Co to jest biomechanika i jakie jest jej zastosowanie? Bios-życie, Mechano- narzędzie. Biomechanika jest to nauka o mechanizmie ruchu istot żywych(na gruncie anatomii, filozofii, biochemii, mechaniki). W wych. Fizycznym biomechanika jest nauką badającą ruch człowieka oraz jego przyczyny i skutki. Zastosowanie: w ortopedii i chirurgii- Protezy, ortostezy -w pracy produkcyjnej, ergonomii -w ćwiczeniach fizycznych i w sporcie
(analiza ruchu) Cele i zadania biomechaniki -analiza kształtowania nawyków ruchowych, doskonalenie techniki -tworzenie i weryfikacja kryteriów oceny skuteczności techniki ruchu -kinematyka i dynamika ruchu człowieka -ocena charakterystyk strukturalnych i geometrycznych biomechanizmu -analiza cech fizycznych Jakie układy tworzą biomaszynę? -układ sterowania:*wyższe ośrodki nerwowe *somatyczne ośrodki nerwowe *wegetatywne ośrodki nerwowe -układ zasilania: *narząd oddechowy *narząd sercowo-naczyniowy *narząd pokarmowy -układ ruchu: *mięśnie, kości, stawy Wejścia i wyjścia biomaszyny Wejścia -informacyjne(telereceptory , kontakto-, prioprio-, intero visceroreceptory) -energetyczne(jama ustna i nosowa) Wyjścia -efektory mięśniowe(praca mechanizmu) -narządy wydalnicze(kał,mocz,CO2) -narządy wydzielnicze(gruczoły śli-nowe,potowe,łojowe) Jakie kanały wchodzą w skład biomaszyny? Kanały informacyjne: drogi nerwowe do I od układu nerwowego: -somatyczne 100m/s -wegetatywnr 20m/s Dla układu dokrewnego- naczynia Krwionośne, transport hormonów -sterowanie hormonalne- 1m/min Kanały energetyczne- naczynia krwio- nośne i limfatyczne .Biomaszyną Biomaszyna posiada ponad 200stopni swobody,400 mięśni, układ zasilania rozproszony(komórki mięśniowe, wątroby, limfy);30mld neuronów- możliwości ruchowe nieograniczone; wartości energetyczne zróżnicowane, może wykonywać niezliczoną ilość rodzajów ruchu sprzężenie proste i zwrotne? Sprzężenie proste-to mechanizm przekazywania informacji, które wchodzą do układu sterującego(somatyczne ośrodki nerwowe)do sterowanego(mięśnie) Sprzężenie zwrotne-to mechanizm kontroli i element sterowania następnym działaniem na podstawie działania poprzedniego Czynniki decydujące o rezultacie sportowym -warunki socjalno- bytowe -baza i sprzęt -planowanie, organizacja, kontrola Procesu treningowgo -technika, taktyka Czynnikiwpływające na rezultat sportowy podlegające i nie podlegające wytrenowaniu *nie podlegające: -predyspozycje antropometryczne -predyspozycje wytrzymałościowe -predyspozycje szybkościowe *podlegające -ćwiczenia fizyczne- technika -ćwiczenia psychiczne- taktyka Sprawność specjalna -sprawność ogólna mechanizm i napęd mechanizm- to zespół współpracujących ze sobą części(członów)składowych, spełniających określone zadania,np. przenoszenie ruchu (uład kostno- stawowy) Napęd- to urządzenie do nadawania ruchu Mechanizmowi, energia powodująca ruch (mięśnie) Parametry strukturalne układu kostnego człowieka Człon- tp nieodkształcony sztywny element- Kość Para biokinetyczna- jest to ruchome połączenie 2 lub więcej członów, wzajemnie ograniczające ruchy względne .Ruchy te muszą być większe niż 5® lub 1-3mm. Pary biokinematyczne charakteryzują się pewną liczbą stopni swobody. Stopień swobody-jest to niezależny, względny ruch człowieka w stawie Liczba stopni swobody-to liczba niezależnych parametrów(albo równań) określających dowolne położenie członów pary biokinematycznej, łańcucha biokinematycznego lub biomechanizmu. Liczba stopni