9,81 m/s2
Siła jest wielkością wektorową. Jest to masa razy przyśpieszenie.
F = m a [ N]
Przedstawieniem wielkości skalarnej jest liczna.
Przedstawieniem graficznym 1 skalarnej jest wektor.
Cechy wektora:
- kierunek – jest to prosta, na której leży wektor ( przód, tył, prawo, lewo)
- zwrot – określenie jednej z dwóch możliwości na danym kierunku
- wartość – jest to bezwzględna długość wektora
- punkt przyłożenia – to miejsce, w którym wektor przyczepia się do belki na która działa
Wektor ciężkości:
- kierunek jest zawsze – góra, dół
- zwrot – zawsze w dół
- wartość wektora siły ciężkości – jest związana z masa poszczególnych części ciała
- punkt przyłożenia wektora – punkt zwany środkiem ciężkości
Ruch postępowy – jest wywołany za pomocą nierównomiernej ( niezrównoważonej) siły.
Ruch obrotowy – jest wywołany momentem siły.
Moment siły ( ramie działania siły) jest to najkrótsza odległość od osi obrotu do kierunku działania siły.
PARAMETRY STRUKTURALNE UKŁADU RUCHU CZŁOWIEKA
- człon – sztywny element ciała ludzkiego ( nie odkształcony, kości bez tkanek miękkich)
1-3 nm ruch ostępowy o 5’ ruch obrotowy – jeszcze jest człon
Człon jest podstawową cegiełką strukturalna mechanizmu lub biomechanizmu.
- półpara – człon przystosowany do połączenia z innymi członami ( powierzchnia stawowa)
- para kinematyczna – ruchome połączenie dwóch półpar swobodnych
- łańcuch kinematyczny lub biokinematyczny – spójny układ członów połączonych ruchomo
- mechanizm lub biomechanizmu – podstawa ( człon nieruchomy) plus łańcuch kinematyczny wykonujący określone ruchy
Stopnie swobody:
Człon w przestrzeni określają trzy punkty ABC o 9 współrzędnych.
Ciało sztywne – odległość AB, BC, CA nie ulegają zmianie, z 9 współrzędnych pozostaje tylko 6 niezależnych parametrów określających człon w przestrzeni. Mówimy wtedy o 6 stopniach swobody.
- trzy ruchy postępowe niezależne
- trzy ruchy obrotowe
Stopień swobody – ruch niezależny wykonany w jednym kierunku bez zmiany położenia w stosunku do innych kierunków.
Para kinematyczna – posiada ograniczenia ruchów względnych – więzy, co możemy przedstawić wzorem:
H = 6 – s
H – liczna stopni swobody pary tzn. jednego członu względem drugiego przyjętego za nieruchomy
s – liczna więzów ( s przyjmuje wartość od 1 do 5)
Jeżeli s = 0 to człon jest swobodny, s = 6 to połączenie nieruchome
W oparciu o te zależności wyznaczono klasy par biokinematycznych:
- para III klasy ( o trzech stopniach swobody) H = 6 – 3 = 3 np. stawa ramienny
- para IV klasy ( o dwóch stopniach swobody) H = 6 – 4 = 2 np. staw promieniowo – nadgarstkowy
- para V klasy ( o jednym stopniu swobody) H = 6 – 5 = 1 np. staw międzypaliczkowy
Człowiek i zwierzęta – tylko ruchy obrotowe, stawy są połączeniem klasy III, IV, V. Jednostronne działanie mięsni – ciągną a nie mogą pchać.
Ruchliwością nazywamy liczbę stopni swobody członów ruchomych mechanizmu lub biomechanizmu względem podstawy.
Ruchliwość wyznaczamy ze wzoru:
gdzie:
W – liczba stopni swobody łańcucha biokinematycznego ( ruchliwość)
n – liczba członów ruchomych nie licząc podstawy
pi – liczba par biokinematycznych w danej klasie
i – klasy pary biokinematycznej
Człowiek:
N = 144 człony
V = 88, IV = 33, II = 29
W = 6 * 144 – 5 * 81 – 4 * 33 – 3 * 29 = 240 – stopni swobody względem czaszki
Każdy stopień swobody obsługiwany jest przez 2 mięsnie ( napędy są zdublowane lub potrojone).
