Klasyfikacja sił działających na aparat ruchu człowieka.
Biomechanika jest nauką zajmującą się siłami działającymi na układ biologiczny oraz skutkami tych oddziaływań.
Siły, te mogą być wywołane działaniem zewnętrznym, powstają także wewnątrz układu.
Siły działające na człowieka z zewnątrz to przede wszystkim grawitacja; mogą one także pochodzić np. od osoby współćwiczącej.
Siłami czynnymi wewnątrz układu są siły generowane przez mięśnie szkieletowe.
W biomechanice interesują nas wyniki oddziaływań na organizm człowieka sił zarówno generowanych wewnątrz organizmu, jak i powstających na skutek interakcji z otoczeniem.
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, jak gdyby w tle całej swojej aktywności, wytwarzać siły równoważące przyciąganie ziemskie.
Siła ciężkości jest siłą masową działającą na poszczególne elementy ciała.
Wewnętrznymi siłami są siły generowane przez mięśnie (stosując pojęcie z dziedziny mechaniki, możemy je nazwać siłownikami) działające w systemie kości - dźwigni i ich połączeń - stawów.
By owe mięśnie były siłownikami i wykonały pracę zewnętrzną, to po ich pobudzeniu przez układ nerwowy, czemu towarzyszy tzw. potencjał czynnościowy w mięśniu, dochodzi do wyzwolenia energii chemicznej, która zamienia się w mechaniczną przy pewnej stracie energii w postaci ciepła.
Główne płaszczyzny i osie jako układ odniesienia dla ruchów ciała i części ciała
W biomechanice stosuje się najczęściej układ prostokątny, 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
Pomiar zakresu ruchu w stawach wymaga zdefiniowania kierunku ruchu.
W tym celu posługujemy się układem odniesienia względem ciała znajdującego się w postawie anatomicznej.
By precyzyjniej wyrażać się o wzajemnych stosunkach części ciała ludzkiego określono jednoznacznie tak zwaną pozycję anatomiczną.
Składają się na nią:
postawa stojąca
głowa i wzrok zwrócone ku przodowi
kończyny górne wyprostowane, ułożone wzdłuż tułowia,
z dłońmi skierowanymi ku przodowi (ułożenie supinacyjne)
palce rąk wyprostowane, kciuk przywiedziony
kończyny dolne wyprostowane,
stopy złączone razem powierzchniami przyśrodkowymi
palce stóp wyprostowane
Za układ odniesienia przyjmuje się:
trzy prostopadłe względem siebie płaszczyzny - dla ruchów postępowych,
trzy prostopadle biegnące do tych płaszczyzn osie, wokół których dokonują się ruchy obrotowe.
Istnieją następujące płaszczyzny ciała człowieka:
czołowa,
„równoległa do czoła”, która dzieli ciało na część przednią i tylną,
strzałkowa,
dzieląca ciało na część prawą i lewą,
poprzeczna,
która dzieli ciało na część górną i dolną.
Strzałkowa S
Czołowa C
Poprzeczna P
Płaszczyzny te można poprowadzić względem każdej części ciała lub opisać nimi kierunki ruchów każdego segmentu ciała, przebiegające równolegle do płaszczyzn głównych.
Wszystkie ruchy stawowe i pozycje zapisuje się w tych trzech podstawowych płaszczyznach:
strzałkowej (sagittal plane),
czołowej (frontal or coronal plane)
poprzecznej (transverse or axial plane).
Wszystkie ruchy proste lub złożone trójwymiarowe są sprowadzane do ruchów w tych podstawowych płaszczyznach, aby ułatwić ich zapis.
Są one zatem zapisywane symbolami S, F, T, z wyjątkiem ruchów rotacyjnych, dla których symbolem jest litera R.
Wszystkie ruchy zapisuje się trzema liczbami przedstawiającymi liczbę stopni ruchu kątowego.
Ruchy obrotowe w stawach wykonywane są względem osi obrotu.
Główne osie centralne mają również swoje nazwy i przebiegają prostopadle do wymienionych wyżej płaszczyzn.
np. oś długa ciała jest prostopadła do płaszczyzny poprzecznej,
oś strzałkowa - do płaszczyzny czołowej,
oś poprzeczna - do płaszczyzny strzałkowej.