swobody decyduje o możliwościach danego mechanizmu czy maszyny. Klasa pary biokinematycznej-to liczba odjętych stopni swobody ruchu członów, z których każdy może mieć maks 6. W jaki sposób obliczamy liczbę stopni swobody człowieka? W=6n-∑i pi W-liczba stopni swobody(ruchliwość) n- liczba członów ruchowych[bez podstawy (liczba kości)] pi-klasa pary biokinematycznej (biokinematycznej klasach od I do V) Paramerty strukturalne układu mięśniowego Człowieka Akton-to mięsień, jego część lub głowa, którego mięśniowe mają jednakowy lub zbliżony przebieg względem osi obrotu w stawach, ponad którymi przebiega i wykonuje jednakową funkcję. Funkcja aktonów-to dodatnie i ujemne składowe momentów sił[Nm], które akton może rozwijać względem osi obrotu w stawach, ponad którymi przebiega. Klasa aktonu- jest równa liczbie stawów, ponad którymi dany akton przejawia swoje funkcje. Płaszczyzny ruchu i funkcje aktonów mięśniowych. Płaszczyzny ruchów: -strzałkowa-zginanie, prostowanie -czołowa-przywodzenie, odwodzenie -poprzeczna-pronacja, supinacja Funkcje aktonów mięśniowych: -funkcje ruchowe-to funkcje działające na te Swobody stawu, na które działają siły niezależne Od układu nerwowego(F zewnętrzna) -funkcje stabilizacyjne-są równoważone przez funkcje aktonów antagonistycznych, czyli zależnych od układu nerwowego. Parametry biomechaniczne mięśni F-siła W-praca P-moc δ- naprężenie Rodzaje włókien mięśniowych Rodzaje mięśni: a)gładkie-występują w narządach krwionośnych i limfatycznych;są to mięśnie,które rozwijają małe siły, ale w długim czasie,charakteryzują się dużą wytrzymałością b)poprzecznie prążkowane -mięsień sercowy-o funkcjach mięśnia gładkiego -mięśnie szkieletowe: *białe-mało mioglobiny(jest w niej dużo energii), dużo włókien kurczliwych, szybkie FT, przekrój duży, unerwione grubymi aksonami, glikoli tyczne (FTG) *czerwone-dożo mioglobiny, mało włókien, wolne ST, mały przekrój, unerwione cienkimi aksonami tlenowymi *pośrednie-szybko kurczące się, ale wolno męczące się, przekrój średni, aksony średnie, glikolityczno-tlenowe (FTGO) Jednostka motoryczna i jej rodzaje To zespół włókienek mięśniowych unerwionych przez jeden akson komórki nerwowej rdzenia kręgowego Rodzaje jednostek motorycznych: *precyzyjna kontrola skurczu mięśnia: na pojedynczy motoneuron przypada kilka włókienek mięśniowych (mięśnie dalsze kończyn) *precyzja gradacji siły skurczu: na pojedynczy motoneuron przypada kilkaset, a nawet ponad tysiąc włókien mięśniowych(mięśnie antygrawitacyjne, czyli utrzymujące pionową postawę ciała) Funkcje różnych jednostek motorycznych FTGO-włókna pośrednie, STO-włókna wolnokurczliwe, FTG-w. szybkokurczliwe, SO-w. wolnokurczące się, tlenowo-glikolityczne, FG-szybkokurczące się glikoli tyczne parametry siły mięśniowej -przekrój fizjologiczny p
-naprężenie δ,- liczba i synchronizacja pobudzonych jednostek motorycznych Nt -długość mięśnia-prędkość skracania się mięśnia v-napięcie mięśnia, stopień pobudzenia Ui znaczenie przekroju fizjologicznego
