WYKŁAD 1.
WPROWADZENIE DO BIOMECHANIKI UKŁADU RUCHU CZŁOWIEKA
Treści programowe:
- Biomechanika wyjaśnienie pojęcia. Zakres zainteresowań biomechaniki., Podstawowe pojęcia stosowane w biomechanice: statyka, dynamika, kinematyka, siła, układy sił, rozkład sił, siły działające równolegle, moment siły obrotowej, dźwignie, pary sił, bloczek, praca, moc,.
Biomechanika jest nauką o ruchu i mechanizmach ten ruch wywołujących ze szczególnym uwzględnieniem
Człowieka i zwierząt (Morecki)
Zgodnie z podziałem przyjętym na VII Międzynarodowym Kongresie Biomechaniki (Warszawa 1979) ze względu na zakres badań i zastosowań możemy wyróżnić następujące działy biomechaniki:
- biomechanika ogólna
- biomechanika inżynierska
- biomechanika medyczna i inżynieria rehabilitacyjna
- biomechanika sportu
Biomechanika ogólna ( General Biomechanics) - zajmuje się metodami i metodykami badawczymi, ogólnymi technikami mierniczym i aparaturą, technikami komputerowymi, akwizycją danych.
Biomechanika inżynierska ( Biomechanics of Engineering) - modelowanie ruchu, technikami pomiarowymi, manipulacją i lokomocją człowieka, zwierząt, owadów, badaniem postawy, własności mechanicznych i elektrycznych mięśni, tkanki łącznej, ścięgien, płynów biologicznych, własności mechanicznych i regulacyjnych układu szkieletowo-mięśniowego, protetyka i ortoptyka.
Biomechanika medyczna i inżynieria rehabilitacyjna ( Medical Biomechanics and Rehabilitation Engineenring)
Neurofizjologiczne aspekty układu mięśniowo-stawowego, elektromiografią, klinicznymi aspektami przepływu płynów biologicznych, funkcjonalną stymulacją elektryczną mięśni, kości, eliminacją bólu, badaniem chodu patologicznego. Implantami, metodami rehabilitacji.
Biomechanika sportu ( Biomechanics of Sport ) Badanie i modelowanie ruchu zawodnika wykonującego zadania ruchowe. Optymalizacja techniki sportowej
Powyższy podział jest podziałem czysto umownym. Często poszczególne działy biomechaniki się przenikają i wzajemnie uzupełniają.
Biomechanika jest nauką zajmującą się działaniem wewnętrznych i zewnętrznych sił na ciało - strukturę biologiczną istot żywych oraz skutkami tych działań
W uproszczeniu możemy podzielić te siły na: siły wewnętrzne i zewnętrzne
Siły wewnętrzne to siły generowane przez mięśnie ( siłowniki) działające w systemie - kości - dźwignie i ich połączenia stawowe.
By te siłowniki wykonały pracę zewnętrzną muszą być pobudzone przez układ nerwowy, towarzyszy temu potencjał czynnościowy w mięśniu, wyzwalana jest energia chemiczna, która jest zamieniana w energię mechaniczną przy pewnej stracie ciepła.
Impuls nerwowy > wyzwolenie potencjału czynnościowego mięśnia.> wyzwolenie energii chemicznej( procesy metaboliczne> zamiana na energię mechaniczną >wytworzenie energii cieplnej (której część się rozprasza)
Potencjał ruchowy człowieka - to budowa ciała a szczególnie układu ruchu (kości, stawów, mięśni) zapewniający jego funkcje i zdolność do wyzwalania mocy (iloczyn siły i prędkości) wraz z procesem sterowania ruchami.
Wyobraźmy sobie, że szkielet jako część składowa układu ruchu. Jeżeli weźmiemy np. Kość udową to możemy ją traktować jako dźwignię podpartą w punkcie połączenia z miednicą za pośrednictwem stawu biodrowego.
Staw ten ma określoną ruchliwość, pozwalającą na wykonanie ruchów obrotowych uda w trzech osiach, którą opisujemy określoną klasą stawu. Staw ma również pewien zakres ruchu wokół każdej osi.
Do opisywanej dźwigni w określonym miejscu przyłożona jest siła mięśnia, której położenie względem dźwigni wyznacza ramię siły. Iloczynem wektorowym ramienia siły ( r ) i siły ( F ) jest moment siły ( M ).Moment siły danego mięśnia może wywołać ruch obrotowy dźwigni . Na tę dźwignie działa wiele innych mięśni oraz momenty sił zewnętrznych np. grawitacja.
Ruch dźwigni -jego kierunek i prędkość będzie efektem działania tych momentów sił.
Grawitacja jest związana z masą ciała. Ma ona swój punkt przyłożenia do danego segmentu ciała - do jego środka ciężkości
Aby przystąpić do analizy ruchów ciała ludzkiego musimy mieć wiedzę anatomiczną stanowiącą wstęp do tej analizy.
Inne terminy związane z biomechaniką
Mięsień
Może być w stanie spoczynku lub stanie pobudzenia.
Gdy jest pobudzony rejestrujemy jego zwiększoną aktywność elektryczną
- tzw Potencjał czynnościowy
Informuje on nas o tym czy mięsień (grupa mięśni) jest pobudzona i w jakim stopniu.
