1. O biomechanice prawie wszystko

BIOMECHANIKA - jest nauką zajmującą się działaniem wewnętrznych i zewnętrznych sił na ciało - strukturę biologiczną istot żywych oraz skutkami tych działań

Od pobudzenia (nerwowego) do pracy mechanicznej: impuls nerwowy wyzwala potencjał czynnościowy mięśnia => dochodzi do wyzwolenia energii chemicznej (procesy metaboliczne) => która jest zamieniana na pracę mechaniczną => towarzyszy temu wytworzenie energii cieplnej, której część jest rozpraszana

UKŁAD RUCHU

Kości - dźwignie

Stawy - połączenia

Mięśnie - siłowniki

Masa, środki masy, momenty bezwładności, ciężar właściwy

Zasilanie Sterowanie

(procesy energetyczne) (procesy nerwowe)

Przedmiotem biomechaniki jest identyfikacja potencjału ruchowego człowieka

Przedmiotem biomechaniki jest identyfikacja i optymalizacja struktury ruchów człowieka

Biomechanika rozwinęła metody badania własności układu ruchu i struktury ruchów człowieka

Biomechanika ma zastosowanie w wychowaniu fizycznym, sporcie, fizjoterapii i ergonomii

Biomechanika mając własny przedmiot badań oraz metody badawcze, łączy w sobie wiedzę z zakresu anatomii, fizjologii i fizyki, jest zatem nauką interdyscyplinarną

2. Czynność mięśnia

2.1.1. Czynność statyczna

O czynności statycznej mówimy wówczas, gdy pobudzony mięsień nie zmienił swojej długości i tym samym nie zmieniła się odległość między przyczepami

Mięsień pobudzony działa z jednakową siłą na oba - początkowy i końcowy - punkty przyczepowe

2.1.2. Czynność dynamiczna

Mamy dwa rodzaje czynności dynamicznej mięśnia: koncentryczną i ekscentryczną

O czynności dynamicznej mówimy wtedy, gdy pobudzony mięsień zmienia swoją długość

Energia elektryczna

Energia chemiczna energia mechaniczna; praca

Ciepło

2.2. Mięśnie szkieletowe; struktura mikroskopowa i makroskopowa

Podstawowym składnikiem mięśnia jest wielojądrowe włókno mięśniowe

Z mechanicznego punktu widzenia skrócenie się sarkomeru ( i całego mięśnia) polega na przesunięciu nitek miozyny względem aktyny

2.5. Jednostka motoryczna i więcej o aktywności elektrycznej

Jednostka motoryczna to pewna liczba włókien mięśniowych unerwionych przez te same włókna nerwowe

Jednostki motoryczne małych mięśni mogą składać się z kilku włókien, a duże mięsnie z kilkuset, a nawet 5000 włókien mięśniowych

Płynne działanie całego mięśnia, mimo impulsowego charakteru bodźca nerwowego, jest możliwe dzięki niejednoczesnemu pobudzaniu włókien mięśniowych oraz przeplataniu się jednostek motorycznych

Elektromiografia jest wykorzystywana jako narzędzie diagnostyczne do oceny przewodnictwa nerwu i reakcji mięśniowej w chorobowo zmienionych tkankach oraz do identyfikacji i pomiaru aktywności mięśni podczas pobudzenia w statyce i dynamice

Elektromiogram jest to suma czasowo - przestrzenna potencjału czynnościowego jednostki motorycznej podczas pobudzenia, mierzona specjalnymi elektrodami

Amplituda potencjału zależy od liczby zaangażowanych włókien, częstotliwości zaś od synchronizacji ich pobudzenia

2.6.Cykl Rozciągnięcie - Skurcz

Cykl Rozciągnięcie - Skurcz (CR - S)

W ruchach dynamicznych, których celem jest uzyskanie dużej energii, mięsień działa często w cyklu rozciągnięcie - skurcz (CR - S)