dla wartości siły mięśniowej: Przekrój fizjologiczny jest prostopadły do przebiegu włókien mięśniowych mięsień o przekroju anatomicznym 1cm2 może utrzymać 4-12 kg. Służy on do obliczania jednostki siły mięśnia. Jednostkę siły mięśnia otrzymamy mnożąc wielkość pola przekroju przez 10kg np.:mięsień o przekroju fizjologicznym 3cm może umieść 30kg. Kąt przejścia włókna mięśniowego w włókno ścięgna czy rozcięcia mięśnia odgrywa również ważną rolę, gdyż siła wzrasta proporcjonalnie do długości jego rozciągnięcia znaczenie naprężenia w mięśniu dla wartościsiły mięśniowej Naprężenie w mięśniu-odpowiada danej powierzchni przekroju fizjologicznego;stosunek siły mięśniowej do jego przekroju fizjologicznego i nazywa się siłą właściwą a jej wartość waha się od 16 do 30N/cm kwadratowy (siła z jaką mięsień odpowiada przez przekrój fizjologiczny -naprężenie) liczba i synchronizacja pobudzonych jednostek Motorycznych dla progu mocy Próg mocy-przyjmuje się, że przy maks. świadomej motywacji człowieka może rozwijać od 70 do 80% swojej mocy maksym. Pozostałe 20-30%są uruchamiane podświadomie i mogą być wykorzystywane tylko w stanie efektu(furia, oblicze śmierci) lub po spożyciu środków farmakologicznych-dopingowych Szeregowe i równoległe pobudzenie jednostek motorycznych, a siła mięśniowa: Wartość pobudzenia mięśniowego przez układ nerwowy zależy od stanu psychicznego człowieka. Liczba pobudzonych jednostek motorycznych oraz ich synchronizacja jest tym większa im większa jest mobilizacja działania. W ten sposób cechy psychiczne, a zwłaszcza mobilizacja działania, mogą modulować wartość rozwijanej siły(mocy)przez człowieka Równanie udziału mięśni: Mm=δ∑pi Ui:Uimax ri(α){Fi:Fio[Li:Lio(α)]} Koordynacja ruchu To współdziałanie mechanizmów biologicznych, głównie nerwowo-mięśniowych, które zapewniają wykonanie realnego ruchu zgodnie z programem ruchu Parametry jakie są sterowane -czas(t)kiedy(bodziec nerwowy) przestrzeń(s,α)który(mięsień) -siła(F=m∙a)ile(włókna mięśniowe) Część znaczeniowa i wykonawcza programu ruchu Część znaczeniowa-program określa co należy osiągać i spełnia rolę wiodącą w początkowych etapach nauczania ruchu(wchodzi od zewnętrznego pierścienia ruchowego) Część wykonawcza- „w jaki sposób”i spełnia główną rolę po osiągnięciu automatyzacji nawyku ruchowego(wchodzi do zewnętrznego pierścienia ruchowego), umożliwia również realizację odruchów poprzez kontakto- i proprioreceptory na poziomie rdzenia kręgowego Rodzaje ruchów związane z czasem ich trwania
Uwzględniając ∆t i związane z tym możliwości sterowania ruchami można wyróżnić 3 rodzaje ruchów: -t ruchu<0,1s Ruchy minimalne(odruchy)sterowane na poziomie rdzenia kręgowego, bez sprzężenia zwrotnego
-t ruchu=0,1-0,2s Ruchy balistyczne, są sterowane out facto, nie można sterować w czasie ruchu -t ruchu>0,2s Ruchy ciągłe, sterowane in facto, podczas wykonywania na bieżąco wprowadzenie korekty, wykorzystanie
sprzężenia zwrotnego Postawa ciała i prawo d'Alemberta Statyka- przyjęto, że postawa ciała to statyka. Ciało
zawsze jest w ruchu fizjologicznym i statycznym PRAWO d'ALEMBERTA ∑Fw+∑Fz=0 ∑Mw+∑Mz=0 Rodzaje równowagi ciała -stała -chwiejna -obojętna Równowaga stała Równowaga stała występuje wówczas, gdy środek ciężkości ciała znajduje się pod płaszczyzną przyłożenia siły rekcji. Wszelkiego rodzaju zwisy są ćwiczeniami, w których mamy do czynienia z równowagą stałą. .Równowaga chwiejna występuje wówczas, gdy środek ciężkości ciała znajduje się nad płaszczyzną przyłożenia siły reakcji. Wszelkiego rodzaju podpory są ćwiczeniami, w których mamy do czynienia z równowagą chwiejną Równowaga obojętna występuje wówczas, gdy siłą reakcji przyłożenia jest w środku ciężkości ciała. Przyczyny chwiania ciała Stopień chwiejności ciała zależny jest od kąta stabilności, który zawarty jest pomiędzy linią ciężaru ciała a linią łączącą SC z krawędzią podparcia.
