POJĘCIA: RAMIENIA DŹWIGNI, RAMIENIA SIŁY , MOMENTU SIŁY MIĘŚNIOWEJ I SIŁY OPORU – OMÓWIENIE NA PRZYKŁADZIE

wstęp – wyjaśnienie podstawowych pojęć

moment siły jest to iloczyn działającej na ciało siły i jej ramienia

M = F x r,

gdzie F - siła, r - ramie siły, x - oznaczenie iloczynu wektorowego.

ramię siły jest to odległość między osią obrotu a miejscem przyłożenia siły

Dźwignia jest to sztywny pręt czyli ramię dźwignie (u człowieka kość) która może obracać się względem osi obrotu (p-ktu podparcia, u człowieka p-kty podparcia przechodzą przez stawy), na dźwignię działają siły, istnieje siła przyłożenia która u człowieka jest siłą mięśnia, a siła pokonywaną, czyli siłą oporu może być siła ciężkości, siła kontaktowa lub związana ze zderzeniem

istnieją dźwignie dwustronne i jednostronne.

Dźwignie jednostronne częściej występują u człowieka są to takie dźwignie gdzie siła działania i siła obciążenia jest po tej samej stronie p-ktu podparcia. Rozróżnia się dwa rodzaje dźwignie jednostronnych,

• takie gdzie siła przyłożenia do dźwigni jest bliżej osi obrotu niż siła oporu

• takie gdzie siła przyłożenia do dźwignie jest dalej od osi obrotu niż siła oporu.

Pierwsza zachodzi np. w stawie łokciowym (punkt podparcia – obrotu) gdzie mięsień dwugłowy ramienia zgina w staw łokciowy unosząc przedramię i rękę (siłę ciążenia – oporu)

przykładem drugiego wariantu mamy do czynienia gdy chcemy stanąć na palcach, mięśnie łydki podnoszą stopę do stania na palcach, punkt podparcia jest punkt oparcia palców o podłoże, a siła obciążenia wiąże się ciężarem stopy.

Drugim rodzajem dźwigni są dźwignie dwustronne. W takich dźwigniach siła przyłożenia i siła obciążenia znajdują się po różnych stronach p-ktu podparcia (osi obrotu). Z taką dźwignią mamy do czynienia przy schylaniu głowy w przód, mięśniami działającymi tutaj są mięśnie karku, a siła obciążenia jest związana z ciężarem głowy, oś obrotu przechodzi przez kręg szczytowy.

Staw kolanowy i mięsień czworogłowy uda

fazy wchodzenia po schodach

rozłożenie sił dla m prostego uda w drugiej fazie wchodzenia na schody

Fc=m*g*sinα

M1= Fc*r1

M2= Fm* r1

żeby zachować równowagę w tej pozycji musi zachodzić równość M1=M2

Długość ramienia - odległość punktu podparcia od końca belki. - ramię dźwigni

Ramię siły: Ramię siły, to pojęcie występujące w ruchu obrotowym ciał. Jest to wektor, którego wartość wyraża odległość linii - kierunku działania siły - od punktu obrotu.

O - punkt obrotu

p - kierunek siły F

r - ramię siły F

Ramię siły jest zawsze prostopadłe do kierunku siły.

Jeśli punkt obrotu leży na kierunku siły, to ramię siły jest równe zeru.

 Moment siły

Moment siły M jest to fizyczna wielkość wektorowa, będąca iloczynem wektorowym siły i jej ramienia:

M = F x r,

gdzie F - siła, r - ramie siły, x - oznaczenie iloczynu wektorowego.

Ruchy obrotowe stawu biodrowego

Obrót do wewnątrz hamowany jest przez więzadło kulszowo-udowe, obrót na zewnątrz przez więzadło biodrowo-udowe, przy zgiętym biodrze również przez więzadło głowy kości udowej.

