Biomechanika

1.Biomechanika nauka o strukturze ruchu człowieka

1.1(1)Zdefiniuj pojęcie biomechaniki i jego (pojęcia) genezę

Biomechanika w systemie nauk może być uważana za część biofizyki podobnie jak mechanika jest częścią fizyki. Słowo BIOMECHANIKA pochodzi od grec. BIOS- życie, mechane-narzędzie, mechanizm. Dosłownie jest to, więc nauka o żywych mechanizmach (ruchu) albo o mechanice istot żywych. Biomechanika jest nauką badającą ruch mechaniczny człowieka oraz jego przyczyny i skutki.

1.2(2)Przedstaw i scharakteryzuj schematy dotyczące genezy i podziału biomechaniki.

ANATOMIA FIZJOLOGIA

-OPISUJE STRUKTURĘ -INTERPRETUJE FUNKCJE MIĘŚNI I

UKŁADU KOSTNO-MIĘŚNIOWEGO PROCESY STEROWANIA NIMI

BIOMECHANIKA

MECHANIKA

-BO PRZYCZYNY RUCHU I ICH SKUTKI

MUSZĄ BYĆ OPISANEWIELKOŚCIAMI

FIZYCZNYMI

Biomechanika mając własny przedmiot badań oraz metody badawcze, łączy w sobie wiedzę z zakresu anatomii, fizjologii i fizyki-jest zatem nauką interdyscyplinarną.

Można wyróżnić następujące działy biomechaniki:

1. Biomechanika ogólna-zajmuje się metodami i metodykami badawczymi, ogólnymi technikami mierniczymi i aparaturą, technikami komputerowymi.

2. Biomechanika stosowana

• inżynierska-zajmuje się studiami i modelowaniem ruchu, technikami pomiarowymi, manipulacją i lokomocją człowieka, zwierząt, owadów, badaniem postawy, własności mechanicznych układu szkieletowo-mięśniowego .

• medyczna i inżynieria rehabilitacyjna-zajmuje się neurofizjologicznymi aspektami układu mięśniowo-stawowego, elektromiografię, funkcjonalną stymulacją elektryczną mięśni, nerwów, kości, eliminacją bólu, badaniem chodu patologicznego, implantami, metodami rehabilitacji.

• Sportu- zajmuje się badaniem i modelowaniem ruchu zawodnika wykonującego różne ćwiczenia gimnastyczne, w czasie skoku o tyczce, jazdy na nartach, rzutu dyskiem, wioślarstwa i wielu innych.

- ergonomiczna- zagadnienia współdziałania człowieka z maszyną. Ergonomia zajmuje się zagadnieniami istotnymi dla konstrukcji maszyn i eksploatacji ich w przemyśle.

1. Biomechanika nauką o strukturze ruchu człowieka.

1. Zdefiniuj pojęcie biomechaniki i jego (pojęcia) genezę

Biomechanika to nauka badająca właściwości mechaniczne tkanek i narządów oraz ruch mechaniczny żywych organizmów - jego przyczyny i skutki.

Jest interdyscyplinarną nauką zajmującą się badaniem struktury ruchu org. żywych - w szczególności człowieka przy pomocy metod stosowanych w mechanice.

Jest nauką opierającą swoje podstawy na mechanice z jednej, biologii i medycynie z drugiej strony.

2. Przedstaw i scharakteryzuj schematy dotyczące genezy i podziału biomechaniki

Podział biomechaniki. 1.Ogólna, 2.Stosowana - medycyna, rehabilitacja; sportu; Inżynierska; Ergonomiczna.

Schemat chodzi tu (chyba) o rysunek, z którego wynika, że biomechanika jest wyodrębniona z anatomii, fizjologii i mechaniki.

Kinezjologia - człowiek jako biomaszyna. Posiada, bowiem: ukł. sterowania, ukł. zasilania (sercowo-naczyniowy, oddechowy, pokarmowy) i ukł. ruchu (kości, stawy, mięśnie).

2. Ogólna charakterystyka metod badawczych stosowanych w biomechanice.

2.1 Zdefiniuj pojęcia akcelerometria, dynamometria, elektrogoniometria (goniometria), elektromiografia (powierzchniowa, igłowa, implantowa), elektrostymulacja (funkcjonalna), fotokinemetria (kinemetria, fotometria), modelowanie, spidometria.

Akcelerometria (ALM) - to metoda badania przyspieszeń liniowych i kątowych.

Spidometria (SDM) - to metoda badania prędkości liniowych i kątowych.

Elektrogoniometria (EGM) - to metoda badania przyspieszeń kątowych kończyn i ich pochodnych.

Dynamometria (DNM) - dzieli się na mechaniczną, piezometryczną (efekt piezoelektryczny polega na pojawianiu się jonowych ładunków elektrycznych na odpowiednich ściankach kryształu w wyniku jego deformacji sprężystej wywołanej siłami zewnętrznymi), tensometryczną (efekt tensooporowy polega na zmianie rezystancji metali pod wpływem przyłożonych naprężeń R=f(F)).

Fotokinemetria - metoda rejestracji ruchu człowieka przy pomocy kamer fotograficznych i filmowych (cyfrowych i analogowych) i systemów optoelektronicznych, jednocześnie metoda analizy ruchu na podstawie jego zapisu techniką światłoczułą i elektroniczną

Elektromiografia (EMG) - metoda badania potencjałów bioelektrycznych mięśni szkieletowych.

Elektrostymulacja (funkcjonalna, ES, FES) - metoda badania charakterystycznych tkanek i narządów (mięśni) pod wpływem pobudzenia z generatora zewnętrznego (stymulatora elektrycznego).

Modelowanie - metoda badań polegająca na zastąpieniu realnego układu (złożonego) poprzez układ prostszy (model) odzwierciedlający właściwości (strukturę) i funkcję badanego układu.

2.2 Scharakteryzuj (ogólnie) zastosowania tych metod w biomechanice- kinezjologii- fizjoterapii [w pytaniu szczegółowym można oczekiwać, że wskazane zostaną 2-3 metody do charakterystyki]

Elektrostymulacja przykładowe zastosowanie w leczeniu schorzenia tzw. stopy opadającej

Elektromiografia - np. diagnostyka mięśni porażonych.

Fotokinemetria - np. badanie chodu, diagnostyka chodu patologicznego.

Teza 3: (Parametry strukturalne układu ruchu człowieka)

3.1. (5) Zdefiniuj pojęcia (stopień swobody, ruchliwość, para biokinematyczna, łańcuch biokinematyczny otwarty i zamknięty, klasa biokinematyczna, kąt stawowy, zakres ruchu: czynny i bierny.

Stopień swobody - jest to niezależny ruch względny członów w stawie (określa ilość niezależnych kombinacji ruchowych ciała)

Człowiek ma 240 stopni swobody, z czego każda kończyna górna i kończyna dolna mają po 30 stopni swobody.

Ruchliwość - liczba stopni swobody członów ruchomych mechanizmu lub biomechanizmu względem podstawy. Podstawą nazywamy człon, z którym umownie wiążemy nieruchomy układ odniesienia. (np. dla kończyny górnej - łopatka, dla dolnej - miednica, dla kręgosłupa - czaszka)

Obliczanie ruchliwości biołańcucha:

W = 6n - ∑ ipi

gdzie:

n - liczba ruchomych członów

pi - liczba par biokinematycznych o klasach od I - V, przy czym i = 1,2,3

Para biokinematyczna - ruchowe połączenie dwóch lub więcej członów, wzajemnie ograniczające ich ruchy względne. Ruchowe połączenie występuje wtedy, gdy między członami istnieje co najmniej jeden punkt wspólny a ich ruch względny wynosi co najmniej 5 stopni kontowych lub 1-3 mm). Za pary kinematyczne uznaje się stawy a nie uznaje się połączeń kości typu więzozrostów i chrząstkozrostów oraz tzw. stawów połścisłych.

Łańcuch biokinematyczny - spójny zespół członów połączonych w pary biokinematyczne. (np. palec, ręka, cała kończyna, odcinek kręgosłupa, cały kręgosłup, tułów)

Wyróżniamy łańcuch biokinematyczny:

1. otwarty - łańcuch, który ma jedno ogniwo końcowe swobodne, np. kończyna górna. W łańcuchu otwartym ruch poszczególnych ogniw jest niezależny.

2. zamknięty - jest wtedy, gdy nastąpi połączenie ogniw końcowych ze sobą, np. kończyna dolna podłoże, miednica. W łańcuchu zamkniętym ruch jednego ogniwa przenosi się na sąsiednie ogniwa.

Klasa pary biokinematycznej - liczba odjętych stopni swobody w ruchu względnym członów, z których każdy może mieć maksymalnie 6 stopni swobody w przestrzeni. Np. jeśli jeden człon będzie miał panewkę, a drugi głowę (np. staw biodrowy), to będą one wykonywać tylko trzy ruchy obrotowe, a każdy ruch liniowy spowoduje rozłączenie tej pary kinematycznej. Taka para ma zatem odjęte 3 stopnie swobody (liniowe) i nazywamy ją parą III klasy. W stawie międzypaliczkowym może odbywać się tylko jeden ruch zginania i prostowania. Każdy inny ruch obrotowy (dwa) lub ruch postępowy (trzy) spowoduje rozerwanie tej pary biokinematycznej. Ta para ma więc odjętych 5 stopni swobody i nazywamy ją parą klasy V.

U człowieka, a także i u zwierząt , w układzie kostno-stawowym występują tylko pary obrotowe (drobne przesunięcia wzajemne traktujemy jako luzy) i dlatego mogą one być tylko parami klasy III, IV lub V.

Klasyfikacja par biokinematycznych:

Klasa pary	Liczba stopni swobody	Liczba odjętych stopni swobody	Schemat
III	3	3	- C o---
IV	2	4
V	1	5

Kąt stawowy - w płaszczyźnie strzałkowej i czołowej jest to kąt, który tworzą dwie proste stanowiące osie symetrii (podłużne) dwóch sąsiednich członów, lub dla stawów przytułowiowych (ramienny, biodrowy) - prosta równoległa do osi kręgosłupa z osią podłużną danego członu. W płaszczyźnie poprzecznej - kąt utworzony przez osie, wokół których odbywa się ruch zginania i prostowania w dwóch sąsiednich stawach. W obrębie kręgosłupa - kąty stawowe określają położenie dwóch sąsiednich kręgów.

Zakres ruchu - (ruchomość, gibkość) wartość kąta obrotu członów, zawartego między ich krańcowymi położeniami w określonej płaszczyźnie ruchu. Zakres ruchu jest zależny zarówno od budowy stawu, jak i długości oraz podatności na rozciągnięcie mięśni. Dlatego zakres ruchu jest zależny od położenia kątowego w stawach sąsiednich , które decyduje o długości mięśni. Wyróżniamy zakres ruchu bierny - wymuszany przez siły zewnętrzne i czynny - wymuszany przez siły własnych mięśni.

3.2 (6) Przedstaw model (schemat) strukturalny tułowia (kręgosłupa i klatki piersiowej) i oblicz ruchliwość tej struktury w stosunku do zdefiniowanej podstawy

Teoria struktury mechanizmów bada ogólne zależności liczbowe, które pozwalają na klasyfikację tych mechanizmów i wyliczanie ich stopni swobody. Liczba stopni swobody decyduje o możliwościach ruchowych danego mechanizmu czy maszyny. Biomaszyna ma ok. 240 stopni swobody.

Korzystając ze wzoru strukturalnego i tabeli oraz ryciny możemy obliczyć liczbę stopni swobody całego ciała człowieka.

Dla kręgosłupa uzyskujemy:

Wk = 6* 26 - ∑ (17*3 - 8*4 - 1*5) = 156 - 51 - 32 -5 = 68

A dodając klatkę piersiową, dla której jako podstawę przyjmujemy obojczyki, dla tułowia uzyskamy:

Wt = 6*50 - ∑ (23*3 - 8*4 - 21*5) = 306 - 69 - 32 - 105 = 100

3.3 (7) Przedstaw model (schemat) strukturalny kończyny górnej i oblicz jej ruchliwość w stosunku do zdefiniowanej podstawy.

Kończyna górna, przy mostku jako podstawie, posiada 36 stopni swobody.