Charakterystyka tkanek jako materiału lepko-sprężystego
Materiały lepko-sprężyste wyróżniają się tym, że ich parametry mechaniczne mogą się zmieniać w funkcji czasu, czyli wykazują pewne zależności dynamiczne.
podlegają ciągłym zmianom adaptacyjnym,
mają zdolność do naprawy uszkodzeń, czyli gojenia się,
łatwo ulegają uszkodzeniu w wyniku procesów patologicznych,
ich właściwości mechaniczne zmieniają się z wiekiem organizmu.
Tkanki, podobnie jak większość materiałów lepko-sprężystych, wykazują trzy podstawowe cechy niespotykane w innych materiałach:
zależność charakterystyki mechanicznej, a zwłaszcza powstających naprężeń, od szybkości działania siły odkształcającej,
zjawisko pełzania,
zjawisko relaksacji.
Czas narastania siły odkształcającej ma istotny wpływ na odpowiedź mechaniczną tkanki.
Tkanki narządu ruchu wykazują większą sztywność przy próbie szybszego rozciągania i na odwrót - są bardziej miękkie i podatne na odkształcenie, gdy narastanie siły jest powolne.
Przy opisie właściwości mechanicznych materiałów biologicznych podajemy moduł plastyczności łącznie z szybkością wydłużenia, przy której wykonywano pomiar.
Wytrzymałość materiałów lepko-sprężystych wzrasta w miarę zwiększania tempa odkształcenia;
materiały te są w stanie wytrzymać znacznie większe naprężenia dynamiczne w porównaniu z oddziaływaniami statycznymi.
W przypadku powolnego rozciągania, czyli w próbie statycznej, kość może odkształcić się sprężyście, zwiększając swoją względną długość nawet o półtora procenta.
W próbie dynamicznej, gdy szybkość rozciągania zostaje zwiększona, kość zachowuje się jak kruchy materiał cechujący się tylko niewielkim odkształceniem sprężystym, które poprzedza rozerwanie próbki.
W tych warunkach kość wytrzymuje znaczne, prawie dwukrotnie większe naprężenia udarowe.
Mówimy, że większa jest zdolność kości do akumulacji energii kinetycznej.
Wartość tej energii jest proporcjonalna do kwadratu prędkości odkształcenia.
Energia kinetyczna zostaje zgromadzona w elementach sprężystych kości oraz częściowo zamieniona zostaje na pracę związaną z uszkodzeniem mechanicznym tkanki.
W momencie przerwania działania siły odkształcającej część tej energii oddawana jest na zewnątrz w postaci energii sprężystej.
Maksymalna wartość energii zakumulowanej w czasie przeciążenia układu kostnego ma istotny wpływ na obraz uszkodzenia kości i pozwala na przykład odróżnić złamanie statyczne od powstałego w wyniku dynamicznego przeciążenia.
W warunkach dynamicznych zachowanie kości przypomina materiał kruchy - akumulacja w kości dużej ilości energii kinetycznej powoduje zazwyczaj złamanie wieloodłamowe
Pod wpływem obciążenia tkanki stałą siłą nastąpi jej wydłużenie zależne od wielkości siły.
Jeśli utrzymamy przez dłuższy czas stałą wartość siły obciążenia, okaże się, że długość próbki będzie ciągle powoli rosnąć, aż do momentu osiągnięcia równowagi bądź do chwili zerwania próbki.
To zjawisko ciągłego plastycznego odkształcania materiału pod wpływem stałego obciążenia nosi nazwę pełzania.
Pełzanie połączone z postępującym zużyciem materiału obserwuje się często w implantach stawu biodrowego wykonanych z tworzyw sztucznych.
Jeśli próbkę materiału lepko-sprężystego rozciągamy za pomocą siły zewnętrznej do określonej długości i w takim stanie utrzymujemy ją przez dłuższy czas to stwierdzimy, że siła niezbędna do utrzymania zadanej długości próbki będzie powoli maleć.
Powolne zmniejszanie się wartości naprężeń w materiale poddanym długotrwałemu odkształceniu - relaksacja.
Zjawisko relaksacji obserwujemy nie tylko w tkankach narządu ruchu, lecz również w materiałach wszczepialnych.
Przykład:
W wykonanych z teflonu lub dakronu implantach przednich więzadeł krzyżowych w czasie operacji należy uwzględnić zjawisko relaksacji materiału, poddając wszczepiane tworzywo wstępnemu naprężeniu.
W kolejnym okresie naprężenia te będą stopniowo malały, powodując prawidłową pracę stawu.
Bez tego wstępnego naprężenia w stawie kolanowym mogą pojawić się nadmierne luzy.
