I Lezione

Corso di
Biomeccanica
AA 2010-2011
Luigi Fattorini
[email protected]
BIOMECCANICA
Biomeccanica : studia l‟azione meccanica dei
sistemi viventi.
Biomeccanica sportiva: studia il movimento
dell‟uomo nel processo dell‟esercizio fisico
inteso come movimento o sequenza di
movimenti.
Di norma l‟uomo non esegue dei movimenti ma
delle azioni
B. nelle scienze motorie
A che serve la Biomeccanica nelle scienze
motorie e nello sport in generale?
A spiegare (capire) I principi di funzionalità
meccanica del movimento. A dare
informazioni su moto, stabilità, forza e
momenti di forza.
Il tutto applicato sull’atleta e sui paricolari
movimenti che vengono attuati; da solo o
con mezzi tecnici.
KINESIOLOGIA
• Lo studio del movimento umano
• Lo studio morfologico e funzionale degli
elementi che concorrono nel m.u.
• Si propone di:
–
–
–
Muoversi in sicurezza e coordinazione
Muoversi efficacemente
Muoversi efficentemente
APPLICAZIONI
• Kinesiologia e biomeccanica sono
fortemente interconnesse.
• I determinanti di queste due discipline
possono essere efficacemente applicati
alla biologia, fisiologia, ingegneria, alla
medicina occupazionale, fisiatria e alla
gran parte delle applicazioni mediche.
INTEGRAZIONE
BIOMECCANICA
per le scienze motorie
S.M. studiano il movimento e tutte le sue implicazioni
Movimento  azione coordinata
Azione  finalità
Finalità  fisiologia
Stressare  potenziare
Potenziamento  miglioramento psico-fisico
IERI
PARAMETRI DEL MOVIMENTO
OGGI
APPLICAZIONI
B. per le scienze motorie
• Per conoscere e comprendere le leggi fisiche
inerenti al movimento del corpo e le forze
(interne ed esterne) coinvolte.
• Per accrescere “conoscenza” così da migliorare
la performance motoria
• Per migliorare il gesto tecnico, I materiali,
l’equipaggiamento nell’interesse della salute
dell’atleta
• Per progettare e portare avanti programmi di
allenamento che migliorino la prestazione
APPLICAZIONI PRATICHE
Tenere il braccio
sinistro basso durante
il salto significa
portare la
mano destra più in
alto.
NEWS
STOCCOLMA (10 novembre) - Michael Phelps, otto volte campione olimpico a
Pechino, è stato eliminato a sorpresa nelle batterie dei 100 metri stile libero in
occasione della tappa di Stoccolma della Coppa del mondo in vasca corta di
nuoto.
Contrariamente a tutti gli altri atleti, Phelps aveva
deciso insieme con il francese Amaury Leveaux di
gareggiare con il costume corto tradizionale
anticipando la messa al bando delle discusse
combinazioni in poliuretano decisa a partire dal primo
gennaio 2010 dalla Federazione internazionale.
Ancora…….
Stressare???????
MECCANICA
LA SCIENZA CHE STUDIA L‟INFLUENZA
DELLE FORZE SUI CORPI
(solidi deformabili e indeformabili)
Quando la M. è applicata al corpo umano o
animale si chiama BIOMECCANICA
CAMPI DI STUDIO
• STATICA
– STUDIO DEI CORPI A RIPOSO
• DINAMICA
– IN MOVIMENTO
DINAMICA
Cinematica = descrizione del movimento
includendo considerazioni di spazio e
tempo
(posizione, distanza, velocità, spostamento,
accelerazione, velocità angolare)
Cinetica = analisi delle forze coinvolte nel
movimento
(pressione, lavoro, momento, potenza)
GENERATORI DI
ACCELERAZIONE
MUSCOLO CREA MOVIMENTO
M. striato scheletrico  leve
articolari
M. liscio  apparati viscerali
M. striato cardiaco  sangue
• SCHELETRICO
•- Movimenti dell’occhio
•- Espressioni facciali
• CARDIACO
•- circolazione
• LISCIO
• - Movimento
di gas, liquidi e
solidi negli organi
Funzionalità
• Esplicite
– Deambulazione
– Posizione eretta
– Movimentazione carichi
– Antigravitari, posturali (caviglia)
– Atti a bassa definizione
– Atti ad alta definizione
• Non esplicite
– Stabilizzatori della postura (Sistema Vestibolare)
– Pompa per il ritorno venoso
– Effetto tonico di attivazione
STABILIZZAZIONE
• Solo il M. scheletrico
• La stabilizzazione e’ un
processo dinamico
• Molte articolazioni non
potrebbero sopportare
carichi senza
intervento muscolare
MUSCOLO SCHELETRICO
SARCOMERO
Curva Lunghezza-Forza
RELAZIONE FORZA-VELOCITA’
TIPI CONTRAZIONE
Unità Motorie
Def. Di Unità Motoria:
fibra nervosa motoria
(motoneurone) e fibre
muscolari scheletriche da
questa innervate
Tipi di Muscolo
Il rapporto tra f.m. lente, intermedie,
veloci è legato alla funzione.
