Krakowska Wyższa Szkoła Promocji Zdrowia

Przemysław Kutera

Fizjoterapia gr. 22f

Rok 2010

Mechanika stawów

Analizą mechaniki stawów ludzkich zajmuje się biomechanika

• BIOMECHANIKA - Bada przyczyny i skutki ruchów mechanicznych stawów człowieka i ich obciążenia. Przyczynami są siły wyzwalane przez mięśnie, ciężar własny ciała lub obciążenia dodatkowe (narzędzia pracy, opór podłoża itd.)

Skutki wyrażają się ruchem w stawie i jego obciążeniem w warunkach dynamiki, bezruchem w stawie i jego obciążeniem w warunkach statyki, rolą ochronną mięśni w stosunku do stawu w zależności od korzystnego ( bądź nie) układu dźwigniowego szkieletu.

Napędy mięśniowe mogą poruszać cały łańcuch biokinetyczny ( kończyna, kręgosłupa) składający się z połączenia ruchowego wielu członów.

W celu określenia ruchliwości członu używa się liczb jego stopni swobody
para kinetyczna utworzona przez połączenie dwóch trzonów nakłada na ruchy pewne więzy, co można zapisać wg wzoru:

H = 6 - S

gdzie H-liczba stopni swobody jednego członu względem drugiego(nieruchomego
S - liczba więzów(osi)

Stabilizacja stawu dokonuje się za pomocą :
- mięśni
-więzadeł
- kształtu nasad kości

Potencjalne możliwości fizyczne biomaszyny określają jej charakterystyki strukturalne i dynamiczne.

Możliwości dynamiczne zależą nie tylko od parametrów strukturalnych narządu ruchu i układu zasilania biomaszyny lecz także od właściwej koordynacji i techniki ruchu.

Brak koordynacji ruchowej ( niewłaściwa technika ruchu) powodować mogą:
- nadmierny wydatek energetyczny
- przeciążenia stawu.

Cechy strukturalne - wrodzone:
- liczby i klasy par kinematycznych
( stawów)
- liczby członów ( kości)
- liczby napędów ( mięśni)
- parametry geometryczne
* amplituda ruchów w stawach
*długość włókien i brzuśców mięśniowych
* długość więzadeł
* proporcje ciała

Dźwignia:

• Jest maszyną prostą, urządzeniem do przekazywania energii ( siły)

• Może wykonywać pracę wtedy, gdy energia jest przekazywana przez nią

• W ciele ludzkim energia mięśni jest przenoszona przez kości, by poruszać segmentem ciała

• Może być transmitowana na obiekty zewnętrzne ( narzędzia)

Rodzaje dźwigni:

- dźwignia jednostronna-przyłożenie siły mięśniowej i siły oporu jest po jednej stronie osi obrotu w stawie

- dźwignia dwustronna - siła mięśni i siła oporu są przyłożone po stronach przeciwnych osi obrotu w stawie

• Dźwignie I klasy

• huśtawka ( st.szczytowo-potyliczny)

• Dźwignie II klasy

• taczka ( st.skokowo-goleniowy)

• Dźwignie III-klasy

• Wędka - uzyskiwanie szybkości poruszania się obwodowego segmentu

• ( kończyny, m.naramienny nad stawem ramiennym, m.ramienny nad st.łokciowym, m.piszczelowy przedni nad st.skokowym).

• Dźwignie służą albo sile - taczka

• Albo szybkości - wędka

• I klasy - dla siły lub ramię oporu

• II klasy - dla siły

• III klasy - szybkości

• Co traci się na sile odzyskuje się na szybkości i odwrotnie

W każdej dźwigni można wyróżnić:

1.punkt podparcia ( wokół którego sztywny drążek obraca się - oś obrotu stawu) - A

2.ramię siły- między punktem podparcia dźwigni, a punktem przyłożenia siły - F

3.ramię oporu - wszystkie części drążka między punktem podparcia dźwigni a punktem w którym działa ciężar, jaki ma być pokonany -W

Ramieniem dźwigni nazywa się odległość od osi obrotu w stawie do miejsca przyłożenia wektora siły do człony (przyczepu mięśnia do kości)

Ramię siły - jest to najkrótsza odległość od osi obrotu stawu do wektora siły działającej na staw
(ramię siły tworzy z wektorem siły kąt prosty, a długość ramienia siły zmienia się wraz ze zmianą kąta stawowego)oznacza to

Środek przyczepu mięśnia - to punkt centralny pola przyczepu ścięgna mięśnia do kości
Linia działania siły mięśnia - łączy środki jego przyczepów
Kąt działania mięśnia-tworzą linie: łącząca punkt przyczepu mięśnia z osią obrotu w stawie i linia styczna do ścięgna mięśnia w punkcie przyczepu( linia działania mięśnia)

Optymalną sytuacją dla pracy mechanicznej stawu jest taki układ kiedy ramię siły jest równe ramieniu dźwigni.

Obciążenie stawu jest wtedy najmniejsze przy największej możliwości wyzwalania siły mięśniowej i najbardziej oszczędnym wydatku energetycznym.