3. Mięsień jako siłownik; siła i prędkość skracania mięśnia.

3.1.Podział sił działających na układ ruchu

PODZIAŁ SIŁ DZIAŁAJĄCYCH NA UKŁAD CZŁOWIEKA

Siły zewnętrzne - przyciąganie ziemskie, partner/przeciwnik, wiatr, prąd wody, tarcie, reakcja podłoża

Siły wewnętrzne - siły wytwarzane przez mięśnie, opór tkanek biernych, bezwładność

Siły czynne - siły pobudzonych mięśni, przyciąganie ziemskie, partner przeciwnik, wiatr, prąd wody

Siły bierne - reakcja podłoża, tarcie, opór wody, opór powietrza, opór tkanek biernych, bezwładność, siły bierne mięśni

3.2. Siła i masa mięśni; siły bezwzględna, względna i właściwa

„Siłę” bezwładną, a w rzeczywistości moment siły - gdyż taki jest dostępny pomiarom metodami nieinwazyjnymi (T_abs) grupy mięśni - wyraża się w niutonometrach [Nm]

„Siła” względna (T_rel) - moment siły względnej - to w rzeczywistości moment siły bezwzględnej T_abs[Nm] przeliczony na jednostkę masy ciała m [kg], T_rel= T_abs/m [Nm/kg]

3.2.2. Siła właściwa; przekrój fizjologiczny a kształt mięśnia

Przekrój fizjologiczny mięśnia to powierzchnia przekroju poprzecznego wszystkich jego włókien

Siła właściwa jest to wartość siły mięśnia przypadająca na jednostkę powierzchni jego przekroju fizjologicznego. Wartość ta jest w miarę stała i wynosi średnio 30N/cm²

3.2.4. Wpływ przebiegu włókien na wartość siły mięśnia

Z dwóch mięśni : pierzastego i obłego, o tym samym obwodzie, mięsień pierzasty ma większy przekrój fizjologiczny. Przekrój wzrasta wraz ze wzrostem kąta pierzastości

Z dwóch mięśni: pierzastego i obłego, o tym samym obwodzie, mięsień pierzasty rozwija większą siłę. Im większy zaś kąt pierzastości mięśnia tym mniejsza jest jego składowa użyteczna działająca wzdłuż osi długiej

3.3. Siła mięśnia w funkcji jego długości

Sarkomer wyzwala największą siłę przy długości wyjściowej, wynoszącej od 2 do 2,25 µm; wydłużony lub skrócony, traci na zdolności wyzwalania siły

W modelu mięśnia możemy wyróżnić elementy kurczliwe EK oraz elementy sprężyste ułożone równolegle RES (równoległe elementy sprężyste) i szeregowe SES (szeregowe elementy sprężyste)

Mięsień zawierający brzusiec i ścięgna jest zdolny do wyzwolenia większej siły, gdy jest rozciągnięty, niż wtedy gdy jest skrócony

Siła mięśnia pochodząca od elementów kurczliwych EK jest największa w pośrednim stanie jego długości (długości spoczynkowej). Gdy uwzględnimy ponadto udział elementów sprężystych SES i RES, to największą siłą dysponuje mięsień częściowo wydłużony

3.4. Typ mięśnia, kąt pierzastości a prędkość skracania się mięśnia

Prędkość skracania się sarkomeru jest stała i dla mięśni człowieka wynosi średnio 6 µm/s (0,000006 m/s)

Zależność prędkości skracania się mięśnia od jego długości i kąta pierzastości: im dłuższy mięsień, tym większa prędkość skracania się; im większy kąt pierzastości, tym większe „straty” prędkości skracania się mięśnia (względem jego osi długiej)

3.5. Siła mięśnia w funkcji pobudzenia

Istnieje dodatni związek między częstotliwością impulsów pobudzenia a wartością siły wyzwalanej przez mięsień, szczególnie w działaniu izometrycznym

Maksymalna częstotliwość potencjału czynnościowego w mięśniu wynosi 40 - 50 Hz

Opóźnienie elektromechaniczne (EMD) jest to czas miedzy pojawieniem się aktywności elektrycznej a początkiem wyzwalania siły siły przez mięsień. Dla mięśni szkieletowych wynosi ono od 0,03 do 0.06 s