U podłoża pracy mięśnia leżą przemiany energetyczne. Wiąże się z tym Koszt i sprawność energetyczna.
Sprawność energetyczną poznamy przez porównanie energii zużytej z wyzwoloną energią zewnętrzną.
Wymaga to wyznaczenia pracy mechanicznej ( zewnętrznej) i porównania jej zużytą energią wewnętrzną metaboliczną określoną metodami fizjologicznymi.
Tak więc przedmiotem biomechaniki jest poznanie lub inaczej identyfikacja i struktura układu ruchu, jego funkcji oraz procesów sterowania, które objęto mianem Potencjału ruchowego człowieka.
UKŁAD RUCHU
Kości-dźwignie
Stawy-połączenia
Mięśnie - siłowniki
Masa, środki mas, momenty bezwładnościowe, ciężar właściwy
ZASILANIE STEROWANIE
(procesy energetyczne) ( procesy nerwowe)
Efektem działania sił jest ruch, a właściwie zmiana ruchu. W sytuacji gdy siły i momenty sił się równoważą, ciało pozostaje w równowadze. Z takim stanem mamy do czynienia przy zachowaniu równowagi w postawie stojącej, lub podczas wykonywania niektórych ćwiczeń fizycznych.
Natomiast, gdy siły i momenty sił się nie równoważą zaczyna się ruch. A dokładniej zmiana ruchu.
Głównymi atrybutami ruchu są droga i czas a ich pochodne to prędkość i przyspieszenie.
Ruchy lokomocyjne takie jak chód, bieg, skok należą do najbardziej naturalnych opanowanych i obok wybranych czynności roboczych i walki należą do filogenetycznie najstarszych.
Na nie dopiero nakładają się współczesne czynności robocze, sportowe, artystyczne, czy fizjoterapeutyczne.
Z punktu widzenia biomechaniki interesuje nas poznanie
struktury kinematycznej i dynamicznej
a następnie ich optymalizacja.
Biomechanika dysponuje metodami pozwalającymi badać charakterystyki masowe i bezwładnościowe ciała ludzkiego, wymiary liniowe, kątowe objętościowe. Stosowane są pomiary parametrów kinematycznych ruchów liniowych oraz obrotowych ciała i części ciała, parametrów dynamicznych grup mięśni czy sił reakcji,
A z pomocą niezbyt skomplikowanych obliczeń uzyskuje się dane o pracy mechanicznej, energii czy mocy. Do badań aktywności bioelektrycznej wykorzystujemy badania elektromiograficzne.
Współczesne metody badawcze stosowane w biomechanice to
1/ fotografia (kinematografia, fotografia stroboskopowa, rentgenowska lub fluoroskopowa,
2/ platformy siły do pomiarów przebiegu środka ciężkości i do pomiarów ilości i czasu eksponowania siły przy różnych ruchach badanego, w różnych kierunkach.
3/elektromiografia
4/ goniometria
5/liczne pomoce dla analizy obrazów fotograficznych np. analizatory ruchu współpracujące z zestawami komputerowymi.
6/ urządzenia do badań trójwymiarowych (sprzężone kamery filmowe, skanery promieni g, holografia laserowa, tomografia komputerowa.
7/ urządzenia pomiarowe do pomiarów szybkości.
Biomechanika jest nauką stosunkowo młodą. Po raz pierwszy w Polsce wprowadził w latach 30-tych Prof. Roman Poplewski z AWF w Warszawie.
SIŁY DZIAŁAJĄCE NA APARAT RUCHOWY CZŁOWIEKA
Układ fizyczny to zespół obiektów makroskopowych ( ciał i pól) , które mogą przekazywać sobie nawzajem (wymieniać się) energię we wszystkich postaciach), tzn zespół obiektów oddziaływujących.
W tym rozumieniu Ziemia, człowiek i słońce tworzą :
UKŁAD BIOMECHANICZNY
Dla określenia parametrów układu biomechanicznego konieczne jest określenie:
UKŁADU ODNIESIENIA
Dla człowieka takim układem odniesienia jest kula ziemska.
Przyjęcie układu odniesienia jest sprawą umowną. Musimy jednak określić, czy jest to układ:
inercjalny, czy nieinercjalny.
Układy inercjalne - to układy w których spełniona jest I-wsza zasada dynamiki Newtona, nazywana również zasadą bezwładności.
Zgodnie z zasadą, sam układ i wszystkie ciała z nim związane pozostają w spoczynku lub poruszają się ruchem jednostajnie prostoliniowym, gdy suma wszystkich sił zewnętrznych działających na układ lub ciało jest równa zeru.
Na potrzeby analizy ruchu człowieka przyjmujemy Ziemię jako inercjalny układ odniesienia.
Naturalnymi stanami ciała człowieka polu grawitacyjnym ziemi jest stan spoczynku lub ruch prostoliniowy ze stałą prędkością, zaś wytrącenie go z tych stanów wymaga siły proporcjonalnej do masy ciała.
Pojęcia związane z siłami.
Uwagi ogólne o ruchach.
Opis ruchu ciała wymaga zastosowania abstrakcyjnego modelu reprezentującego to ciało w przestrzeni.
