Człowiek jako układ

biomechaniczny

Biomechanika

• Interdyscyplinarna nauka, która bada właściwości

mechaniczne tkanek i narządów oraz ruch

mechaniczny organizmów żywych opierając się

na metodach stosowanych w mechanice

• Odpowiada nam na pytania:

- Skąd bierze się ruch?
- Jak przebiega?
- Jakie są jego skutki?

Biomechanikę podzielić można

na:

- ogólną: biomechanika morfologiczna,

mechanika mięśni, analiza ruchu i
statyki ciała

- stosowaną: biomechanika sportu,

ergonomiczna, kliniczna, inżynierska

• Podstawowymi (pokrewnymi)

naukami dla biomechaniki są:
mechanika, anatomia i fizjologia.

• Inne: statyka, dynamika, kinematyka,

kinetyka, antropometria, goniometria
itd.

W biomechanice obowiązują prawa

mechaniki klasycznej

• Mechanika jest gałęzią fizyki, która

zajmuje się efektami działania sił.

• Efekty działania tej siły na dany obiekt

(ciało) mogą być dwojakiego rodzaju:
obiekt ten zmieni swój kształt lub zacznie
się poruszać

Siły działające na układ ruchu

człowieka

• Zewnętrzne: przyciąganie ziemskie,

partner/przeciwnik, wiatr, prąd wody,
tarcie, reakcja podłoża

• Wewnętrzne: siły wytwarzane przez

mięśnie, opór tkanek biernych,
bezwładność

W biomechanice obowiązują prawa

mechaniki klasycznej

• 3 działy mechaniki:

- kinematyka (opisuje ruch ciał)
- dynamika (analizuje wpływ oddziaływań na ruch

ciał)

- statyka (bada równowagę ciał)

W biomechanice obowiązują prawa

mechaniki klasycznej

• pierwsza zasada dynamiki Newtona (prawo

bezwładności )

• druga zasada dynamiki Newtona
• trzecia zasada dynamiki Newtona (prawo akcji

i reakcji)

• zasada superpozycji
• prawo powszechnego ciążenia

Badania wytrzymałości tkanek

• Rozciąganie kości, ścięgien, powięzi i

mięśni

• Wytrzymałość na ściskanie i skręcanie

tkanki chrzęstnej i kostnej

Zasady pomiarów są zbliżone do tych
stosowanych dla materiałów technicznych,
stosuje się zatem te same teorie, prawa i definicje

Wytrzymałość mechaniczna

tkanek

• Próbki tkanek bada się zazwyczaj w maszynach

wytrzymałościowych mierząc zależność
odkształcenia próbki a wielkością przyłożonej siły
odkształcającej.

• Trudności w badaniach wynikają z faktu, iż tkanka

nie jest materiałem jednorodnym, a jej
charakterystyka mechaniczna jest zazwyczaj
różna w zależności od lokalizacji anatomicznej i
pełnionej funkcji

Wytrzymałość mechaniczna

tkanek

• Niezależnie od jakości odkształcenia (rozciągania,

ściskania, skręcania czy uginania) istnieje pewna

graniczna wartość siły po przekroczeniu której w

tkance zaczynają pojawiać się nieodwracalne

zmiany.

• Zakres ten nazywa się zakresem zmian

plastycznych.

• Punkt rozdzielający obszar odkształceń

sprężystych i plastycznych nosi nazwę granicy

sprężystości tkanki.

Wytrzymałość mechaniczna

tkanek

• W zależności od przebiegu charakterystyki

mechanicznej materiały dzielimy na:

- Kruche (brak fazy plastycznej tzn. zakres

sprężysty kończy się rozerwaniem materiału)

- Plastyczne (zakres odkształceń sprężystych jest

krótki lub nie występuje wcale).

- Sprężyste (duży zakres liniowych odkształceń

sprężystych)

Żywe tkanki zazwyczaj nie mieszczą się w żadnej

z tych kategorii. Ze względu na dużą zawartość

płynów stanowią one osobną kategorię

materiałów lepko-sprężystych.