3.6. Siła mięśnia w funkcji czasu

Dynamika wyzwalania siły mięśniowej może być opisana za pomocą „gradientu momentu siły”, który stanowi miarę średniej prędkości jego narastania

3.7.1. Siła mięśnia a prędkość jego skracania się

Wartość siły rozwijanej przez miesień jest zależna od prędkości jego skracania; zależność ta w przybliżeniu jest odwrotnie proporcjonalna

4. Działanie siły mięśni na dźwignie kostne i zmienność anatomicznych funkcji mięśni

4.1. Działanie siły mięśni na dźwignię kostną; moment siły mięśnia

Do charakterystyki dźwigni należą: punkty podparcia( oś obrotu), punkty przyłożenia siły oraz ramię każdej siły. Mówiąc zaś o sile, która jest wielkością wektorową, trzeba określić jej punkt przyłożenia, kierunek, zwrot i wartość

Typy i rodzaje dźwigni: typ I - dwustronna lub pierwszego rodzaju, II - jednostronna drugiego rodzaju, III - jednostronna trzeciego rodzaju

DŹWIGNIA

DWUSTRONNA JEDNOSTRONNA

II RODZAJU III RODZAJU

Moment siły jest wektorem wyznaczonym przez iloczyn wektorowy odległości punktu przyłożenia siły od osi obrotu d i wektora F M= d x F

Ramię siły jest to odległość miedzy kierunkiem działania siły F a osią obrotu dźwigni. Odległość ta jest mierzona od osi obrotu dźwigni wzdłuż prostej prostopadłej do kierunku działania siły F

4.1.1. Ruch dźwigni kostnej wywołany działaniem mięśni

Z analizy położenia punktów przyczepu mięśni względem osi stawów wynika, dlaczego przy stosunkowo małej prędkości skracania się mięśnia uzyskujemy duże prędkości końcówek, np. stopy w chwili kopnięcia piłki i w biegu sprinterskim lub dłoni podczas rzucania piłki

4.1.2. Wpływ kąta ścięgnowo - kostnego na wartość momentu siły mięśnia

Kąt ścięgnowo kostny jest to kąt zawarty miedzy osia długą kości, na którą działa mięsień, a kierunkiem przebiegu ścięgna tego mięśnia

Zmiana w kąta w stawie nie równa się zmianie kata ścięgnowo - kostnego

Najkorzystniejsza teoretycznie wartość kąta ścięgnowo - kostnego to taka, która daje pełne wykorzystanie wyzwalanej siły mięśnia, czyli 90^o

4.1.3. Zmiana ramienia siły mięśnia wraz ze zmianą kąta ścięgnowo - kostnego

Wartość momentu siły pojedynczego mięśnia (tzw. Składowa momentu siły mięśniowej) zależy od kąta w stawie, na który działa dany mięsień. Podobne stwierdzenie można sformułować w odniesieniu do sumarycznego momentu siły grupy mięsni.

4.2. Pomiar momentów sił grup mięśni

W warunkach statyki, wykorzystując warunek równowagi dźwigni kostnej , można wyznaczyć wartość działającego w stawie wypadkowego momentu sił mięśniowych, mierząc wartość równoważącego go momentu zewnętrznego.

4.2.1. Metodyka pomiaru momentów siły mięśniowych w statyce

Warunki pomiaru momentów sił mięśniowych w statyce:

• Zlokalizować położenie osi badanego stawu (oś stawu musi pokrywać się z osią dźwigni momentomierza)

• Ustalić wartość kątów w stawach sąsiednich

• Ustabilizować pozycję ciała (stawy sąsiednie)

• Podać wartość kątową w stawie obsługiwanym przez badaną grupę mięśni, przy której dokonuje się pomiaru

4.4. Pojęcie aktonu i klasy mięśnia

Aktonem nazywamy tę część mięśnia, która realizuje względem stawu samodzielną funkcję. Wyróżniona anatomicznie część - akton - zwykle posiada swoją nazwę np. część obojczykowa mięśnia naramiennego.

