Marcin Bąk

Biomechanika - wykłady

Wykład 1.

Statyka - jest to dział mechaniki, który zajmuje się siłami działającymi na ciało znajdujące się w stanie równowagi i spoczynku

Moment siły - wielkość wskazująca na możliwość wykonania ruchu obrotowego

Wykład 2.

Model - to uproszczenie rzeczywistości w celu jego badania, a wyniki przenoszone do oryginału w celu jego poprawy

Cybernetyka - nauka o sterowaniu istot żywych

Model człowieka - posiada wejścia i wyjścia

Wejścia - informacje ( tele- , kontakto - , proprioreceptory), energetyczne (jam ustna i nosowa)

Wyjścia - efektory mięśniowe (praca mechaniczna), narządy wydalnicze (kał, mocz, CO₂), narządy wydzielnicze (gruczoły: ślinowe, potowe, łojowe itp.)

Model człowieka składa się z 3 układów:

1. Układ sterowania (wyższe ośrodki nerwowe; somatyczne ośrodki nerwowe; wegetatywne ośrodki nerwowe)

2. układ ruchu (mięśnie, kości, stawy)

3. Układ zasilania (narząd sercowo naczyniowy)

telereceptory

kontraktoreceptory

propriorecetory

Układ sterowania Układ ruchu

Bodźce ruchowe

Bodźce wegetatywne

visceroreceptory

Układ zasilania

Baza i sprzęt

Czynniki nie podlegające wytrenowaniu: Predyspozycje: Antropometryczne Wytrzymałościowe szybkościowe

Czynniki podlegające wytrenowaniu: Cechy psychiczne Cechy fizyczne Technika Taktyka

Warunki socjalno - bytowe

Planowanie, organizacja,

kontrola procesu treningowego

Wykład 3.

Działanie sił na dźwignie kostne

Dźwignie jednostronne - punkty

Dźwignie dwustronne

Para sił - to dwie równoległe siły o zwrotach przeciwnych, równych modułach i przesunięcie względem siebie na odległość zwaną ramieniem siły

Hypomolchion - występ kostny, który zwiększa kąt działania mięśnia, zawarty między wektorem FM, a prostą łączącą oś obrotu z punktem przyczepu

Siły działające na staw biodrowy

Wykład 4.

Parametry strukturalne układ ruchu (kostny)

Pojęcie struktury w biomechanice to liczbowe zależności pozwalające na klasyfikację mechanizmów i napędów

Mechanizm - to zespół części (członów) składowych spełniających określone zadanie np. przenoszenie ruchu (układ kostno stawowy).

Napęd - urządzenie do nadawania ruchu mechanizmowi, energia powodująca ruch (mięśnie)

Parametrami strukturalnymi nazywamy wszystkie wartości wyrażone liczbą. Są to:

• parametry strukturalne kości i stawów

• parametry strukturalne mięśni

Parametry strukturalne kości i stawów:

Człon - to nieodwracalny sztywny element - kość

Para biokinetyczna - jest to ruchome połączenie dwu lub więcej członów wzajemnie ograniczające ruchy względne. Ruchy te muszą być większe niż 5° lub 1-2 mm. Pary biokinetyczne charakteryzują pewną liczbę stopni.

β

X = Vt ± at² /2 = Z=Y

Stopień swobody - niezależny względny ruch w stawach

Liczba stopni swobody - to liczba niezależnych parametrów (albo równań) określających dowolne położenie członu, pary biokinematycznej. Łańcucha biokinematycznego lub biomechanizmu.

Klasa pary biokinematycznej - to liczba odjętych stopni swobody ruchu członów, z których każdy może mieć maksymalnie 6.

