Twoim problemem jest to, że powszechną NICOŚĆ mylisz z osobistą PUSTKĄ
1. Zdefiniuj pojęcie biomechaniki. Przedstaw i scharakteryzuj schematy dotyczące genezy i podziału biomechaniki
Słowo BIOMECHANIKA pochodzi od grec. BIOS- życie, mechate - narzędzie, mechanizm. Dosłownie jest to, więc nauka o żywych mechanizmach, albo o mechanice istot żywych.
Biomechanika w systemie nauk może być uważana za część biofizyki podobnie jak mechanika jest częścią fizyki.
Definicje
Biomechanika to nauka badająca właściwości mechaniczne tkanek i narządów oraz ruch mechaniczny żywych organizmów – jego przyczyny i skutki. Nauka o ruchu oraz związanych z nim obciążeniach, skutkach, mechanizmach.
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.
BIOMECHANIKA
MECHANIKA- BO PRZYCZYNY RUCHU I ICH SKUTKI MUSZĄ BYĆ OPISANE WIELKOŚCIAMI FIZYCZNYMI
Biomechanika mając własny przedmiot badań oraz metody badawcze, łączy w sobie wiedzę z zakresu anatomii, fizjologii, mechaniki teoretycznej, antropologii dynamicznej, psychomotoryki 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.
2. Scharakteryzuj metodę badawczą biomechaniki i jej zastosowania
Akcelerometria (ALM) – to metoda badania przyspieszeń liniowych i kątowych.ZASTOSOWANIE - badania biomechaniki chodu; w sporcie na różnego rodzaju urządzeniach i sprzęcie. Spidometria (SDM) – to metoda badania prędkości liniowych i kątowych.SDM: mechaniczno-elektryczna (klasyczna), fotokinemetryczna, fotodioda, radarowa (efekt Dopplera), laserowa ZASTOSOWANIE: wykorzystywana w analizie techniki pływania. Metoda ta połączona z fotograficzną pozwoliła na podział struktury ruchu pływaka na cykle i fazy i rozpatrzenie chwilowych wartości prędkości w cyklu pływackim. Pomiary prędkości sprinterów. Elektrogoniometria (EGM) – to metoda badania przyspieszeń kątowych, głównie w stawach kończyn i ich pochodnych.ZASTOSOWANIE - metoda ta jest przydatna w badaniach biomechanicznych - szczególnie w biomechanice rehabilitacyjnej oraz w biomechanice sporu, np. badanie geometrii ruchu (techniki) w stawach kolanowych, skokowych i łokciowych w trakcie pływania różnymi stylami w ruchach lokomocyjnych; w technice startu niskiego, w ćwiczeniach akrobatycznych oraz w rzutach piłką baseballową
Dynamometria (DNM) – metoda pomiaru (badania) sił generowanych lub transformowanych przez obiekty; dzieli się na mechaniczną, piezoelektryczna (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)). Są to czynniki ciężkości.ZASTOSOWANIE - biomechanika medyczna, ergonomiczna, sport (tworzenie odpowiedniego obuwia dla sportowców); generalnie szeroko stosowana w różnych dziedzinach nauki i techniki np. badanie sił występujących w zgryzie, w kręgosłupie lędźwiowym (w zależności od pozycji przodo lub tyłozgięcia tułowia podczas siadu) 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 (fotogrametria analityczna) ZASTOSOWANIE - identyfikacja techniki ruchu w przestrzeni np. badanie chodu, diagnostyka chodu patologicznego, badanie techniki skoków gimnastycznych Elektromiografia (EMG) – metoda badania potencjałów bioelektrycznych mięśni szkieletowych (czynności bioelektrycznej mięśni). EMG - Elektromiografia to rejestracja czynności elektrycznej mięśni. Jest jednym z podstawowych badań w rozpoznawaniu chorób mięśni i nerwów obwodowych. sEMG (powierzchniowe EMG) - do zbierania informacji o czynności elektrycznej mięśni wykorzystuje się powierzchniowe elektrody naklejane na skórę. sEMG w rehabilitacji, wykorzystuje się w celu podniesienia efektywności wykonywanych ćwiczeń, mających na celu zwiększenie lub zmniejszenie napięcia mięśni - metoda biofeedback.