Klasa mięśni to liczba stawów, które dany mięsień obsługuje; im więcej stawów obsługuje mięsień tym wyższa jest jego klasa.

5. charakterystyki bezwładnościowe ciała człowieka

5.2. Ruch obrotowy; model ciała w ruchu obrotowym

Jeżeli w układzie ciał działają tylko siły wewnętrzne (wypadkowy moment sił zewnętrznych względem osi obrotu równy jest zeru) to całkowity moment pędu układu pozostaje stały.

5.2.1. Moment bezwładności

Moment bezwładności jest wielkością charakteryzującą bezwładność ciał w ruchu obrotowym

Centralny moment bezwładności Ciała A jest to moment bezwładności wyznaczony względem osi przechodzącej przez środek masy ciała

5.2.3. Wybrane przykłady wykorzystania w sporcie praw rządzących ruchem obrotowym

Ruchy obrotowe człowieka mogą odbywać się wokół osi ustalonych i swobodnych

O powodzeniu wykonania wolnego obrotu ciała w locie, czyli wobec osi swobodnej, decyduje początkowy moment pędu oraz zdolność do zmiany momentu bezwładności ciała, pozwalające w sposób kontrolowany zmienić prędkość ruchu obrotowego.

Symulowano liczbę możliwych obrotów ciała, jakie wykonuje gimnastyk podczas spadania (zeskoku) po wykonaniu kołowrotu olbrzymiego na drążku. Wysokość, z jakiej spada ciało, jest względnie stała, czas spadania wyznaczony przez przyśpieszenie ziemskie jest ograniczone. Najlepsi gimnastycy wykonują obecnie trzy obroty salta w czasie ok. 1,36 s. Wykonanie czterech salt jest niemożliwe, jeżeli nie zmieni się warunków technicznych, tj. wysokości lub elastyczności drążka tak, aby wydłużyć potrzebny czas spadania do ok. 2 s.

5.5. Środki mas i środki ciężkości części ciała

Środkiem ciężkości ciała nazywamy punkt, w którym jest przyłożona wypadkowa siła ciężkości (ciężarów) wszystkich elementów ciała.

5.7. Ciężar właściwy ciała i tkanej

Środek wyporu jest to punkt, w którym jest przyłożona wypadkowa siła wyporu. Wartość tej siły równa się ciężarowi cieczy wypartej przez zanurzone ciało i zwrócona jest przeciwnie do siły ciężkości.

Ciężar właściwy ciała jednorodnego jest to stosunek jego ciężaru Q do objętości V. Dla ciała niejednorodnego, jak u człowieka, oznacza się średni ciężar właściwy. Jednostkami ciężaru właściwego są G/cm³ lub kg/m³.

6. Kinematyka połączeń stawowych

6.1.1. Pojęcie ruchomości czynnej, biernej i szkieletowej

Zakres czynny to taki, jaki uzyskamy aktywizując momenty sił mięśni działających na dany staw. Zakres bierny uzyskuje się przy wykorzystaniu momentów sił zewnętrznych, przy czym mięśnie zachowują się biernie.

Pojęcie ruchomości szkieletowej dotyczy możliwości ruchu, na jaką pozwala wzajemny kształt powierzchni stawowych łączących się kości. Jest to wartość teoretyczna.

6.1.2. Zakresy ruchów i ich ograniczenia

Czynnikami ograniczającymi zakres ruchów w stawach są: chrząstki okołostawowe, torebki stawowe, więzadła i mięśnie.

Fizjologiczne czynniki ograniczenia zakresu ruchu w stawach:

• Ograniczony (fizjologiczny) zakres skracania się bądź rozciągania mięśni

• Spadek elastyczności mięśni

• Spadek elastyczności aparatu więzadłowego

• Przerost mięsni

6.4. Goniometria; zasady pomiaru zakresu ruchu w stawach

Zakres ruchu w stawie definiuje się jako przedział (zakres zmian) kata stawowego między krańcowymi położeniami członów w stawie w danej płaszczyźnie ruchu.