Wkkg = 6*48 - ∑ ( 6*3 - 12*4 - 30*5) = 288 - 18 - 48 - 150 = 72 (obie kończyny górne)

czyli 72:2 = 36 dla jednej kończyny górnej

3.4 (8) Przedstaw model (schemat) strukturalny kończyny dolnej i oblicz jej ruchliwość w stosunku do zdefiniowanej podstawy.

Kończyna dolna, przy miednicy jako postawie, posiada 30 stopni swobody.

Wkkd = 6*44 - ∑ (2*3 - 12*4 - 30*5) = 264 - 6 - 48 - 150 = 60 (obie kończyny dolne)

czyli 60:2 = 30 dla jednej kończyny dolnej

3.5 (9) Scharakteryzuj człowieka jako żywą maszynę (biomaszynę). Zdefiniuj pojęcia i podaj przykłady receptorów typu: telereceptory, kontaktoreceptory, wisceroreceptory, propioreceptory.

Zadanie biomechaniki polega na badaniu ruchu mechanicznego człowieka. Każdy ruch mechaniczny nieodłącznie związany jest z pracą mechaniczną. Urządzenie techniczne, które jest zdolne do produkcji pracy mechanicznej, nazywa się maszyną. Zatem z punktu widzenia biomechaniki możemy rozpatrywać człowieka jako żywą maszynę, czyli biomaszynę.

Każda maszyna, a więc i biomaszyna, składa się z trzech głównych układów: ruchowego, zasilania i sterowania. W sensie anatomicznym są to zbiory układów (narządów): kostno - stawowy i mięśniowy, które są odpowiednikami silników i przekładni wraz z parami kinematycznymi; pokarmowy, oddechowy i sercowo - naczyniowy, a także limfatyczny, które są odpowiednikami zbiorników paliwa i akumulatorów oraz przewodów rozprowadzających paliwo lub energię elektryczną; nerwowy i dokrewny, które są odpowiednikami układów sterowniczych w maszynach.

Biomaszyna jako całość posiada wyjścia informacyjne, którymi są eksteroreceptory: wzrok, słuch, powonienie (telereceptory), smak, dotyk, czucie zimna i ciepła (kontaktoreceptory), oraz wejścia energetyczne, którymi są jama ustna i jama nosowa. Wyjściami biomaszyny są efektory mięśniowe, które produkują pracę mechaniczną i przekazują za jej pomocą informację o stanach psychicznych i myśleniu (mowa, pismo, gestykulacja, mimika) oraz narządy wydalnicze (kał, mocz, dwutlenek węgla itp.) i wydzielnicze (gruczoły: ślinowe, potowe, łojowe itp.)

W obrębie biomaszyny można wyróżnić dwa podstawowe kanały: informacyjny i energetyczny (zwany również zasileniowym). Kanały informacyjne stanowią głównie drogi nerwowe (nerwy i szlaki nerwowe), które przekazują informację (bodźce) od i do układu nerwowego.

Kanałami informacyjnymi dla układu dokrewnego są naczynia krwionośne transportujące hormony głównie do układów zasilania, a także do układów, które nie wchodzą w skład biomaszyny, jak np. układy rozrodcze. Kanałami energetycznymi są głównie naczynia krwionośne i limfatyczne, które doprowadzają substancje energetyczne (paliwo) oraz tlen do wszystkich narządów człowieka. Po zamianie substancji energetycznych na pracę mięśni praca ta porusza kości w stawach lub płyny i gazy, powodując ruchy człowieka i ruchy w jego narządach wewnętrznych.

Biomaszyna jest nieporównywalnie bardziej złożona strukturalnie i funkcjonalnie od maszyn zbudowanych przez człowieka . Jej układ ruchu ma około 240 stopni swobody i ponad 400 mięśni. W maszynie liczby te przeważnie nie przekraczają kilku stopni swobody i kilku napędów. Układ zasilania w biomaszynie jest rozproszony po całym ciele i źródła energetyczne znajdują się zarówno w komórkach mięśniowych i nerwowych, jak i w komórkach wątroby , krwi, limfy czy tkanki tłuszczowej. Wartość substancji energetycznych jest również zróżnicowana, od wysoko- do niskoenergetycznych, dzięki czemu biomaszyna może działać szybko, lecz krótko (rozwijając dużą moc), lub wolno i długo. Jasne jest, że tak skomplikowana struktura i funkcja wymaga bardzo złożonego układ sterowania, zawierającego ok. 15 - 17 miliardów komórek nerwowych. Tak wielka złożoność biomaszyny zezwala na wykonywanie niezliczonych rodzajów ruchów, podczas gdy maszyna jest na ogół wyspecjalizowanym urządzeniem, wykonującym ściśle określone przez konstruktora zadania ruchowe.

Biomaszyna płaci za to koniecznością uczenia się każdego ruchu od nowa. Musi opanowywać technikę ruchu oddzielnie dla każdej czynności.

Po zapoznaniu się z czynnikami wpływającymi na efekt pracy biomaszyny można wydzielić logicznie strukturalne, geometryczne, informacyjne i energetyczne parametry wpływające na rezultat ruchowy (sportowy, pracy produkcyjnej, pracy inwalidów itp.) człowieka.

Parametrami strukturalnymi układu ruchu biomaszyny są właściwości określane stosunkami liczbowymi, np. liczba kości, stawów i mięśni, klasa stawów (par kinematycznych) i mięśni (liczba stawów, ponad którymi przebiegają) oraz liczba funkcji mięśni. Parametry strukturalne układu ruchu są wrodzone i w normie wspólne wszystkich ludzi.

Parametry geometryczne posiadają wymiary liniowe (metryczne). Zaliczamy do nich: długości kości (części ciała i dźwiganie), mięśni i ich ramion sił oraz przekroje, np. przekrój fizjologiczny i anatomiczny mięśni, powierzchnie osiągalne przez rękę, a także objętości, np. objętość podudzia, pojemność życiowa płuc itp. Długości ciała i ich stosunki są dla biomaszyny parametrami głownie wrodzonymi i składają się na tzw. talent ruchowy danego osobnika. Natomiast przekroje i objętości ciała podlegają zmianom pod wpływem treningu lub bezruchu.

Parametry energetyczne zależą głównie od możliwości oraz współdziałania między układami zasilania i ruchu (przy stałych względnie maksymalnych bodźcach przekazywanych z układu sterowania). Określają one zdolność rozwijania mocy przez człowieka w funkcji czasu. Ponieważ moc mechaniczna jest iloczynem siły (momentu) i prędkości:

N = F * v lub N = M * W

to parametry energetyczne decydują o cechach fizycznych: siła (F), prędkość (v), momencie siły (M) i prędkości kątowej (W), oraz o zmianie tych parametrów w czasie, które określane są jako wytrzymałość organizmu N(t) lub jako wytrzymałość siłowa F(t) czy prędkościowa v(t) organizmu. Cechy fizyczne zależą więc głównie od rozwoju układu zasilania i układu ruchu. Podlegają one wytrenowaniu w różnym stopniu. Najwydatniej można wytrenować siłę, średnio - wytrzymałość organizmu, najmniej - szybkość.

Parametry informacyjne decydują o współdziałaniu między częścią somatyczną układu sterującego i układem ruchu, czyli o procesie sterowania ruchami, który stanowi podstawę techniki i nauczania ruchu oraz o współdziałaniu między częścią wegetatywną układu sterowania i układem zasilania, co współdecyduje o samopoczuciu człowieka, które ma wpływ na jego cechy psychiczne.

W zależności od położenia receptory dzielimy na:

1. eksteroreceptory (kontaktoreceptory) - położone w obrębie powłoki wspólnej, odbierają wrażenia ze środowiska zewnętrznego (tzw. czucie eksteroceptywne) czucia dotyku, ucisku, zmian temperatury, bólu, smaku; receptor dotyku, kolbka końcowa i ciałko zmysłowe

2. propioreceptory - położone w mięśniach szkieletowych, torebkach stawowych i więzadłach odbierają tzw. czucie propioceptywne o stanie całego układu kostno - stawowo - mięśniowego, ruchu oraz pozycji kończyn i innych części ciała; receptory ścięgnowe, receptory błędnika

3. interoreceptory (wisceroreceptory) - położone w narządach wewnętrznych i jamach ciała odbierają tzw. czucie interoceptywne nazywane również czuciem trzewnym, dotyczące czucia bólu i odczuć pokrewnych oraz zmian chemicznych; receptory stawowe

4. telereceptory - odbierają wrażenia zewnętrzne na odległość, tzw. czucie teleceptywne z narządu wzroku, słuchu, powonienia; receptor wzroku, receptor słuchu

Teza 4: (Parametry funkcjonalne aktonów mięśniowych)

4.1 (10) Scharakteryzuj pojęcia: akton mięśniowy (Am), klasa aktonu (Ka), funkcja aktonu (Fa), antagonistyczność aktonu (Aa)

Akton mięśniowy (Am) - jest to mięsień, jego część lub głowa, których włókna mięśniowe mają jednakowy lub zbliżony kierunek przebiegu względem osi obrotu w stawach, ponad którymi dany akton przebiega. Włókna mięśniowe aktonu spełniają jednakowe funkcje.

Klasa aktonu (Ka) - jest to liczba równa liczbie stawów, w których akton może przejawiać swoje funkcje. Tak więc akton mięśniowy o klasie 1 przebiega ponad jednym stawem (mięsień jednostawowy), o klasie 3 - ponad trzema stawami itd.

Funkcje aktonu (Fa) - są to dodatnie i ujemne składowe momentów sił, które akton może rozwijać względem osi obrotów stawów, ponad którymi przebiega. Funkcje aktonów określamy poprzez wyznaczanie składowych momentów ich sił w płaszczyznach strzałkowej, czołowej i poprzecznej. Jeśli ruchy w płaszczyźnie strzałkowej nazwiemy zginaniem i prostowaniem, to składowe momentów sił w tej płaszczyźnie wywołują funkcje zginania i prostowania. Przez analogię: w płaszczyźnie czołowej mamy funkcje przywodzenia i odwodzenia, a w płaszczyźnie poprzecznej - pronacji i supinacji.

Antagonistyczność aktonu (Aa) - jest to funkcja przeciwstawna w jednym stawie, która może być rozwijana lub nie, w zależności od zmiany znaku i ramienia siły danego aktonu. Zarówno znak, jak i wartość ramienia siły aktonu mogą się zmieniać przy przemieszczaniu członu z jednego położenia w drugie. Zmiana znaku ramienia siły powoduje zmianę zwrotu składowej momentu siły i funkcji danego aktonu, która staje się funkcją antagonistyczną, np. zamiast przywodzenia akton odwodzi, lub zamiast prostowania aktony zginają.

W szczególnym przypadku obrót członu (kości) powoduje, że punkty przyczepu aktonu, wyznaczające linię działania jego siły oraz oś obrotu w stawie, leżą na jednej prostej (płaszczyźnie). Wówczas ramię siły aktonu równe jest zeru, a więc i składowa momentu sily aktonu jako jego funkcja jest równa zeru. Akton mięśniowy rozwija wówczas funkcję zerową aktonu, która zwiera jedynie kości tworzące dany staw.

4.2 (11) Scharakteryzuj parametry funkcyjne (Ka, Fa, Aa) aktonów mięśniowych działających na staw ramienny.

Tabela: parametry strukturalne (liczby) funkcji aktonów stawu ramiennego

Lp.	Nazwa aktonu	Staw ramienny						Klasa aktonu	Liczba funkcji	Liczba funkcji antagonistycznych
		G1	22	33	44	45	66
1.	piersiowy większy, cz. brzuszna	+	+	+			+	1	4	1
2.	piersiowy większy, cz. żebrowo - mostkowa	+	+	+			+	1	4	1
3.	piersiowy większy, cz. obojczykowa	+		+			+	1	3
4.	najszerszy grzbietu, cz. piersiowa		+	+			+	1	3
5.	najszerszy grzbietu, cz. żebrowo - lędźwiowa	+	+	+			+	1	4	1
6.	nadgrzebieniowy				+	+	+	1	3	1
7.	podgrzebieniowy				+	+		1	2
8.	obły mniejszy		+	+		+		1	3
9.	obły większy	+	+	+			+	1	4	1
10.	podłopatkowy		+	+			+	1	3
11.	naramienny, cz. przednia	+		+	+		+	1	4	1
12.	naramienny, cz. boczna	+	+		+	+	+	1	5	2
13.	naramienny, cz. tylna		+	+	+	+		1	4	1
14.	kruczo - ramienny	+		+		+	+	1	4	1
15.	dwugłowy ramienia, głowa długa	+			+		+	3	5
16.	dwugłowy ramienia, głowa krótka	+		+				3	4
17.	trójgłowy ramienia, głowa długa		+	+				2	3
Liczba zespołu aktonów		10	10	13	6	6	12	22	62	10

Funkcje aktonu: 1 - zginanie, 2 - prostowanie, 3 - przywodzenie, 4 - odwodzenie, 5 - supinacja, 6 - pronacja

Analiza strukturalna funkcji mięśni pozwala na schematyczne zrozumienie całej złożoności rozkładu i działania mięśni. Na tej podstawie możemy obliczyć sumę funkcji dowolnych aktonów, obsługujących wybrane stawy lub łańcuchy biokinematyczne.