W biomechanice jako modele ciał używa się :
a/ punkt materialny
b/ bryłą sztywną
Ad/a Punkt materialny jest wyidealizowanym ciałem posiadającym masę, lecz nie posiadające objętości.
Dzięki temu nie obraca się, nie drga i porusza się zawsze ruchem postępowym.
W rzeczywistości w przyrodzie nie ma ciał , które nie posiadałyby żadnej objętości.
Każde ciało posiada specjalny punkt, który porusza się tak, jakby cała masa układu była skupiona na tym punkcie (Resnick, Holliday 1974).
Nazywamy go środkiem masy ciała.
Wyznaczanie środków masy ciała może być w praktyce bardzo skomplikowane w związku z niejednorodną budową segmentów ciała człowieka
Dlatego częściej posługujemy się pojęciem środka ciężkości ciała
Środek ciężkości ciała w obiektach małych w stosunku do kuli ziemskiej pokrywa się w zasadzie ze środkiem masy ciała.
środek ciężkości ciała można wyznaczyć metodami pośrednimi i bezpośrednimi
Ad/b bryła sztywna to wyidealizowany jednorodny obiekt fizyczny, którego wszystkie punkty są zawsze tak samo od siebie odległe.
W praktyce nie ma ciał jednorodnych. Dla potrzeb biomechaniki ciało człowieka jest podzielone na 14 części, które są traktowane jako bryły sztywne:
- głowa z odcinkiem szyjnym kręgosłupa( G)
- tułów ( T)
- ramię prawe ( RAP, ramię lewe (RAL)
- przedramię prawe (PRP) przedramię lewe( PRL)
- ręka prawa (REP) , ręka lewa ( REL)
- udo prawe ( UDP), udo lewe ( UDL)
- podudzie prawe (PUP), podudzie lewe ( PUL)
- stopa prawa (STP), stopa lewa (STL)
Zaletą traktowania części ciała człowieka jak bryły sztywnej jest to, że ich środki masy mają stałe położenie i można je stosunkowo łatwo wyznaczyć( w przypadku człowieka pokrywają się ze środkami ciężkości.
RODZAJE RUCHÓW
Ruch jest zmianą położenia ciała względem układu odniesienia, pod wpływem działających sił.
Podstawowymi rodzajami ruchów w biomechanice są : ruch postępowy i ruch obrotowy.
W praktyce najczęściej mamy do czynienia z ruchami złożonymi, które możemy podzielić na składową postępową i obrotową.
Ruch postępowy - to taki ruch, w którym dowolny odcinek łączący dwa punkty ciała przesuwa się zawsze równolegle do swojego pierwotnego położenia. W ruchu postępowym wszystkie punkty ciała poruszają się w danej chwili z taką samą prędkością liniową w tym samym kierunku.
Możemy wyróżnić ruch postępowy prostoliniowy lub krzywoliniowy.
Po to by zaistniał ruch krzywoliniowy muszą być spełnione dodatkowe warunki
Musi wystąpić siła dośrodkowa i przyspieszenie dośrodkowe, których wektory są skierowane ośrodka zataczanej krzywizny i przebiegają wzdłuż promienia krzywizny.
Dodatkowo muszą istnieć więzy pomiędzy osią obrotu, a przemieszczającym się ciałem. Zerwanie więzów w trakcie ruchu krzywoliniowego powoduje zmianę ruchu na ruch prostoliniowy. Mówimy , że zadziałała wtedy siła odśrodkowa.
Ruch obrotowy - jest to taki ruch, w którym nie wszystkie odcinki łączące dwa punkty ciała zawsze się przesuwają równolegle do swojego pierwotnego położenia. Poszczególne punkty ciała mogą się poruszać z różnymi prędkościami liniowymi zależności od osi obrotu.
Ruchowi obrotowemu podlegają tylko bryły sztywne lub ich układ.
Przyczyną ruchu obrotowego jest wystąpienie .pary sił przeciwnie skierowanych.
W trakcie ruchu obrotowego wszystkie punkty ciała poruszają się po okręgu i pokonują tę samą drogę kątową ale różną liniowa. W zależności od osi obrotu.
W biomechanice najczęściej analizujemy ruch środka masy ciała.
POJĘCIE SIŁY W BIOMECHANICE.
Siła jest podstawowym pojęciem biomechaniki i powinna być jednoznacznie interpretowana przez studiujących biomechanikę.
Z punktu widzenia biomechaniki:
- Siła to przyczyna zmiany warunków ruchu całego ciała człowieka lub jego części.
Jest ona wektorem, a to oznacza, że posiada kierunek i zwrot oraz zawsze można wskazać jej punkt zaczepienia.
F=m . a
RODZAJE SIŁY
Według Resnicka,Holliday (1974) wszystkie siły występujące w przyrodzie można podzielić na trzy rodzaje ze względu na ich źródło:
1/ grawitacyjne - pochodzące od masy ciał
2/ elektromagnetyczne - których źródłem są ładunki elektryczne i dipole magnetyczne cząsteczek i atomów
3/ jądrowe - polegające na wzajemnym oddziaływaniu protonów i neutronów w jądrach atomowych
( najsilniejsze w przyrodzie).
nazywamy je siłami rzeczywistymi, gdyż zawsze można je powiązać z jakimś konkretnym ciałem.