Kąt ścięgnowo-kostny, to kąt zawarty między długą osią kości, na którą działa mięsień, a kierunkiem przebiegu ścięgna tego mięśnia
zmiana kąta w stawie nie równa się zmianie kąta ścięgnowo-kostnego
najkorzystniejsza teoretycznie wartość kąta ścięgnowo-kostnego to taka, która daje pełne wykorzystanie wyzwalanej siły mięśnia czyli 90 st.

Hipomochlion zwiększa kąt działania mięśni by zmniejszyć przeciążenia stawów np. krętarz większy kości udowej.

Mięśnie w stosunku do stawów mają do spełnienia następujące role:
- stabilizacja stawów i stwarzanie układów odniesienia ( praca w warunkach statyki)
- poruszanie dźwigni kostnych z pokonaniem oporu zewnętrznego, bezwładności, reakcji podłoża, tarcia ( praca w warunkach dynamiki)
- ochronę stawów przez regulację naprężeń kostnych poddawanych obciążeniom oraz przez zastosowanie bezpiecznych technik ruchowych

PRACA

• Jeżeli ciężar 1 kg uniesie się na wysokość 1 m to zostanie wykonana praca 1 kilogramometra ( 1kgm)

• W układzie SI - jednostką pracy ( energii) jest dżul ( J)

• 1 J= 1N x 1m.

• ( praca 1 dżula, gdy siła 1 N działa na drodze 1 m)

Mięśnie często kurczą się bez wykonania pracy w sensie fizycznym, przy czym wydatkowana jest duża ilość energii chemicznej dla utrzymania napięcia mięśnia.

Zdolność mięśnia do pracy tzn. Jego wydajność, zależna jest od przekroju poprzecznego oraz jego długości ( odległości skracania mięśnia). Mm.mogą produkować siłę 3,6 kg/cm2 fizjologicznego przekroju poprzecznego

MOC

Jest to ilość pracy wykonywanej w jednostce czasu. Jej jednostką w układzie SI jest wat (W).

1W - to praca 1 J wykonana w czasie 1 s

Warunki pomiaru momentów sił mięśniowych w statyce:
- zlokalizować położenie osi badanego stawu ( oś musi pokrywać się z osią dźwigni momentomierza)
- ustalić wartość kątów w stawach sąsiednich
- ustabilizować pozycję ciała ( stawy sąsiednie)
- podać wartość kąta w stawie obsługiwanym przez badaną grupę mięśni, przy której dokonuje się pomiaru

TRIBOLOGIA STAWÓW

• To nauka i wiedza o procesach zachodzących w ruchomym styku ciał stałych.

• Zajmuje się tarciem, smarowaniem i zużywaniem stykających się powierzchni podczas wzajemnego ruchu( przemieszczania się) ciał stałych.

• To nauka interdyscyplinarna : fizyka, chemia, materiałoznawstwo i termodynamika

• Biotribologia - ukierunkowana na zrozumienie zasad tarcia, zjawisk zużycia stawów synowialnych

Tarcie - opór w ruchu między dwoma ciałami będącymi w kontakcie.
Wielkości służące do określenia dynamicznych i energetycznych skutków tarcia:
- siła tarcia Ft
- moment tarcia Mt,
-współczynnik tarcia U=Ft/Fn
( gdzie Fn-siła normalna do powierzchni)
- ciepło tarcia qt, temperatura tarcia Tt.

TARCIE
suche - zachodzi w warstwach wierzchnich niesmarowanych ciał
płynne - powierzchnie całkowicie oddzielone warstwą płynu
mieszane

Smarowanie hydrodynamiczne w połączeniach stawowych ( polega na wytworzeniu wyporu hydrodynamicznego płynu w szczelinie smarnej dzięki:
- klinowo zwężającej się szczelinie ( kierunku ruchu)
- ruchowi względnemu trących się ciał
- lepkości środka smarnego i jego przyczepności do powierzchni przemieszczających się ciał

PROCESY TARCIA I SMAROWANIA W STAWACH
- tarcie płynne
- warstwa kilkunastu do kilkudziesięciu mikronów
- tarcie mieszane - czasem
- starcie do kości po 4 godz
wsp.tarcia od 0,001 do 0,04

PROCESY ZUŻYCIA STAWÓW ZALEŻĄ OD :

- biomechanicznych i tribologicznych własności chrząstek stawowych

- kształtu i stanu ślizgających się powierzchni (kulistość i chropowatość)

- średnicy głowy kości udowej (wpływ na naciski powierzchniowe i długości poślizgu)

- stopnia aktywności człowieka ( parametrów ruchu, sił przyśpieszających, prędkości poruszania się, czasu poruszania się)

- Ciężaru tułowia
- obecności cieczy synowialnej, jej ilości, jakości, minimalnej grubości
- fizjologii stawu i całego organizmu
- makro - i mikrourazy ( uszkodzenia powierzchni stawowych, gładkości, zmiany wymiarów, zmiany własności cieczy)
- jakość płynu ( zmiana lepkości, zmniejszenie masy cząsteczkowej)

Bibliografia:

1. T. Bober, J. Zawadzki: Biomechanika układu ruchu człowieka.

2. J. w. Błaszczyk : Biomechanika kliniczna

3. T. Bober i inni: Biomechanika - wybrane zagadnienia

4. www.google.pl

---