Biomechanika I ( definicja; osie i płaszczyzny ciała; łańcuchy kinematyczne, stopnie swobody ruchu,

łańcuchy otwarte i zamknięte; dźwignie kostne)

Biomechanika - jest nauką zajmującą się działaniem wewnętrznych i zewnętrznych sił na ciało - strukturę biologiczną istot żywych oraz skutkami ich działań. Bada właściwości mechaniczne tkanek, narządów, układów oraz ruch mechaniczny żywych organizmów - jego przyczyny i skutki.

Ważnym obszarem zainteresowań biomechaniki klinicznej są efekty wpływu bodźców fizycznych, których

wielkość wykracza poza obszar możliwości adaptacyjnych organizmu. Pojawiają się wtedy zmiany patologiczne

np. uszkodzenia mechaniczne (złamania) lub utrwala się stan równowagi wykraczający poza zakres równowagi

fizjologicznej aktywności narządu ruchu.

Przyczynami ruchu są siły: zewnętrzne (zwłaszcza ciężkości) i wewnętrzne (zwłaszcza mięśniowe). Skutkiem jest

zmiana położenia ciała własnego lub ciał obcych albo naprężenia, czy odkształcenia ciała.

W biomechanice obowiązują wszystkie prawa mechaniki klasycznej. Przede wszystkim są to trzy prawa ruchu

sformułowane przez Isaaca Newtona, który opisał trzy zależności między siłą i ruchem.

Pierwsza z nich stwierdza, że ciało nie może zmienić swojej prędkości bez działania siły. Oznacza to, że

podtrzymanie jednostajnego ruchu nie wymaga działania siły. Formalnie prawo to brzmi następująco: Każde ciało

trwa w stanie spoczynku lub w stanie ruchu jednostajnego prostoliniowego dopóki siły na niego działające tego

stanu nie zmienią.

Przykład: chodu człowieka - jak długo siły tarcia wewnętrznego i zewnętrznego są równoważone wypadkową sił

wytwarzanych w układzie mięśniowym, tak długo poruszamy się ze stałą prędkością.

Drugiemu prawu podporządkowany jest ruch wszystkich ciał, włączając w to organizmy żywe. Mówi ono, że

zmiana ilości ruchu, (czyli pędu) jest proporcjonalna do siły działającej i ma kierunek prostej, wzdłuż której ta siła

działa.

Trzecie prawo Newtona formułuje zasadę akcji i reakcji. Zasadę ta zawiera się w następującym stwierdzeniu:

każdemu działaniu towarzyszy równe i wprost przeciwne oddziaływanie, czyli wzajemne działania dwóch ciał są

zawsze równe i skierowane przeciwnie.

Człowiek nie mógłby chodzić czy biegać, gdyby wypadkowa siła mięśniowa przekazana przez łańcuch

kinematyczny kończyny nie wywoływała reakcji sztywnego podłoża. To właśnie podłoże reaguje, czyli odpycha

nas siłą przeciwnie skierowaną do tej wytwarzanej przez kończynę.

Czwarte prawo mówi, że jeżeli na punkt materialny o masie m działa jednocześnie kilka sił, to każda z nich

działa niezależnie od pozostałych, a wszystkie razem działają tak, jak jedna tylko siła równa wektorowej sumie

wektorów danych sił.

Piąte prawo opisuje zjawisko grawitacji. Stwierdza ono, że każde dwa punkty materialne

przyciągają się z siłą proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości

między nimi. Kierunek siły leży na prostej łączącej te punkty.

Człowiek żyje w środowisku, w którym poddawany jest działaniu jednej stałej siły przyciągania ziemskiego. Ma

ona istotny wpływ na strukturę i funkcjonowanie całego organizmu, zwłaszcza układu ruchu. Narząd ruchu

człowieka musi dodatkowo wytwarzać siły równoważące przyciąganie ziemskie. Siła ciężkości jest siłą masową

działającą na poszczególne elementy ciała. Składowe tej siły są proporcjonalne do masy danych części ciała.