Co to jest biomechanika i jakie jest jej zastosowanie? Bios-życie, Mechano- narzędzie. Biomechanika jest to nauka o mechanizmie ruchu istot żywych(na gruncie anatomii, filozofii, biochemii, mechaniki). W wych. Fizycznym biomechanika jest nauką badającą ruch człowieka oraz jego przyczyny i skutki. Zastosowanie: w ortopedii i chirurgii- Protezy, ortostezy -w pracy produkcyjnej, ergonomii -w ćwiczeniach fizycznych i w sporcie
(analiza ruchu) Cele i zadania biomechaniki -analiza kształtowania nawyków ruchowych, doskonalenie techniki -tworzenie i weryfikacja kryteriów oceny skuteczności techniki ruchu -kinematyka i dynamika ruchu człowieka -ocena charakterystyk strukturalnych i geometrycznych biomechanizmu -analiza cech fizycznych Jakie układy tworzą biomaszynę? -układ sterowania:*wyższe ośrodki nerwowe *somatyczne ośrodki nerwowe *wegetatywne ośrodki nerwowe -układ zasilania: *narząd oddechowy *narząd sercowo-naczyniowy *narząd pokarmowy -układ ruchu: *mięśnie, kości, stawy Wejścia i wyjścia biomaszyny Wejścia -informacyjne(telereceptory , kontakto-, prioprio-, intero visceroreceptory) -energetyczne(jama ustna i nosowa) Wyjścia -efektory mięśniowe(praca mechanizmu) -narządy wydalnicze(kał,mocz,CO2) -narządy wydzielnicze(gruczoły śli-nowe,potowe,łojowe) Jakie kanały wchodzą w skład biomaszyny? Kanały informacyjne: drogi nerwowe do I od układu nerwowego: -somatyczne 100m/s -wegetatywnr 20m/s Dla układu dokrewnego- naczynia Krwionośne, transport hormonów -sterowanie hormonalne- 1m/min Kanały energetyczne- naczynia krwio- nośne i limfatyczne .Biomaszyną Biomaszyna posiada ponad 200stopni swobody,400 mięśni, układ zasilania rozproszony(komórki mięśniowe, wątroby, limfy);30mld neuronów- możliwości ruchowe nieograniczone; wartości energetyczne zróżnicowane, może wykonywać niezliczoną ilość rodzajów ruchu sprzężenie proste i zwrotne? Sprzężenie proste-to mechanizm przekazywania informacji, które wchodzą do układu sterującego(somatyczne ośrodki nerwowe)do sterowanego(mięśnie) Sprzężenie zwrotne-to mechanizm kontroli i element sterowania następnym działaniem na podstawie działania poprzedniego Czynniki decydujące o rezultacie sportowym -warunki socjalno- bytowe -baza i sprzęt -planowanie, organizacja, kontrola Procesu treningowgo -technika, taktyka Czynnikiwpływające na rezultat sportowy podlegające i nie podlegające wytrenowaniu *nie podlegające: -predyspozycje antropometryczne -predyspozycje wytrzymałościowe -predyspozycje szybkościowe *podlegające -ćwiczenia fizyczne- technika -ćwiczenia psychiczne- taktyka Sprawność specjalna -sprawność ogólna mechanizm i napęd mechanizm- to zespół współpracujących ze sobą części(członów)składowych, spełniających określone zadania,np. przenoszenie ruchu (uład kostno- stawowy) Napęd- to urządzenie do nadawania ruchu Mechanizmowi, energia powodująca ruch (mięśnie) Parametry strukturalne układu kostnego człowieka Człon- tp nieodkształcony sztywny element- Kość Para biokinetyczna- jest to ruchome połączenie 2 lub więcej członów, wzajemnie ograniczające ruchy względne .Ruchy te muszą być większe niż 5® lub 1-3mm. Pary biokinematyczne charakteryzują się pewną liczbą stopni swobody. Stopień swobody-jest to niezależny, względny ruch człowieka w stawie Liczba stopni swobody-to liczba niezależnych parametrów(albo równań) określających dowolne położenie członów pary biokinematycznej, łańcucha biokinematycznego lub biomechanizmu. Liczba stopni