EMG igłowa: polega na wprowadzeniu (wkłuciu) do mięśni cienkiej małej elektrody (igły) i zapisywaniu bioprądów tych mięśni w spoczynku oraz podczas różnie stopniowanego wysiłku. Średnica wierzchołka mikroelektrody powinna być znacznie mniejsza od wymiarów komórki badanej. ZASTOSOWANIE - np. diagnostyka mięśni porażonych, elektromiografia powierzchniowa (s-EMG) w testach wysiłkowych; obrażenia sportowe; Ortopedyczna terapia manualna; doping w sporcie; ergogeniki i suplementy. Elektrostymulacja (funkcjonalna, ES, FES) – metoda badania charakterystycznych tkanek i narządów (mięśni) pod wpływem pobudzenia z generatora zewnętrznego (stymulatora elektrycznego).ZASTOSOWANIE – zastosowanie w medycynie fizykalnej, przykładowe zastosowanie w leczeniu schorzenia tzw. stopy opadającej .Umożliwia wzmocnienie mięśni, wywołując ich skurcz; mogą mieć działanie przeciwbólowe, jak również rozkurczowo-rozluźniające w przypadkach np. nadmiernych skurczów pęcherza (leczenie w nieotrzymaniu moczu). Modelowanie (MDL) – metoda badań polegająca na zastąpieniu realnego układu (złożonego) poprzez układ prostszy (model) odzwierciedlający właściwości (strukturę) i funkcję badanego układu realnego.
a) siła-długość mięśnia F=F(L)
d- składowa sił pochodząca od elementów kurczliwych
r – składowa sił pochodząca od elementów biernych (SES i RES)
a – wypadkowa siła mięśnia (suma składowych d i r)
krzywa „d”- reprezentuje siły aktywne wyzwalane przez EK,
krzywa ”r”- siły pasywne pochodzące od SES i RES (szeregowych i równoległych elementów sprężystych)
Obie te siły sumują się zatem krzywa „a” stanowi sumę krzywych „d” i „r” w danym stanie rozciągnięcia( lub skurczu) na skali l . Gdybyśmy rozciągnęli nie pobudzony mięsień to otrzymalibyśmy tylko krzywą „r”.
Związek siły mięśnia z jego stanem rozciągnięcia zależy od udziału sił pochodzących od elementów kurczliwych (EK) i elementów sprężystych (gł. RES). Przy udziale obu tych składowych, siła w zasadzie rośnie wraz z rozciąganiem mięśnia i maleje gdy mięsień się skraca. Kształt owej zależności nie jest jednak dla wszystkich mięśni i zależy od ich indywidualnych cech budowy.
Krzywa „d” ma swoje max przy długości mięśnia większej o ok.20% od dł. spoczynkowej.
Wartość siły wyzwalanej przez m. Zależy od stanu jego długości oraz wykorzystania elementów sprężystych , wzmagających działanie EK. Biorąc pod uwagę wyłącznie EK, jego siła osiąga max w pozycji pośredniej długości sarkomeru; spada zaś gdy m. jest rozciągany bądź też się skraca. Jeżeli dodamy siłę potrzebną na rozciąganie ER (elem. Spręż), to wraz z rozciąganiem siła mięśni rośnie.
1. Zdefiniuj pojęcia koordynacji: nerwowej, mięśniowej, ruchowej. Przedstaw i scharakteryzuj model procesu koordynacji ruchowej wg N.A. Bernsteina.
a) Koordynacja nerwowa- wg Dońskiego współdziałanie procesów nerwowych, które kierują ruchami poprzez pobudzenie mięśni;
b) 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)
c) Koordynacja ruchowa- wg Fidelusa to współdziałanie mechanizmów fizjologicznych głównie nerwowo-mięśniowych, zapewniające wykonywanie realnego i konkretnego zadania ruchowego zgodnie z programem;
Model procesu koordynacji ruchowej wg N.A. Bernsteina.