Jeżeli jakiejś siły nie da się powiązać z jakimś ciałem, traktuje się je jako siłę pozorną.
Siły pozorne nazywane są również siłami bezwładnościowymi.
Fb = -m . a
Przykładem działania siły bezwładności jest sytuacja w której samochód ląduje w rowie na zakręcie.
Działa wtedy tak zwana siła odśrodkowa.
Jest to siła pozorna, nie można jej przypisać konkretnemu ciału.
Wartość liczbową siły odśrodkowej można wyliczyć przez porównanie jej z rzeczywistą siłą dośrodkową, działającą na ciało w trakcie ruchu krzywoliniowego.
Fods = - Fdosr = m . a dosr
Siły działające na odległość - pola
Siły rzeczywiste mogą oddziaływać na ciała na odległość lub poprzez bezpośredni kontakt.
Bezpośredni kontakt to - popychanie, ciągnięcie, podnoszenie, trzymanie.
Siły działające w ten sposób nazywamy siłami kontaktowymi
Oddziaływanie sił na odległość wiąże się pojęciem pola.
Jest to pojęcie abstrakcyjne, ale użyteczne.
Na co dzień człowiek ma do czynienia z 2 rodzajami pola i związanymi z nim siłami:
Polem grawitacyjnym i polem elektromagnetycznym.
Pole grawitacyjne (np. na przykład przyciąganie ziemskie
A pole elekromagnetyczne wytwarzają urządzenia elektryczne(telefon, kuchenka mikrofalowa itp.).
Miarą sił oddziaływania pola jest jego natężenie.
Dla siły grawitacji jest to stosunek siły grawitacji do masy.
Natężenie pola grawitacyjnego Ziemi tuż przy jego powierzchni wynosi ok. 9,81N/kg
Oznacza to, że całkowita siła oddziaływania kuli ziemskiej na człowieka wynosi 9,81 N/kg razy ilość kilogramów masy jaką człowiek posiada.
Natężenie pola elektromagnetycznego wyznacza się w praktyce w watach na metr kwadratowy W/m2
Natomiast jego składowych :pola elektrycznego w woltach na metr V/m
I pola magnetycznego w amperach na metra/m.
W badaniach biomechanicznych zajmujemy się głównie wpływem pola grawitacyjnego na człowieka.
Siły makroskopowe i mikroskopowe
Siły makroskopowe to te, które są przyczyną ruchu całego ciała lub jego części.
Siły mikroskopowe to te, które wynikają z oddziaływania międzycząsteczkowego w tkankach i komórkach.
Siły spójności
Siły spójności to siły, które działają między cząsteczkami tego samego ciała. Nazywane są też siłami van der Waalsa. Określają one wiele właściwości fizycznych materii. Decydują o wytrzymałości tkanek na obciążenia.
Np. Kropla wody.
Siły spójności działające między cząsteczkami różnych materiałów nazywamy siłami przylegania.
Szkło jest „mokre” ponieważ siły przylegania między cząsteczkami szkła i wody są większe niż siły spójności między cząsteczkami wody.
Siły zewnętrzne i wewnętrzne.
Podział umowny:
Ta sama siła może być uznana za zewnętrzną lub wewnętrzną , w zależności od przyjętego układu odniesienia w trakcie analizy sił.( mięśnie)
Siły aktywne i pasywne
Podział sił na aktywne ( czynne) i pasywne ( bierne)wynika z III zasady dynamiki Newtona
Siły działające stale, okresowo i impulsowo
Siły rozciągające, ściskające, gnące i skręcające.
Siły powierzchniowe
Siły działające na całą powierzchnię, wyrażamy je w paskalach Pa , czyli Niutonach na metr kwadratowy
! Pa = 1N/m2
Typowe siły powierzchniowe to ciśnienie powietrza i wody
Ciśnienie wody rośnie 1Atm na 10m wody
Masa słupa powietrza na poziomie morza nad głową człowieka to 500 kg.
Nie odczuwamy wpływu ciśnienia dopóki ciśnienie wszystkich gazówka zewnątrz i wewnątrz ciała człowieka jest równe.
MOMENT SIŁY
Przyczyną ruchów postępowych jest siła. W ruchach obrotowych taką samą rolę pełni moment siły.
Jest on wielkością wektorową i powstaje jako iloczyn wektorowy siły i jej wektora położenia względem osi obrotu.
Nas interesuje nas przede wszystkim wartość liczbowa momentów siły, którą można wyznaczyć na podstawie następującej zależności.
MF = F . r .sin (α )
MF = F . d
d = r . sin (α )
gdzie:
MF - wartość momentu siły,
r - wektor położenia siły
F - siła
α - kąt pomiędzy wektorami siły i położenia siły
d - ramię wodzące siły
Obliczanie moment siły
Jednostką momentu siły jest niutonometr N . m
Jest to jednostka bardzo podobna do jednostki pracy dżula 1J = 1N . m
Nie są to jednak jednostki fizyczne tożsame Praca jest skalarem, moment siły wektorem
Moment siły możemy obliczyć wyłącznie dla bryły sztywnej.