swobody decyduje o możliwościach danego mechanizmu czy maszyny. Klasa pary biokinematycznej-to liczba odjętych stopni swobody ruchu członów, z których każdy może mieć maks 6. W jaki sposób obliczamy liczbę stopni swobody człowieka? W=6n-∑i pi W-liczba stopni swobody(ruchliwość) n- liczba członów ruchowych[bez podstawy (liczba kości)] pi-klasa pary biokinematycznej (biokinematycznej klasach od I do V) Paramerty strukturalne układu mięśniowego Człowieka Akton-to mięsień, jego część lub głowa, którego mięśniowe mają jednakowy lub zbliżony przebieg względem osi obrotu w stawach, ponad którymi przebiega i wykonuje jednakową funkcję. Funkcja aktonów-to dodatnie i ujemne składowe momentów sił[Nm], które akton może rozwijać względem osi obrotu w stawach, ponad którymi przebiega. Klasa aktonu- jest równa liczbie stawów, ponad którymi dany akton przejawia swoje funkcje. Płaszczyzny ruchu i funkcje aktonów mięśniowych. Płaszczyzny ruchów: -strzałkowa-zginanie, prostowanie -czołowa-przywodzenie, odwodzenie -poprzeczna-pronacja, supinacja Funkcje aktonów mięśniowych: -funkcje ruchowe-to funkcje działające na te Swobody stawu, na które działają siły niezależne Od układu nerwowego(F zewnętrzna) -funkcje stabilizacyjne-są równoważone przez funkcje aktonów antagonistycznych, czyli zależnych od układu nerwowego. Parametry biomechaniczne mięśni F-siła W-praca P-moc δ- naprężenie Rodzaje włókien mięśniowych Rodzaje mięśni: a)gładkie-występują w narządach krwionośnych i limfatycznych;są to mięśnie,które rozwijają małe siły, ale w długim czasie,charakteryzują się dużą wytrzymałością b)poprzecznie prążkowane -mięsień sercowy-o funkcjach mięśnia gładkiego -mięśnie szkieletowe: *białe-mało mioglobiny(jest w niej dużo energii), dużo włókien kurczliwych, szybkie FT, przekrój duży, unerwione grubymi aksonami, glikoli tyczne (FTG) *czerwone-dożo mioglobiny, mało włókien, wolne ST, mały przekrój, unerwione cienkimi aksonami tlenowymi *pośrednie-szybko kurczące się, ale wolno męczące się, przekrój średni, aksony średnie, glikolityczno-tlenowe (FTGO) Jednostka motoryczna i jej rodzaje To zespół włókienek mięśniowych unerwionych przez jeden akson komórki nerwowej rdzenia kręgowego Rodzaje jednostek motorycznych: *precyzyjna kontrola skurczu mięśnia: na pojedynczy motoneuron przypada kilka włókienek mięśniowych (mięśnie dalsze kończyn) *precyzja gradacji siły skurczu: na pojedynczy motoneuron przypada kilkaset, a nawet ponad tysiąc włókien mięśniowych(mięśnie antygrawitacyjne, czyli utrzymujące pionową postawę ciała) Funkcje różnych jednostek motorycznych FTGO-włókna pośrednie, STO-włókna wolnokurczliwe, FTG-w. szybkokurczliwe, SO-w. wolnokurczące się, tlenowo-glikolityczne, FG-szybkokurczące się glikoli tyczne parametry siły mięśniowej -przekrój fizjologiczny p
-naprężenie δ,- liczba i synchronizacja pobudzonych jednostek motorycznych Nt -długość mięśnia-prędkość skracania się mięśnia v-napięcie mięśnia, stopień pobudzenia Ui znaczenie przekroju fizjologicznego