Obliczanie liczby stopni swobody:

_i=n

W = 6n - Σ i p_i

ⁱ⁼¹

• W - liczba stopni swobody

• N - liczba członów

• P_i - klasa pary biokinematycznej

Wyliczanie liczby stopni swobody dla kończyny górnej przyjmując łopatkę za podstawę.

n = 22, p₃ = 1, p₄ = 6, p₅ = 15

W = 6 • 22 - ( 1•3+4•6+5•15) = 132 - (3 + 24 +75) = 132 - 102 = 30

Wyliczanie liczby stopni swobody dla całego człowieka:

n = 148, p₃ = 29, p₄ = 33, p₅ = 85

W = 6 • 148 - ( 29•3+33•4+85•5) = 888 - (87 + 132 + 425) = 244

Płaszczyzny ruchów:

• Strzałkowa - zginanie i prostowanie

• Czołowa - przywodzenie i odwodzenie

• Poprzeczna - pronacja i supinacja

Dla tułowia:

• Skłon w przód i w tył, w bok

• Skręt w lewo i prawo

Łańcuch biokinetyczny - to spójny zespół członów połączonych w pary biokinematyczne

Ruchliwość łańcucha - określamy liczbą stopni swobody względem przyjętej podstawy

Biomechanizm - to łańcuch biokinematyczny wykonujący określony ruch względem jego podstawy.

Człowiek ma 206 kości

Parametry strukturalne mięśni:

Akton - to mięsień, jego część lub głowa, których włókna mięśniowe mają jednakowy lub zbliżony przebieg względem osi obrotu w stawach ponad, którymi przebiega i wykonuje jednakową funkcję.

Funkcja aktonu - 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.

Mięśnie o wyższej klasie nie mogą spełniać jednej funkcji. Powodowałoby to włączenie zbyt dużej liczby funkcji stabilizujących względem funkcji ruchowych.

Funkcje ruchowe - to funkcje działające na te stopnie swobody stawu, na które działają siły niezależne od układu nerwowego.

Funkcje stabilizujące - są równoważone przez funkcje aktonów antagonistycznych czyli zależnych od układu nerwowego.

Nie zawsze jest jednoznaczność pomiędzy pobudzeniem a funkcją mięśni.

Bodziec ± Δ Mm ± Δα ±ΔLm

Fz

Jeżeli zadziała siła zewnętrzna (Fz) i będzie większa od Mm to zamiast skracania będzie wydłużanie mięśnia.

Rola aktonów o klasie większej niż jeden:

1. zmniejszenie wydatku energetycznego

2. Brzuśce mięśniowe są bliżej osi obrotu proksymalnych stawów co zmniejsza momenty bezwładności

I = Σmr²

3. Może rozwijać większe siły, ponieważ ma większe przekroje fizjologiczne i przyczepia się na większej powierzchni kostnej

4. Zmniejsza naprężenie w kościach

5. Trudności w sterowaniu, powstaje zbyt dużo momentów stabilizujących

Wykład 5.

Parametry biomechaniczne mięśni

Parametry mięśni to: F, W, p, δ.

Są dwa rodzaje mięśni:

• gładkie

• poprzecznie prążkowane

Mięśnie poprzecznie prążkowane:

• mięsień sercowy

• mięśnie szkieletowe

1. białe - mało mioglobiny, dużo włókien kurczliwych; szybkokurczliwe włókna glikolityczne

2. czerwone - dużo mioglobiny, mało włókien, wolnokurczliwe; tlenowe

3. pośrednie - szybko kurczące ale wolno męczące; glikolityczno-tlenowe

Jednostka motoryczna - to zespół włókienek mięśniowych unerwionych przez jeden akson komórki nerwowej rdzenia kręgowego.

Parametry mięśnia:

P - przekrój fizjologiczny

δ - naprężenie

n_t - liczba i synchronizacja pobudzonych jednostek

l - długość mięśnia

V - prędkość skracania

U_l - napięcie, stopień pobudzenia



NAPRĘŻENIE






100 FTG





66 FTGO



STO

33






t

2 4 6

Liczba i synchronizacja pobudzonych jednostek motorycznych


n_t[%]




FTG, FTGO, STO










70 Próg Mocy





60 FTGO, STO

50



STO

30




2 8 16 t[h]

Długość mięśnia [ηm] sarkomer

[e-mail]













F/F₀




Składowa aktywna

1

Składowa pasywna


0,5

l/l₀

0,5 1 1,5 1,75

Prędkość skracania się mięśnia (Prawo A. V. Hilla)


F[%]



Mm<Mz praca ekscentryczna


Mm=Mz praca izometryczna


100


50


Mm>Mz praca koncentryczna








V[%]

-50 50 100

Od czego zależy siła mięśniowa?