W tych wypadkach posługujemy się wzorem:

Zf = ∑ = i fi

gdzie:

Zf - suma funkcji zespołu aktonów

fi - liczba aktonów o określonych liczbach funkcji (i = 1,2...n)

Zgodnie z tym wzorem staw ramienny posiada:

f2 = 1, f3 = 6, f4 = 8, f5 = 2

zatem Zf = 2x1 + 3x6 + 4x8 + 5x2 = 2 + 18 + 32 + 10 = 62

Tak więc aktony stawu ramiennego rozwijają 62 funkcje.

Aktony mięśniowe obsługujące staw ramienny rozwijają (62/264 * 100) ok. 23,48% wszystkich funkcji kończyny górnej.

[264 - suma wszystkich liczb funkcji wszystkich aktonów kończyny górnej]

Tabela: Liczba funkcji aktonów w zespołach stawu ramiennego

Lp.	Nazwa zespołu mięśni	Staw ramienny
1.	zginacze	10
2.	prostowniki	10
3.	przywodziciele	13
4.	odwodziciele	6
5.	supinatory	6
6.	pronatory	12
Suma:		57

Największą liczbę funkcji maja przywodziciele (13) oraz pronatory (12), a najmniejszą odwodziciele i supinatory (6).

Funkcje antagonistyczne występują w kończynie prawie wyłącznie u aktonów obsługujących właśnie staw ramienny 10 z 12 w kończynie górnej wolnej.

Z kolei sumę klas aktonów obsługujących dany staw lub łańcuch biokinematyczny możemy obliczyć na podstawie wzoru:

Zk = ∑ = j kj

gdzie:

Zk - suma klas zespołu aktonów

kj - liczba aktonów o określonych klasach (j = 1,2...n)

Dla stawu ramiennego uzyskujemy:

k2 = 14, k2 = 1, k3 = 2

stąd suma klas aktonów:

Zk = 2x14 + 2x1 + 3x2 = 14 + 2 + 6 = 22

Zatem w stawie ramienny przeważają aktony z klasą 1, czyli mięśnie jednostawowe.

4.2 (12) Scharakteryzuj parametry funkcyjne (Ka, Fa, Aa) aktonów mięśniowych działających na staw biodrowy.

Tabela: parametry strukturalne (liczby) funkcji aktonów stawu bidrowego

Lp.	Nazwa aktonu	Staw biodrowy						Klasa aktonu	Liczba funkcji	Liczba funkcji antagonistycznych
		1	2	3	4	5	6
1.	pośladkowy średni, cz. przednia	+			+		+	1	3
2.	pośladkowy średni, cz. tylna		+		+	+		1	3
3.	pośladkowy mały, cz. przednia	+			+		+	1	3
4.	pośladkowy mały, cz. tylna		+		+	+		1	3
5.	czworoboczny uda		+	+		+		1	3
6.	bliźniaczy górny		+	+		+		1	3
7.	bliźniaczy dolny		+	+		+		1	3
8.	zasłonowy zewnętrzny		+	+		+		1	3
9.	zasłonowy wewnętrzny		+	+		+		1	3
10.	lędźwiowo - udowy	+		+		+		1	3
11.	biodrowy	+		+		+		1	3
12.	gruszkowaty		+		+	+		1	3
13.	łonowy	+		+		+		1	3
14.	przywodziciel mały	+		+		+		1	3
15.	przywodziciel krótki	+		+		+		1	3
16.	przywodziciel długi	+		+		+		1	3
17.	przywodziciel wielki, cz. przednia	+		+		+		1	3
18.	przywodziciel wielki, cz. tylna		+	+			+	1	3
19.	pośladkowy wielki, cz. dolna		+	+		+		1	3
20.	pośladkowy wielki, cz. górna		+		+	+		1	3
21.	napinacz powięzi szerokiej	+			+		+	2	5	1
22.	smukły		+	+		+		2	5
23.	krawiecki	+			+	+		2	5
24.	półbłoniasty		+	+				2	4
25.	półścięgnisty		+	+				2	4
26.	prosty uda	+			+	+		2	4
27.	dwugłowy uda, głowa długa		+	+		+	+	2	6	1
Liczba zespołu aktonów		12	15	18	9	21	5	34	93	2

Zf = ∑ = i fi

Dla stawu biodrowego mamy:

f3 = 20, f4 = 3, f5 = 3, f6 = 1,

zatem:

Zf = 3x20 + 4x3 + 5x3 + 6x1 = 60 + 12 + 15 + 6 = 93

Tak więc aktony stawu biodrowego rozwijają 93 funkcje.

Aktony mięśniowe obsługujące staw biodrowy rozwijają (93/269*100), ok. 34,5% wszystkich funkcji kończyny dolnej.

[269 - suma wszystkich licz funkcji wszystkich aktonów kończyny dolnej]

Tabela: Liczba funkcji aktonów w zespołach stawu biodrowego

Lp.	Nazwa zespołu mięśni	Staw biodrowy
1.	zginacze	12
2.	prostowniki	15
3.	przywodziciele	18
4.	odwodziciele	9
5.	supinatory	21
6.	pronatory	5
Suma		80

Największą liczbę funkcji mają supinatory (21) oraz przywodziciele (18), a najmniejszą pronatory (5) i odwodziciele (9).

U aktonów stawu biodrowego występują 2 funkcje antagonistyczne na 4 w całej kończynie dolnej (pozostałe dwie u aktonów stawu skokowo - piętowego)

Suma klas aktonów obsługujących dany staw lub łańcuch biokinematyczny:

Zk = ∑ = j kj

Dla stawu biodrowego uzyskujemy:

k1 = 20, k2 = 7

stąd suma klas aktonów:

Zk = 1x20 + 2x7 = 20 + 14 = 34

W stawie biodrowym przeważają aktony z klasą 1, czyli mięśnie jednostawowe.

5.Pytania do tezy: Parametry masowe(inercyjne) człowieka:

5.1.(13) Zdefiniuj pojęcia: masy, środka masy, środka ciężkości, promienia środka masy, bezwładności, momentu bezwładności, momentu siły ciężkości

-Masa - to ilość materii. W systemie miar SI wyrażana jest w kilogramach.

Zgodnie z prawem zachowania masy - masa materii uczestniczącej w dowolnym procesie fizycznym lub chemicznym pozostaje stała, jednak zgodnie z Teorią Względności Alberta Einsteina masa może być przekształcana w energię i na odwrót, w niektórych procesach fizycznych.

-Środek masy - punkt określony przez rozkład mas w danym ciele lub układzie ciał. Położenie środka masy wyraża się wzorem:

-Środek ciężkości - punkt ciała lub układu ciał, w którym przyłożona jest wypadkowa siła ciężkości działająca na ciało. W jednorodnym polu grawitacyjnym położenie środka ciężkości pokrywa się z położeniem środka masy

-Promień środka masy -

-Bezwładność, inercja - właściwość ciał materialnych, znajdująca odbicie w I i II zasadzie mechaniki. Gdy na ciało nie działają siły zewnętrzne lub wzajemnie się one równoważą, bezwładność przejawia się w tym, że ciało zachowuje niezmienny stan ruchu lub spoczynku względem inercjalnego układu odniesienia. Jeśli na ciało działa niezrównoważony układ sił, bezwładność przejawia się w tym, że zmiana stanu spoczynku lub ruchu ciała nie zachodzi nagle, lecz stopniowo, tym wolniej, im większa jest bezwładność ciała. Miarą bezwładności ciała w ruchu postępowym jest jego masa, a w ruchu obrotowym moment bezwładności.

-Moment bezwładności - jest wielkością charakteryzującą rozłożenie masy ciała w stosunku do osi obrotu Miarą bezwładności ciała w ruchu obrotowym jest moment bezwładności. Moment bezwładności określamy ze wzoru

J=M/ε_o

Oznaczenia:

J- moment bezwładności

M- wielkość zmiany momentu siły

ε_{o- chwilowa wartość przyspieszenia mierzonego natychmiast po wymuszonym skoku momentu siły}

-Moment siły ciężkości -

5.2.(14) Zdefiniuj pojęcia: siła, siła ciężkości, siła bezwładności, siła wewnętrzna, siła zewnętrzna, siła tarcia, siła reakcji, siła czynna, siła bierna, siła oporu, siła aerodynamiczna, siła hydrodynamiczna, gradient siły, narost siły .

-Siła - „Poprzez siłę, jako cechę fizyczną człowieka, należy rozumieć maksymalną siłę (moment siły) poszczególnych grup mięśniowych bądź sumę maksymalnych sił (momentów sił) w głównych stawach człowieka mierzonych w warunkach statyki” - Fidelus 1972

Wielkością która zmienia stan ruchu ciała (a więc zmienia pęd i prędkość) jest siła. Siłę najczęściej wyraża się w niutonach - N.

1 N = 1 kg ∙ m/s²

Jeden niuton jest to siła, która jednemu kilogramowi nadaje przyspieszenie o wartości 1 m/s².

Siła - jest wielkością fizyczną., będąca miarą oddziaływania ciał materialnych; oddziaływania te występują za pośrednictwem pól fizycznych (np. pola grawitacyjnego, pola elektromagnetycznego.).

-Siła ciężkości - siłą ciężkości ciał nazywa się siłę przyłożoną do ciała i równą sumie geometrycznej siły przyciągania ziemskiego oraz siły odśrodkowej wywołanej przez dobowy obrót Ziemi. Siła ta pokrywa się z siłą przyciągania ziemskiego tylko na biegunach Ziemi (siła odśrodkowa jest tam równa zeru).

P = m · g

Oznaczenia:

m - masa ciała
g - przyspieszenie ziemskie
średnio g = 9,81 m/s², w przybliżeniu 10 m/s² .

-Siła bezwładności -

-Siła wewnętrzna - siły, którymi działają na siebie części składowe układu.

-Siła zewnętrzna - siły oddziaływania układu z ciałami spoza układu.

-Siła tarcia - (T, F_t) - siła występująca na styku powierzchni dwóch ciał i przeciwdziałająca ich względnemu lub zamierzonemu ruchowi (podczas każdej próby wywołania takiego ruchu przez przyłożenie zewnętrznej siły). Siła tarcia jest równoległa do powierzchni styku obu ciał i ma zwrot przeciwny do przemieszczenia lub zamierzonego przemieszczenia. Siła tarcia zależy od rodzaju powierzchni trących oraz od siły nacisku między nimi. Siła tarcia powodująca hamowanie. Wytracona w ten sposób energia zamienia się w ciepło i jest bezpowrotnie tracona. Siła tarcia jest skierowana w przeciwną stronę do kierunku ruchu. Jej wartość wyraża wzór:

Oznaczenia:

T - siła tarcia

f - współczynnik tarcia (cecha charakterystyczna danego materiału)

N - siła nacisku (siła działająca pod kątem prostym do płaszczyzny styku trących powierzchni, najczęściej jest to składowa ciężaru)

-Siła reakcji -

-Siła czynna - w odróżnieniu od reakcji więzów, wszystkie pozostałe siły (zewnętrzne i wewnętrzne) przyłożone do układu mechanicznego, nazywa się siłami czynnymi.