Ruchy obrotowe na zewnątrz są wykonywane ze znaczną siłą (40.5 kGm) w porównaniu do obrotu do wewnątrz. Głównym obracaczem na zewnątrz jest mięsień pośladkowy wielki, który wykonuje jedną trzecią całej pracy. Jest on głównie wspomagany przez części tylne obu pozostałych mięśni pośladkowych, przez zasłaniacz wewnętrzny i mięsień biodrowo-lędżwiowy. Obrót do wewnątrz jest najsłabszym ruchem w stawie biodrowym; tłumaczy się to po części tym, że ruch ten prawie nigdy nie występuje samodzielnie, lecz zwykle wspomagany jest przez inne czynniki, np. przez siłę ciężkości, która obraca kończynę do wewnątrz. Najskuteczniejszym mięśniem obracającym udo do wewnątrz jest część przywodzi cielą wielkiego i część przednia mięśnia pośladkowego małego.

Biomechanika stawu biodrowego

Ta sekcja nie jest przeznaczony do kompleksowej analizy sił działających na bliższego końca kości udowej i panewki. Czytelnik jest odsyłany do wyczerpująco pełnej analizy tego tematu przez Pauwelsa Frederick w biomechaniki narządu ruchu (7). Jest jednak ważne dla sukcesu protez stawu biodrowego, że jeden rozumie czynników wpływających zarówno na kierunek i wielkość sił działających na głowy kości udowej. Siły wywierane na biodrze mają swoje biologiczne wyraz w postaci kości udowej i panewki, szczególnie w lokalizacji i orientacji gąbczastej strukturze. Siły wywierane na protezę głowy kości udowej w prawidłowo wykonanej całkowitej wymiany stawu biodrowego będzie bardzo podobna w obu kierunkach i wielkościach.

Spośród wszystkich gatunków w królestwie zwierząt, tylko ptaki i ludzi normalnie posługują się dwunożne chód. Nawet większe naczelnych użyć quadripedal tryb chodzenie przez większość swojej działalności. Kiedy ciężar ciała jest ponoszone na obie nogi, środek ciężkości skupia się między dwoma biodrach i jego siła jest wywierana równo po obu bioder (Rys. 1.23). W tych warunkach obciążenia, ciężar ciała minus wagi obu nóg jest obsługiwana w równym stopniu od głów kości udowej, a powstałe wektory są pionowe.

Gdy biodra są postrzegane w płaszczyźnie strzałkowej i jeśli środek ciężkości znajduje się bezpośrednio nad ośrodkami głowy kości udowej, nie siły mięśni są wymagane do utrzymania pozycji równowagi, choć minimalne siły mięśni będzie konieczne, aby utrzymać równowagę. Jeśli górna część ciała jest pochylił lekko ku tyłowi tak, że środek ciężkości jest kłamać późniejsza w stosunku do ośrodków z głów kości udowej, torebki przedniej hip będzie ciasno, więc stabilność będzie produkowany przez więzadła Y Bigelow. Dlatego też, w symetrycznej pozycji na obu kończynach dolnych, że siły ściskające działające na każdej głowy kości udowej stanowią około jednej trzeciej masy ciała (7).

W jednej postawy nóg, skuteczny środek ciężkości przesuwa się dystalnie, z dala od nogi wspierającej ponieważ noga nonsupporting jest obecnie obliczana jako część masy ciała działającego na dźwigania ciężarów biodra. Od filar wsparcia jest ekscentryczny do linii działania tego środka ciężkości, masa ciała będzie wywierać zwrotny ruch wokół środka głowy kości udowej.Ten ruch zwrotny musi być wyrównany przez połączone siły odwodziciela włożone do bocznego kości udowej. W pozycji stojącej, ta grupa mięśni obejmuje górne włókna Gluteus Maximus, tensor powięzi szerokiej, gluteus medius i minimus i pyriformis i wypełniacz internus. Połączone wynikowy wektor grupy odwodziciela może być reprezentowany przez linię M akcji na rysunku 1.24. Ponieważ skuteczne dźwigni tej siły wypadkowej (BO) jest znacznie krótszy niż efektywna ramienia dźwigni wagi ciała działającego przez środek ciężkości (OC), połączone siły z porywaczy musi być wielokrotnością masy ciała. Wektory siły K i siły M tworzy wypadkową obciążenia ściskającego na głowy kości udowej, który jest zorientowany w przybliżeniu 16 ° skośnie, poprzecznie, a dystalnie. Orientacja tego wynikowego wektora jest dokładnie równoległa do orientacji beleczkowatej wzorca w głowy kości udowej i szyi (rys. 1.25).

