Wykład z biomechaniki 14 marzec 2008-03-14

CZŁOWIEK JAKO BIOMASZYNA

Dr Karol Bibrowicz

Ciała mogą oddziaływać siłami na inne ciała na dwa sposoby:

• na odległość (za pomocą pól) - działa na nie kula ziemska i urządzenia elektromagnetyczne

lub

• bezpośrednio (przez kontakt) - mamy do czynienia z mechanizmem lub biomechanizmami

Sposoby przenoszenia sił:

1. klin jest najprostszym mechanizmem, przenoszącym siły w ruchu postępowym np. siekiera, noże, pilniki

2. dźwignie - przenoszą siły poprzez ruch obrotowy

3. złożenie ruchu postępowego i obrotowego umożliwia przenoszenie sił ruchem śrubowym - wiertła

Każdy mechanizm składa się z co najmniej dwóch członów sztywnych i połączenia ruchowego pomiędzy nimi. Tworzą one razem PARĘ KINEMATYCZNĄ.

Para kinematyczna

W zależności od rodzaju przenoszonego ruchu wyróżniamy pary kinematyczne:

1. postępowe

2. obrotowe

3. śrubowe

Pary kinematyczne charakteryzuje KLASA POŁĄCZENIA, uzależniona od ilości stopni swobody ruchów.

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

Człon swobodny ( nie połączony żadnym innym członem w parę kinematyczną) ma 6 stopni swobody.

A więc może się poruszać:

• w górę lub w dół

• w lewo lub w prawo

• wokół osi pionowej

• wokół osi poziomej

• wokół osi poprzecznej

Klasa pary kinematycznej - jest liczbą odjętych stopni swobody.

Łańcuch kinematyczny.

Ciąg par kinematycznych połączonych ze sobą ruchowo tworzy łańcuch kinematyczny.

Ruchliwość łańcucha kinematycznego jest łączną liczbą stopni swobody względem podstawy.

6

R = 6 ^. n - Σ i ^. pi

I = 1

n - liczba członów ruchomych

i - kolejne klasy par kinematycznych występujących w łańcuchu

pi - liczba par o i-tej klasie

Szkielet człowieka jako biomechanizm.

Szkielet człowieka odpowiada wszelkim regułom budowy mechanizmów, może więc być traktowany jako biomechanizm. Rolę członów sztywnych pełnią w tym przypadku kości, a połączeń ruchowych - stawy - razem tworzą pary kinematyczne. W przypadku par biokinematycznych można mówić wyłącznie o trzech stopniach swobody, ponieważ w stawach możliwe są jedynie ruchy obrotowe.

W organizmie człowieka mogą występować wyłącznie połączenia:

III - klasy o trzech stopniach swobody - stawy biodrowy i ramienny - łącznie 29 połączeń w całym szkielecie

IV - klasy o dwóch stopniach swobody - np. staw promieniowo - nadgarstkowy - łącznie 33 połączenia

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

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

Łańcuchy mogą być otwarte lub zamknięte:

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

• Zamknięty łańcuch biokinematyczny - zarówno pierwszy jak i ostatni człon nie mają swobody ruchu. Są związane względnie stabilnym układem odniesienia (podłoże, inne części ciała) np. przysiad.

Łańcuchy biokinematyczne mogą być zamknięte pośrednio i bezpośrednio:

• Bezpośrednio zamknięty łańcuch biokinematyczny jest wtedy gdy elementem zamykającym jest inna część ciała, np. stopy w skłonie do przodu z chwytem za kostki.

• Pośrednio zamkniety łańcuch biomechaniczny jest wtedy, gdy elementem zamykającym jest element pośredni, np. podłoże, przyrząd.

Mięśnie jako siłowniki

Napędem ruchów człowieka są przede wszystkim jego mięśnie.

Przyczyną ruchu może być także ustanie działania siły mieśniowej np. gdy puścimy się wisząc na drążku.

Skurcz mięśniowy.

Jest wynikiem przyciągania się nitek aktyny i miozyny - elementarnych części struktury komórki mięśniowej, kosztem energii zmagazynowanej w ATP. Poszczególne komórki mięśniowe są połączone anatomicznie w zespoły, tworzące funkcjonalne jednostki motoryczne. Składają się one z kilku do 2000 włókien sterowanych przez tę samą komórkę nerwową. Im większa jest wymagana precyzja ruchu, tym mniejsza jest ilość włókien w jednostce motorycznej.

Poszczególne jednostki motoryczne przenikają się wzajemnie - ta sama komórka (neuron) unerwia włókna mięśniowe pewnej odległości od siebie. Jednostki motoryczne działają na zasadzie wszystko albo nic

Zapewnia to płynność skurczu mięśniowego w sytuacji gdy jednostki motoryczne działają na zasadzie wszystko albo nic.

Bezwzględna siła skurczu mięśniowego

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

Przenoszenie sił. Dźwignie kostne.

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

Rodzaje dźwigni kostnych:

• Dźwignie jednostronne - punkt przyłożenia siły mięśniowej i siły zewnętrznej znajduje się po tej samej stronie osi obrotu np. staw łokciowy i kolanowy.

• Dźwignie dwustronne - jeżeli po przeciwnych stronach osi np. staw szczytowo - potyliczny, biodrowy, skokowo - goleniowy.

Akton.

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

Np. mięsień naramienny posiada 3 aktony.

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

Klasa aktonu.

Im wyższa klasa aktonu w biomechanizmach i łańcuchach biokinematycznych tym mniejsza niezależność ruchowa tych struktur. Liczba stawów nad którymi przebiega dany akton określa klasę aktonu.

Praca mięśniowa:

• wewnętrzna - taka, której efektów zewnętrzny obserwator nie może zaobserwować

• statyczna - nie naruszająca stanu równowagi ciała

• zewnętrzna - o efektach zauważalnych dla obserwatora zewnętrznego

• dynamiczna - prowadząca do ruchu

Praca statyczna.

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

Odmiany pracy statycznej:

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

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

• wzmacniająca - gdy na stawy działają siły rozciągające. Praca mięśni polega na wzmocnieniu działania torebek, więzadeł, ścięgien, tak aby nie doszło do ich uszkodzenia.

Praca dynamiczna (zewnętrzna).

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

Wyróżniamy pracę:

• koncentryczną (skracanie mięśnia)

• ekscentryczną (wydłużanie mięśnia)

1

---