-Siła bierna -

-Siła oporu -

-Siła aerodynamiczna - wypadkowa siła działająca na ciało stałe umieszczone w opływającym gazie. Przy ruchu poziomym składowa pionowa siły aerodynamicznej nazywana jest siłą nośną, a składowa zgodna z kierunkiem ruchu (o przeciwnym zwrocie) - oporem aerodynamicznym

-Siła hydrodynamiczna - siła, z jaką ciecz działa na poruszające się w niej ciało zanurzone całkowicie (np. płat nośny wodolotu) lub częściowo (np. kadłub statku); składowe siły hydrodynamicznej — opór (przeciwny do prędkości ciała) i siła nośna (prostop. do oporu)

-Gradient siły -

-Narost siły -

5.3.(15) Scharakteryzuj sposoby wyznaczania położenia ogólnego środka masy (OSM) człowieka:

*metodami bezpośrednimi (zastosowanie dźwigni jednostronnej)

*metodami pośrednimi (zastosowanie metody sumy momentów sił/lub składania sił)

a)Metoda bezpośrednia - zastosowanie dźwigni jednostronnej.

DŹWIGNIA - to sztywna belka podparta w jednym punkcie tak, że może ona względem niego wykonywać ruchy obrotowe. W ruch obrotowy wprawiają ją działające na nią momenty sił. Gdy momenty te równoważą się to dźwignia jest w równowadze. Tę własność dźwigni wykorzystujemy do wyznaczania środków ciężkości ciał na niej ułożonych.

Q _* r = R _* l

R _* l

r = Q

r - ramię siły Q , odległość OSM od punktu podparcia dźwigni (mierzona wzdłuż osi długiej ciała)

R - siła reakcji

l - długość dźwigni, ramię siły R

Q - ciężar ciała

R wyznaczamy opierając koniec dźwigni na wadze, która wskaże wartość siły reakcji.

b)Metoda pośrednia - sumowanie sił

Do wyznaczania OSC (jego położenia) dla układu ciał, konieczna jest znajomość ciężaru o połączeń środków ciężkości elementów układu. Środek ciężkości stanowi punkt przyłożenia wypadkowej siły ciężkości całego układu, zatem poszukiwanie środka ciężkości sprawdza się do wyznaczenia jego położenia metodą sumowania wektorów - ciężarów kolejnych elementów.

Wyznaczymy wektor, który będzie wypadkową ciężarów elementów układu a jego wartość równa będzie ciężarowi całego układu zaś punkt przyłożenia - środkiem ciężkości

Q, q₁, q₂, q₃, ……., q_k - ciężary części ciała

Metoda ta pozwala zatem wyznaczyć w sposób pośredni OSC ciała ludzkiego, jeśli znajduje się ono w określonej stałej pozycji; utrwalonej, np. na zdjęciu lub klatce filmowej. Aby tego dokonać, należy wpierw określić ciężary części ciała oraz zlokalizować położenie ich środków ciężkości.

rys. Wyznaczanie OSC ciała człowieka układu 14-elementowego

x = q₁x₁ + q₂x₂ +........+ q₁₄x₁₄

Q

y = q₁y₁ + q₂y₂ +…….. + q₁₄y₁₄

5.4.(16)Przedstaw wielkości promieni środków mas segmentów ciała człowieka

wielkości mas segmentów ciała człowieka wg. Zatziorsky'ego:

głowa (stanowi) 6,940

tułów 43,457

ramię 2,707

przedramię 1,625 % ciężaru całkowitego

ręka 0,614

udo 14,165

podudzie 4,330

stopa 1,371

5.5.(17) Przedstaw wielkości promieni środków mas segmentów ciała człowieka.

głowa 55,0

tułów 44,5

ramię 45,0

przedramię 42,7 % ich długości

ręka 37,0

udo 45,5

podudzie 40,5

stopa 44,1

Promienie środków ciężkości ciała w % ich długości mierzy się zawsze od bliższego końca.

Równanie REGRESJI wg. Zatziorsky'ego:

Głowa r = 8,357- 0,0025 x + 0,023y

Górna cz. tułowia r = 3,32 + 0,0076 x + 0,047y

Środkowa cz. tułowia r = 1,398 + 0,0058 x + 0,045y

Dolna cz. tułowia r = 1,182 + 0,0018 x + 0,0434y

Ramię r = 1,67 + 0,03 x + 0,054y

Przedramię r = 0,192 - 0,028 x + 0,093y

Ręka r = 4,11 +0,026 x + 0,033y

Udo r = -2,42 + 0,038 x + 0,135y

Podudzie r = -6,05 - 0,039 x + 0,142y

Stopa r = 3,767 + 0,065 x + 0,033y

6.Biomechanika mięśni

6.1.(18) Zdefiniuj pojęcia: siła mięśniowa, siła (mięśniowa) bezwzględna, siła względna.

Siła mięśniowa - jest to zdolność organizmu do pokonywania oporu zewnętrznego lub oporu własnego ciała w warunkach statyki lub ruchach o małej prędkości a znacznej intensywności.

Siła mięśniowa bezwzględna - jest to wielkość kiedy w 1 cm.² Przekroju mięśnia może rozwinąć siłę o wielkości 7-10 kG

Siła mięśniowa względna - wyrażana jako stosunek wielkości siły absolutnej do masy ciała lub masy ciała szczupłego(LBM). Jest to miara znacznie bardziej obiektywna i trafna dla scharakteryzowania rzeczywistej siły mięśniowej- jest tez znacznie ważniejsza w bardzo wielu typach aktywności ruchowej wymagających przemieszczania ciała w przestrzeni ( np. gimnastyka, sporty limitowane w kategorii wagowymi, biegi, skoki itp.)

Siła absolutna - rozumiana jako wielkość siły rozwijanej przez mięśnie bez względu na ich rozmiary.(np. rzuty, zapasy, i podnoszenie ciężarów w najcięższych kategoriach)

6.2.(19) Scharakteryzuj pojęcie jednostki ruchowej (motorycznej), zasadę ,,wszystko albo nic”, strukturę włókien mięśniowych.

Jednostka motoryczna-stanowi jedna komórka mięśniowa (wraz ze wszystkimi swoimi wypustkami) biegnąca do mięśnia oraz wszystkie komórki mięśniowe przez nią unerwione.

Pod wpływem działającego na komórkę mięśniową pojedynczego bodźca o sile progowej lub większej od progowej, jej błona komórkowa ulega depolaryzacji po której następuje skurcz całej komórki. Bodziec podprogowy nie wywołuje depolaryzacji błony komórkowej i komórka się nie kurczy.

„wszystko albo nic” - komórka odpowiada na bodziec zgodnie z prawem, tzn., że pod wpływem każdego bodźca o intensywności progowej lub większej od progowej reaguje maksymalnie, nie odpowiada zaś na bodźce podprogowe.

Włókno mięśniowe - składa się z segmentów zwanych sarkomerami. Sarkomer taki obejmuje jeden taki prążek anizotropowy i sąsiadujące z nim dwie połówki prążka izotropowego. Prążek anizotropowy - tworzą nitki grube - miozyny, prążek izotropowy zaś - nitki cienkie - aktyny, które są doczepione do błony granicznej Z. Błona Z dzieli na dwie połówki każdy prążek izotropowy należący do dwóch sąsiednich sarkomerów.

W czasie skracania się komórki nitki aktyny wślizgują się pomiędzy nitki miozyny(prążki zanikają)

6.3.(20) Zdefiniuj pojęcia : przekroju poprzecznego(fizjologicznego) mięśnia, długości mięśnia, kąta działania siły mięśnia, kąta stawowego

-przekrój poprzeczny ( fizjologiczny) mięśnia - uwidacznia strukturę mięśnia w płaszczyźnie poprzecznej

-długość mięśnia - jest proporcjonalna do rozwijanej siły

-kąt stawowy - w płaszczyźnie strzałkowej i czołowej nazywamy kąt, który tworzą dwie proste, stanowiące osie symetrii( podłużne) dwu sąsiednich członów, lub dla stawów `'przytułowiowych''( ramiennych i biodrowych) - prosta równoległa do osi kręgosłupa z osią podłużną danego członu, natomiast w płaszczyźnie poprzecznej nazywamy kąt tworzony przez osie, wokół których odbywa się ruch zginania i prostowania w dwóch sąsiednich stawach. W obrębie kręgosłupa kąty stawowe określają położenie dwóch sąsiednich kręgów

-kąt działania siły mięśnia - Jest to kąt, który tworzą: linia łącząca punkt przyczepu mięśnia z osią obrotu w stawie oraz linia styczna do ścięgna mięśniowego w punkcie jego przyczepu. Kąt działania mięśnia może być zwiększony przez hypomochlion, który stanowi wyniosłość kostna lub inny element tkanki łącznej, powodujące zwiększenie kąta działania mięśnia.

6.4.(21) Zdefiniuj i scharakteryzuj pojęcia : skurcz mięśnia, skurcz tężcowy(zupełny i niezupełny), skurcz izometryczny, skurcz izotoniczny, skurcz auksotoniczny, czynność statyczna i dynamiczna, czynność koncentryczna i ekscentryczna

- Skurcz mięśnia- skrócenie włókienek kurczliwych mięśnia pod wpływem impulsów z ośrodków nerwowych

- Skurcz tężcowy zupełny - występuje, gdy bodźce pobudzają mięsień w odstępach czasu krótszych, niż trwa skurcz pojedynczy

- Skurcz tężcowy niezupełny - występuje, gdy pobudzanie mięśnia w odstępach czasu dłuższych niż czas trwania skurczu pojedynczego pozwala na częściowy rozkurcz mięśnia pomiędzy bodźcami

- Skurcz izometryczny - charakteryzuje się wzrostem napięcia mięśnia bez zmian jego długości. Przyczepy mięśnia w układzie szkieletowym nie zmieniają swojej odległości.

- Skurcz izotoniczny - komórki mięśniowe skracają się i cały mięsień ulega skróceniu, jego napięcie nie zmienia się. Przyczepy mięśnia w układzie szkieletowym zbliżają się do siebie.

- Skurcz auksotoniczny - jednoczesne zbliżanie przyczepów i wzrost napięcia . Jest to typ skurczów tężcowych mięśni szkieletowych, które powodują ruchy kończyn i całego ciała.

- Skurcz koncentryczny - zbliżają się przyczepy mięśnia do siebie

- Skurcz ekscentryczny - przyczepy mięśnia oddalają się od siebie

- Czynność statyczna - gdy pobudzony mięsień nie zmienił swojej długości i tym samym nie zmieniła się odległość między jego przyczepami. Mięsień działający statycznie może spełniac funkcje: stabilizacyjne, zrównoważenia, wzmocnienia układów biernych.

- Czynność dynamiczna - następuje wówczas gdy pobudzony mięsień zmienia swoją długość podczas przeciwdziałania siłom zewnętrznym:

- może ulec skróceniu pokonując opór zewnętrzny - czynność koncentryczna Δl<0 a suma momentów sił mięśniowych jest większa od przeciwnie skierowanej sumy momentów sił zewnętrznych.

∑Mm > ∑Mz

- może ulec rozciągnięciu ustępując siła zewnętrznym - czynność ekscentryczna Δl>0 a suma momentów sił mięśniowych jest mniejsza od przeciwnie skierowanej sumy momentów sił zewnętrznych.

∑Mm < ∑Mz

6.5(22) Zdefiniuj pojęcia funkcje mięśniowe: stabilizacyjne, dynamiczne i podaj przykłady.

mięśnie stabilizacyjne - są to mięśnie , które nie biorą bezpośredniego udziału w ruchu np. , mięśnie przykręgosłupowe

mięśnie dynamiczne:

- Mięśnie synergistyczne - są to mięśnie, które biorą udział w wykonywaniu określonego ruchu np. zgięcie w stawie

- Mięśnie antagonistyczne - są to mięśnie, które przeciwstawiają się wykonywaniu określonego ruchu np. prostowanie w stawie

6.6(23) Zdefiniuj i scharakteryzuj ogólne czynniki wpływające na siłę mięśnia, (Od czego zależy siła mięśnia?).

 

Siła mięśnia zależy przede wszystkim od:

a. Masy ciała- Mięśnie stanowią przeciętnie około 30% masy ciała. Im większy jest procentowy udział masy mięśniowej w stosunku do masy ciała tym większa jest siła mięśni. Wartość siły mięśni można ocenić, stosując laboratoryjny pomiar momentu siły grupy mięśni- ten jest najwłaściwszy.

Wyniki wyraża się w jednostkach bezwzględnych, tj. w niutonach- N (siła), a właściwy pomiar laboratoryjny daje wynik w niutonach - Nm (moment siły).

b. Siła właściwa; przekrój fizjologiczny a kształt mięśnia- Przekrój fizjologiczny mięśnia to powierzchnia przekroju poprzecznego wszystkich jego włókien.