KLASYFIKACJA SIŁ DZIAŁAJĄCYCH NA APARAT RUCHU CZŁOWIEKA
Zewnętrzne |
Wewnętrzne |
||||
Rzeczywiste |
Pozorne |
Rzeczywiste |
Pozorne |
||
Aktywne |
Pasywne |
Bezwładnościowe |
Aktywne |
Pasywne |
Bezwładnościowe |
Ciężkości - Q
Natury
Pochodzące od maszyn
Pochodzące od biomaszyn |
Reakcji ciał stałych - R
Tarcia - T Oporu płynów - Fop
Wyporu wody - Fww
Nośna Powietrza - Fnp |
Bezwładności w ruchach liniowych - Fb
Odśrodkowa w ruchach krzywoliniowych i obrotowych - Fodś |
Ciężkości części ciała
Skurczu mięśniowego |
Reakcji powierzchni stawowych
Reakcji więzów
Tarcie wewnętrzne
|
Odśrodkowa W ruchach obrotowych w stawach |
Siły zewnętrzne:
Siły zewnętrzne aktywne:
Siła ciężkości-ciężar to siła z jaką na każde ciało działa pole grawitacyjne Ziemi, nadając mu przyspieszenie ziemskie.
Q = m . g
m - masa ciała
g - przyspieszenie ziemskie
Jednostką siły w układzie SI jest 1 N (niuton) czyli siła, która ciału o masie 1 kg nadaje przyspieszenie a = 1 m/s2
Zapamiętać!
Waga nie jest synonimem ciężaru i nie jest wielkością fizyczną.
Waga to urządzenie do pomiaru ciężaru ciała!.
Siły natury
Stale nam towarzyszą, mają zawsze pochodzenie elektromagnetyczne. Różnica między siłą ciężkości a siły natury są takie, że siła ciężkości jest stała, a siły natury mają charakter zmienny. Mogą osiągać znacznie wartości, są jednak trudne do opisu i pomiaru.
Siły pochodzące od maszyn i biomaszyn
Siły zewnętrzne pasywne
Siła reakcji ciał stałych
Siła reakcji podłoża - R
Przeciwnie niż ciężar nie zawartości stałej, jej aktualna wielkość jest zależna od siły nacisku, jakie ciało wywiera na podłoże.
U człowieka w bezruchu Siła nacisku jest równa ciężarowi ciała. A siła rekcji podłoża jest im równa liczbowo, lecz przeciwnie skierowana.
W trakcie ruchu siła nacisku zmienia się.
Można ją określić na dwa sposoby:
1/ jako sumę ciężaru ciała i wypadkowej siły mięśni skierowanej w kierunku podłoża.
2/ z zasady d'Alamberta jako sumę siły rzeczywistej( ciężar ciała) i sił bezwładnościowych( pozornych) skierowanych pionowo w dół.
W biomechanice przyjęło się stosować do wyjaśnienia siły reakcji podłoża zasadę d'Alamberta.
W związku z tym siła reakcji podłoża jest równa sumie siły ciężkości i siły bezwładności.
R = Q + Fb
Gdzie
Q - siła ciężkości
Fb - siła bezwładności
Siła tarcia
Tarcie jest nieodłącznie związany z funkcjonowaniem aparatu ruchu człowieka.
Tarcie jest siłą kontaktową- powstaje wówczas, gdy oddziaływujące na siebie ciała są dostatecznie blisko siebie, aby mogły zadziałać siły elektromagnetycznego przyciągania się cząsteczek obydwu ciał.
W praktyce z punktu widzenia makroskopowego mówimy o stykaniu się ciał.
T = μ . N
μ = współczynnik tarcia
N = siła nacisku
Siła tarcia jest zawsze skierowana przeciwnie do wektora prędkości poruszającego się ciała.
Siła tarcia jest zawsze przeciwstawia się ruchowi nigdy nie powoduje ruchu ciała.. Siły tarcia mogą istnieć nawet wówczas, gdy powierzchnie są nieruchome względem siebie.
Siły tarcia :
Statyczne
Kinetyczne
Dalszy podział
Na tarcie posuwiste, ślizgowe, toczne.
Każdy z tych rodzajów tarcia ma własny współczynnik proporcjonalności w stosunku do siły nacisku.
Siła oporu płynów
Powstaje w płynach na skutek ich lepkości.
Fop = ½ . k . ρś . S . v2
Gdzie:
ρś = gęstość środowiska
S = rzut powierzchni ciała na płaszczyznę prostopadłą do kierunku ruchu
k = współczynnik kształtu
V = prędkość ciała
Siła wyporu wody
Jest przejawem elektromagnetycznego odpychania się cząsteczek wody i zanurzonego w niej ciała.
Jest skierowana pionowo w górę i zaczepiona w punkcie nazywanym środkiem wyporu
Wartość liczbową siły wyporu można określić znając objętość zanurzonego ciała i gęstość wody:
Siła wyporu wody
Fww = ρ . g . V
Gdzie :
V = objętość zanurzonego ciała
ρ = gęstość wody
g = przyspieszenie ziemskie
Siła nośna powietrza
Jest podobna do siły opory
Różnica polega na tym, że siła oporu jest reakcją na skierowaną w przód napędzającą ruch ciała siłę ciągu, natomiast siła nośna jest reakcją na siłę grawitacji.