Silnik




p[m²]






Stopień sprężania: δ[N/ m²] L [m]

F = pδ[N/ m²]

W = Fs= pδL [m² N/ m² m] = [J] analogicznie dla mięśnia

n(obr/s) P=Fs 1/s [W]

Równanie udziału mięśni:

Mm=δΣp_iU_i/U_imax r_i (α) { F_i/F_io[L_i/L_io (α)]}

Wykład 6.

Prędkość i moc w funkcji czasu.

Prędkość [m/s]

Szybkość potocznie oceniana jest czasem [s]. W mechanice te pojęcia są synonimami.

Szybkość ocenia się na podstawie trzech parametrów:

1. czas reakcji [ s ]

2. prędkość ruchu [ m/s ]

3. częstotliwość [ 1/s ]

Składowe ruchu (czasu)

1. czas reakcji: t = t₁ + t₂ + t₃+ t₄

• t₁ - umiejętność koncentracji (uwagi)

• t₂ - koordynacja nerwowo mięśniowa (nie zmienia się)

• t₃ - zależy od Fm, pokonania bezwładności ciała przy zapoczątkowaniu ruchu, szybkość skracania się mięśnia, umiejętności rozluźniania mięśni antagonistycznych

• t₄ - przebieg bodźców wzdłuż włókien nerwowych zależy od grubości nerwów :50 - 120 m/s, nie podlega wytrenowaniu, jest funkcją wieku max.: 9 - 28 lat

2. prędkość ruchu [ m/s , rad/s ]

3. częstotliwość [ Hz, 1/s ]

na te parametry wpływa moc mięśni.


P = W/t = Fs/t = FV =QV

Suma wszystkich F

W stałych warunkach Q = const


P∼V - moc proporcjonalna (zależna) od prędkości fałszywe zalożenie

Moc źródeł energetycznych:

Źródła energii	Zasób [ J/kg ]	Moc [ W/kg ]	tmax [ s ]	tpracy [ s]
Fosfokreatyna CP	420	54,4	4 - 6	20 - 25
Glikogen G	960	29,3	35 - 45	90 - 120
Tlen O2	∞	15 → 0	120 - 180	∞

ATP - bezpośrednie źródło energii, tylko 30% się rozpada (badania dowodzą, że więcej)

CP - 3 x więcej niż ATP, zużycie całkowite

G - mięśniowy 74%, wątrobowy 22%, pozakomórkowy 4%.

Moc źródeł a prędkość biegu:











Suma wszystkich źródeł energii


Pw [ % ] V [ m/s ]





100 10

ATP

CP

7,5




G


50 5

O₂

10 100 1000 10000 t [ s ]

ATP,CP = 100%

G = 66%

O₂ = 33% (5%)

ATP w mięśniach 1,5[ s ] 30 [ % ] 0,45 [ s ]

CP 5 [ s ] 70 [ % ] 3,5 [ s ]

ADP, ADM 0,2 [ s ] 100 [ s ] 0,2 [ s ]

Razem FOSFAGENY 4,15 [ s ]

Prędkość:













V [ m/s ] V




10

V= Lxf

5 a 29 0

V= Lxf

40 F, L, technika,

wytrzymałość

Ft=mV

54,4




0,15 5 10 15 20 t[s]

treakcji min

a max F = ma FV = 0

Sprawność:

Pw - moc włożona, VO₂/min

Pu - moc użyteczna względem S.C. ciała i sprzętu [ W ]




P[kW] VO₂/min













2,0 5,0

1,5





1 1


0,5 0,5









2 4 6 8 V[m/s]

η = P_u/P_w - sprawność

η₁ = 0,12 : 0,2 = 0,6

η₄ = 0,15 : 0,5 = 0,3

η₆ = 0,2 : 1 = 0,2

η₈ = 0,3 : 5 = 0,06

Wykład 15.

KOORDYNACJA

Koordynacja ruchu to współdziałanie mechanizmów fizjologicznych, głównie nerwowo - mięśniowych, które zapewniają wykonanie ruchu zgodnie z programem ruchu.