Wartość siły mięśnia wiąże się z jego przekrojem fizjologicznym. Stosunek siły mięśnia do jego przekroju fizjologicznego nazywa się siłą właściwą, a jej wartość waha się od 16 do 30 N/cm²

Gdyby wszystkie mięśnie były maksymalnie pobudzone i działały w tym samym kierunku, to ich całkowita siła wynosiłaby 168kN!(CIEKAWOSTKA)

c. Wpływ przebiegu włókien na wartość siły mięśnia-

-z dwóch mięśni: pierzastego pierzastego obłego, o tym samym obwodzie, mięsień pierzasty ma większy przekrój fizjologiczny. Przekrój wzrasta wraz ze wzrostem kąta pierzastości.

-z dwóch mięśni: pierzastego pierzastego obłego, o tym samym obwodzie, mięsień pierzasty rozwija większą siłę. Im większy zaś kąt pierzastości mięśnia tym mniejsza jest jego składowa użyteczna działająca wzdłuż osi długiej.

 

d. Długość mięśnia i wykorzystanie EK i SES-

- mięsień zawierający brzusiec ścięgna jest zdolny do wyzwolenia większej siły, gdy jest rozciągnięty, niż wtedy, gdy jest skrócony.

- siła mięśnia pochodząca od elementów kurczliwych EK jest największa w pośrednim stanie jego długości spoczynkowej. Gdy uwzględnimy ponadto udział elementów sprężystych SES i RES, to największą siłę dysponuje mięsień częściowo wydłużony.

 e. Liczba pobudzonych włókien, częstość impulsów pobudzenia, temperatura mięśnia- Efekt działania mięśnia w postaci wyzwolonej siły zależy od liczby pobudzonych włókien oraz częstotliwości impulsów pobudzenia. Maksymalna częstotliwość tych bodźców sięga

40-50 Hz.

Istnieje dodatni związek między częstotliwością impulsów pobudzenia a wartością siły wyzwalanej przez mięsień, szczególne w działaniu izometrycznym.

f. Siła mięśnia a prędkość jego skracania się-

Wartość siły rozwijanej przez mięsień jest zależna od prędkości jego skracania się; zależność ta w przybliżeniu jest odwrotnie proporcjonalna.

 Moc definiuje się jako stosunek pracy do czasu, w którym została ona wykonana:

P = ΛW/Λ t,

6.7(24) Scharakteryzuj zależność typu: siła-długość mięśnia F=F(L)

Sarkomer wyzwala największą siłę przy długości wyjściowej, wynoszącej od 2 do 2,25μm; wydłużony lub skrócony, traci na zdolności do wyzwalania siły.

W modelu mięśnia możemy wyróżnić elementy kurczliwe EK oraz elementy sprężyste ułożone równolegle RES (równoległe elem. sprężyste) i szeregowo SES (szeregowe elem. sprężyste).

Mięsień zawierający brzusiec brzusiec ścięgna jest zdolny do wyzwolenia większej siły, gdy jest rozciągnięty, niż wtedy, gdy jest skrócony.

Siła mięśnia pochodząca od elementów kurczliwych EK jest największa w pośrednim stanie jego długości spoczynkowej. Gdy uwzględnimy ponadto udział elementów sprężystych SES i RES, to największą siłę dysponuje mięsień częściowo wydłużony.

 

 6.8(25)Scharakteryzuj zależność typu: siła - czas F = F(t).

Siła rozwijana przez mięsień wzrasta stopniowo od minimum do swojego maksimum. Inaczej mówiąc, do osiągnięcia przez mięsień siły maksymalnej niezbędny jest pewien czas, czas narastania siły. Czas ten w warunkach statyki zależy głównie od czterech czynników:

-Rodzaju mięśni : szybkie, powolne;

-Temperatury mięśnia;

-Częstotliwości impulsów pobudzających;

-Zmęczenia (spadku poziomu substancji energ.).Zmęczenie mięśnia spowodowane głównie wyczerpaniem się zasobów energii powoduje wzrost czasu narastania siły do jej wartości maksymalnej.

6.9(26) Scharakteryzuj zależność typu: moment siły a kąt działania mięśnia M = f(β) dla kąta β=90deg., β<90deg. i β>90deg.

 W warunkach działania mięśni na dźwignie kostne rozkład siły mięśnia na składowe zależy od kąta, pod jakim działa ona na dźwignię kostną, oraz od zmienności tego kąta.

Kąt zawarty miedzy wektorem sił mięśnia działającej wzdłuż ścięgna, a kością nazywamy kątem ścięgnowo-kostnym. Ten kąt zmienia się wraz ze zmianą kąta w stawie, aczkolwiek nie w sposób tożsamy.

 

-Kąt ścięgnowo-kostny jest to kąt zawarty między osią długą 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°.

 

β < 90°; β = 90°; β >90°

Wartość momentu siły pojedynczego mięśnia(tzw. składowa momentu siły mięśniowej)zależy od kąta w stawie, na który działa dany mięsień. Podobne stwierdzenie można sformułować w odniesieniu do sumarycznego momentu grupy mięśni.

6.10.(27) scharakteryzuj zasady pomiaru siły mięśni (momentu siły) w warunkach statyki lub quasi - statyki

• należy zlokalizować położenie osi badanego stawu - oś stawu musi pokrywać się z osią dźwigni momentomierza

• ustalić wartość kątów w stawach sąsiednich

• ustabilizować pozycję ciała ( stawy sąsiednie ), uniemożliwić zmiany położenia osi obrotu badanego stawu

• unieruchomić u ustabilizować jeden z członów oraz stawy sąsiednie

• podać wartość kąta w stawie obsługiwanym przez badaną grupę mięśni, przy której dokonuje się pomiaru

- pozycje kątowe w sąsiednich stawach powinny się znajdować w ich anatomicznym ułożeniu

6.10a. (27) Scharakteryzuj zasady pomiaru siły mięśni (momentu siły) w warunkach statyki lub quasi-statyki.

Idea pomiaru momentów sił mięśniowych w statyce wykorzystuje własności dźwigni znajdującej się w równowadze. Dźwignia znajduje się w równowadze, gdy spełnione są dwa warunki:

1. suma momentów sił działających na dźwignię jest równa zeru,

2. suma sił działających na dźwignię równa jest zeru.

Warunek pierwszy odnosi się do zachowania dźwigni w ruchu obrotowym a warunek drugi odwołuje się do ruchu postępowego dźwigni. Z warunku drugiego wynika, że przy pomiarze siły mięśni w statyce należy uniemożliwić zmianę położenia osi obrotu badanego stawu, co można uzyskać poprzez unieruchomienie i ustabilizowanie jednego z członów (najczęściej proksymalnego) pary kinematycznej tworzącej staw. Np. pomiar momentu siły prostowników stawu kolanowego będzie wymagał stabilizacji położenia osi stawu kolanowego przez ustabilizowanie uda.

Stabilizacja pozycji ciała przy pomiarach momentów sił mięśniowych nie ogranicza się jedynie do tzw. członów sąsiednich. Znaczna część mięśni szkieletowych to mięśnie wielostawowe. Obsługują one jednocześnie dwa lub więcej stawów, co oznacza, że np. o aktualnej długości owych mięśni decydują wartości kątów stawowych we wszystkich tych stawach. Stabilizację pozycji ciała można uzyskać poprzez umocowanie, za pomocą pasów i obejm części ciała łączących się w sąsiednich wobec badanego stawach, do sztywnych i nieruchomych elementów stanowiska pomiarowego. Stabilizacja ta wymaga uprzedniego ustalenia wartości owych kątów stawowych. Obowiązuje zasada, że pozycje kątowe w sąsiednich stawach powinny odpowiadać ich ułożeniu anatomicznemu.

Wartość kąta w stawie, przy którym dokonujemy pomiaru, należy traktować jako ważny parametr i podawać go wraz z wartością zmierzonego momentu siły.

Warunki pomiaru momentów sił mięśniowych w statyce:

- zlokalizować położenie osi badanego stawu (oś stawu musi pokrywać się z osią dźwigni momentomierza)

• -         ustalić wartość kątów w stawach sąsiednich

• -         ustabilizować pozycję ciała

• -         podać wartość kąta w stawie obsługiwanym przez badaną grupę mięśni, przy której dokonuje się pomiaru

6.11.(28) Scharakteryzuj sposób pomiaru (badania) momentu siły dowolnego zespołu mięśni w statyce lub quasi-statyce. Narysuj stanowisko pomiarowe, dokonaj analizy sił i momentów sił działających, zaznacz niezbędne stabilizacje, sformułuj równanie momentów sił do obliczenia momentu siły badanego zespołu mięśniowego

rys. M_m = M_Z

r_{m *} F_m = r_{z *} F_z

r_m - ramię siły mięśniowej

r_z - ramię siły zewnętrznej

rys. wykorzystanie warunku równowagi dźwigni kostnej (podudzia) do pomiaru momentu siły zginaczy stawu kolanowego

D - dynamometr

Fz - siła zewnętrzna

Fm - zastępcza siła mięśniowa zginaczy stawu kolanowego

M_i = I_{Z *} є Iz - zastępczy moment bezwładności; є - przyśpieszenie kątowe

M_T = B _* ω B - tłumienie zastępujące; ω - prędkość ruchu w stawie

M_S = K _* α K - zastępcza sztywności; α - kąt stawowy

M_i + M_T + M_S = M_m + M_Z

M_m = M_i + M_T + M_S - M_Z

Jeżeli w pewnych warunkach wartości momentów sił bezwładności, tłumienia i sprężystości będą równe 0

(є = 0, ω = 0, α = 0)

czyli dźwignia kostna znajduje się w równowadze, a kąt stawowy przyjmuje wartość spoczynkową to równanie będzie następujące:

-M_Z = M_m

M_i - wypadkowy moment sił bezwładności członów ruchomych w stawie

M_T - zastępczy moment sił tarcia i tłumienia

M_S - moment sił sprężystości, wywołany odkształcaniem elementów biernych

M_m - sumaryczny moment sił mięśniowych grupy

M_Z - wypadkowy moment sił zewnętrznych - np. grawitacji, oporów środka...

6.12.(29) Zdefiniuj pojęcie udziału mięśnia. Przedstaw i scharakteryzuj równanie udziałów mięśniowych K. Fidelusa

UDZIAŁ MIĘŚNIOWY - liczbowa wartość funkcji aktonu mięśniowego w stawie.

Równowaga sił w statyce:

∑F₁ = 0 ∑M₁ = 0

∑M_Z = ∑M_W

M_Z = M_SYN - M_ANT - M_p - M_T

M_Z - moment sił zewnętrznych

M_W - moment sił wewnętrznych

M_SYN - moment składowej aktywnej siły synergentów

M_ANT - moment składowej aktywnej siły antagonistów

M_P - moment siły elementów pasywnych części miękkich

M_T - moment siły tarcia w stawie

G - naprężenie mięśni [N(cm²)]

P_i - pole przekroju fizjologicznego _i - tego mięśnia[cm²]

r_i - ramię siły _i - tego mięśnia[m]

α - kąt stawowy

7. Równowaga ciała w warunkach statyki. Obciążenia statyczne w wybranych strukturach tkankowych człowieka.

7.1. Zdefiniuj związki pomiędzy równowagą (statecznością) ciała człowieka w statyce a: wielkością płaszczyzny podparcia, wielkością masy ciała, wysokością położenia ogólnego środka masy, kątami stabilności.

Najogólniejszym wskaźnikiem rozmieszczenia mas w ciele człowieka jest ogólny środek ciężkości (OSR). W mechanice środkiem ciężkości nazywa się punkt, do którego przyłożona jest wypadkowa wszystkich sił ciężkości ciała. We wszystkie strony od tego punktu, w dowolnym od niego kierunku, siły ciężkości wzajemnie się równoważą; sumy momentów sił ciężkości są sobie równe. Wypadkowa sił równoległych przyłożonych do wszystkich cząsteczek ciała, jest przyłożona OSC; dlatego OSC nazywają jeszcze środkiem mas lub środkiem bezwładności.

Położenie środka ciężkości ciała zależne jest od budowy ciała. U ludzi z bardziej rozwiniętymi kończynami dolnymi OSC ciała położony jest stosunkowo niżej niż u ludzi z silną muskulaturą tułowia i rąk. U ludzi z długimi nogami anatomicznie położony jest on niżej, ponieważ jednak nogi są u nich dłuższe, to OSC jest bardziej oddalony od ziemi niż u osobników krótkonogich.