dla wartości siły mięśniowej: Przekrój fizjologiczny jest prostopadły do przebiegu włókien mięśniowych mięsień o przekroju anatomicznym 1cm2 może utrzymać 4-12 kg. Służy on do obliczania jednostki siły mięśnia. Jednostkę siły mięśnia otrzymamy mnożąc wielkość pola przekroju przez 10kg np.:mięsień o przekroju fizjologicznym 3cm może umieść 30kg. Kąt przejścia włókna mięśniowego w włókno ścięgna czy rozcięcia mięśnia odgrywa również ważną rolę, gdyż siła wzrasta proporcjonalnie do długości jego rozciągnięcia znaczenie naprężenia w mięśniu dla wartościsiły mięśniowej Naprężenie w mięśniu-odpowiada danej powierzchni przekroju fizjologicznego;stosunek siły mięśniowej do jego przekroju fizjologicznego i nazywa się siłą właściwą a jej wartość waha się od 16 do 30N/cm kwadratowy (siła z jaką mięsień odpowiada przez przekrój fizjologiczny -naprężenie) liczba i synchronizacja pobudzonych jednostek Motorycznych dla progu mocy Próg mocy-przyjmuje się, że przy maks. świadomej motywacji człowieka może rozwijać od 70 do 80% swojej mocy maksym. Pozostałe 20-30%są uruchamiane podświadomie i mogą być wykorzystywane tylko w stanie efektu(furia, oblicze śmierci) lub po spożyciu środków farmakologicznych-dopingowych Szeregowe i równoległe pobudzenie jednostek motorycznych, a siła mięśniowa: Wartość pobudzenia mięśniowego przez układ nerwowy zależy od stanu psychicznego człowieka. Liczba pobudzonych jednostek motorycznych oraz ich synchronizacja jest tym większa im większa jest mobilizacja działania. W ten sposób cechy psychiczne, a zwłaszcza mobilizacja działania, mogą modulować wartość rozwijanej siły(mocy)przez człowieka Równanie udziału mięśni: Mm=δ∑pi Ui:Uimax ri(α){Fi:Fio[Li:Lio(α)]} Koordynacja ruchu To współdziałanie mechanizmów biologicznych, głównie nerwowo-mięśniowych, które zapewniają wykonanie realnego ruchu zgodnie z programem ruchu Parametry jakie są sterowane -czas(t)kiedy(bodziec nerwowy) przestrzeń(s,α)który(mięsień) -siła(F=m∙a)ile(włókna mięśniowe) Część znaczeniowa i wykonawcza programu ruchu Część znaczeniowa-program określa co należy osiągać i spełnia rolę wiodącą w początkowych etapach nauczania ruchu(wchodzi od zewnętrznego pierścienia ruchowego) Część wykonawcza- „w jaki sposób”i spełnia główną rolę po osiągnięciu automatyzacji nawyku ruchowego(wchodzi do zewnętrznego pierścienia ruchowego), umożliwia również realizację odruchów poprzez kontakto- i proprioreceptory na poziomie rdzenia kręgowego Rodzaje ruchów związane z czasem ich trwania
Uwzględniając ∆t i związane z tym możliwości sterowania ruchami można wyróżnić 3 rodzaje ruchów: -t ruchu<0,1s Ruchy minimalne(odruchy)sterowane na poziomie rdzenia kręgowego, bez sprzężenia zwrotnego
-t ruchu=0,1-0,2s Ruchy balistyczne, są sterowane out facto, nie można sterować w czasie ruchu -t ruchu>0,2s Ruchy ciągłe, sterowane in facto, podczas wykonywania na bieżąco wprowadzenie korekty, wykorzystanie
sprzężenia zwrotnego Postawa ciała i prawo d'Alemberta Statyka- przyjęto, że postawa ciała to statyka. Ciało
zawsze jest w ruchu fizjologicznym i statycznym PRAWO d'ALEMBERTA ∑Fw+∑Fz=0 ∑Mw+∑Mz=0 Rodzaje równowagi ciała -stała -chwiejna -obojętna Równowaga stała Równowaga stała występuje wówczas, gdy środek ciężkości ciała znajduje się pod płaszczyzną przyłożenia siły rekcji. Wszelkiego rodzaju zwisy są ćwiczeniami, w których mamy do czynienia z równowagą stałą. .Równowaga chwiejna występuje wówczas, gdy środek ciężkości ciała znajduje się nad płaszczyzną przyłożenia siły reakcji. Wszelkiego rodzaju podpory są ćwiczeniami, w których mamy do czynienia z równowagą chwiejną Równowaga obojętna występuje wówczas, gdy siłą reakcji przyłożenia jest w środku ciężkości ciała. Przyczyny chwiania ciała Stopień chwiejności ciała zależny jest od kąta stabilności, który zawarty jest pomiędzy linią ciężaru ciała a linią łączącą SC z krawędzią podparcia.