Biomechanika.doc

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.

gdzie:

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 –

&...