Biomeccanica 2015

AA 2014-2015
U N I V E R S I TA’ D E G L I S T U D I D I R O M A T O R V E R G ATA
F A C O LTA’ D I M E D I C I N A E C H I R U R G I A
LAUREA TRIENNALE IN SCIENZE MOTORIE
Insegnamento di
BIOMECCANICA
Pietro Picerno, PhD
Programma del corso
MODULO 1: Introduzione alla biomeccanica
MODULO 2: Misura e stima
MODULO 3: Centro di massa
MODULO 4: Analisi del salto verticale
MODULO 5: Analisi del cammino
MODULO 6: Macchine da muscolazione
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Picerno
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 2
Modulo 6
Macchine da muscolazione
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 3
Macchine semplici
Si definisce macchina semplice un organo meccanico assimilabile al un corpo
rigido vincolato ad un punto o ad un asse, capace di equilibrare o vincere, mediante
forze motrici, forze resistenti esterne. Non richiedono l’uso di un motore.
Tutto ciò che mi procura un vantaggio per equilibrare
potenza (P)
resistenza (R)
fulcro (F)
P=R
bP = bR
braccio di P
(bP)
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braccio di R
(bR)
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 4
Macchine semplici
Si definisce macchina semplice un organo meccanico assimilabile al un corpo
rigido vincolato ad un punto o ad un asse, capace di equilibrare o vincere, mediante
forze motrici, forze resistenti esterne. Non richiedono l’uso di un motore.
Tutto ciò che mi procura un vantaggio per equilibrare o vincere una resistenza, è
una macchina.
potenza (P)
resistenza (R)
fulcro (F)
P=R
bP > bR
braccio di P
(bP)
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braccio di R
(bR)
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 5
L e ve
• asta rigida indeformabile
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 6
L e ve
• asta rigida indeformabile
• ruota attorno ad un fulcro
fulcro (F)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 7
L e ve
• asta rigida indeformabile
• ruota attorno ad un fulcro
• potenza (forza attiva, quella da applicare)
potenza (P)
fulcro (F)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 8
L e ve
• asta rigida indeformabile
• ruota attorno ad un fulcro
• potenza (forza attiva, quella da applicare)
• resistenza (forza passiva, quella da vincere)
potenza (P)
resistenza (R)
fulcro (F)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 9
L e ve
• asta rigida indeformabile
• ruota attorno ad un fulcro
• potenza (forza attiva, quella da applicare)
• resistenza (forza passiva, quella da vincere)
• braccio (distanza che intercorre tra fulcro e punto di applicazione della
potenza - resistenza e determina la vantaggiosità della leva)
potenza (P)
resistenza (R)
fulcro (F)
braccio di P
(bP)
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braccio di R
(bR)
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 10
Classificazione (caso di equilibrio)
• l’equilibrio è garantito da P•bP = R•bR
• vantaggio: V = (P•bP)/(R•bR)
• indifferente: V=1
• vantaggiosa: V>1 (ci vuole una piccola potenza per equilibrare una grande resistenza)
• svantaggiosa: V<1
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 11
Classificazione (caso di equilibrio)
leva di 1° genere:
• fulcro tra la potenza e la resistenza
• può essere indifferente, vantaggiosa o svantaggiosa
potenza (P)
resistenza (R)
fulcro (F)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 12
Classificazione (caso di equilibrio)
leva di 2° genere:
• resistenza tra il fulcro e la potenza
• sempre vantaggiosa
resistenza (R)
fulcro (F)
potenza (P)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 13
Classificazione (caso di equilibrio)
leva di 3° genere:
• potenza tra la fulcro e resistenza
• sempre svantaggiosa
resistenza (R)
fulcro (F)
potenza (P)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 14
Occhio alla schiena!
Il braccio della forza peso del carico esterno
(L) è molto più grande del braccio della
forza dei muscoli estensori della colonna,
quindi questi devono “sforzarsi” molto di più.
La soluzione è cercare il più possibile di
iminuire L e/o non far lavorare gli estensori
della colonna bensi quelli del ginocchio!
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 15
“ M o m e n t i ” d i vi t a q u o t i d i a n a
(anche questa è pesistica!)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 16
Carrucola (o puleggia) fissa
P=R
bP = bR
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 17
Carrucola (o puleggia) fissa
• cambia solo direzione alla forza (bP = bR)
• tiro 10cm, e il carico si solleva di 10cm
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 18
Carrucola (o puleggia) mobile
• bP = 2bR
(applico meta della forza per
equilibrare una resistenza)
• P ha verso opposto di R
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 19
Carrucola composta
• cambio verso di P con una carrucola fissa
• 1 carrucola fissa + 1 carrucola mobile = paranco semplice
• demoltiplica la forza da applicare (il braccio di P è il doppio del braccio di R)
• moltiplica lo spostamento da compiere in fase di tiraggio
il carico è ancorato ad una carrucola mobile
il suo peso è ripartito tra le due parti di corda
un capo è ancorato al muro (lo regge il muro)
l’altro capo passa da una carrucola fissa
(potenza)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 20
Carrucola composta
• cambio verso di P con una carrucola fissa
• 1 carrucola fissa + 1 carrucola mobile = paranco semplice
• demoltiplica la forza da applicare (il braccio di P è il doppio del braccio di R)
• moltiplica lo spostamento da compiere in fase di tiraggio
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 21
Paranchi multipli
Conservazione dell’energia
Il lavoro meccanico da compiere è lo stesso (devo sollevare di 10cm il carico), ma se
voglio ridurre la forza applicata devo aumentare in maniera proporzionale lo
spostamento (tiraggio).