Przyciąganie ziemskie, czyli siła grawitacji, jest źródłem momentów, których wielkość zależy także od ramienia

działania danej siły lokalnej.

M=Fxr gdzie: F - to wielkość siły, a r - jej ramię, czyli odległość miejsca jej działania od osi obrotu.

Wielosegmentowa budowa ciała powoduje, że oddziaływania siły grawitacji na ciało człowieka nie można opisać prostą zależnością. Jednak w wielu rozważaniach ciało człowieka traktujemy w uproszczeniu, jako zwartą bryłę, w której możemy zdefiniować charakterystyczny punkt nazywamy ogólnym środkiem ciężkości. W postawie stojącej środek ciężkości znajduje się niej więcej na poziomie drugiego kręgu krzyżowego (S2), na linii łączącej osie stawów biodrowych. OSC znajduje się na wysokości

• < ~ 57% wzrostu mężczyzny

• < ~ 55% wzrostu kobiety

Położenie to zmienia się wraz z budową ciała, postawą wiekiem i płcią.

1

Osie i płaszczyzny ciała

Określenie położenia i ruchów poszczególnych części ciała wymaga jednoznacznego zdefiniowania ich położenia

w przestrzeni. W tym celu wprowadza się zewnętrzne układy odniesienia. Najczęściej jest to układ prostokątny

(kartezjański), złożony z trzech wzajemnie prostopadłych osi wyznaczających główne kierunki. Układ ten

pozwala na zdefiniowanie stosunków anatomicznych poszczególnych części ciała.

Punktem wyjścia do opisu ruchów człowieka i położenia poszczególnych części ciała jest standardowa pozycja

anatomiczna. Pozycja ta zdefiniowana jest, jako postawa stojąca z twarzą zwróconą do przodu; ręce

wyprostowane wzdłuż tułowia są zwrócone dłońmi do przodu.

Układ płaszczyzn głównych ciała tworzą trzy umowne wzajemnie prostopadłe płaszczyzny przecinające się

w środku ciężkości ciała: pośrodkowa (strzałkowa), czołowa i poprzeczna.

Linie przecięcia tych trzech płaszczyzn wyznaczają główne osie ciała: pionową, poprzeczną i strzałkową.

Każda z osi wyznacza dwa kierunki.:

• wzdłuż osi strzałkowej wyróżniamy kierunek tylny (grzbietowy) i przedni (brzuszny),

• oś pionowa wyznacza kierunek górny i dolny. Na kończynach kierunek górny nazywany jest bliższym, a dolny — dalszym,

• oś poprzeczna określa kierunek boczny i przyśrodkowy.

Ruchy wykonywane w płaszczyźnie czołowej nazywają się przywodzeniem, jeśli ruch odbywa się w kierunku linii środkowej, i odwodzeniem, jeśli ruch wykonywany jest w przeciwnym kierunku.

Płaszczyzna pośrodkowa/strzałkowa umożliwia wyróżnienie dwóch stron ciała: lewej i prawej. Ruchy stawowe wykonywane w płaszczyźnie strzałkowej to zgięcie i wyprost. Zgięcie oznacza, że dwa segmenty połączone stawem zbliżają się do siebie. W przypadku oddalających się segmentów ruch nazywamy wyprostem. Jeśli wyprost wykracza poza zakres wyznaczony standardową pozycją anatomiczną nazywamy go przeprostem.

Płaszczyzna poprzeczna dzieli ciało na część górną i dolną. Ruchy wykonywane w tej płaszczyźnie nazywamy rotacjami. Rotacje dzielimy na zewnętrzne, jeśli ruch odbywa się w kierunku na zewnątrz (w kierunku od środka ciała), i wewnętrzne, gdy ruch wykonywany jest w kierunku dośrodkowym.

Specjalne nazwy zostały zarezerwowane dla ruchów stopy. Ruch, w którym część wierzchnia stopy zbliża się do kości piszczelowej, nazywany jest zgięciem grzbietowym stopy, a ruch w kierunku przeciwnym — zgięciem podeszwowym stopy.

