CZŁOWIEK JAKO BIOMASZYNA

Ciała mogą oddziaływać siłami na inne ciała na dwa sposoby:

* na odległość (za pomocą pól);

* bezpośrednio (przez kontakt).

W przypadku ciała człowieka w pierwszy sposób działa na nie kula ziemska i urządzenia elektromagnetyczne. W drugim mamy do czynienia z mechanizmami lub biomechanizmami.

Sposoby przenoszenia sił

klin jest najprostszym mechanizmem, przenoszącym siły w ruchu postępowym (siekiera, noże, pilniki);

dźwignie - przenoszą siły poprzez ruch obrotowy;

złożenie ruchu postępowego i obrotowego umożliwia przenoszenie sił ruchem śrubowym (wiertła).

Każdy mechanizm składa się z co najmniej z dwóch członków sztywnych i połączenia ruchowego pomiędzy nimi. Tworzą one razem parę kinematyczną.

W zależności od rodzaju przenoszonego ruchu wyróżniamy pary kinematyczne: postępowe, obrotowe, śrubowe.

Pary kinematyczne charakteryzuje klasa połączenia uzależniona od ilości stopni swobody ruchów.

Stopień swobody jest niezależnym kierunkiem, w którym może się przemieszczać dany człon.

Człon swobodny (nie połączony żadnym innym członem w parę kinematyczną) ma 6 stopni swobody. A więc może się poruszać:

* w górę lub w dół;

* w lewo lub w prawo;

* wokół osi pionowej;

* wokół osi poziomej;

* wokół osi poprzecznej.

Klasa pary kinematycznej jest liczbą odjętych stopni swobody.

Ciąg par kinematycznych połączonych ze sobą ruchowo tworzy łańcuch kinematyczny.

Ruchliwość łańcucha kinematycznego jest łączną liczbą stopni swobody względem podstawy

₆

R = 6 * n - Σ _i * p _i

^I=1

gdzie: n - liczba członów ruchomych

i - kolejne klasy par kinematycznych występujących w łańcuchu

P_i - liczba par o i-tej klasie

Szkielet człowieka jako biomechanizm

Szkielet człowieka odpowiada wszelkim regułom budowy mechanizmów, może więc być traktowany jako biomechanizm. Rolę członów sztywnych pełnią w tym przypadku kości, a połączeń ruchowych - stawy, razem tworzą pary kinematyczne.

W przypadku par biokinematycznych można mówić wyłącznie o trzech stopniach swobody, ponieważ w stawach możliwe są jedynie ruchy obrotowe.

W organizmie człowieka mogą występować wyłącznie połączenia:

* III-klasy o trzech stopniach swobody, na stawy biodrowe i ramienny - łącznie 29 połączeń w całym szkielecie;

* IV-klasy o dwóch stopniach swobody, np. staw promienno-nadgarstkowy - łącznie 33 połączenia;

* V-klasy o jednym stopniu swobody, np. stawy międzypaliczkowe - łącznie 85 połączeń.

Odpowiednikiem łańcuchów kinematycznych w mechanizmach są w szkielecie człowieka łańcuchy biokinematyczne. Przykładem łańcuchów biokinematycznych są: kręgosłup lub jego odcinki, kończyny, tułów, stopy, ręce, palce.

Łańcuchy mogą być otwarte lub zamknięte.

* Otwarty łańcuch biokinematyczny występuje wtedy, gdy ostatni człon jest swobodny - w takim łańcuchu biokinematycznym możliwy jest ruch w każdym z połączeń osobno.

* Zamknięty łańcuch biokinematyczny zarówno pierwszy, jak i ostatni człon nie mają swobody ruchu, są związane ze względnie stabilnym układem odniesienia (podłoże, inna część ciała).

Łańcuchy biokinematyczne mogą być zamknięte pośrednio i bezpośrednio.

* bezpośrednio zamknięty łańcuch biokinematyczny jest wtedy, gdy elementem zamykającym jest inna część ciała, np. stopy w skłonie do przodu chwytem za kostki;

* pośrednio zamknięty łańcuch biomechaniczny jest wtedy, gdy elementem zamykającym jest element pośredni, np. podłoże, przyrząd.

Mięśnie jako siłowniki

Napędem ruchów człowieka są przede wszystkim jego mięśnie. Przyczyną ruchu może być także ustanie działania siły mieśniowej.

Skurcz mięśniowy

Jest wynikiem przyciągania się nitek aktyny i miozyny - elementarnych części struktury komórki mięśniowej, kosztem energii zmagazynowanej w ATP.

Poszczególne komórki mięśniowe są połączone anatomicznie w zespoły, tworzące funkcjonalne jednostki motoryczne.

Składają się one od kilku do 2000 włókien sterowanych przez tę samą komórkę nerwową.

Im większa jest wymagana precyzja ruchu, tym mniejsza jest ilość włókien w jednostce motorycznej.

Poszczególne jednostki motoryczne przenikają się wzajemnie - ta sama komórka (neuron) unerwia włókna mięśniowe w pewnej odległości od siebie. Zapewnia to płynność skurczu mięśniowego w sytuacji, gdy jednostki motoryczne działają na zasadzie wszystko albo nic.

Całkowita siła skurczu mięśniowego zależna od liczby pobudzonych jednocześnie jednostek motorycznych i wynosi średnio 30-40 N/cm² przekroju fizjologicznego mięśnia.