vantaggio del paranco:
P = R/2•n
dove
n = numero paranchi
semplici
(fonte: Wikipedia)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 22
Paranchi multipli
Conservazione dell’energia
Il lavoro meccanico da compiere è lo stesso (devo sollevare di 10cm il carico), ma se
voglio ridurre la forza applicata devo aumentare in maniera proporzionale lo
spostamento (tiraggio).
vantaggio del paranco:
P = R/2•n
dove
n = numero paranchi
semplici
(fonte: Wikipedia)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 23
Paranchi multipli
Conservazione dell’energia
Il lavoro meccanico da compiere è lo stesso (devo sollevare di 10cm il carico), ma se
voglio ridurre la forza applicata devo aumentare in maniera proporzionale lo
spostamento (tiraggio).
vantaggio del paranco:
P = R/2•n
dove
n = numero paranchi
semplici
(fonte: Wikipedia)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 24
Camme
• la forma ellittica permette di avere 3 tipi di
vantaggi (rapporto tra bP e bR):
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 25
Perché le camme?
Il braccio della forza muscolare (distanza tra fulcro e retta di azione della forza,
rispetto alla quale il braccio è sempre perpendicolare) varia al variare del’angolo
articolare, quindi il suo “vantaggio” dipende dall’angolo, se ne deduce che la forza
muscolare, mentre si solleva un carico costante (isoinerziale) non è mai costante!!
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 26
Camme
La camme mi da vantaggio in quei gradi di
movimento dove il braccio della forza muscolare
è estremamente svantaggioso (ad esempio
l’inizio della trazione alla lat machine)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 27
S i s t e m i p e r l o s vi l u p p o d i f o r z a m u s c o l a r e
1. macchine a resistenza costante (isoinerziali)
2. macchine a resistenza variabile (camme)
3. macchine a resistenza adattiva (isocinetica)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 28
Macchine a resistenza costante
sono le comuni macchine da muscolazione
iso = costante, inerzia = resistenza
ISOTONICHE
ATTENZIONE
La resistenza è costante, ma non la tensione muscolare, o anche, la forza
esterna impressa al carico (bilanciere o pacco pesi)
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 29
Misure di forze (isoinerziale)
Cella di carico per la misura della forza di trazione
c
a
v
o
forza
c
a
v
o
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 30
Misure di forze (isoinerziale)
Accelerometro sul pacco pesi
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 31
Macchine a resistenza costante
Se sollevo 100 kg su di un bilanciere durante uno squat, non vuol dire che sto
applicando sul bilanciere una forza pari a 1000 N (100 kg * 9.81 m/s^2)
Questa affermazione è vera solo se il bilanciere è fermo oppure se lo sto
sollevando a velocità costante, il che equivale a dire senza accelerazione esterna,
quindi l’unica accelerazione che agisce sul bilanciere è quella di gravità
In modalità isoinerziale è molto difficile sollevare un carico a velocità costante,
vediamo perché…..
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 32
Misure di forze (isoinerziale)
•
P = forza peso
•
T = forza di trazione
•
Non è mai vero che P = T a causa di attriti, paranchi e inerzia del carico
Forza
pacco
Forza
di pesi
trazione
(caso dinamico)
Forza [N]
200
100
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Cinematica tempo
del ginocchio
[s]
T
120
]° 100
80
60
40
P
20
estensione
[
0
0.0
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0.2
0.4
tempo [s]
0.6
0.8
1.0
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 33
Stima della forza muscolare
Il braccio della forza muscolare varia al variare del’angolo articolare, quindi il suo
“vantaggio” dipende dall’angolo, se ne deduce che la forza muscolare, mentre si
solleva un carico costante (isoinerziale) non è mai costante!!
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 34
R e s i s t e n z a va r i a b i l e e a d a t t i va
resistenza variabile
resistenza adattiva
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 35
R e s i s t e n z a a d a t t i va
Al variare dell’angolo articolare varia il braccio di leva che può essere vantaggioso o
svantaggioso per la forza muscolare;
quando è svantaggioso il muscolo deve esprimere più forza, che quindi cambia durante
il movimento e questo provoca differente velocità angolare di rotazione del segmento
mosso da quel muscolo;
dato che non si può agire né sulla tensione muscolare, nè sul braccio della forza
muscolare, né tanto meno sul carico esterno (un’alternativa sarebbe infatti un carico che
varia la massa al variare dell’angolo articolare), la macchina isocinetica agisce sulla
velocità angolare che viene mantenuta costante imprimendo maggiore resistenza al
movimento quando la leva muscolare è vantaggiosa (e il muscolo perciò muoverebbe il
braccio della macchina più velocemente della velocità impostata) mentre è piccola
viceversa.
La tensione (forza) muscolare risulta (quasi) costante.
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 36
Misure di forza: isocinetica
( @120 deg /s )
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 37
R e s i s t e n z a a d a t t i va
vantaggi:
- tensione muscolare uguale per tutto
l’arco del movimento
svantaggi*:
- regime di contrazione differente rispetto a ciò che avviene nei
movimenti naturali che, al contrario, non sono mai a velocità
angolare costante
*Bosco 2000
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 38
Metodo isocinetico
vantaggi:
- tensione muscolare uguale per tutto
l’arco del movimento
O
M
 F  IOα
L’accelerazione angolare, che
normalmente varia al variare dell’angolo
articolare, è mantenuto a zero in quanto
la velocità angolare del gesto è tenuta
costante durante tutto l’arco di movimento
elettromeccanicamente
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 39
Modulo 6: apprendimento
Dopo questa lezione dovreste saper descrivere:
• cos'è una macchina semplice e perchè viene usata
• come vengono classificate le leve
• come vengono classificate le carrucole
• i vantaggi del paranco
• I vantaggi delle camme
• come effettuare misure di forza in modalità isoinerziale
• i "vantaggi" dell'isocinetica
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Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 40