Łańcuchy kinematyczne

Każde z połączeń stawowych pozwala na przemieszczenie kątowe sąsiadujących z nim segmentów( ruch obrotowy ) Pojedynczy staw umożliwia wykonanie prostych ruchów zginania, prostowania, przywodzenia, odwodzenia oraz rotacji, w zależności od typu stawu oraz w zakresie wyznaczonym jego ruchomością. Ruchy złożone o zróżnicowanym zasięgu mogą być realizowane tylko przez układy wielosegmentowe — składające się z kilku członów połączonych ruchomymi stawami.

Łańcuch kinematyczny to zespół funkcjonalny połączonych ze sobą segmentów. W zależności od realizowanego programu ruchowego łańcuch kinematyczny może składać się z dwóch ( para kinematyczna ) lub więcej członów obejmujących swym zasięgiem nawet całe ciało.

Każdy łańcuch kinematyczny ma określoną swobodę transformacji prostych przemieszczeń kątowych w poszczególnych stawach w złożone ruchy przestrzenne. Tę zdolność można ocenić, posługując się pojęciem stopni swobody łańcucha kinematycznego - połączenie dwóch kolejnych segmentów łańcucha, można scharakteryzować na podstawie liczby niezależnych płaszczyzn, w których może odbywać się ruch. ( stopni swobody ruchu)

2

Liczbą stopni swobody ciała sztywnego nazywa się liczbę niezależnych współrzędnych, które dokładnie określają położenie tego ciała sztywnego w przestrzeni względem wybranego układu odniesienia. Swobodny człon sztywny zawieszony w przestrzenie posiada 6 stopni swobody.

Stopień swobody to niezależny ruch względny w stawie: (podział stawów ze względu na liczbę stopni swobody ruchu)

• jeden stopień swobody, ruch w stawie może odbywać się tylko wokół jednej osi lub w jednej płaszczyźnie; stawy zawiasowe, w których odbywa się ruch zginania i prostowania (stawy międzypałiczkowe i staw łokciowy)

• dwa stopnie swobody, ruch jest możliwy wokół dwóch prostopadłych do siebie osi lub w dwóch płaszczyznach (staw promieniowo-nadgarstkowy, pozwala na ruchy zginania prostowania wokół osi poprzecznej oraz ruchy przywodzenia i odwodzenia wokół osi strzałkowej)

• trzy stopnie swobody, ruch w stawie możliwy jest wokół trzech prostopadłych do siebie osi lub w trzech płaszczyznach; (stawy kulisto-panewkowe staw barkowy, staw biodrowy).

W stawach o dwóch i trzech stopniach swobody możliwe jest wykonywanie ruchów okrężnych.

• Przez sumowanie stopni swobody kilku stawów układ ruchowy osiąga liczbę stopni swobody łańcuchów kinematycznych, niezbędną do realizacji dowolnie skomplikowanych ruchów przestrzennych. Wraz ze wzrostem liczby stopni swobody łańcucha kinematycznego zwiększa się jego swoboda ruchu, co pozwała na realizację bardzo złożonych wzorców ruchu.

• Występujący nadmiar stopni swobody w układzie ruchowym człowieka ma też ważne znaczenie funkcjonalne i kliniczne. Z jednej strony aktywność takiego układu wymaga bardzo rozbudowanego układu sterowania, co z kolei bardzo spowalnia jego działanie. W aspekcie klinicznym nadmiarowość pozwała na kompensowanie pewnych niedoborów powstałych w układzie ruchowym na skutek niewydolności funkcjonalnej lub zmian patologicznych. Ceną takiej kompensacji jest zawsze zwiększenie wydatku energetycznego oraz dodatkowe obciążenie pozostałych stawów.

• W łańcuchach kinematycznych kończyn górnych i dolnych segmenty dalsze mają więcej stopni swobody niż segmenty bliższe. Wyznaczenie dokładnej liczby stopni swobody złożonego łańcucha kinematycznego jest dość skomplikowane.