Siła nośna powietrza
Fnp = ½ . k . ρś . S . v2
ρś = gęstość powietrza
S = powierzchnia przekroju ciała
k = współczynnik kształtu
v = prędkość ciała
Siły zewnętrzne bezwładnościowe
Są to siły pozorne, których źródłem jest bezwładność człowieka
Siły wewnętrzne
Siły wewnętrzne aktywne
U człowieka stanowią je głównie siła ciężkości poszczególnych części ciała i siła skurczu mięśniowego.
Ciało człowieka jest układem 14 brył sztywnych - elementarnych części ciała.
Każda ma swój własny środek masy i własny ciężar, którym może oddziaływać na inne części.
Siła skurczu mięśniowego
Dzięki tej sile możliwe są ruchy w stawach - choć powstanie skurczu mięśniowego nie jest warunkiem wystarczającym.
Drugim koniecznym warunkiem jest możliwość przeniesienia siły za pomocą dźwigni kostnych i powstanie momentu obrotowego.
Siła skurczu mięśni jest siłą wewnętrzną. Aby nastąpiła położenia środka masy, musi nastąpić reakcja jakiegoś innego ciała na siłę skurczu mięśniowego. Powstanie wtedy zewnętrzna siła reakcji, która może zmienić położenie środka masy.
Siły wewnętrzne pasywne
Siła reakcji powierzchni kostnych
Jeżeli jedna z powierzchni stawowych wywiera nacisk na drugą, to zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona druga wywiera na pierwszą siłę równą co do wielkości lecz przeciwnie skierowaną - ta siła to
Siła reakcji powierzchni stawowych
Siła reakcji więzów
Gdy człowiek stoi w pozycji swobodnej , z opuszczonymi kończynami górnymi - na każdy z jego stawów działa siła równa ciężarowi kończyny górnej. Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona, sile tej musi się przeciwstawić inna siła. Równa co do wielkości, lecz przeciwnie skierowana.
Siła ta to:
Naprężenie części miękkich stawów - więzadeł i torebki stawowej
Tarcie wewnętrzne
- tarcie między powierzchniami stawowymi, zajmuje się nimi biotribologia
Biotribologia - dziedzina wiedzy zajmująca się analizą i opisem oporów ruchu w naturalnych i sztucznych stawach człowieka oraz organizmach żywych, badaniem i opisem procesów smarowania oraz zużycia stawów jak teżendoprotez.
Siły wewnętrzne bezwładnościowe
Są związane z momentami bezwładności w stawach
STATYKA, KINEMATYKA I DYNAMIKA
Różnorodność form ruchu człowieka i ich złożoność powodują, że najczęściej analiza biomechaniczna zadania ruchowego ogranicza się do wybranych parametrów statycznych, kinematycznych i dynamicznych.
STATYKA
Statyka jest dziedziną mechaniki zajmującą się opisem stanów równowagi ciał.
Aby ciało było w równowadze, wszystkie siły zewnętrzne i momenty sił muszą być w równowadze.
KINEMATYKA
Kinematyka jest działem mechaniki, który zajmuje się opisem ruchu., bez uwzględnienia jego przyczyny.
Opis taki sprowadza Się do określenia toru lotu i wartości liczbowych parametrów kinematycznych.
Tor ruchu może być:
- prostoliniowy lub krzywoliniowy ( w ruchach postępowych)
- okręgiem (w ruchach obrotowych)
Parametry kinematyczne to:
1/ czas - mierzony w ten sam sposób w ruchach postępowych i obrotowych ( S I )
2/ droga
- liniowa w ruchach prosto i krzywoliniowych
- kątowa w ruchach obrotowych
3/ przemieszczenie - tylko liniowe ( jest to wektor równy różnicy wektorów położenia dwóch
punktów w przestrzeni)
4/prędkość - liniowa we wszystkich rodzajach ruchów i kątowa w ruchach obrotowych.
5/ przyspieszenie - liniowe w ruchach prostoliniowych, kątowe w ruchach obrotowych dośrodkowe w ruchach krzywoliniowych i obrotowych.
Część parametrów kinematycznych to parametry mierzone ( czas, przemieszczenie, droga)
Część (prędkość i przyspieszenie) obliczana.
W praktyce najczęściej obliczamy prędkość średnią będącą ilorazem przyrostu drogi do czasu jej pokonania.
DYNAMIKA
Dynamika jest dziedziną fizyki zajmującą się analizą sił działających na ciała w trakcie ruchu.
Pojęcia związane z dynamiką to:
- dla ruchów postępowych
masa, siła, pęd
- dla ruchów obrotowych
moment bezwładności, moment siły, moment pędu
Oraz dla wszystkich ruchów :energia, praca i moc.
Masa
Jest miarą bezwładności w ruchach prostoliniowych.
W praktyce można ją zmierzyć na wagach szalkowych!
W praktyce dokonujemy pomiaru masy ważkiej ciała
Wykorzystujemy tu fakt stałego przyciągania ziemskiego.