Materiały lepko-sprężyste

• parametry mechaniczne tych materiałów

mogą zmieniać się w funkcji czasu

• cechy charakterystyczne wyłącznie dla

materiałów lepko-sprężystych:

- zależność charakterystyki mechanicznej od szybkości

działania siły odkształcającej

- zjawiska pełzania i relaksacji

1. Szybkość działania siły

odkształcającej

• Czas narastania siły odkształcającej ma znaczący

wpływ na odpowiedź mechaniczną tkanki.

• Ogólnie można powiedzieć, że tkanki narządu

ruchu wykazują większą sztywność przy próbie

szybszego rozciągania i odwrotnie – są bardzo

podatne na odkształcenia, gdy narastanie siły jest

powolne.

1. Szybkość działania siły

odkształcającej

•

Wytrzymałość materiałów lepko-sprężystych wzrasta

w miarę zwiększania tempa odkształcenia tzn.

materiały te wytrzymują większe naprężenia

dynamiczne w porównaniu z oddziaływaniami

statycznymi

Np. próba wytrzymałości na rozciąganie kości
1. Podczas powolnego rozciągania (próba statyczna) kość może

odkształcić się sprężyście zwiększając swoją długość nawet o

1,5cm!

2. W próbie dynamicznej (szybkie rozciąganie) możliwe jest

jedynie niewielkie odkształcenie sprężyste, a kość zachowuje

się jak materiał kruchy i szybko ulega rozerwaniu.

!!! W PRÓBIE DYNAMICZNEJ KOŚĆ WYTRZYMUJE PRAWIE

DWUKROTNE WIĘKSZE NAPRĘŻENIA !!!

2. Pełzanie

• Tkanka poddawana obciążeniu stałą siłą wydłuża się, a

wielkość wydłużenia zależna jest od wartości siły.

• Jeśli to stałe obciążenie zostanie utrzymane przez dłuższy

czas długość tkanki nadal będzie wzrastać aż do momentu
osiągnięcia równowagi lub zerwania próby.

Pełzanie to zjawisko ciągłego plastycznego odkształcania
materiału pod wpływem stałego obciążenia

3. Relaksacja

• Próbkę materiału lepko-sprężystego rozciągamy przy użyciu

siły zewnętrznej do określonej długości i utrzymujemy ten

stan przez dłuższy czas.

• Siła potrzebna do utrzymania wybranej długości zaczyna

maleć.

Relaksacja to zjawisko, w którym obserwuje się powolne

zmniejszanie naprężeń w materiale poddawanym

długotrwałemu odkształcaniu

Wytrzymałość mechaniczna

kości

• Charakterystyka mechaniczna kości zależy nie

tylko od materiału budulcowego, ale także od
kształtu, rozmiarów i struktury.

• Wyróżnia się wytrzymałość mechaniczną :

- materiałową
- strukturalna

Wytrzymałość mechaniczna

kości

• patologiczne zmiany wytrzymałości

mechanicznej tkanek mogą być

spowodowane:

- zmniejszeniem bodźców mechanicznych (aktywności

fizycznej)

- urazami
- procesami chorobowymi (związanymi z tkanką kostną)

Wytrzymałość mechaniczna

kości

• Wszystkie uszkodzenia struktury kostnej powodują zmiany

charakterystyki mechanicznej kości.

• Niezależnie od rodzaju uszkodzenia zawsze następuje

zwiększenie naprężeń wewnętrznych i osłabienie
wytrzymałości tkanki

• Wytrzymałość kości w stanach patologicznych zależna jest

od:

- wielkości defektu
- umiejscowienia
- rodzaju siły odkształczającej
- kształt defektu
- liczba defektów

Wytrzymałość mechaniczna

kości

Kości długie są najbardziej wrażliwe na

skręcanie i zginanie. Wytrzymałość zależy

od kształtu i rozmiarów kości.

Wytrzymałość tkanki kości udowej

• Tkankę zbitą charakteryzuje największa wytrzymałość na

ściskanie dochodząca w kości udowej dorosłego człowieka do

wartości 170MPa (około 1700 kG/cm2).

• Wytrzymałość tej samej kości na rozciąganie jest około 30%

mniejsza, jej wartość sięga 124 MPa.

• Najmniejsza jest wytrzymałość kości długiej poddanej działaniu

sił ścinających (działających niewspółosiowo sił ściskających).

Powstające wówczas naprężenia ścinające mogą powodować

uszkodzenia kości nawet przy naprężeniach 54MPa

(nieprzekraczające 30% maksymalnej wytrzymałości na

ściskanie).