Sterowanie ruchami (obieg informacji) odbywa się w układzie otwartym (sprzężenie proste) lub zamkniętym (sprzężenie zwrotne)

W procesie sterowania istotnym kryterium jest stała czasowa - jako wartość czasu, w którym taki proces może być zrealizowany.

Jeżeli czas od polecenia do wykonania ruchu jest krótszy niż stała czasowa, nie umożliwia to wprowadzenie korekty i sterowanie odbywa się w układzie otwartym (sprzężenie proste).

Jeżeli czas od polecenia do wykonania ruchu jest dłuższy niż stała czasowa,umożliwia to wprowadzenie korekty i sterowanie odbywa się w układzie zamkniętym (sprzężenie zwrotne).


STEROWANIE W UKŁADZIE OTWARTYM Z

X Y



Układ sterujący (regulator) Układ sterowany (regulowany)

X - sygnał sterujący, informacja

Y - zakłócenie

Z - wynik

INFORMACJA - to treść sygnałów odbieranych, przetworzonych i przekazywanych przez urządzenie sterujące.

Sprzężenie proste - to przekazanie informacji od urządzenia sterującego do urządzenia sterowanego.

Sprzężenie zwrotne - to mechanizm kontroli i sterowania następnym działaniem na podstawie informacji z poprzedniego działania.





Z


X Y








Układ sterujący Układ sterowany

U

X - sygnał sterujący, informacja

Y - zakłócenie

Z - wynik

U - informacja zwrotna od X po zadziałaniu Z, jako podstawa korekty

KOORDYNUJEMY (sterujemy):

• Czasem (t) - kiedy (bodziec nerwowy)

• Przestrzenią (s,α) - który mięśnień

• Siłą (F = ma) - ile włókien mięśniowych

V = s/t ; F = ma

a = V/t ; Ft = mV

ω = α/t ; W = F • s





V = ωr ; P = Fr

F




ΣF_m

ΣF_z

t

PIEŚCIEŃ RUCHOWY BERNSTEINA


MECHANIZM PORÓWNUJĄCY





Program ruchu
Część znaczeniowa	Część wykonawcza

STREFA SYNTEZY




WZMACNIACZ STREFA SYNTEZY


(rdzeń kręgowy) CZUCIOWEJ




Sprzężenie wewnętrzne




EFEKTORY RECEPTORY





OBIEKT PRACY

sprzężenie zewnętrzne

E_pO_z

Czas obiegu informacji od receptora do efektora wynosi wg. N. A Bernsteina Δt = 0,07 - 0,12 s. Proces sterowania cyklicznego przebiega więc z częstotliwością 8 - 14 Hz. Taką częstotliwość ma rytm EEG i tremor mięsniowy. Jest to częstotliwość dolnej granicy słyszalności dźwięków i górnej granicy poznawalności pojedynczych obrazów.

Wartość Δt jest dolną granicą czasu reakcji prostej.

Uwzględniając Δt i związane z tym możliwości sterowania ruchami możemy wyróżnić trzy rodzaje ruchów:

t_ruchu < 0,1 s ruchy mimowolne (odruchy) sterowanie na poziomie rdzenia kręgowego bez sprzężenia zwrotnego.

t_ruchu = 0,1 - 0,2 - ruchy balistyczne, sterowane „przed”, nie można sterować

t_ruchu > 0,2 s - ruchy ciągłe, sterowane „w czasie:, podczas wykonania, na bieżąco wprowadzenie korekty, wykorzystywanie sprzężenia zwrotnego.

Wykład 16.

Koordynacja.