Rysunek 1.24. Sił stawu biodrowego u jednego stanowiska nóg. G, środek ciężkości, M, siły mięśni; K, efekt częściowej masy ciała; R, wynikowy wektor.[Przerysowano z Pauwels Biomechaniki F. narządu ruchu, Springer Verlag, New York, 1980 (7).]

Rysunek 1.25. AP x-ray za normalną biodra pokazujący kompresji beleczek zorientowana równolegle do wypadkowej obciążenia ściskającego na głowy kości udowej.

Skutkiem tego łącznego obciążenia masy ciała i reakcji mięśni odwodziciela wymaganych do wyników równowagi w obciążeniu głowy kości udowej do około 4 razy masy ciała podczas jednej fazie postawa nóg chodu. Oznacza to, że w normalnym chodzenie hip poddawany jest szerokiej huśtawki na ściskanie załadunku od jednej trzeciej masy ciała w podwójnej fazie wsparcia chodu do 4 razy masy ciała podczas jednej fazie podpórką. Czynniki wpływające zarówno na wielkość i kierunek tych sił ściskających działających na głowy kości udowej jest: 1) położenie środka ciężkości, 2) dźwigni porywacz, który jest funkcją szyi wału kąt i 3) Wielkość masy ciała. Skrócenie ramienia dźwigni odwodziciela przez biodro Valga lub nadmiernego przodopochyleniu udowej spowoduje wzrost popytu odwodziciela i dlatego zwiększone obciążenia stawów. Jeśli dźwignia jest tak skrócone, że mięśnie są pokonani, a następnie albo gluteus lodzie minus (środek ciężkości zostało wniesione po bokach nad hip nośnej) lub miednicy (Treridelenburg chód) nastąpi.

Rysunek 1.26.  siły na biodra z bokiem kulejąc. Uwaga redukcji wektora M i R, chociaż K pozostaje niezmieniona. R jest również bardziej zorientowane pionowo.[Przerysowano z Pauwels Biomechaniki F. narządu ruchu, Springer Verlag, New York, 1980 (7).]

Ponieważ obciążenie stawu biodrowego w jednej fazie postawa nóg chodu jest wielokrotnością masy ciała, wzrost masy ciała będzie miał szczególnie szkodliwy wpływ na wszystkich sił ściskających stosowanych do stawu. Efektywne obciążenie stawu można znacznie zmniejszyć poprzez wprowadzenie środka ciężkości bliżej środka głowy kości udowej (rysunek 1.26).Sideways kulejąc, wymaga jednak przyspieszenie masy ciała na boki, jego hamowanie podczas fazy postawy chodzenia, a potem jego przyspieszenie z powrotem do linii środkowej lub nawet na drugą stronę jako pojedynczych zmian stanowisko w nogach fazowych do przeciwległego końca. To wymaga dużego zużycia energii i jest dużo mniej wydajny sposób chodzenia od normalnej sytuacji, w której hip poddaje się tych znacznych sił. Innym efektem bokiem kulejąc, że wynikowy wektor staje się bardziej pionowo, ponieważ środek ciężkości działa w kierunku bardziej pionowym, a więc moment zginający szyjki kości udowej wzrasta.

Rysunek 1.27. siły na biodra z wykorzystaniem laską. Poziom siły i wektory odpowiadają wielkości ciśnienia, o którym mowa w tabeli 1.1. [Przerysowano z Pauwels Biomechaniki F. narządu ruchu. Springer Verlag, New York, 1980 (7).]

Innym mechanizmem zmniejszając wynik obciążenie głowy kości udowej jest korzystanie z laską w przeciwną ręką. Ponieważ niektóre z jego życie zostaje przeniesiony do laski przez strony, efektywne obciążenie masy ciała zmniejsza się na dwa sposoby: 1) efektywne obciążenie masy ciała zmniejsza się, 2) od momentu skrętu wokół głowy kości udowej jest zmniejszona, popyt porywacz jest również zmniejszona (rysunek 1.27).