Wytrzymałość mechaniczna

kości

• Parametry mechaniczne tkanki kostnej wykazują

znaczną zależność od charakterystyki
dynamicznej działającej siły.

• Tkanka kostna ma inną wytrzymałość

mechaniczną dla sił narastających powoli w
porównaniu z obciążeniami dynamicznymi.

• Kości są w stanie wytrzymać znacznie większe,

lecz krótkotrwałe przeciążenia dynamiczne.

Złamania kości

• Gdy przekroczona zostanie wytrzymałość

mechaniczna, nadmierne obciążenia powodują
złamania kości.

• Rodzaj urazu, kierunek i wielkość działających sił

mają wpływ na charakter złamania. Postać
uszkodzenia zależy również od stanu układu
kostnego.

Rodzaje złamań kości

• złamania podokostnowe typu „zielonej

gałązki”

• złamania typu „tłukącego się szkła”
• złamania z oderwania – awulsyjne
• złamania kompresyjne
• inne

Białka sprężyste

• Jednym z podstawowych sprężystych białek mięśniowych

jest aktyna wchodząca w skład cytoszkieletu.

• Sprężystość włókna mięśniowego zależy także od

właściwości mechanicznych białek niekurczliwych. Bierny
opór mięśnia na rozciąganie zależy od rozciągliwości tkanki
łącznej cytoszkieletu wewnętrznego i zewnętrznego
sarkomerów. Istotną rolę odgrywają: konektyna i desmina.

• Inne białka warunkujące właściwości mechaniczne tkanek to

m.in. kolagen i elastyna.

Biomechanika ruchomych

połączeń stawowych

Elementy warunkujące prawidłowe

funkcjonowanie stawów:

- torebka stawowa
- chrząstka stawowa
- więzadła
- maź stawowa
- inne

kolagen !!
!

Charakterystyka mechaniczna

chrząstki stawowej

Funkcje tkanki chrzęstnej w stawie:

•

Zapewnia odpowiedni rozkład nacisku na
powierzchni stawowej.

•

Zmniejsza tarcie w czasie ruchu stawu.

•

Amortyzuje nagłe przeciążenia stawu.

Charakterystyka mechaniczna

chrząstki stawowej

•

Na poziomie makrocząsteczkowym chrząstkę
budują kolagen (65%) i proteoglikany (25%).

•

Ich zawartość w tkance i współdziałanie
odpowiadają za fizyczne i mechaniczne
właściwości tkanki.

•

Proteoglikany i kolagen są odpowiedzialne za
sztywność tkanki chrzęstnej i jej zdolność do
przenoszenia obciążeń.

Charakterystyka mechaniczna

chrząstki stawowej

•

Sprężystość tkanki chrzęstnej zależy również od
zawartości wody

•

Proteoglikany są polianionami i mają dużą
zdolność osmotycznego wiązania wody.

•

Woda stanowi około 80% całkowitej masy
chrząstki.

Elastyczność chrząstki zmniejsza się wraz z
wiekiem na skutek utraty białek i wody.

Ścięgna

Włókniste twory łącznotkankowe

stanowiące łącznik między mięśniami a

kośćmi.

• 30% masy ścięgna stanowi kolagen, który jest

białkiem względnie sztywnym pod względem

mechanicznym.

• Elementem o dużej sprężystości obecnym w

ścięgnach, stanowi elastyna.

- wydłużenie względne włókna może wynosić nawet 250%

- brak występowania zjawiska pełzania nawet przy

długotrwałym obciążeniu

Biomechanika tkanki

mięśniowej

• Mięśnie mają określoną organizację

hierarchiczną, w której wyróżnić można
elementy czynne i bierne:

- Elementy czynne to białka posiadające zdolność kurczenia

się

- Bierną część stanowi tkanka łączna, która nadaje mięśniom

określony kształt i zwartość

Biomechanika tkanki

mięśniowej

• Tonus mięśniowy, czyli wyczuwalna palpacyjnie

sprężystość i określona konsystencja mięśni,
warunkowany jest obecnością tkanki łącznej.