• Rapidi
• Resistenti
• General Purpose
Al tipo di movimento che deve compiere.
Ai tempi di attivazione.
Frequenza di uso. (proverbio cinese:l’uso
sviluppa l’organo)
Al lavoro che deve compiere (carico).
Controllo della Contrazione
• Reclutamento: numero di UM attive
• Tipo di UM coinvolte (dipende dalla
durata della contrazione)
• Modulazione. Frequenza di
attivazione (sparo) del motoneurone

CONTROLLO DEL MOVIMENTO
• Stato iniziale di tutto il s. m.
• Preprogrammazione della dinamica
del movimento
• Contrazione del muscolo operante
• Coattivazione altri muscoli e/o
gruppi muscolari
Classificazione
•Per quanto inerente le contrazioni, anch’esse sono suscettibili di classificazione sulla
base dei parametri di forza, lunghezza e tempo. Pertanto distinguiamo le contrazioni
in:
•ISOMETRICHE: non prevedono variazione di lunghezza nel muscolo. Dove per
variazione di lunghezza del muscolo intendiamo una variazione nel braccio di leva
poiché, di fatto, le fibre muscolari subiscono un accorciamento.
ISOTONICHE, sono così definite le contrazioni che tendono a sollecitare il muscolo con
una resistenza costante lungo tutta l’escursione articolare. Il grado di tensione
muscolare dovrebbe restare invariato per tutta la durata del movimento che prevede una
fase concentrica ed una eccentrica.
•ISOCINETICHE, analogamente a quanto avviene per le contrazioni isotoniche, dove il
parametro resistenza è costante, in quelle isocinetiche diviene costante il parametro
tempo, ossia la velocità di spostamento della resistenza sarà costante, e con sforzo
massimale, per l’intera escursione.
•AUXOTONICHE, sono contrazioni auxotoniche, quelle tipiche di movimenti in cui, la
resistenza da vincere, aumenta progressivamente con lo sviluppo del movimento.
Tipi contrazioni
•Concentriche, le contrazioni concentriche hanno luogo durante un’azione muscolare di
tipo superante. Ovvero quando la forza esercitata da un muscolo è in grado di vincere
una determinata resistenza. In questo caso assistiamo all’accorciamento del muscolo e
all’avvicinamento dei capi articolari interessati.
•Eccentriche, sono tipiche della fase negativa di un movimento. Sebbene vi sia il
comando di accorciamento, i capi articolari si allontanano. Caratterizza i movimenti
cedenti, quando si asseconda la resistenza esercitata dall’esterno ed il muscolo agisce
rallentando il movimento.
•Pliometriche, contrazioni esplosive che sfruttano l’energia elastica accumulata in una
fase eccentrica con prestiramento, per esprimerla in una fase concentrica (es. salto dai
gradoni, calcio ad un pallone ecc.). In altri termini, in questo tipo di contrazione, alla
forza esprimibile dalla contrazione del muscolo, viene sommata l’energia accumulata
nella fase di prestiramento.
S. OSTEO-MUSCOLOTENDINEO
• IL MATERIALE BIOLOGICO E’ VIVO
• LA FUNZIONALITA’ DEL S.B. E’ A
VOLTE IMPRESCUTABILE
• PUO’ TUTTO L’ALLENAMENTO?
“SPIEGARE” IL MOV
SISTEMA VISCO-ELASTICO
mass-spring-damper model
f(t)
k
m
X
c
FORZA
La forza applicata ad un corpo causa
una accelerazione di quel corpo di una
grandezza proporzionale alla forza
nella direzione della forza ed
inversamente proporzionale alla massa
del corpo.