W symetrycznej pozycji stojącej człowieka z opuszczonymi rękami OSC znajduje się na poziomie od 1 do 5 kręgu krzyżowego, około 4-5 cm powyżej osi poprzecznej stawów biodrowych. Płaszczyzna przodo-tylna przechodząca prze OSC dzieli ciało niemal symetrycznie. Jest ona nieco przesunięta w prawo od płaszczyzny pośrodkowej. Prawa połowa ciała człowieka jest nieco cięższa od lewej (około 400-500 g) w związku z niesymetrycznym położeniem organów wewnętrznych oraz nierównomiernym rozwojem aparatu ruchowego; ponadto u praworęcznych prawa połowa ciała posiada większą masę. W kierunku przodo-tylnym OSC znajduje się między kością krzyżową a spojeniem łonowym, przemieszczając się w zależności od położenia ciała w staniu.

Ze zmianą położenia ciała OSC zmienia swoje położenie. Przy przemieszczeniu którejkolwiek części ciała OSC przesuwa się w tym samym kierunku.

U dzieci w związku z dużą masą tułowia i głowy OSC położony jest wyżej niż u dorosłych. U kobiet ze względu na inne proporcje ciała, związane zwłaszcza z masywniejszą budową obręczy biodrowej, OSC położony jest niżej niż u mężczyzn.

płaszczyzna podparcia:

(ogólnie można powiedzieć, że ciało jest w równowadze, gdy linia ciężkości pada na powierzchnię podparcia) (krzywa wieża w Pizzie nie przewraca się, bo jej OSC nadal rzutem pada na płaszczyznę podparcia, im bardziej jednak będzie się on zbliżał do krawędzi tym równowaga będzie bardziej zagrożona, Wówczas pewnie podłożą jakieś pale, powierzchnia podporu zwiększy się i znów stać będzie jakiś czas aż do pozycji horyzontalnej!!!???!!!)

im większa jest płaszczyzna podparcia tym większa potrzebna jest siła aby zaburzyć równowagę i przemieścić linię grawitacji poza płaszczyznę podparcia

podstawa podparcia może być rozszerzona w każdym kierunku przez odwiedzenie, zgięcie lub wyprost w stawie biodrowym, co zmienia położenie kończyn dolnych Przy staniu ze złączonymi stopami podstawą podparcia jest powierzchnia dwóch podeszw, lecz przy rozstawieniu stóp podstaw ta rozszerza się a jej powierzchnia na tyle wzrasta że linia ciężkości na nią trafia

Płaszczyzna podparcia to płaszczyzny podporu i płaszczyzna pomiędzy nimi. Uwaga: stojąc boso brzeg płaszczyzny oporu znajduje się 1,5-2 cm do wewnątrz od granicy powierzchni oporowej bowiem miękkie tkanki brzegu stóp nie mogą stanowić oporu. Na odwrót obuwie z twardą podeszwą zwiększa płaszczyznę. Wyobraźcie sobie jak małą płaszczyznę daje łyżwa figurowa!!!!- stąd u mnie nakolanniki i zdarte łokcie gdy jeżdżę na rollkach

wysokość położenia OSC

im niżej usytuowany jest środek ciężkości tym większy łuk jaki zaburzająca równowagę siła musi zakreślić (czyli im niżej położony tym siła musi być większa)

kąty stabilności

Kąt ten utworzony jest pomiędzy linią ciężkości a linią łączącą środek ciężkości z odpowiednim punktem granicy płaszczyzny podporu (skrajna krawędź płaszczyzny podporu)

Im większy kąt tym pewniejsza postawa

Warunki równowagi zmieniają się przy zmianie położenia OSC (w każdym kierunku) nad płaszczyzną podparcia oraz przy zmianie samej płaszczyzny podparcia. Ogólną stabilność w jakimkolwiek kierunku określa się kątem równowagi i jest to suma wszystkich kątów stabilności w danej płaszczyźnie. Stabilność położenia ciała charakteryzuje się także momentem siły, który jest nieodzowny do wytrącenia ciała z równowagi. Wytrącenie możliwe jest tylko wtedy gdy moment utraty równowagi jest większy od momentu stabilności.

.

Przy wykonywaniu ćwiczeń fizycznych nieodzowne jest zabezpieczenie większej stabilności w określonym kierunku (np. postawa w zapasach ) lub odwrotnie - stworzenie możliwości szybszego wytrącenia z równowagi (pozycja startowa). Dlatego przyjmuje się takie położenie przy którym rzut środka ciężkości odpowiednio oddala się lub przybliża do granicy podparcia i zmienia się położenie wysokości OSC.

PYTANIE DRUGIE:

po części już opisane: zwiększanie płaszczyzny podparcia to odwodzenie, zginanie lub prostowanie w stawach biodrowych - w zależności od kierunku przemieszczania się OSC

w rehabilitacji ponadto to używanie sprzętu pomocniczego: kule, laski, balkoniki, trójnogi itp.

podczas ćwiczeń: pozycje niskie, izolowane ( na czworakach)

sport: szerokie rozstawienie kończyn dolnych, obniżenie środka ciężkości przez ugięcie kolan,sprzęt pomocniczy jak kijki u narciarzy (?????)

Dodać można coś jeszcze, może poza tematem, ale dotyczy równowagi!. Trzy hasła:

KOMPENSACYJNE RUCHY CIAŁA- jeżeli człowiek weźmie ciężar w lewą rękę, w wyniku czego ogólny środek ciężkości jego ciała z obciążeniem przemieści się w lewo, to przez odchylenie w prawo górnej części ciała i odwiedzenie prawej kończyny górnej może on OSC przemieścić w prawo

AMORTYZACJA - polega na ekscentrycznej pracy mięśni, która stopniowo zmniejsza działanie wstrząsów

BALANSOWANIE - to ruchy, które przemieszczają OSC i punkt podparcia względem siebie; zabezpieczają zachowanie równowagi stałej, podnosząc stopień stabilności ciała (w szczególności przesuwa się punkt podparcia pod rzut środka ciężkości lub stwarza się nowy punkt podparcia dla ciała

Na koniec coś, od czego chyba powinno się zacząć:

RÓWNOWAGA

ciało pozostaje w równowadze jeżeli nie działa nań żadna siła (I prawo Newtona)

ciało pozostaje w równowadze jeżeli wszystkie działające nań siły neutralizują się(III prawo Newtona)

siła działająca na ciało nadaje mu przyspieszenie które jest odwrotnie proporcjonalne do masy ciała (II prawo Newtona)

Pytanie III jest dla mnie zagadką, proponuję zapytać się na zjeździe autora pytania gdzie można znaleźć na nie odpowiedź.

8.Pytania do tezy:Biomechaniczna interpretacja postawy ciała

8.1(34) Scharakteryzuj pojęcie postawy ciała człowieka. Omów podstawowe etapy kształtowania się postawy w ontogenezie człowieka

Postawą ciała nazywamy sposób trzymania ciała w swobodnej pozycji stojącej, albo swobodny układ ciała w tej pozycji, uwarunkowany położeniem morfologicznymi i funkcjonalnym oraz odpowiednim nawykiem ruchowym.

Jest to wzajemna kompozycja poszczególnych odcinków ciała względem siebie oraz względem środkowej linii ciała, w nawykowo utrzymywanej pozycji stojącej.

 Filogenetyczny rozwój pozycji wyprostnej wskazuje, ze gdy zwierze dąży do stania na tylnych kończynach, jego pierwszym problemem jest rozwiniecie dostatecznej siły mięśniowej, aby utrzymać wyprostowane stawy biodrowe. U niektórych naczelnych gdzie środek ciężkości ciała przemieszcza się ku górze można zaobserwować niedorozwój stawów biodrowych. Korzystają z czterech kończyn przednich na porównawczo słabo rozwiniętych kończynach dolnych.

Do utrzymania wyprostowanej pozycji człowieka najbardziej potrzebny jest wzrost siły aparatu wyprostnego grzbietu i prostowników kończyn dolnych, szczególnie stawów biodrowych.

Później następuje równy i harmonijny rozwój kończyn dolnych i górnych, a także swoiste ukształtowanie grzbietu i kręgosłupa. Środek ciężkości u człowieka przemieścił się znowu na niższy poziom.

W ewolucji od istot czworonożnych do dwunożnych, w ich próbach stania na kończynach tylnych[dolnych], środek ciężkości stopniowo się podnosił przez rozwój aparatu wyprostnego grzbietu, biodra i kolan.

Pyt.8.2 niekompletne

   Ludzkie cialo jest zlozonym biomechanizmem utworzonym z 5 lancuchow kinematycznych[stawowych], a kazdy z nich sklada sie z wielu polaczonych stawami segmentow. Dla kazdego segmentu ciala musza byc zrownowazone sily grawitacji.

   Szkielet ludzki mozna opisac jako pojedynsza kolumne deseczek[kregow], u ktorych szczytu przytwierdzone sa obrecze barkowe, a do nich podwiszone kosci konczyn gornych. Te superstruktury transmituja swoj ciezar na tylna czecs pochylego basenu miednicy, ktora kolysze sie na dwoch palcach konczyn dolnych. Cala struktura spoczywa i kolysze sie na dwoch segmentarnych jednostkach[stopach], ktorych dlugosc stanowi okolo1/6 calkowitej wysokosci ciala, a szerokosc ok 1/18 calkowitej wysokosci ciala.

 

 

   Zrownowazenie ciala ludzkiego wymaga calkowitej neutralizacji sil grawitacji dzialajacych na cialo przez sily przeciwne. Aby zneutralizowac sily rotacyjne grawitacji konieczne jest aby linia ciezkosci ciala przechodzila przez srodek ciezkosci, ktory reprezentuje sily grawitacji dzialajace na wszystkie punkty masy ciala. Konieczne jest takze, aby linia ciezkosci padala w obrebie powierzchni podparcia, a nie poza nia.

 

 

Pyt.8.3

   Wyjasnij, dlaczego dla prawidlowej masy ciala jest tak wazna konreola masy ciala [unikanie nadwagi] oraz sila i wytrzymalosc miesni?

 

A   Istotne jest unikanie nadwagi gdyz w wyniku grubej warstwy tluszczowej [nadmierny brzuch], powstaje znaczne obciazenie na wysunietym do przodu ramieniu. Wywoluje to  zwiekszenie obciazen struktur tylnych kregoslupa przyczyniajac sie jednoczesnie do poglebienia lodozy oraz zwiekszenia kata pochylenia kosci krzyzowej.

9.Biomechaniczna interpretacja procesu koordynacji

9.1 Zdefiniuj pojęcia: koordynacji, koordynacji: nerwowej, mięśniowej i ruchowej

Koordynacja- zdolność takiego połączenia aktywności różnych mięśni, aby ruch był wykonywany dokładnie i po właściwym torze.

Koordynacja nerwowa- wg Dońskiego współdziałanie procesów nerwowych, które kierują ruchami poprzez pobudzenie mięśni;

Koordynacja mięśniowa- współdziałanie naprężenia mięśni przekazujących siły, które sterują poszczególnymi częściami ciała, uwzględniając przy tym bodźce systemu nerwowego oraz inne czynniki (wew. i zew. pola sił)

Koordynacja ruchowa- wg Fidelusa to współdziałanie mechanizmów fizjologicznych głównie nerwowo-mięśniowych, zapewniające wykonywanie realnego i konkretnego zadania ruchowego zgodnie z programem;

9.2 Scharakteryzuj „mechanizmy koordynacyjne ruchu” wyrażone w pytaniu: jak pracuje układ nerwowy podczas koordynacji ruchu?

Mechanizmy koordynacyjne ruchu

- Układ nerwowy musi otrzymywać stałą informację o parametrach ruchu (siła, prędkość) oraz o naturalnych i fizjologicznych możliwościach mięśni. Służą do tego receptory (zmysły).

- W oun konieczne są odpowiednie ośrodki, które przeanalizuję a następnie dokonają syntezy wszystkich bodźców płynących od receptora.

- Układ nerwowy powinien mieć dopracowany program działania ruchowego, które określa cel zadania ruchowego (co i jak ma wykonać?).

- Układ nerwowy musi dysponować mechanizmem porównującym, który będzie oceniać czy ruch przebiega zgodnie z założonym programem. Będzie oceniał czy siły prędkości wywołują zamierzony rezultat ruchowy.