• W skład miofilamentów obecnych w mięśniach,

które bezpośrednio odpowiedzialne są za
generowanie skurczu, wchodzą:

- miozyna (filamenty grube)
- aktyna (filamenty cienkie)

Biomechanika tkanki

mięśniowej

• Spośród parametrów architektonicznych

mięśnia największe znaczenia
funkcjonalne mają:

- Organizacja przestrzenna włókien mięśniowych (mm

wrzecionowate, wielogłowe, wielobrzuścowe)

- Długość włókien
- Przekrój poprzeczny mięśnia (liczba i średnica włókien)

Biomechanika mięśni

• Maksymalna szybkość skurczu włókna

mięśniowego zależy od liczby obecnych w nim

sarkomerów.
Szybkość skracania mięśnia jest wprost

proporcjonalna do ilości sarkomerów.

Długie włókna mają więcej sarkomerów. Krótkie

włókna, choć kurczą się wolniej, mogą wytrzymać

większą siłę skurczu.

Liczba sarkomerów we włóknie mięśniowym może

ulegać zmianie.

Biomechanika mięśni

• Siła skurczu mięśnia zależy m.in. od jego długości

a jej maksimum wypada przy długości mięśnia
nieco powyżej jego długości spoczynkowej.

Zakres użyteczności pracy mięśnia wynosi 0,7-1,2
długości spoczynkowej

Biomechanika mięśni

• Istotną cechą wpływającą na zdolność mięśnia do

skurczu jest maksymalna powierzchnia przekroju

poprzecznego.

Przy fizjologicznej długości mięśnia maksymalna

siła skurczu izometrycznego jest wprost

proporcjonalna do powierzchni jego przekroju.

• Liczne badania wykazały, że mięśnie szkieletowe

w zależności od rozkładu i typu włókien mogą

rozwijać siłę skurczu 20-35N na każdy centrymetr

kwadratowy przekroju poprzecznego mięśnia.

Biomechanika mięśni

• Warunki pracy poszczególnych włókien nie są

jednakowe. Włókna o różnej średnicy i różnej
długości mają dość zróżnicowane charakterystyki
skurczu. Swoisty bufor mechaniczny stanowią
m.in. powięzie. Dzięki nim możliwy jest
równomierny rozkład obciążeń na poszczególne
włókna mięśniowe

Zmiany charakterystyk

mechanicznych mięśni w

warunkach niefizjologicznych

Unieruchomienie
• Atrofia - gwałtowne zmniejszenie masy mięśnia
• Rozpad kolagenu
• Reorganizacja struktury włókna mięśniowego

objawiająca się jego skróceniem

• Redukcja liczy sarkomerów
• Wzrost sztywności mięśnia powodowana

zaburzeniami dynamiki przyrostu tkanki łącznej

Zmiany charakterystyk

mechanicznych mięśni w

warunkach niefizjologicznych

Odnerwienie
• Stopniowe skrócenie długości włokien
• Spadek liczby sarkomerów
• Spadek rozciągliwości włókien

Ocena stanu funkcjonalnego

mięśni

• Jednym z podstawowych testów klinicznych jest próba

biernej rozciągliwości mięśni czyli podatność nieaktywnego
mięśnia na rozciąganie.

• Parametry biernego rozciągania maja istotny wpływ na

wykonanie ruchu.

W warunkach fizjologicznych powolne bierne rozciąganie mięśnia
nie wzbudza żadnej aktywności odruchowej.

• Inne testy czynne i bierne

Przeciążenie mięśni

Na skutek nadmiernego nietypowego

wysiłku

• dyskomfort i ból w mięśniach (odwracalne zmiany na

poziomie włókien mięśniowych)

• ograniczenie zakresu ruchów w stawie
• zwiększone stężenie kinazy kreatynowej i mioglobuliny we

krwi

Nadszarpnięcia lub rozerwania mięśni

(nadmierny skurcz podczas rozciągania)

• Niewielka lub całkowita utrata funkcji mięśnia

Testy zderzeniowe Euro NCAP

Menekiny

Rolą manekinów Hybrid III i EuroSID II
udział wypadku i symulacja obrażeń
odniesionych przez pasażera w
samochodzie, a także udział w teście
bezpieczeństwa pieszych.

• Biomechanika kliniczna. Podręcznik dla

studentów medycyny i fizjoterapii.
Janusz Błaszczyk

• Biomechanika układu ruchu człowieka.

Tadeusz Bober, Jerzy Zawadzki