• łańcuch kinematyczny górnej kończyny, licząc od klatki piersiowej do czubka palców, ma co najmniej 19 stopni swobody.

Tak znaczna swoboda ręki daje jej niesłychane możliwości techniczne, pozwalające na realizację różnorodnych, bardzo zróżnicowanych pod względem zakresu i precyzji, ruchów dowolnych.

- W kończynach dolnych od miednicy aż po czubki palców stopy, co najmniej 25 stopni swobody.
Nadmiarowość stopni swobody łańcuchów kinematycznych nóg pozwala w czasie lokomocji na dostosowanie
ruchów stopy do nierównomierności i pochyłości podłoża. Dzięki temu realizowane są sprawnie funkcje
lokomocyjne kończyn dolnych przy minimalnych nakładach energii. Oprócz stopni swobody istotny wpływ na
zachowanie się łańcucha kinematycznego mają uwarunkowania zewnętrzne.

Łańcuchy kinematyczne otwarte i zamknięte.

Łańcuch kinematyczny otwarty - jego dalszy segment porusza się swobodnie w przestrzeni, poszczególne segmenty mogą poruszać się niezależnie lub nawet niektóre z nich mogą pozostawać w spoczynku.

Łańcuch kinematyczny zamknięty - dalszy koniec styka się z podłożem i tym samym pozostaje nieruchomy. Poruszają się natomiast jego bliższe segmenty, ruch jednego segmentu wymaga ruchu pozostałych.

np. w czasie lokomocji kończyny dolne w fazie przeniesienia tworzą otwarty łańcuch kinematyczny, natomiast w fazie podparcia, gdy stopa pozostaje w kontakcie z podłożem, mamy do czynienia z zamkniętym łańcuchem kinematycznym.

CHÓD

W czasie lokomocji dolne kończyny w fazie przeniesienia tworzą otwarty łańcuch kinematyczny, natomiast w
fazie podparcia, gdy stopa pozostaje w kontakcie z podłożem, mamy do czynienia z zamkniętym łańcuchem
kinematycznym. W przypadku normalnego chodu stosunek ruchów w zamkniętych łańcuchach kinematycznych
do ruchów w otwartych łańcuchach wynosi 65% do 35%.

W miarę wzrostu prędkości poruszania procentowy udział ruchów w zamkniętym łańcuchu kinematycznym znacząco maleje (podczas sprintu 10%)

Ciało człowieka składa się głównie z otwartych łańcuchów kinematycznych, gdyż ogniwa końcowe (stopa i ręka) pozostają wolne.

Można również wyodrębnić w ciele człowieka dwa zamknięte łańcuchy kinematyczne. Jednym z nich jest klatka piersiowa i wszystkie jej struktury ruchowe zaangażowane w proces oddychania. Drugim takim łańcuchem kinematycznym wydaje się być miednica, gdzie śladowa ruchomość w stawach krzyżowo-biodrowych powoduje przy ruchu w jednym z tych stawów określony ruch drugiego.

Aby rehabilitacja była skuteczna, uwzględnia się oba komponenty ruchu

■ Otwarty łańcuch kinematyczny można opisać, jako izolowany ruch w jednym stawie, którego część
dystalna porusza się swobodnie w przestrzeni,

- siła wytwarzana przez ciało jest na tyle duża by pokonać opór.

Ćwiczenia w otwartych łańcuchach kinematycznych charakteryzują się większą prędkością i swobodą ruchu, a mniejszą stabilnością.

■ Zamknięty łańcuch kinematyczny można opisać, jako określony ruch wielostawowy, w którym dystalny
segment jest ustabilizowany lub napotyka duży opór, który ten ruch uniemożliwia lub w znacznym
stopniu ogranicza.

- siła wytwarzana przez ciało nie jest wystarczająca by pokonać ten opór.