A więc na wadze mierzymy siłę, z jaką przyciąga ciało kula ziemska, zaś masę obliczamy jako iloraz zmierzonego ciężaru przyspieszenia ziemskiego.
m =Q/gN
gdzie :
Q = ciężar ciała
gN = przyspieszenie ziemskie
jednostką masy jest kg
na wadze odczytujemy ciężar w kG (kilogram siły)
Nie wolno przedstawiać masy w kG a ciężaru w kg
Moment bezwładności
Jest analogicznie jak masa w ruchach postępowych miarą bezwładności w ruchach obrotowych.
Im mniejszy jest moment bezwładności tym łatwiej jest wprawić ciało w ruch.
Pęd i impuls siły
Jest jedną z najbardziej przydatnych wartości fizycznych z punktu widzenia biomechaniki.
Wiąże się z nim Zasada zachowania pędu.
( w zamkniętym układzie ciał pęd układu ciał jest stały)
Pęd układu może się zmieniać jedynie pod wpływem impulsu sił zewnętrznych (popędu)
∆p = F . ∆t
Gdzie:
∆p - zmiana pędu
F - wypadkowa siła zewnętrzna
t - czas działania siły
W ruchach obrotowych odpowiednikiem pędu jest moment pędu i zasada zachowania pędu
Energia , praca moc
Są to wielkości ściśle z sobą powiązane.
Praca to proces przekazywania energii a mc to szybkość przekazywania energii.
Najtrudniej jest jednoznacznie zdefiniować energię ,podobnie jak sprawiedliwość, dobroć, miłość.
Jest to jednak podstawowa wielkość fizyczna. Wynika to z fundamentalnej, nie tylko dla fizyki zasady zachowania energii i materii
Łączna ilość materii i energii we wszechświecie jest niezmienna, może jedynie zmiana jednych form jednych form materii na inne i jednych form energii na inne.
Formy energii istotne z punktu widzenia funkcji aparatu ruchu:
- energia chemiczna przechowywana w mitochondriach w postaci kwasu adenozynotrójfosforowego ATP i wykorzystywana w trakcie skurczu mięśniowego
- energia mechaniczna uzyskiwana kosztem rozpadu ATP
- energia cieplna będąca ubocznym skutkiem pracy mechanicznej.
Energię mechaniczną możemy podzielić na energię potencjalną i energię ruchu
Energia potencjalna jest ilością zmagazynowanej pracy mechanicznej
Grawitacyjna,sprężysta
Energia ruchu jest związana z działaniem sił na ciała
,
Praca jest przenoszeniem energii w trakcie którego zachodzi zamiana jednych form energii na inne.
L = F . s
Gdzie:
F - składowa sił zgodna z kierunkiem ruchu
s - droga
Moc to szybkość przekazywania energii
P = L / t
Sprawność człowieka jako biomaszyny wynosi 25%
Analiza statyczna
Jednym z podstawowych zagadnień biomechaniki jest wyznaczenie położenia środka ciężkości ciała, czyli punktu, w którym jest przyłożona siła ciężkości
Metody wyznaczania środka ciężkości człowieka można podzielić na 2 grupy:
- metody bezpośrednie -
- metody pośrednie -
Metody bezpośrednie - polegają na określeniu punktu przyłożenia wypadkowej siły ciężkości w odniesieniu do ciała konkretnego człowieka
.
Wyróżniamy metodę
a/ dźwigniową
b/ wahadłową
ad/a polega na pomiarze siły nacisku na końcach platformy i wyliczeniu odległości środka masy od jednego z końców z warunków równowagi
ad/b opiera się na zasadzie, że okres wachania wachadła fizycznego jest wprost proporcjonalny do momentu bezwładności masy wahadła, natomiast moment bezwładności jest najmniejszy, gdy oś obrotu przechodzi przez środek masy.
Metody pośrednie: polegają ,na określeniu położenia punktu przyłożenia wypadkowej siły ciężkości na zdjęciach lub rysunkach przedstawiających sylwetkę ciała człowieka.
Obliczenia opierają się na uśrednionych wartościach proporcji poszczególnych części ciała
.
Równowaga
W odniesieniu do ciała człowieka pojęcie równowagi jest w domyśle równowagą dynamiczną. Oznacza to, że warunki równowagi ciała mogą się zmieniać w pewnych granicach nie prowadząc do jej utraty.
W związku z tym musimy określić kryterium oceny momentu, w którym równowaga jest tracona.
Kryterium takim jest wzajemne położenie rzutu pionowego środka ciężkości i powierzchni płaszczyzny podparcia.
Gdy rzut środka ciężkości znajduje się poza powierzchnią płaszczyzny podparcia ciało traci równowagę.
Kąt równowagi
Jest to kąt zawarty pomiędzy prostymi łączącymi środek ciężkości i przeciwległymi skrajnymi punktami płaszczyzny podparcia.
Wielkość kąta równowagi mówi o mniejszej lub większej stabilności ciała.
Zwiększenie kąta równowagi może się odbyć przez obniżenie środka ciężkości, lub zwiększenie płaszczyzny podparcia.