Model funkcjonalny mięśnia szkieletowego wg. Hilla
W porównaniu z poprzednimi pasywnymi modelami w modelu Hilla pojawia się element aktywny związany ze skurczem mięśnia.
Model składa się z trzech elementów.
Dwa z nich: element kurczliwy i szeregowy element sprężysty połączone są dodatkowo z równoległym elementem sprężystym.
Element kurczliwy jest identyfikowany z molekularnym mechanizmem aktynowo-miozynowym komórek mięśniowych.
Szeregowy element - parametry mechaniczne samej aktyny i miozyny oraz mostków aktynowo-miozynowych.
Również tkanka łączna i jej właściwości mechaniczne współtworzą szeregowy element sprężysty.
Na parametry równoległego elementu sprężystego mają wpływ charakterystyki mechaniczne tkanki łącznej oraz błon komórkowych i omięsnej.
Model Hilla pozwala wytłumaczyć charakterystyki mechaniczne towarzyszące aktywnemu skurczowi mięśnia i jego biernemu rozciąganiu.
Działanie siły mięśnia na ścięgno w zależności od układu włókien mięśniowych(w stosunku do ścięgna).
W mięśniach wrzecionowatych, gdy kierunek włókien mięśnia jest równoległy do kierunku włókien ścięgna - cała siła mięśnia działa w kierunku ścięgna
W mięśniach półpierzastych - gdzie kierunek włókien mięśnia biegnie skośnie w stosunku do ścięgna ,tylko część siły mięśnia działa w kierunku ścięgna, reszta pociąga go bocznie
W mięśniach pierzastych - gdzie kierunek włókien jest obustronnie skośny, tylko części siły mięśnia działa w kierunku ścięgna w zależności od kąta przyczepu (przy 60º ok.1/2 siły mięśnia), przy czym mięsień nie jest wówczas przemieszczany bocznie.
W mięśniu wrzecionowatym włókna są ułożone równolegle względem siebie, a ścięgna są przedłużeniem kierunku włókien.
W mięśniu pierzastym (m. bipennatus) włókna mięsne biegną skośnie do ścięgien, przy czym jedno ścięgno jest pojedyncze, a drugie rozdwojone.
W mięśniu półpierzastym (m. unipennatus) włókna mięsne biegną skośnie w stosunku do obu ścięgien.
Definicja i rola mięśni agonistycznych, antagonistycznych i synergistycznych na przykładzie ruchu zginania ręki w stawie łokciowym
W celu zwiększenia wydajności systemu wykonawczego, prawie wszystkie programy ruchowe realizowane są przez mięśniowe grupy funkcjonalne.
Najczęściej mięśnie zestawiane są w funkcjonalne grupy należące do jednej z trzech kategorii: mięśnie agonistyczne, mięśnie antagonistyczne i mięśnie synergistyczne.
Do pierwszej kategorii zaliczane są mięśnie realizujące tę samą funkcję, np. zginanie stawu.
W takim przypadku mięśniami przeciwstawnymi, czyli antagonistycznymi, są mięśnie prostowniki danego stawu.
Trzecią grupę tworzą mięśnie współdziałające w realizacji danego ruchu, czyli mięśnie synergistyczne.
W czasie ruchu zginania ręki w stawie łokciowym mięsień dwugłowy ramienia i mięsień ramienny tworzą grupę mięśnia agonistycznych.
Ich zadaniem jest wykonanie właściwego ruchu.
Mięśniem antagonistycznym jest w tym przypadku prostownik stawu łokciowego, czyli mięsień trójgłowy ramienia.
Mięśnie wykonujące właściwy ruch są często wspomagane przez mięśnie wspomagające, czyli synergistyczne.
W omawianym przykładzie mięsień ramienno-promieniowy jest synergistą głównych zginaczy stawu łokciowego.
Mięśnie wspomagające mogą również eliminować zbyteczne ruchy w danym stawie lub nawet w stawach od niego odległych.
Taką funkcję, w czasie wykonywanego pod obciążeniem zginania stawu łokciowego, pełni mięsień nawrotny obły.
Napięcie tego mięśnia blokuje rotację zewnętrzną przedramienia spowodowaną skurczem mięśnia dwugłowego ramienia.
Często mięśnie wspomagające, kurcząc się izometrycznie, stabilizują nawet odległe stawy, stwarzając w ten sposób dogodne warunki do wykonania właściwego ruchu.
