I Lezione
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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 • • • • • • • • • • • • • • • 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.