FAZY KSZTAŁTOWANIA NAWYKU RUCHOWEGO:

FAZA	CO? obserwujemy	JAK? Do tego dochodzi	Dlaczego? Tak jest
I	Ruchy sztywne	Irradiacja pobudzenia (generalizacja bodźców)	Pokonanie nadmiernej liczby stopnie swobody. OPANOWANIE PRZESTRZENI
II	Nadmierna ruchliwość	Koncentracja pobudzenia	Poszukiwanie optymalnej techniki ruchu. Wykorzystanie stopni swobody i sił zewnętrznych. OPANOWANIE CZASU
III	Płynność ruchu	Automatyzacja i stabilizacja	Podświadome wykonywanie ruchu. Działanie taktyczne. Mimika, symbolika

RECEPTORY I ICH CZUŁOŚĆ:

NAZWA	RECEPTOR I JEGO LOKALIZACJA	RODZAJ INFORMACJI	PRÓG CZUŁOŚCI
TELE receptor	Receptor wzroku - oko	Położenie liniowe (l) i kątowe (α) oraz prędkości (V,ω)	Zdolność rozdzielcza t - 16 ms
TELE receptor	Receptor słuchu - ucho wewnętrzne	Odległość od źródła dźwięku (l) i jego kierunek (α)	α = 3 - 4°
KONTAKTO receptor	Receptor dotyku - skóra	Siła dotyku (F), programowanie przestrzeni (s)	F = 0,5 - 10 • 10^-2 N S = 1 - 67 mm
PROPRIOreceptor Czucie własne Kinestetyczne	Kanały półkoliste - ucho wewnętrzne	Kąt ustawienia ciała (α), przyspieszenie (ε)	α = 1 - 2° ε = 1 - 3°^-2s
		Przedsionek - ucho środkowe	Położenie pionowe ciała (g), przyspieszenie (a)	a = 2 - 20cm • S^-2
		Wrzeciona mięśniowe - brzuśce mięśniowe	Długość mięśnia (l) i prędkość skracania (l,f)	Lmt/lm = 1/4000
		Receptory ścięgnowe (organa Golgiego)	Siła mięśniowa (Fm)	Brak danych
		Receptory stawowe (ciałka Pucciniego i ruffiniego)	Kąty stawowe (α) i prędkość w stawach (α/t)	α = od 20” do 10'

POZIOM KONSTRKCJI RUCHU

Poziom	Struktura mózgu	Rodzaj informacji	Rodzaj ruchu
A	Móżdżek, jądro czerwienne	Propio- interoreceptory Siła długość, prędkosć skracania się mięśnia, kąty stawowe	Odruchy informujące o sile mięśni, odruch utrzymania postawy
B	Wzgórze wzrokowe, gałka blada	Propio- i kontaktoreceptory Siła nacisk, kształt, temperatura, wilgotność	Lokomocja, niekontrolowane emocje (bieg z piłką)
C	Wzgórze wzrokowe, ciałko prążkowane (układ piramidowy)	Propio.- kontakto.- telereceptory	Wszystkie ruchy; skoki biegi, rzuty
D	Płaty ciemieniowy, potyliczny	Synteza czuciowa Analiza i synteza czucia	Działalność techniczno- taktyczna
E	Płat czołowy	Wyobrażenie symboli	Mowa, pismo, mimika

A, B, C - część wykonawcza

D, E - część znaczeniowa

ZALECENIA DO NAUCZANIA TECHNIKI RUCHU:

1. Podawanie poleceń w kategoriach przestrzeni i czasu

2. Kolejność akcentów wykonania. Ogólne zapoznanie się z ćwiczeniem. Ogólne wyobrażenie ruchu(D), a następnie doskonalenie szczegółów. Opanować ruch poprawny w przestrzeni w zwolnionym tempie (I faza). Opanować ruch poprawny w czasie, odpowiedni rytm, prędkość, przyspieszenie (II faza). Doskonalić technikę działania, wyraz ruchu, obserwacja otoczenia, wybór wariantu technicznego i taktycznego (III faza)

3. Stosowanie różnorodnych ćwiczeń.

4. Ćwiczenia pomocnicze doprowadzić do II fazy kształtowania nawyku ruchowego (nadmierna ruchliwość)

5. Nie kopiować techniki mistrza (mistrz jest niepowtarzalny)

6. Wykorzystać do maksimum swoje cechy indywidualne (budowa ciała, predyspozycje, zdolności)

7. początkującemu pokazać i wytłumaczyć jak ten ruch wygląda i jak go należy wykonać, a zaawansowanemu stawiać zadanie ruchowe i podpowiadać warianty rozwiązań.

www.student-akademia.prv.pl

6

Marcin Bąk

α

γ

δ [%]

---