Przy zgięciu łokcia tę rolę mogą odgrywać mięśnie grzbietu i nóg.
Istotne znaczenie dla uproszczenia sterowania ruchem ma struktura połączeń stawowych oraz lokalizacja mięśni względem stawów.
Zwykle sąsiadujące mięśnie połączone są strukturami łącznotkankowymi, co powoduje, że skurcz jednego z nich wpływa na sąsiednie mięśnie.
Znaczna część mięśni naszego ciała to mięśnie wielostawowe.
Mięśnie takie tworzą mechaniczne sprzężenie ruchów poszczególnych stawów.
Ich skurcz powoduje zmiany w co najmniej dwóch stawach.
Podział sił działających na układ ruchu 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
Pojęcie fizyczne siły jest oczywiste, gdy mówimy o sile pojedynczego mięśnia, rejestrowanej bezpośrednio na jego ścięgnie.
Gdy mówimy o sile mięśnia w stanie przyżyciowym, to nie jesteśmy uprawnieni do stosowania pojęcia „siła", lecz „moment siły".
Mięsień działa na kość (dźwignię) i tylko w tej postaci, tj. momentu siły, jest dostępny pomiarowi.
Termin „siła" człowieka, choć nieścisły, bo oznacza wypadkową momentów sił grup mięśni, jest powszechnie stosowany.
Mięśnie - przeciętnie około trzydziestu kilku procent masy ciała.
Różnice zależne od płci - średnio masa mięśniowa u mężczyzn stanowi 36%, a u kobiet 32% masy całego ciała.
Specjalistycznym treningiem siłowym, można spowodować znaczny przyrost masy mięśniowej, aż do 50% masy ciała.
Istnieje dodatnia zależność pomiędzy siła człowieka a jego masą.
Przebieg krzywej rekordów w funkcji masy ciała zawodników ma charakter rosnący z malejącymi przyrostami i opisuje ją w miarę dobrze wielomian drugiego stopnia.
Charakter zależności „siła"-masa ciała można tłumaczyć tym, że osobnicy o dużej masie ciała mają relatywnie mniejszy procent masy mięśniowej, a większy tkanki tłuszczowej.
„Siłę" bezwzględną, a w rzeczywistości moment siły - gdyż taki jest dostępny pomiarom metodami nieinwazyjnymi (Tabs) grupy mięśni - wyraża się w niutonometrach [Nm]
Siła przeliczona na jednostkę masy ciała, ma swoje maksimum przy masie ciała około 60 kg u zawodników w podnoszeniu ciężarów i 80 kg u studentów
Wniosek - „siła" względna mięśni (moment siły) ma swoje optimum w przedziale masy ciała 60-80 kg, a potem maleje.
Wartość siły mięśnia wiąże się z jego przekrojem fizjologicznym.
Stosunek siły mięśnia do jego przekroju fizjologicznego nazywa się siłą właściwą albo specyficzną, a jej wartość waha się od 16 do 30 N/cm2
Mięśnie szkieletowe jako siłowniki
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
Sumaryczny przekrój fizjologiczny wszystkich mięśni dorosłego człowieka wynosi około 0,56 m2 (5600 cm2)
Gdyby wszystkie mięśnie były maksymalnie pobudzone i działały w tym samym kierunku, to ich całkowita siła wynosiłaby 168 kN!
Fm = 30 N/cm2 • 5600 cm2 = 168000 N = 168 kN
Przekrój fizjologiczny mięśnia można wyznaczyć z pomiarów na zwłokach lub bezinwazyjnie na tkance żywej, np. metodą rezonansu magnetycznego.
Typ mięśnia, kąt pierzastości a prędkość skracania się mięśnia
Porównanie przekrojów fizjologicznych mięśnia pierzastego i obłego (o zbliżonych wymiarach geometrycznych) pozwala stwierdzić, że różnią się one istotnie przekrojem fizjologicznym na korzyść pierzastego.
Przekrój fizjologiczny wzrasta wraz z kątem pierzastości Θ, który rzadko osiąga 45° nachylenia względem osi długiej.
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
Prędkość skracania się sarkomeru jest stała i dla mięśni człowieka wynosi średnio 6 μm/s (0,000006 m/s)
im dłuższy mięsień, tym większa prędkość skracania się;
im większy kąt pierzastości, tym większe „straty„ prędkości skracania się mięśnia (względem jego osi długiej)
Funkcja napędowa i tłumiąca mięśni
W układzie ruchowym mięśnie pełnią dwie podstawowe funkcje: napędową i tłumiącą.