Zamknięty łańcuch kinematyczny

• Zespoły mięśniowe pracują odwrotnie. Przyczep końcowy staje się początkowym, a początkowy końcowym. Wymusza to inną koordynację nerwowo-mięśniową

• Poszczególne pary kinematyczne tracą część swoich stopni swobody ruchu na rzecz całego łańcucha kinematycznego i dlatego ćwiczenia te charakteryzują się większą stabilnością, a mniejszym przyśpieszeniem. Porusza się część proksymalna w stosunku ustabilizowanej dystalnej.

Ćwiczenia - podział

■ w otwartych łańcuchach kinematycznych,

• w zamkniętych łańcuchach kinematycznych,

• w częściowo zamkniętych łańcuchach kinematycznych,

• w szybko zmieniających się na przemian otwartych i zamkniętych łańcuchach kinematycznych

4

Ćwiczenia w otwartych łańcuchach kinematycznych

Ćwiczenia te są najczęściej do tej pory stosowanym środkiem terapeutycznym, stanowią specyficzne,

efektywne i izolowane ćwiczenia pojedynczych grup mięśniowych, odtwarzają pojedyncze wzorce ruchowe i

charakteryzują się zwiększeniem komponenty sił ścinających w stosunku do kompresujących. W mniejszym

stopniu stymulują one propriocepcję, przede wszystkim aktywizują mięśnie agonistyczne i synergistyczne, nie

są odpowiednie do treningu czynności dnia codziennego i aktywności sportowej.

Ćwiczenia w zamkniętych łańcuchach kinematycznych

Na przestrzeni kilku ostatnich lat ćwiczenia te stały się jednym z podstawowych i najbardziej popularnych

środków terapeutycznych; angażują duże zespoły dynamiczne, odtwarzają bardziej funkcjonalne wzorce

ruchowe i charakteryzują się zwiększeniem komponenty sił kompresujących w stosunku do ścinających. Część

z nich zapewnia lepszą stabilizację stawów poprzez kokontrakcję zespołów mięśniowych je otaczających.

Zapewniają lepszą dynamiczną stabilizację-propriocepcję, aktywizują jednocześnie mięśnie agonistyczne,

synergistyczne i antagonistyczne oraz są bezpieczniejsze niż niektóre ćwiczenia w otwartych łańcuchach

kinematycznych.

Zapewniają lepszą dynamiczną stabilizację-propriocepcję, aktywizują jednocześnie mięśnie agonistyczne,

synergistyczne i antagonisty czne oraz są bezpieczniejsze niż niektóre ćwiczenia w otwartych łańcuchach

kinematycznych.

■ Stosując tylko ćwiczenia w zamkniętych łańcuchach kinematycznych możemy nie dostrzec słabszych

ogniw w tym łańcuchu, które pacjent kompensuje za pomocą dobrze funkcjonujących innych ogniw.

Zagraża to wystąpieniem innych lub powtórnych urazów, które mogą utrudnić proces usprawniania.

Dlatego w postępowaniu terapeutycznym należy zwracać uwagę także na słabsze części łańcucha

kinematycznego i trenować je w sposób mniej funkcjonalny, a bardziej lub mniej wyizolowany, używając

ćwiczeń w otwartym łańcuchu kinematycznym.

Ćwiczenia w częściowo zamkniętych łańcuchach kinematycznych to ćwiczenia, w których segment dystalny

napotyka opór, ale nie jest w pełni ustabilizowany, np. podczas biegu na nartach.

Ćwiczenia w szybko zmieniających się na przemian otwartych i zamkniętych łańcuchach kinematycznych -

segment obwodowy jest cyklicznie i szybko zamykany i otwierany, np. podczas biegu, skoków

Dźwignie kostne Dźwignia jest prostą maszyną, urządzeniem do przekazywania energii (siły), tzn. może wykonywać pracę, kiedy energia jest przekazywana przez nią.

W organizmie człowieka siła mięśni jest przenoszona przez kości (dźwignie), aby poruszać segmentami ciała. Dźwignia działa na zasadzie sztywnego drążka, na który działają siły i obracają drążek wokół punktu podparcia.