6.6.3. Ruchliwość pary kinematycznej

Ruchliwość pary kinematycznej nazywamy liczbę stopni swobody ruchu jednego z członów pary względem drugiego, unieruchomionego.

Klasą par kinematycznych nazywamy liczbę stopni swobody (spośród sześciu) „utraconych” - przez jeden (każdy z obu) z członów pary - w wyniku nałożenia na nie więzów tworzących parę kinematyczną. Przykład: staw kolanowy jest połączeniem IV klasy; ma nałożone cztery więzy przez kształt geometryczny powierzchni stawowych i otaczających go więzadeł i ma 2^o swobody.

6.6.4.Łańcuch kinematyczny i jego ruchliwość

Łańcuchem kinematycznym nazywamy spójną strukturę zbudowaną z członów połączonych w pary kinematyczne

Ruchliwością łańcucha kinematycznego nazywamy liczbę stopni swobody członów ruchomych łańcucha względem nieruchomej podstawy, za którą uważa się jeden, dowolnie wybrany człon

Łańcuch kinematyczny otwarty to łańcuch o konfiguracji szeregowej, którego ogniwa nie tworzą struktur zamkniętych

Łańcuch zamknięty to taki, w którym występują połączenia ruchów między wszystkimi członami, co oznacza, że brakuje w nim członu w wolnej końcówce.

6.6.5. Układ ruchu człowieka jako biomechanizm

Układ ruchu człowieka, zawierający kości - człony sztywne i stawy - połączenia ruchowe , uznajemy za biomechanizm

Stawy w układzie ruchu człowieka tworzą obrotowe pary kinematyczne, zatem ich ruchliwość może wynosić najwyżej trzy stopnie swobody

7. Sterowanie ruchem

7.1. Sterowanie a koordynacja

Sterowanie ruchami ciała człowieka jest procesem nerwowo - mięśniowym

Sterowanie odbywa się w układzie otwartym i zamkniętym; sterowanie w układzie zamkniętym nazywa się regulacją

7.2. Pojęcie sterowania i regulacji

Podstawą sterowania ruchami w układzie otwartym lub zamkniętym jest czas przebiegu sygnału od układu sterującego do sterowanego i informacji zwrotnej do układu sterującego

7.3. Jakość procesu sterowania ruchem

Kryteria jakości procesu sterowania ruchem: dokładność, stabilność, czas reakcji, maksymalne pasmo przenoszenia

7.5.1. Struktura układu programowania i sterowania ruchami przez człowieka

Program ruchu w koncepcji Bernsteina składa się z dwóch części: znaczeniowej i wykonawczej.

7.6. Sterowanie współdziałaniem mięśni w stawie o jednym stopniu swobody

W sterowaniu dwoma antagonistynymi mięśniami można wykazać występowanie równoczesnej i następczej koordynacji ruchów

7.7. Inny przykład sterowania w pętli zamkniętej ( ze sprzężeniem zwrotnym); sterowanie ruchem łańcucha kinematycznego

Dzięki regulacji w układzie zamkniętym, w którym istotną rolę spełniają receptory, zadania ruchowe są nie tylko realizowane, ale mogą także cechować się pewnym „rozsądnym gospodarowaniem” siłą czy energią

7.8. Utrzymanie pozycji stojącej ciała jako szczególny przykład sterowania ze sprzężeniem zwrotnym

Człowiek w postawie stojącej ulega ciągłemu chwianiu. Taki stan stabilności nazywamy stabilnością nieasymptotyczną - czyli stabilnością w pewnym obszarze.

Zachowanie równowagi ciała w postawie stojącej realizuje się przez proces regulacji w pętli sprzężenia zwrotnego, w której układem sterującym jest układ nerwowy, a układem poddanym regulacji - układ ruchu

7.9. Próba definicji koordynacji ruchów i przesłanki jej pomiaru.

Sterowanie ruchami to w konsekwencji sterowanie wielkościami fizycznymi tych ruchów, czyli przestrzenią, czasem i siłą.

Są to ważne rzeczy spisane z książki BOBERA (to wszystko co jest zaznaczone na żółto w książce)

---