F = ma
VETTORE
VETTORE FORZA
A causa della sua configurazione
anatomica, ciascun muscolo esercita una
forza in una direzione predeterminata
dalla sua configurazione anatomica.
Per ottenere una forza in direzione diversa
sarà necessario combinare vettorialmente le
forze esercitate da più muscoli (in genere
adiacenti) e spesso occorre sommare grandi
forze per ottenere piccole risultanti.
L’eccezionale mobilità dell’apparato muscolo
scheletrico umano si ottiene dunque a scapito
di un grande dispendio energetico
FORZE A CUI E’
SOGGETTO UN CORPO
Interne / Esterne
Gravitazionali
Motili / Resistive
Rotatorie /Stabilizzatrici
Inerziali
FORZE INTERNE
LO SPOSTAMENTO DEI TESSUTI FLACCIDI
E LIQUIDI, NELLE ACCELERAZIONI,CHE
PROVOCANO INERZIA ED ATTRITO
Non influenzano il baricentro
FORZE ESTERNE
LA RESISTENZA DA VINCERE È ESTERNA
AL NOSTRO CORPO E PUO „ ESSERE
COSTITUITA DA UN OGGETTO ANIMATO
O INANIMATO.
TIPI DI F. ESTERNE
TENSILI
producono una tensione che tende ad allontanare due
capi articolari. Sono fonte di stress legamentosi e
tendinei
COMPRESSIVE
producono un carico pressorio che comprime i capi
articolari. Sono fonte di elevato stress articolare sulle
superfici cartilaginee
GRAVITA’
INERZIA
SPAZIALITA’
Terza legge di Newton o azione-reazione
Per ogni azione esiste una eguale ed opposta reazione.
Quando un corpo esercita una forza su un secondo,questo esercita
una forza di reazione di uguale grandezza e di direzione opposta al
primo.
Uno dei principali usi di questa legge, in biomeccanica ,è nei termini di
GRF : ground reaction force.
BRACCIO DI LEVA
MOMENTO
LE LEVE
Le leve sono macchine semplici e sono costituite
da una barra relativamente rigida che può
essere ruotata attorno ad un asse o ad un fulcro.
Tutti i movimenti del corpo umano, scaturiti da un
muscolo scheletrico, sono prodotti da leve (il
muscolo produce una forza che agisce su un
osso e lo fa ruotare attorno ad un asse della sua
articolazione) LEVE ARTICOLARI
Peso1 = Peso2 ….Distanza1 = Distanza2
peso1 * distanza1 = peso2 * distanza2
distanza1
peso1
distanza2
peso2
Due pesi uguali posti a distanza uguale dal fulcro della leva
risultano in equilibrio
Formula generale per calcolo
nelle leve
Potenza * braccio potenza =
Resistenza * braccio resistenza
Potenza / resistenza = braccio resistenza/ braccio potenza
P
R
bP
bR
GENERI DI LEVE
R
I° TIPO
F
R
II° TIPO
F
R
F
III° TIPO
I° GENERE
R
F
II° GENERE
R
F
III° GENERE
R
F
ANTROPOMETRIA
I più grandi “squattisti e panchisti” hanno leve corte.
Queste tipo di proporzioni creano un significativo
vantaggio poiché non devono spingere il peso così distante
come la media degli altri
sollevatori.
Chi possiede lunghe
leve è sottoposto ad
un maggior lavoro e
quindi ad un maggior
stress articolare.
DENSITA’ CORPOREA
•
•
•
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•
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•
•
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•
•
•
•
•
Metodiche "tradizionali"
Determinazione dell'Acqua Corporea Totale
(diluizione con deuterio e trizio)
Determinazione del Potassio Corporeo Totale
(dosaggio con Potassio 40)
Escrezione Urinaria di Creatinina
PESATA IDROSTATICA
Metodiche Antropometriche
Misurazioni Ossee
PLICHE CUTANEE
Circonferenze degli Arti
Nuove Metodiche
Conduttanza Elettrica
IMPEDENZA BIOELETTRICA
Conduttività Elettrica Corporea Totale (TOBEC)
Analisi dell'Attivazione Neutronica
(Calcio ed Azoto corporei totali)
Metaboliti Muscolari
Creatinina Plasmatica Totale
Escrezione Urinaria 3-Metilistidina Endogena
ASSORBIMETRIA A RAGGI X (DEXA)
Tomografia Computerizzata
Spessore del Tessuto Adiposo Sottocutaneo
Radiografia a Raggi Molli
Ultrasuoni
Interattanza ad Infrarossi
Risonanza Magnetica Nucleare
PLETISMOGRAFIA (BOD POD)
PESATA IDROSTATICA
La pesata idrostatica è stata per molti anni, ed ancora in parte lo è,
la metodologia di riferimento, il "Gold Standard" delle tecniche di
misurazione della composizione corporea. Pesando l'atleta immerso in
acqua, grazie al principio di Archimede si può calcolare la densità
corporea e quindi le percentuali di massa grassa e magra.