Napędowa - mięśnie, kurcząc się, wytwarzają siłę niezbędną do ruchu lub zrównoważenia obciążenia.
Tłumiąca - płynna regulacja wypadkowej siły napędowej układu przez kontrolowane wyhamowywanie skurczu głównej grupy mięśni napędowych.
Taką funkcję zazwyczaj spełniają w czasie wykonywania ruchu mięśnie antagonistyczne.
Dostosowaną do warunków ruchu, aktywność tych mięśni zapewnia układ nerwowy zarówno na drodze odruchowej, jak i sterowania ośrodkowego.
Współpobudzenie antagonistów moduluje w ograniczonym zakresie charakterystykę wykonywanego ruchu, tłumiąc między innymi niepożądane oscylacje.
Charakterystyka biernego rozciągania mięśnia
Pobudzenia mięśnia oraz procesy patologiczne mogą wpłynąć na zmianę jego charakterystyki mechanicznej.
W przypadku biernego rozciągania zmienia się długość początkowa mięśnia oraz nachylenie krzywej.
Długość początkowa - punkt na charakterystyce L-T, powyżej którego pojawiają się pierwsze zmiany napięcia mięśniowego.
Poniżej tej długości mięsień jest wiotki i nie stawia prawie żadnego oporu.
Sztywność zależy natomiast od powierzchni przekroju mięśnia.
W trakcie wykonywania ruchu położenie punktu początkowego jest regulowane przez zmianę pobudzenia rozciąganego mięśnia.
Maksymalnemu pobudzeniu mięśnia odpowiada największa jego sztywność oraz najniższe na osi (L0P) położenie punktu początkowego.
W tych warunkach charakterystyka rozciągania mięśnia jest maksymalnie przesunięta w lewo i ma największe nachylenie.
Absolutna siła mięśniowa
Elastyczność kości i jej zmiany w stanach patologicznych
W zwykłym sensie kość jest strukturą nieelastyczną.
Jej moduł elastyczności wynosi 2000 kg/mm2.
Punkt rozpadu kości wynosi jednak tylko 10 kg/mm2 przekroju poprzecznego.
W zakresie wąskiego pola, do punktu jej rozpadu, kość zachowuje się zgodnie z prawem Hooke'a.
Poza tymi granicami deformacja i siła nie są już dalej arytmetycznie proporcjonalne i gdy siła przestanie działać, kość nie powraca do swych poprzednich rozmiarów, jej zniekształcenie pozostaje.
W pewnych stanach chorobowych kość staje się bardziej rozciągliwa( tj. jej moduł elastyczności obniża się) i równocześnie mniej elastyczna.
Kość pozostaje rozciągnięta i deformacja staje się już trwała (rozmiękanie kości - osteomalacja, krzywica).
Uwarunkowania biomechaniczne wpływające na proces gojenia się złamań
Podstawowe znaczenie dla optymalnego procesu gojenia maja:
prawidłowe zestawienie
sztywne połączenie odłamów odpowiednia kompresja.
szerokość szczeliny między odłamami kostnymi oraz ewentualne przemieszczenia złamanych części
Uwarunkowania biomechaniczne wpływające na proces gojenia się złamań
Większość stosowanych płytek zespalających i stabilizatorów kostnych pozwala na odkształcenia około 20-60%.
Jeśli odkształcenia mieszczą się w granicach 10-100%, w obszarze gojenia się przeważa granulacja, czyli proces ziaminowania tkanki.
Niższe odkształcenia sięgające 2-10% powodują rozrost tkanki chrzestnej włóknistej, a przy odkształceniach poniżej 2% szczelinę w obszarze złamania wypełnia kość.
Jeśli w czasie gojenia odkształcenia nie zmaleją, dojdzie w obszarze złamania do utworzenia stawu rzekomego.
Prawo Wolffa
Wszelkie zmiany w funkcjonowaniu kości powodują dostosowawcze zmiany jej struktury (Wolff, 1884).
Prawo to łączy strukturę anatomiczną kości z pełnioną przez nią funkcją
Prawo Wolffa, chociaż oryginalnie zostało sformułowane dla tkanki kostnej, jest prawem uniwersalnym wiążącym aktywność funkcjonalną wszelkich tkanek z ich strukturą i odżywianiem i obowiązuje także w układzie nerwowym i mięśniowym