Rys. kończyna górna
Człon 4 – cztery kości I rzędu nadgarstka
Człon 5 – cztery kości II rzędu nadgarstka oraz II i III kości śródręcza
W = 30
W = 6 * 22 ( 3 * 1 + 4 * 6 + 5 * 15) = 132 – 102 = 30
Rys. kończyna dolna
W = 6 * 22 – ( 3 * 1 + 4 * 6 + 5 * 15) = 132 – 102 = 30
TEORIA HILLA
Mięsień to pewnego rodzaju przetwornik energii, w którym na skutek przemian elektronicznych energia chemiczna przetwarzana jest na energie mechaniczną.
Prawidłowość ta zachodzi jednak tylko wtedy, gdy mięsień jest pobudzony. Prędkość przemian energetycznych w mięśniu ograniczona jest przez:
- nośniki energii chemicznej
- typ reakcji chemicznych
- masę mięśnia
- temperatura mięśnia itp.
Jeśli więc prędkość przemian jest ograniczona to i moc przez mięsień generowana, ma swoja wartość graniczną, która wynosi:
Praca natomiast definiowana jest jako:
A zatem otrzymujemy:
gdzie: oznacza prędkość skracania się mięśnia
Z zależności tej wynika wniosek, że wartość siły rozwijanej przez mięsień zależy od prędkości jego skracania się. W przybliżeniu wartość ta jest odwrotnie proporcjonalna.
Dokładnie tą zależność zobrazował Hill, laureat nagrody nobla w 1922 r.
Wyznaczył on charakterystyczne równanie:
( Fm + a) v = ( Fmax – Fm) b
lub
( Fm + a)(v + b) = (Fmax + a) b = const.
Fm – siła rozwijana przez mięsień skracający się z prędkością v
a – stała charakterystyczna dla mięśnia, zależna od ciepła jego skracania się oraz oporu wewnętrznego
b – stała zależna od długości mięśnia i jego temp.
Fmax – maksymalna wartość siły generowanej przez mięsnie przy założeniu, że v = 0
Krzywa charakterystyczna Hilla, przedstawiająca zależność Fm = f (v)
Krzywa przecina oś Fm w punkcie o współrzędnych ( 0, Fm ) oznacza to, że istnieje wartość maksymalna siły danego mięśnia. Podobny wniosek wysunąć można śledząc punkt przecięcia się wykresu z osią V.
Punkt ten ( Vmax ,0) stanowi maksymalną prędkość skracania się mięśnia
.
Zależność siły mięśnia od prędkości jego skurczu ściśle wiąże się z jego mocą. Analizując krzywą Hilla zauważyć można, że moc rozwijania przez pracujący z maksymalna siła mięsień równa jest zero. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku mięśnia kurczącego się z maksymalna prędkością. Oznacza, to że w obu tych skrajnych przypadkach moc użyteczna mięśnia równa jest zero. Natomiast dla pośrednich wartości prędkości skurczu, iloczyn siły mięśnia i prędkość jest większy od zera, co oznacza, ze hiperbola Hilla posiada ekstremu, czyli że dla pewnej wartości prędkość, moc rozwijana przez mięsień osiąga maksimum, które wynosi około 0,31 prędkości – maksymalnej Vmax.
Biomechanika układu ruchu człowieka – Bober, Zawadzki, Fidellus
CHÓD
Chód – cykliczność i symetria, naprzemianstronne ruchy kończyn górnych i kończyn dolnych
Fazowość:
a) faza podporowa [ FP] ( 60% t. cyklu)
b) faza wymachu [FW] ( 40% t. cyklu)
Rytmiczność: FP : FW = 3 : 2
Osobnicza Anizometria – długość kroku
Osobnicza Anizotomia – napinanie mięśni
Osobnicza Anizochonia –
&...
ElNinio8