Stany równowagi
Gdy człowiek jest w równowadze, jego ciało może się znajdować w jednym z trzech stanów równowagi.
Równowagi obojętnej ( np.leżąc płasko na plecach) Nie można go wtedy wywrócić, ale można go przesunąć. Zostaną zachowane warunki równowagi obojętnej - położenie ciała zmieni się,
ale środek ciężkości pozostanie na tej samej wysokości
Równowagi stałej (np. zwis na drążku, drabinkach) po „rozhuśtaniu „ wróci ono do pozycji wyjściowej.
Równowagi chwiejnej leżąc na boku, siedząc stojąc, jest narażony na przewrócenie się.
Po wytrąceniu z równowagi chwiejnej ciało odzyskuje równowagę, ale w innej pozycji - środek ciężkości obniża się w ślad za tym obniża się również energia potencjalna, grawitacyjna ciała.
Zgodnie z zasadą zachowania energii , utracona energia musi zostać zamienioną na energię akustyczną, i sprężystą, niekiedy i kinetyczną.
Obciążenia statyczne
Gdy człowiek przyjmuje jedną z podstawowych pozycji ciała, w których zachodzi równowaga sił zewnętrznych, jego ciało znajduje się w bezruchu.
Na nasze ciało podlega jednak nadal działaniu sił. Nasze stawy stale są obciążone ciężarem innych części ciała.
Obciążenie to odbywa się na trzy sposoby:
1/ części ciała położone wyżej działają na te części położone niżej, których ciężar jest równoważony siłą reakcji podłoża lub powierzchni stawowych.
2/ Części ciała położone niżej, działają na te części położone wyżej, których ciężar jest równoważony siłą reakcji więzów w stawach.
Odpowiednie pary sił ciężkości i reakcji więzów działają rozciągająco na więzadła, torebki stawowe i mięśnie.
3/ części ciała, których siły ciężkości są oddalone od pionu wyznaczonego przez oś obrotu w stawie, działają na stawy momentami obrotowymi zwiększającymi obciążenie statyczne stawu
Oczywiście jest to uproszczenie
1/ traktuje człowieka jako bryły sztywnej
2/ nie bierze pod uwagę działania sił mięśniowych na stawy.
Goniometria:
Służy do określenia ruchomości w stawach.
Ruchomość jest zakresem ruchów w stawach.
Rozróżniamy ruchomość anatomiczną i faktyczną.
Ruchomość anatomiczna zależy od kształtu i wielkości powierzchni stawowych
U człowieka częściej mierzmy ruchomość faktyczną :czynną i bierną.
Do pomiaru ruchomości w stawach służą goniometry.
Momenty sił w warunkach statyki
Dla określenia rzeczywistych predyspozycji siłowych człowieka w biomechanice stosuje się metodę pomiaru maksymalnych momentów sił wybranych grup mięśniowych.
Najczęściej badane są możliwości siłowe mięśni działających na stawy:
Łokciowy, ramienny, kolanowy, biodrowy, mm zginających i prostujących tułów.
Pomiarów dokonuje się na specjalnie do tego przystosowanych przyrządach gwarantujących izolowanie poddawanych badaniu mięśni
Analiza kinematyczna
Analiza kinematyczna polega na określeniu parametrów kinematycznych środka masy ciała w kolejnych fazach ruchu z możliwie małymi odstępami czasowymi.
Umożliwia to rejestracja ruchu.
Wykonana w sposób umożliwiający jednoznaczne określenie położenia środka masy w kolejnych fazach ruchu.
Służy temu metoda kinematograficzna lub urządzenia do analizy ruchu w czasie rzeczywistym.
Analiza dynamiczna
Określanie wielkości sił. Bezpośredni pomiar sił:
Do bezpośredniego pomiaru sił służą dynamometry( np. wagi)
Są to urządzenia do pomiaru sił zewnętrznych.
Wykorzystujemy urządzenia sprężynowe, pneumatyczne, hydrauliczne lub elektryczne.
Dynamometry mechaniczne umożliwiają jedynie pomiar maksymalnych wartości sił
Dynamometry elektryczne pozwalają rejestrować przebieg siły w czasie.
Platformy tensometryczne do rejestracji siły reakcji podłoża.
Bezpośredni pomiar sił nie zawsze jest możliwy, obliczamy wartości siły na podstawie zależności fizycznych
Określanie sił z praw statyki i dynamiki:
1/ Obliczenie wartości sił na podstawie II zasady dynamiki Newtona F =m.a
2/ Obliczenie wartości sił na podstawie wniosków płynących z zasady zachowania pędu
F = (m . v )/t
3/ Obliczenie wartości sił na podstawie zasady d'Alemberta - siły pasywne w ruchu są sumą sił aktywnych i bezwładnościowych
4/ Obliczenie wartości sił na podstawie III zasady dynamiki Newtona
- siły aktywne i pasywne w warunkach statyki równoważą się
Obciążenia dynamiczne stawów
Obciążenia stawów w trakcie wykonywania szybkich ruchów mogą przekraczać wielokrotnie obciążenia statyczne, związane to jest z działaniem sił bezwładnościowych, które sumują się z siłami rzeczywistymi - zgodnie z zasadąd'Alemberta.
Wyszukiwarka