SW – wartość pożądana
IW – wartość bieżąca
W myśl założeń N. A. Bernstejna istota sterowania polega na nadążnym porównywaniu wartości pożądanej ( Sollwert SW, niem.), którą wypracowuje człowiek w toku uczenia się jako programu ruchu, z faktyczną wartością bieżącą parametrów ruchu ( Istwert – IW ).
W konsekwencji mięśnie są pobudzane przez układ nerwowy ( regulator ) nie według stałego schematu, lecz ze stałym dopasowaniem się ( D W ) do zaistniałej sytuacji tak , aby końcowy rezultat ruchowy umożliwiał realizację zadania ruchowego.
Porównanie wartości SW i IW w mechanizmie porównującym prowadzi do spełnienia trzech zadań, a mianowicie:
-określa impulsy korekcyjne
-akceptuje wykonany etap ruchu
-umożliwia określenie nowej wartości SW, jeżeli ruch się nie opłaca lub jest niemożliwy do wykonania
Czas obiegu informacji od receptora do efektora Dt wynosi ok. 0,07 – 0,12 s.
Proces sterowania cyklicznego przebiega więc z częstotliwością 8 – 14 Hz
Wartość Dt jest dolną granicą czasu reakcji prostej ( refleksu ).
2. Scharakteryzuj podział ruchów dowolnych - na podst. Teorii
sterowania N.A. Bernstejna.
Ruchy dowolne dzielą się na balistyczne i ciągłe (precyzyjne).
Balistyczne są sterowane według reguły ANTE-POST FACTUM (przed i po główną częścią). Czas ich trwania to 0,1-0,2s.
Ciągłe są sterowane według reguły IN FACTO (w trakcie przebiegu)
1. Scharakteryzuj pojęcie postawy ciała człowieka.
Wg Ambrose’a postawą nazywamy układ ciała jaki przyjmuje człowiek stojącyw w pozycji swobodnie wyprostowane.
Zrównoważenie ciała ludzkiego wymaga całkowitej neutralizacji sil grawitacji działających na ciało przez siły przeciwne. Aby zneutralizować siły rotacyjne grawitacji konieczne jest, aby linia ciężkości ciała przechodziła przez środek ciężkości, który reprezentuje siły grawitacji działające na wszystkie punkty masy ciała. Konieczne jest także, aby linia ciężkości padała w obrębie powierzchni podparcia, a nie poza nią.
Równowaga to pewnien określony stan układu posturalnego w którym rzut pionowy OSC pada na pole podparcia. Charakteryzuje pionową orientację ciała dzięki statycznym i dynamicznym równoważeniu destabilizujących sił grawitacji bezwładności z momentami siły mięśni posturalnych. Stabilność jest pojęciem szerszym i oznacza zdolność do odzyskiwania stanu równowagi. W przypadku postawy człowieka stabilnością nazywamy zdolność do aktywnego przywracania typowej pozycji ciała w przestrzeni utraconej w wyniku działania czynników destabilizujących np. własna aktywność ruchowa lub siły zewnętrzne pojawiające się w skutek interakcji z otoczeniem.