Budowa dźwigni:

• punkt podparcia dźwigni (punkt obrotu), wokół którego sztywny drążek obraca się (staw)

• ramię siły (wysiłku), wszystkie części drążka pomiędzy punktem podparcia dźwigni i punktem, w którym przyłożona jest siła (przyczep ścięgna kurczącego się mięśnia do poruszanej kości)

• ramię oporu (ciężaru), wszystkie części drążka pomiędzy punktem podparcia dźwigni i punktem, w którym działa opór czy ciężar, jaki ma być przezwyciężony przez to ramię (np. przedmiot trzymany w ręku)

5

Rodzaje dźwigni ( klasy )

Dźwignie pierwszej klasy obejmują dźwignie kostne dwustronne (przykład - huśtawka wykonana z deski podparta na poprzecznie usytuowanym walcu) - dźwignia dwuramienna, w której punkt podparcia leży pomiędzy punktem zaczepienia siły a oporu.

Zasada dźwigni dwustronnych wykorzystywana jest do stabilizacji kręgosłupa. W tym systemie pracują poszczególne kręgi. W postawie stojącej ciężar tułowia, stanowiący główne obciążenie kręgów, równoważony jest napięciem mięśni prostowników grzbietu. Stan równowagi rzeczywistej dźwigni dwustronnej zapewnia:

równowaga momentów sił działających na jej ramiona

wytrzymałość kości w punkcie podparcia

Rzeczywiste obciążenie w stawie ( Fr ) jest wynikiem sumowania się siły obciążenia (F o) i siły mięśniowej (Fm) Wytrzymałość kości musi przewyższać maksymalne obciążenie stawu powstające w wyniku sumowania siły obciążenia i siły mięśniowej. Nawet w warunkach statycznych taka wypadkowa siła może wielokrotnie przewyższać ciężar całego ciała.

Najbardziej obciążonymi stawami są stawy biodrowy i kolanowy. Podczas stania na jednej nodze siły działające na staw biodrowy przewyższają 2,5 raza ciężar ciała. W warunkach dynamicznych np. podczas chodu czy biegu wartość maksymalnego obciążenia zmienia się od 400 do 550%.

Dźwignie drugiej klasy - obejmują dźwignie kostne jednostronne, są najliczniej reprezentowane w układzie ruchu człowieka. Ramię działania siły mięśniowej jest zawsze krótsze od ramienia obciążenia.

Siła skurczu mięśnia lub grupy mięśni współdziałających musi być, co najmniej dziesięciokrotnie większa od wielkości obciążenia.

=1050 N

Dźwignie trzeciej klasy - są to dźwignie jednostronne, których ramię przyłożenia siły mięśniowej jest dłuższe od ramienia siły obciążenia. Powoduje to, że siła skurczu mięśni niezbędna dla zrównoważenia siły obciążenia jest odpowiednio mniejsza, a dokładnie tyle razy, ile razy dłuższe jest ramię działania siły mięśniowej w stosunku do ramienia siły obciążenia.

W organizmie człowieka występuje niewiele tego typu dźwigni. Dźwignia przedramienia w przypadku niedowładu mięśnia dwugłowego i ramiennego.

7

Podział dźwigni:

dźwignia jednostronna - oś obrotu znajduje się na końcu dźwigni, miejsce przyłożenia siły mięśniowej (Fm) i miejsce przyłożenia wypadkowej siły obciążenia (Fo) znajdują się po tej samej stronie w stosunku do punktu podparcia. Obciążeniem w układzie ruchowym jest zazwyczaj ciężar ciała lub poszczególnych jego segmentów oraz tarcie i wszelkie siły zewnętrzne działające na organizm

■ dźwignia dwustronna - stawowy punkt podparcia dźwigni znajduje się miedzy miejscami przyłożenia siły

mięśniowej i siły obciążenia. Jeśli suma momentów działających sił wynosi zero, to dźwignia pozostaje w stanie równowagi (warunek równowagi

6

---