• W układzie nerwowym muszą być ośrodki, które na podstawie oceny zgodności przebiegu ruchu z jego założeniem wyślą odpowiednie bodźce ruchowe do mięśni.

9.3 Przedstaw i scharakteryzuj model procesu koordynacji ruchowej wg N.A. Bernstejna

Według założeń Bernstejna istota sterowania polega na porównywaniu wartości pożądanej, którą wypracuje człowiek w toku uczenia się jako programu ruchu z faktyczną wartością bieżącą parametrów ruchu.

W konsekwencji mięśnie są pobudzane przez ukł. nerwowy (regulator) nie wg stałego schematu, lecz ze stałym dopasowaniem się (^W) do zaistniałej sytuacji tak, aby końcowy rezultat ruchowy umożliwiał realizowanie zadania ruchowego.

Czas obiegu informacji od receptora do efektora ^t = 0,07 - 0,12 s.

Proces sterowania psychicznego może przebiegać z częstotliwością f = 14 Hz

Wartość ^t jest dolną granicą czasu reakcji prostej.

10. Pytania do tezy: Biomechanika chodu

10.1.(45) Definicja chodu standardowego

Chód - jest lokomocją polegającą na przemieszczaniu masy ciała skupioną w środku ciężkości, wzdłuż drogi wymagającej najmniejszego wydatku energetycznego.

Chód (definicja na podstawie Ortopedii i rehabilitacji) - to precyzyjnie kontrolowane czynności polegające na skoordynowanych, powtarzalnych ruchach kończyn i tułowia, których celem jest bezpieczne przemieszczanie się człowieka w pozycji pionowej, z miejsca na miejsce, z równoczesnym minimalnym wydatkiem energetycznym.

Chód człowieka jest formą lokomocji, w której funkcję podporową spełniają kkd, pewną zaś rolę równoważną kkg.

Praca kończyn jest na przemian stronna a ruchy cykliczne, tj. określone fazy ruchu powtarzają się.

Celem chodu jest przemieszczanie ciała człowieka, natomiast jego struktury: kinetyczna i dynamiczna powinny się tak kształtować, aby lokomocja była....

Składowa pionowa siły odbicia (reakcji) jest mniejsza od ciężaru ciała człowieka, dlatego też w chodzie nie występuje faza lotu.

Ekonomiczny chód obserwujemy prze częstotliwości 90-100 kroków/min. Wówczas składowa pionowa siły reakcji mieści się w 0,8-1,2 Q, gdzie Q to ciężar ciała.

Przy częstotliwości 105-200 kroków/min składowa pionowa siły reakcji przekracza wartość 2Q i chów przechodzi w bieg.

11.Pytania do tezy: Biomechanika: kręgosłupa, stawu biodrowego, kolanowego

11.1(49) Mechanizmy obciążeń kręgosłupa

Kręgosłup można, z bardzo dużym uproszczeniem, przyrównać do pręta podtrzymującego wyprostowaną postawę ciała i jako taki jest poddawany działaniom różnego rodzaju obciążeń, np. ściskaniu, rozciąganiu, zginaniu lub też skręcaniu. Kręgosłup ma wewnętrzną i zewnętrzną stabilność: pierwszą dzięki podtrzymaniu przez krążki międzyżebrowe i więzadła, drugą zaś dzięki mięśniom zwłaszcza brzucha i klatki piersiowej. Wewnętrzna stabilność jest wynikiem ciśnienia wewnątrz krążków międzykręgowych . Ciśnienia płynu wchłanianego przez jądro powoduje odpychanie od siebie trzonów kręgów, opór natomiast stawiają więzadła, które mają tendencję do zbliżania trzonów. Stwarza to bardzo stabilny układ między przylegającymi trzonami kręgosłupa, który składa się na przemian z elementów sztywnych i sprężystych, charakteryzuje się duża giętkością, przed wszystkim dzięki dużej odkształcalności krążków międzykręgowych. Wielkość giętkości zależy zarówno od kształtu geometrycznego a także od ograniczeń stwarzanych przez więzadła międzykręgowe.

Istotny udział w przenoszeniu obciążeń przez kręgosłup mają mięśnie przykręgowe, przyczepione do boków i wewnątrz dwóch komór, tj. jamy brzusznej i klatki piersiowej, oddzielonych przeponą. Pierwsza z nich jest wypełniona kombinacją stałych i płynnych substancji, druga zaś w dużej mierze powietrzem. Działanie mięśni przemienia te komory w cylindry o półsztywnych ścianach, wypełnione powietrzem oraz płynem, zdolne do przekazywania skumulowanych sił odciążających kręgosłup. Siła wynikająca z podnoszenia ciężaru rękami jest przekazywana do kręgosłupa przez mięśnie pasa barkowego, przede wszystkim mięsień czworoboczny, miednicę, a częściowo przez sztywną klatkę piersiową i brzuch. Im większy ciężar podnosi, tym większe jest działanie mięśni tułowia, piersi i brzucha: towarzyszy temu również powiększanie się ciśnienia w jamie brzusznej i piersiowej. Działanie mięśni tułowia oraz ciśnienie występujące w jamach powoduje odciążenie kręgosłupa w części piersiowej o około 50%, a w części lędźwiowej o około 30%.

11.2(50) Modele obciążeniowe kręgosłupa

Modele takie stwarzają szansę wyznaczania parametrów wytrzymałościowych stosowanych implantów lub też oceny skutków przeciążeń. Najszersze zastosowania znalazły modele obciążeniowe Stotte'a , Orengrena, White'a.W modelach tych uproszczenia dotyczą zwykle przyjmowania wartości oraz charakterystyk sił mięśniowych, więzadłowych, oddziaływania tkanek miękkich w tym też tłoczni brzusznej.

W ostatnich latach w analizie obciążeń elementów kręgosłupa coraz szersze zastosowanie znajdują metody numeryczne, m.in. metoda elementów skończonych

Model Stotte'a- Założeniem tego modelu jest to, że środek ciała pokrywa się ze środkiem ciężkości ciała, który jest podstawą do przyjmowania obciążeń działających na kręgosłup sił i obciążeń w rejonie danego kręgu.. Stotte przedstawia warunek równowagi obciążeń w rejonie kości krzyżowej i kręgu L5 dla pozycji kręgosłupa w skłonie do przodu.. W pozycji tej możliwa jest analiza składowych sił działających na kręg w płaszczyźnie krążka międzykręgowego L5-S1 oraz prostopadle do niej.

Model Schultza- Traktuje ciało ludzkie jako bryłę sztywną. Statyczna analiza warunków obciążeń ciała może dostarczać ilościowych informacji na temat zależności między siłami wewnętrznymi i ich momentami. Najczęściej analizowano modele sztywności ciała podczas czynności wykonywanych izometrycznie. W analizie takiej liczba niewiadomych przewyższa liczbą równań równowagi w problemach statycznych lub równań ruchu w problemach dynamicznych. W prostych mechanicznie przypadkach zastępuje się pewne grupy mięśni i inne miękkie tkanki współpracujące prostym równoważnikiem siłowym. W sytuacjach złożonych niezbędne są jednak bardziej wyszukane schematy analityczne.

11.3 (51)Przeciążenia kręgosłupa

Jako przeciążenie określa się zaburzenie struktur kostnych, więzadłowych, jak również mięśniowych kręgosłupa, powstałych w wyniku długotrwałych obciążeń, nawet jeśli obciążenia te nie przekroczyłyby granicy wytrzymałości danej struktury lub też w wyniku doraźnego przekroczenia obciążeń ekstremalnych dla danych struktur. Wyodrębnia się dwa mechanizmy zniszczeń struktur kręgosłupa:

-pierwszy jest wynikiem normalnych funkcji życiowych człowieka, lecz często realizowanych w nieanatomicznych warunkach. Przykładem może być długotrwałe działanie cyklicznych obciążeń, które może spowodować powstanie kręgozmyku(spondylolistezy) lub też zwyrodnienie krążka międzykręgowego może doprowadzić do dyskopati(discosis).

-drugi mechanizm przeciążeń ma podłoże traumatologiczne, czyli uraz związany jest z doraźnym przekroczeniem wartości granicznych wytrzymałości danych struktur kręgosłupa, np. wypadki komunikacyjne, upadki z dużej wysokości

Na przeciążenie kręgosłupa znaczny wpływ mają tzw. czynniki mechaniczne jak np.: rozkłady obciążeń, budowa geometryczna, ukształtowania, własności fizyczne struktur kręgosłupa, rozkłady naprężeń i odkształceń.

Niektóre relacje przyczynowo-skutkowe przeciążeń struktur nośnych kręgosłupa można powiązać ze sobą:

-więzadła w rejonie łuku kręgu najczęściej są niszczone poprzez ruch zgięciowy kręgosłupa do przodu(w tym nadmierny).

-zmiany destrukcyjne wyrostka stawowego są najczęściej powodowane przez nadmierne ruchy skrętne oraz przeprost (skłon do tyłu).

-zmiany przciążeniowe trzonów kręgów są najprawdopodobniej powodowane długotrwałym zmiennym obciążeniem ściskającym

-krążki międzykręgowe mogą podlegać przeciążeniom poprzez obciążanie przekraczające doraźną wytrzymałość struktur kostnych.

Znaczny wpływ na powstawanie zniekształceń i dysfunkcji kręgosłupa mają obciążenia działające na trzon kręgu, połączenia międzykręgowe oraz elementy więzadłowo-mięśniowe. Sprawiają one, iż kręgosłup przybiera kształt, tj. przyjmuje ukształtowanie odpowiednie do przenoszonych obciążeń, zwłaszcza w płaszczyźnie strzałkowej.

Oprócz przyczyn znanych w praktyce klinicznej, takich jak urazy, stany zapalne, procesy nowotworowe, znaczny wpływ na powstanie zniekształceń i dysfunkcji kręgosłupa mają czynniki mechaniczne działające na układ kostno-stawowy, więzadłowo-mięśniowy, wpływające na jego ukształtowania oraz zakres czynności.

Wystąpieniu stanu przeciążeń kręgosłupa zazwyczaj towarzyszy lub sprzyja zjawisko niestabilności. Od strony mechaniki niestabilność struktur kręgosłupa występuje wówczas, gdy małe obciążenie powoduje duży wzrost przemieszczeń.

W pojęciu klinicznym mianem niestabilności określa się stan, w którym podczas ruchu lub już pod wpływem samych obciążeń dochodzi do przemieszczeń względem siebie segmentów ruchowych kręgosłupa. Stanom niestabilności oraz związanym z tym przeciążeniom kręgosłupa mogą sprzyjać codzienne czynności, które człowiek wykonuje.

11.4(52) MECHANIKA STAWU BIODROWEGO

Siły działające na staw biodrowy dzielimy na :

a) zewnętrzne - siła przyciągania ziemskiego, oddziaływanie podporowe oraz siły z jakimi inne ciała działają na ciało człowieka

b) wewnętrzne - siły wynikające z działania mięśni

Staw biodrowy przenosi obciążenia statyczne i dynamiczne wynikające z masy ciała, siły mięśni działających na staw oraz przyspieszenia i przyciągania ziemskiego. Kąty i kierunek wektorów sił mięśni działających na staw biodrowy są zmienne - zależą od ich funkcji i fazy chodu.

- wg. Bergmana w poszczególnych fazach chodu zmienia się wartość obciążeń występujących w stawach biodrowych. Zmianie ulega także kierunek i wartość wektora wypadkowej siły stawu biodrowego, położenie środka ciężkości ciała, który przemieszcza się w stronę przeciwną do kończyny obciążanej. Obciążenia w stawie biodrowym zależą też od faz styku stopy z podłożem. Fazom tym towarzyszą ruchy ciała człowieka jak skłon - przeprost, odwodzenie i przywodzenie nogi oraz ruchy rotacyjne.

- Dauwels rozpatruje 2 sytuacje biomechaniczne w stawie biodrowym : fazę obciążenia obunożnego i fazą stania na jednej kończynie dolnej. Podczas podparcia na obu kończynach zakłada się, iż w środku ciężkości S4 obciążenia od głowy, tułowia i kończyn górnych stanowią 62% masy ciała, natomiast na jednej nodze staw biodrowy przenosi obciążenia od głowy, tułowia, kończyn górnych i 2 kończyny a środek ciężkości jest umiejscowiony w S5 i stanowi 81% masy.