POSTUROGRAFIA
→cały zespół metod badawczych pozwalających ocenić jakość kontroli postawy→w posturografii statycznej ocenę równowagi przeprowadza się najczęściej na podstawie analizy wychwiań- drobnych, mimowolnych ruchów środka ciężkości ciała w czasie spokojnego stania (ang. postural sway). Postawę stojącą osoby o zmniejszonej stabilności, jak np. pacjenta w starszym wieku, cechuje w porównaniu z osobą młodą i zdrową znacznie większy zakres wychwiań. Zakłócenie pracy któregokolwiek z wejść sensorycznych kontrolujących postawę stojącą, np. zamknięcie oczu, powoduje wzrost wychwiań. Posturogram/Statokinezjogram- zapis pokazujący wędrówkę COP w dwumiarowej płaszczyźnie podparcia Kierunki na tej płaszczyźnie oznacza się literami x i y, przy czym x (lub AP) oznacza wychwiania w płaszczyźnie strzałkowej, a y (lub ML) wychwiania boczne w płaszczyźnie czołowej Do najczęściej analizowanych parametrów posturogramu należą:długość drogi (ang. path length) posturogramu (długość jaką przebywa środek ciężkości w czasie testu)- upośledzenie kontroli równowagi przejawia się wydłużeniem tej drogi; zakres wychwiań (ang. sway range) w głównych płaszczyznach – poszczególne zakresy definiowane są jako różnice pomiędzy skrajnymi odchyleniami środka ciężkości wzdłuż osi x lub y obwiednia posturogramu (wielobok o nieregularnym kształcie otrzymany po połączeniu ze sobą liniami skrajnych punktów statokinezjogramu) Postawę stojącą człowieka przy standardowym podparciu dwunożnym cechują większe wychwiania w płaszczyźnie strzałkowej. Przemieszczenia COP w płaszczyźnie czołowej są znacznie mniejsze, a wzrost niestabilności w tej płaszczyźnie jest zazwyczaj skutecznie kompensowany przez szersze rozstawienie stóp.
Chód jest ruchem cyklicznym i wyodrębniamy w nim powtarzające się dwie fazy:
- Faza podporu [FP] 60% cyklu
Kryteria: kontakt stopy lub jej części z podłożem.
Okresy:
FP 1 -> Podpór na pięcie [10% cylku]
FP 2 -> Podpór płaski na całej stopie [30% cyklu]
FP 3 -> Podpór na przodostopiu i palcach [20% cylku]
-Faza wymachu [FW] (wahadła) 40% cyklu
Kryteria: zmiana przyspieszenia kończyna wymachowej
Okresy:
FW 1 -> okres przyspieszenia [13% cyklu]
(okres czynny – głównie dla zginaczy stawu biodrowego)
FW 2 -> okres przeniesienia [17% cyklu]
(okres bierny – działa głównie siła bezwładności)
FW 3 -> okres hamowania [10% cyklu]
(okres czynny – działają głównie prostowniki st. biodrowego i zg. st. kolanowego)
-Okres podwójnego podporu [OPP] – faza przejściowa
Kryteria: równoczesny podpór na obu KKD np. lewa noga w FP 3, a prawa w FP 1
STRUKTURA BIODZNAMICZNA CHODU
Składowa pionowa (Z): w normie siodło z dwoma łękami
-„Ł. Tylny” (FP1/FP2) tzw. pierwsze dociążenie podłoża, charakteryzuje sposób obciążania pięty. Wartości: ok. 120%CC (na rys F1)
-„siedzisko” (FP2) Odciążenie podłoża (cała stopa w kontakcie), charakteryzuje dynamikę wymachu kończyny przeciwnej. Wartość: 80%CC (na rys F2)
-„Ł. Przedni” (FP2/FP3) tzw. drugie dociążenie podłoża, charakteryzuje sposób obciążania przodostopia. Wartości: 120%CC (na rys F3)
-Składowa pozioma (Y):
-Kontakt pięty z podłożem -> siła działa z tyłu do przodu, nadaje popęd przyspieszający(krótko)
-Loading responce -> siła działa z przodu do tyłu, nadaje popęd hamujący.
- Po tym jak biodro znajduje się przed stopą, znów mamy popęd przyspieszający.(siła działa z tyłu do przodu)
BIOMECHANIKA BIEGU
CZYNNIKI WYPŁYWAJĄCE NA REZULTAT RUCHOWY
Hj – wysokość skoku (poprzeczki od podłoża),
Ho – wysokość środka ciężkości ciała zawodnika w momencie odrywania się od ziemi,
HL – wysokość uniesienia środka ciała w locie,
Hb – wysokość położenia środka ciała nad poprzeczką.
technika skoku będzie skuteczna, jeżeli:
Ho = max, HL = max, Hb = min.
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.
- 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.
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
2. Scharakteryzuj biomechanikę stawu kolanowego w tym modele obciążeniowe.
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