Wartość tę określa się jako bezwzględną siłę skurczu mięśniowego.

Przenoszenie sił - dźwignie kostne

Aby mięśnie mogły pełnić rolę napędu, siła ich skurczu musi zostać przeniesiona na dźwignie kostne, za pośrednictwem przyczepów mięśniowych i ścięgien.

Rodzaje dźwigni kostnych:

Dźwignie jednostronne - punkt przyłożenia siły mięśniowej i siły zewnętrznej znajduje się po tej samej stronie osi obrotu (staw łokciowy, staw kolanowy)

Dźwignie dwustronne - jeżeli po przeciwnych stronach osi (staw szczytowo-potyliczny, biodrowy, skokowo-goleniowy)

Akton jest mięśniem, jego częścią lub głową, których włókna mięśniowe mają kierunek jednakowy lub zbliżony kierunek przebiegu względem osi obrotu w stawach, ponad którymi akton przebiega.

Każdy stopień swobody ruchu musi być obsługiwany przez co najmniej dwa aktony. Tworzą one parę

aktonów antagonistycznych.

Liczba stawów, nad którymi przebiega dany akton, określa klasa aktonu.

Im wyższa klasa aktonu w biomechanizmach i łańcuchach biokinematycznych tym mniejsza niezależność ruchowa tych struktur.

Praca mięśniowa

Praca wewnętrzna (taka, której efektów zewnętrzny obserwator nie może zaobserwować) lub statyczna (nienaruszająca stanu równowagi ciała).

W odróżnieniu od pracy zewnętrznej (o efektach zauważalnych dla obserwatora zewnętrznego) lub dynamicznej (prowadzącej do ruchu).

Praca statyczna

Praca statyczna (wewnętrzna) oparta jest na skurczu izometrycznym - stała długość mięśnia przy wzrastającym napięciu.

Odmiany pracy statycznej:

1. utrzymująca, gdy aktywność mięśni skierowana jest na utrzymywanie określonego położenia części ciała wobec sił przeciwstawnych, wywołujących momenty obrotowe w stawach;

2. stabilizująca (ustalająca), gdy mięśnie poprzez swoje napięcie stabilizują stawy, na które działają siły na ściskanie;

3. wzmacniająca, gdy na stawy działają siły rozciągające, praca mięśni polega na wzmocnieniu działania torebek, więzadeł i ścięgien tak by nie doszło do ich uszkodzenia.

Praca dynamiczna (zewnętrzna)

Oparta jest na skurczach auksotonicznych, a więc takich, w których dochodzi do zmiany napięcia równocześnie ze zmianą długości mięśnia.

Wyróżniamy pracę: koncentryczną (skracanie mięśnia); ekscentryczną (wydłużanie mięśnia).

POMIAR I ZAPIS RUCHÓW CIAŁA LUDZKIEGO

Prace nad sposobem przedstawiania i zapisywania różnych ruchów organizmu ludzkiego trwają od dawna. Ale dopiero na przełomie lat 50. i 60-tych opracowany został ostatecznie międzynarodowy system standardowych pomiarów ortopedycznych i metoda zapisywania ruchów.

[International Standard Measuring and Recording Metod]

System ten jest znany pod inicjałami ISOM [International Standard Orthopedic Measurements],

a metoda zapisu pod inicjałami SFTR, które są skrótami od Sagittal, Frontal, Transverse i Rotation. Dlatego używa się często zestawionych skrótów systemu pomiarowego i metody zapisywania ruchów ISOM - SFTR

Jest ona kombinacją standardowej metody opartej na zasadzie naturalnego zera Calvego i Robertsa opracowanego w 1936 roku i zapisu pomiarów w trzech podstawowych (głównych) płaszczyznach.

W lipcu 1962 roku Amerykańska Akademia Chirurgów i Ortopedów przyjęła ten system i metodę zapisywania ruchów ciała ludzkiego jak obowiązujący, a potem uczyniły to inne narodowe towarzystwa chirurgiczne i ortopedyczne.

System ISOM SFTR zapewnia:

* Łatwe, funkcjonalne, zrozumiałe i uniwersalne sposoby pomiarów ruchów w stawach i pozycji

wyjściowych do pomiarów.

* Metodę zapisu łatwo zrozumiałą przez wszystkich, bez niejasności mogących wynikać z dyscypliny naukowej, języka i terminologii.

* Metodę odczytywaną przez każdego w ten sam sposób, co zapewnia dokładną porównywalność wyników różnych badaczy.

Wszystkie ruchy stawowe mierzy się z wyjściowych, ściśle określonego neutralnego zera, a pozycje te są pozycjami anatomicznymi ciała.

Oś międzynarodowego standardowego kątomierza (goniometru) powinna być możliwie dokładnie umieszczona w punkcie czynnościowej osi stawu w danej płaszczyźnie.

Płaszczyzny zaznaczamy symbolami S, F, T, R

Generalnie ruchy, które idą od ciała są zapisywane jako pierwsze a te, które prowadzą w kierunku ciała są zapisywane później.

Wszystkie ruchy zapisywane są trzema cyframi.

Pozycją anatomiczną jest zwykle 0 ale w stanach patologicznych mogą być inne cyfry.

BIOMECHANIKA

dr Karol Bibrowicz

13

14.03.2008 wykład

---