Pomiary sił reakcji podłoża

Siła reakcji podłoża (siła sprężystości podłoża) jest to taka siła , jaką wywiera podłoże na spoczywające na nim ciało. Siła ta jest reakcją podłoża na nacisk ciała. Obie siły - nacisku i reakcji - z reguły mają taką samą wartość i na poziomej powierzchni równą wartości ciężaru ciała. Ciężar i siła sprężystości działają na to samo ciało i mają przeciwne zwroty, zatem ich suma (siła wypadkowa) jest równa zeru – ciało spoczywa. Nasze ciało podlega trzem prawą Newtona. Pierwsza mówi nam o tym, że ciało pozostające w spoczynku ma tendencje do pozostawania w spoczynku, natomiast ciała w ruchu do pozostawania w ruchu. Ciała w spoczynku oraz ciała w jednostajnym ruchu pozostają w równowadze. Na wszystkie obiekty znajdujące się na naszej planecie działa grawitacja działająca w kierunku pionowym. Siła grawitacji wywołuje reakcje ziemi o tej samej wielkości, skierowaną w przeciwną stronę ale także pionowo. W dynamicznym układzie ruchu człowieka rozpatrujemy siły zewnętrzne i wewnętrzne działające na ciało. Trzecia zasada dynamiki Newtona mówi nam ,że siła reakcji podłoża równa jest sile reakcji ciała człowieka, ale o przeciwnym kierunku i zwrocie. Pionowa siła akcji to siła ciężkości G= mg i siła bezwładności Fi = mai związana z niejednostajnym ruchem ciała. Siła reakcji podłoża jest więc zależna od aktywności ciała.

Ciało położone w bezruchu - siłę akcji stanowi siła ciężkości, czyli R = G. Z obniżeniem środka ciężkości ciała i wymachem kończyn

powstaje siła bezwładności skierowana ku górze tzn. ,że nacisk na podłoże zmniejsza się stanowi faze odciążenia, w której R = G - Fi . Zmiana przyspieszenia na zwrot przeciwny wywoła siłę

bezwładności o zwrocie zgodnym z siłą ciężkości i siła reakcji wzrośnie R = G + Fi.

Badania pomiarowe sił reakcji podłoża uzyskujemy dzięki platformom oraz systemom (stosowanym w biomechanice). . E.Marey. w 1886 r. po raz pierwszy zarejestrował siły nacisku na podłoże oraz pionowe przyspieszenie głowy. J.Amar w 1916-1923 opublikował wyniki badań dwóch składowych sił reakcji podłoża , dokonanych na platformie sił z gumowymi czujnikami. W.O.Fenn w 1930 skonstruował i zastosował platformę siły ze sprężonymi czujnikami, do pomiarów poziomych sił reakcji.

Do pomiarów sił reakcji podłoża używamy:

· platformy dynamometrycznej,

· przetwornika siła – napięcie,

· rejestratora albo dodatkowo z przetwornika sygnału analogowego na cyfrowy A/C,

· komputera,

· rejestratora.

W pomiarach wykorzystuje się zarówno bardzo proste urządzenia takie jak stopery, fotokomórki, mikroprzełączniki umieszczone na butach, jak i bardzo skomplikowane, zintegrowane systemy komputerowe.
Do pomiaru reakcji sił podłoża w czasie chodu stosuje się platformy dynamograficzne wykorzystujące przetworniki tensometryczne lub piezoelektryczne, a także specjalne wkładki do butów rejestrujące rozkład nacisków na stopie podczas chodu, lub maty tensometryczne bądź płyty elastooptyczne, pozwalające na wizualizację rozkładu nacisków stopy na podłożu podczas chodu.

a) Osoba badana na platformie dynamograficznej

b) Przykład stabilogramu

1. Składowa pionowa (FZ)

2. Składowa pozioma poprzeczna do kierunku ruchu (FX)

3. T to czas trwania podporu

D) To to czas od chwili kontaktu pięty z podłożem do chwili, gdy środek ciężkości ciała znajduje się dokładnie nad punktem przyporu stopy.

Przykładowe opracowanie wyników pomiarowych:

Dane i parametry osoby badanej:

Daniel Lewandowski

lat: 22; wzrost: 182 cm; masa ciała: 84 kg

Pole duże (P2 ) = 2384 mm

Pole małe (P1) = 601 mm

Pole c = P2 – P1 = 2384 – 601 = 1783

1. wyznaczam podziałkę dla wartości xt :

xt – czas przypadający na 1 mm = 0,009 s

2. wyznaczam podziałkę dla wartości yR:

y R = G : h = mg : h = 13,3 (N/mm)

3. obliczanie podziałki dla impulsu siły (Ft) na 1 mm :

Ft = Pc * xt * yR

Ft = 213,4

4. obliczam prędkość odbicia od platformy:

Ft = m V

V = Ft : m

V = 2,54 m/s

5. obliczam na jaką wysokość w czasie wysiłku został uniesiony środek ciężkości:

h = V : 2g

h = 0,323 m

6. obliczam pracę

W = Fs

W = mgh

W = 84 kg * 10 m/s * 0.323 m = 271,3 (J)

7. obliczam energię kinetyczną:

Ek = mV : 2 = 271 (J)

8. obliczam czas podczas zamachu

t zamachu = 92 mm * 0,009 = 0,828 s

9. obliczam czas podczas odbicia

t odbicia = 28 mm * 0,009 = 0,252 s

10. obliczam średnią moc:

Pśr = W : t odbicia = 1076,6

Bibliografia:

1.A.Jurczak, T.Ruchlewicz: Zmienność parametrów biomechanicznych wyskoku

dosiężnego w procesie ontogenezy. W: Ogólnopolska Konferencja Biomechaniki.

Materiały. Gdańsk 1990.

2. S.Kornecki, T.Bober: Systematyzacja biomechanicznych metod badania techniki

ruchu. Zeszyty naukowe AWF Wrocław 1989 nr 49.

3. W.Musiał, M.Wychowański, A.Martyn, A.K.Gajewski, K.Wierzyńska-Starosta: Pomiar mocy w ocenie cech fizycznych. Sport Wyczynowy1989 nr 6.

4.Lebiedowska MK. Syczewska M. Nowoczesne metody wspomagania diagnostyki narządu ruchu w rehabilitacji. Klinika, 1994, 8: 13-16.
5. Malinowski A. (praca zbiorowa pod red.): Dziecko poznańskie. 6.Normy i metody kontroli rozwoju fizycznego. UAM Poznań, 1976.

7.K.Fidelus: Przewodnik do ćwiczeń z teorii sportu.

8.Będziński R. Biomechanika inżynierska. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1997.