La procedura classica è abbastanza lunga e relativamente complessa:
richiede immersione completa, il calcolo del volume polmonare residuo
e può essere influenzata dal contenuto gassoso intestinale e dal fatto
che si considera costante la densità ossea, fatto non sempre vero. Tale
metodica quindi, pur con un errore della stima della percentuale del
grasso corporeo estremamente basso (circa 1-1.5%), è utilizzata
sopratutto a fini di ricerca e non è applicabile alla rapida e semplice
valutazione di grandi popolazioni di atleti.
DENSITOMETRIA PER PESATA
IDROSTATICA
La metodica si basa sul principio di
Archimede che afferma che un corpo
immerso in un liquido subisce un‟apparente
perdita di peso equivalente al peso del
liquido da esso spostato.
peso dell’oggetto in aria
=
peso dell’oggetto in aria – peso dell’oggetto in acqua
PLICOMETRIA
L'utilizzo della misura delle pliche per determinare la % di
grasso corporeo è una tecnica semplice, economica e che
ben si presta per l'utilizzo sul campo in Medicina Sportiva.
Tale metodica si basa sul presupposto (non sempre vero)
che lo spessore del tessuto adiposo sottocutaneo sia
proporzionale al grasso corporeo totale e che le posizioni
scelte siano rappresentative dello spessore medio del
tessuto sottocutaneo. Altro dato fondamentale è che le
equazioni predittive (quadratiche o logaritmiche) siano
utilizzate sulle stesso tipo di soggetti (sedentari, atleti di
potenza o resistenza, ecc.) da cui sono state ricavate.
Utilizzata da un operatore esperto tale metodica è
comunque estremamente valida, sopratutto per seguire nel
tempo le variazioni del rapporto massa grassa/magra
nell'atleta.
BIOIMPEDENZIOMETRIA
Si
basa
sul RESISTENZA:
principio della
diversa
conduzione
deisono
tessuti
al passaggio
di
Tessuti magri
a bassa
resistenza in
quanto
ricchi di acqua
ed elettroliti.
una
debolissima
ed inavvertita
corrente
elettrica alternata (800 microA a 50 Khz),
adiposo
un cattivo diconduttore
inTessuto
relazione
al loroè contenuto
acqua ed
e quindi ad alta resistenza in quanto
elettroliti
(sali
minerali).
povero di acqua ed elettroliti.
2. REATTANZA: o resistenza capacitiva è la forza
che si oppone al passaggio di una corrente elettrica
a causa di una capacità (condensatore).
Condensatore: 2 piastre conduttive separate tra
loro da uno strato non conduttivo o isolante.
Le cellule non adipose hanno una membrana
cellulare costituita da un doppio strato lipidico non
conduttivo, si comportano da condensatori e
quando sono attraversate da una corrente
oppongono una resistenza ed una reattanza.
Le cellule adipose essendo delle sfere di trigliceridi
non si comportano da condensatori cioè forniscono
una resistenza ma non una reattanza
BIOIMPEDENZIOMETRIA
Si applicano 4 elettrodi adesivi: 2 sul dorso della
mano dx e 2 sul dorso del piede dx.
BIOIMPEDENZIOMETRIA
E’ necessario che il soggetto sia a
digiuno da almeno 4 ore in equilibrio
idroelettrolitico e che durante la
misurazione rimanga immobile in
posizione supina e con gli arti
abdotti.
BIOIMPEDENZIOMETRIA
I valori di resistenza e reattanza ottenuti
dalla bioimpedenziometria devono essere
inseriti in alcune formule dalle quali è
possibile stimare l‟acqua corporea e la
percentuale di massa magra. I valori
ottenuti dalla bioimpedenziometria sono
significativamente correlati con i valori
ottenuti con metodiche più sofisticate quali
TC e RMN.