Każda zmiana położenia środka ciężkości w stosunku do osi ciała wywołuje zmianą obciążeń w stawie biodrowym tj. zmianą sił i kierunku działania mięśni oraz udziału nowych grup mięśniowych utrzymujących ciało w stanie równowagi.

a) w modelu Pauwelsa wektor wypadkowej siły R jest przyłożony pod kątem 16 podczas stania jednonożnego w punkcie obrotu 0 ( środek głowy k. udowej ). Ramię siły odwodzicieli przebiega od punktu obrotu do szczytu krętarza większego, ramię masy ciała natomiast od punktu obrotu 0 do punktu k będącego rzutem środka ciężkości na poziomą biegnącą przez punkt obrotu 0. Siła R jest wypadkową wielkością zredukowanego ciężaru ciała oraz siły M mięśni odwodzących w stawie biodrowym, stabilizujących miednicę i równoważących masą ciała. W modelu uwzględnione jest oddziaływanie pasma biodrowo - piszczelowego, które symuluje za pomocą cięgna biegnącego przez oś stawu kolanowego do krętarza większego gdzie jest utwierdzone. W ten sposób następuje równoważenie momentu gnącego w trzonie k. udowej

b) model Maqueta - odmiennie przedstawia rolę pasma biodrowo - piszczelowego. Twierdzi, że pasmo zewnętrzne powięzi szerokiej uda jest napinane przez mięsień odwodzący i symulowane jako cięgno biegnące wzdłuż trzonu k. udowej od stawu kolanowego do kości miednicy, opierając się na krętarzu wielkim kości udowej i mając możliwość ślizgania się po nim. Daje to dodatkową siłą poziomą stabilizującą staw biodrowy.

Podstawowe znaczenie w obciążeniu stawu biodrowego, a tym samym w modelowaniu mają:

- mięśnie pośladkowe zwłaszcza dla obciążeń boczno- przyśrodkowego zginania

- mięsień dwugłowy uda dla oddziaływań przednio - tylnych

- pasmo biodrowo - piszczelowe odwodzicieli

- pasmo odwodzicieli, które ma większe znaczenie w obciążeniu k. udowej niż przywodzicieli

- mięśnie rotatorów

11.5 (53)ALLOPLASTYKA STAWU BIODROWEGO

Nieprawidłowy rozkład obciążeń w stawie biodrowym sprzyja szybkiemu postępowaniu zmian zwyrodnieniowych polegającym na wadliwym rozwoju panewki oraz odchyleniu w budowie bliższej części kości udowej. Stosuje się wówczas totalną ( całkowitą ) lub częściową alloplastyką stawu biodrowego metodą cementową lub bezcementową, która wynika z techniki wszczepiania. Podstawowymi częściami endoprotezy są : trzpień, główka i panewka.

Alloplastyka biodra polega na usunięciu chorego stawu i wszczepieniu w to miejsce sztucznego stawu umożliwiając radykalne zlikwidowanie zmian patologicznych, zmniejszenie bólu i odtworzenie funkcji biodra. W całkowitej alloplastyce wymianie podlega zarówno panewka jak również głowa kości, w częściowej tylko głowa.

Podczas wszczepiania w protezach cementowych używa się cementu PMMA kostnego, który po związaniu stanowi element spajający protezę z kością.

Protezy bezcementowe wszczepia się do ciasnego kanału. Na trzpieniu lub jego części występuje warstwa porowata, w którą przerasta kość co daje trwałe połączenie. Stosuje się trzpienie endoprotez pokrywane przez napylenie plazmowe porowatą warstwę hydroksyapatytu ( endoprotezy Parchofera - Muncha, Mittelmeiera, Biocontact)

Główki endoprotez mogą być wykonywane ze stopów metali, ceramiki oraz cyrkonu. Najszersze zastosowanie znajdują dziś główki ceramiczne ( duża gładkość, twardość powodująca odporność na ścieranie)

Spośród panewek dominują polietylenowe lub ceramiczne, implantowane z użyciem cementu lub lekkiego wcisku, stosuje się również rozwiązania panewek dodatkowo zabezpieczone śrubami kostnymi.

Wśród wskazań do zabiegu alloplastyki zaliczamy :

- artrozą główki,

- złamanie kości

- chorobą nowotworową

- martwicą kości

11.6(54)UWARUNKOWANIA TECHNICZNE ALLOPLASTYK STAWU BIODROWEGO

Chirurgiczna wymiana stawu zwana totalną alloplastyką stawu biodrowego jest jednym z bardziej efektywnych zabiegów w medycynie.

- wg. Morschera najważniejszym problemem w zamocowaniu endoprotez jest rozłożenie obciążeń na możliwie największą powierzchnię na styku wszczep - kość uwarunkowane prawidłową biomechaniką stawu. Pod względem mechanicznym siły występujące między wszczepem a kością zależą od modelu endoprotezy, powierzchni kontaktu, własności materiałowych powierzchni i wszczepu oraz techniki operacyjnej.

- Natomiast wg. Schenka zróżnicowanie się tkanki kostnej na powierzchni wszczep - kość zależy bezpośrednio od typu i zasięgu obciążeń na które jest narażona. Istotna jest również ocena miejsc wprowadzenia obciążeń i ich spodziewanej wartości ( struktura i ukształtowanie mięśni ) w celu oceny relacji obciążeniowo - odkształceniowych układu kość - implant. Zbyt mała sztywność trzpienia do sztywności kości może powodować odkształcenia i ich przemieszczenia a w rezultacie brak przerostu kości, zbyt duża spowoduje, że kość nie będzie pracowała i wówczas zaniknie

- Jednym z podstawowych czynników biomechanicznych wpływających na dobre warunki stabilności ( również ważne przy wszczepianiu endoprotez ) są relacje naprężeniowo - odkształceniowe na które wpływają właściwości fizyczne ( moduł sprężystości, ułamek Poisona, obciążenia) i geometryczne tych struktur ( właściwy dobór wymiaru implantu i kanału )

- Podstawowymi trudnościami w alloplastyce są :

biozgodność materiałów, odpowiedniej reakcji, sztywności trzpienia i kości tj. unikanie przebudowy struktury kości oraz naprężeniowej strefy ochronnej, zapewnienie możliwości wszczepienia endoprotezy i dostosowanie przenoszenia obciążeń do warunków anatomicznych

- biomechaniczna zgodność endoprotez i kości to zwykle dobry dobór relatywnych sztywności do warunków obciążeń oraz stanu kości i tkanek miękkich a także dobór właściwych relacji naprężeniowo - odkształceniowych kości

11.7(55)OBCIĄŻENIA STAWU KOLANOWEGO

Obciążenia stawu kolanowego mogą przybierać znaczne wartości i zależą od wykonywanych czynności :

- osiowe obciążenia podczas chodzenia w poziomie lub po schodach mogą być 1,3 razy większe od ciężaru ciała a podczas biegu nawet ponad 2 razy. Momenty sił wynikające z oddziaływania sił mięśniowych osiągają wartość 50 Nm podczas chodzenia.

- w zależności od fazy ruchu zmienia się także kierunek działania wektorów sił. W 1 fazie reakcje podparcia z piętą są przenoszone przez powierzchnie stawu kolanowego oraz więzadła rzepkowe a w czasie podparcia stopy - obciążenia przenoszone są na tylne struktury więzadłowo - mięśniowe. Podczas ruchu obciążenia są zmienne, zależne od kontaktu stopy z podłożem i zakresu ruchu podudzia.

- przeciążenia stawu często powodują uszkodzenia struktur kolana, najczęściej w wyniku aktywności sportowej. Uszkodzeniu ulegają: więzadła, łękotka, torebka stawowa i chrząstka stawowa

W biomechanice stawu kolanowego dominuje model Maqueta rozważający obciążenia w różnych płaszczyznach ( strzałkowa, czołowa ) jak i czynnościach ( stanie na obu i jednej nodze)

- podczas stania na obu stopach kolana obciążone są częścią masy ciała powyżej kolan (85%) a wypadkowe przechodzą przez geometryczny środek kolana. Wypadkowa obciążeń wynikających z oddziaływania masy ciała przechodzi przez środek ciężkości S3 znajdujący się na poziomie kręgu lędźwiowego. W płaszczyźnie strzałkowej środek ciężkości jest na linii utworzonej przez geometryczne stawów biodrowego, kolanowego, skokowego

- podczas stania na jednej stopie obciążenia wynikają z oddziaływania masy całego ciała(93%) a wypadkowa jest w środku obciążeń w punkcie S7. W płaszczyźnie strzałkowej ( wieloczłonowy model kończyny dolnej) siła wypadkowa obciążająca staw jest wynikiem oddziaływania masy ciała(P)stopy na podłoże oraz grup mięśniowych; obciążenia w stawie rozłożono na 2 składowe - siły działające w stawie udowo - piszczelowym i udowo - rzepkowym. Wartości sił zależą od parametrów geometrycznych stawu, możliwości ruchu, warunków anatomicznych kończyny, zmiany kątów między osiami głównymi elementów strukturalnych, zmiany wartości sił mięśniowych oraz wartości oddziałujących mas elementów ciała. Na zmiany obciążeń stawu wpływają zmiany powierzchni stawu np. deformacje

Najczęstszymi objawami przeciążeń w stawie jest przemieszczenie oddziaływania siły wypadkowej obciążającej staw w stronę przyśrodkową lub boczną. Natomiast zmiany w biomechanice stawu związane z chorobowymi zmianami budowy geometrycznej kończyny dolnej są wynikiem powstania dodatkowych naprężeń skręcających i wynikających z przemieszczenia się siły obciążającej

11.8(56)ALLOPLASTYKA STAWU KOLANOWEGO

Endoprotezoplastyka jest jednym z najskuteczniejszych sposobów leczenia zmian destrukcyjnych stawu kolanowego.

Ogólne implanty stawu kolanowego można podzielić na konstrukcje : zawiasowe, kłykciowe, mieszane.

Jednym za starszych rozwiązań jest endoproteza zawiasowa bez możliwości rotacji podudzia, składająca się z :

- udowej implantowanej w nasadzie dalszej kości udowej

- piszczelowej

- osi zawiasu ( sworzeń)

- jednego lub 2 łożysk ślizgowych

- elementów mocujących sworzeń w części udowej lub piszczelowej

W zależności od stopnia zaawansowania zmian destrukcyjnych struktur kostnych stawu, którym towarzyszą duże zniekształcenia stawu ( szpotawość, koślawość ) oraz niestabilność kolana wynikająca ze zmian charakterystyk wiązadeł stosuje się endoprotezy całkowicie powiązane ( sworzniowo - zawiasowe ) lub półzwiązane. W połączeniu sworzniowym mogą występować przyspieszone procesy zużycia, występują tu dość duże obciążenia, którym mogą towarzyszyć objawy obluzowania lub też ścierania ( metoaloza).

Obecnie coraz częściej są stosowane endoprotezy kłykciowe - również częściowe (jednostronne) implantowane w miejscach większego zużycia. Wybór danej konstrukcji endoprotezy zależy od stanu powierzchni stawowych i wiązadeł zwłaszcza krzyżowych.

Współczesne endoprotezy wykonuje się z takich materiałów jak : stopy tytanu, kobaltu czy na panewki polietylenu wysokocząsteczkowego, charakteryzujące się dobrymi właściwościami mechanicznymi jak odpornością na zużycie ścieranie, sprężystość, wytrzymałość, mały ciężar i biokompatybilność.

Jednym z nowoczesnych rozwiązań są implanty umożliwiające ruch rotacyjny podudzia ( dochodzi w nich dodatkowy element pośrodkowy o osi obrotu ). Element przenoszący ruchy rotacyjne obraca się wokół osi przechodzącej przez punkt leżący między guzkiem przyśrodkowym i bocznym kości piszczelowej. Zakres rotacji podudzia jest regulowany przez odpowiednie ukształtowanie powierzchni współpracujących części udowej i piszczelowej.

Stosowane są też protezy policentryczne ( umożliwiające odtwarzanie w miarę dokładnie ruchów zachodzących w stawie ) oraz endoprotezy geometryczne, implanty anametryczne, endoprotezy płytkowe ( rozwiązanie typu kłykciowego, w których wymianie ulega strona przyśrodkowa lub zewnętrzna stawu kolanowego.

24

---