Original Editor – Tolulope Adeniji
Top Contributors – Tolulope Adeniji, Tarina van der Stockt, Kim Jackson i Alexandra Kopelovich
- Wprowadzenie
- How Do We Solve Problems in Biomechanics?
- Podstawowa terminologia biomechaniki
- Siły zewnętrzne (Biomechanika zewnętrzna)
- Domena mechaniki
- Zmienne kinematyki
- Typ ruchu
- Wielkość ruchu
- Rędkość ruchu
- Lokalizacja ruchu stawu w przestrzeni
- Kierunek ruchu
- Łańcuch kinematyczny
- Koncepcja kinetyczna w analizie ruchu
- Prawo ruchu Newtona
- Koncepcja kinetyczna w analizie ruchu
- Prawo ruchu Newtona
- Siła kontaktu
- Moment siły lub moment obrotowy
- Prosta maszyna
- System dźwigni
- Koło &oś
- Krążek
- Wniosek
Wprowadzenie
Człowiek jest w stanie wytworzyć różnorodne postawy i ruchy oraz ma zdolność do przemieszczania się z jednego miejsca do drugiego, tj.tj. funkcji lokomotorycznej. Czynnikiem umożliwiającym realizację tych funkcji jest nasz układ mięśniowo-szkieletowy, który podtrzymuje obciążenia ciała i ruchy segmentów ciała. Funkcja ta jest osadzona w zasadach biomechaniki człowieka. Biomechanika ma swoje główne zastosowanie w obszarach poprawy wydajności ruchu, redukcji upośledzenia ruchu lub interwencji w urazach i schorzeniach związanych z ruchem. W praktyce fizjoterapeutycznej koncepcje biomechaniki, takie jak zasady zakresu ruchu, aktywna i pasywna niewydolność, reguła wklęsło-wypukła, prawo sił, ruchu i maszyn są stosowane w ćwiczeniach terapeutycznych, również trening ergonomiczny i projektowanie nowoczesnych urządzeń ortopedycznych, takich jak zaawansowane pomoce do chodzenia, opierają się na zastosowaniu koncepcji biomechaniki. Dlatego też, biomechanika jest uważana za jedną z podstawowych wiedzy w praktyce fizjoterapeutycznej, aby zapewnić optymalną opiekę dla wielu urazów i schorzeń związanych z ruchem. Stąd, zacznę od wprowadzenia nas w niektóre z tych koncepcji biomechaniki.
How Do We Solve Problems in Biomechanics?
Wiedząc, że zasada biomechaniczna ma swoją główną rolę w praktyce fizjoterapeutycznej, ważne jest dla nas, aby wiedzieć, jak rozwiązujemy problemy w biomechanice. Istnieją dwa sposoby rozwiązywania problemów biomechanicznych, którymi są analiza ilościowa i jakościowa. W analizie ilościowej, musimy zapisać zmienne biomechaniczne pożądanego problemu do rozwiązania i dokonać analizy numerycznej wygenerowanych zmiennych. Knudson i Morrison opisuje jakościową analizę biomechaniki jako wykorzystanie systematycznej obserwacji i introspektywnej oceny jakości ludzkich ruchów w celu zapewnienia najbardziej odpowiedniej interwencji w celu poprawy wydajności”
Podstawowa terminologia biomechaniki
Mechanika jest gałęzią nauki, która zajmuje się siłami i efektami wytwarzanymi przez te siły. Zastosowanie tej nauki do systemu biologicznego jest określane jako biomechanika. Biomechanika człowieka koncentruje się na tym, jak siły działają na układ mięśniowo-szkieletowy i jak tkanka ciała reaguje na te siły. Wykorzystując siły zaangażowane w produkcję ruchu i postawy, biomechanika może być omawiana w kontekście albo zewnętrznej lub wewnętrznej biomechaniki.
- Biomechanika zewnętrzna opisuje siły zewnętrzne na segmencie ciała i ich wpływ na ruch ciała,
- Biomechanika wewnętrzna to siły generowane przez tkanki ciała i ich wpływ na ruch. „Obejmuje to siły mięśniowe oraz siły w kościach i stawach, które wynikają z przenoszenia sił mięśniowych przez szkielet”.
Siły zewnętrzne (Biomechanika zewnętrzna)
Domena mechaniki
Istnieją dwie domeny mechaniki (biomechaniki) mianowicie statyczna i dynamiczna.
- Statyczna jest gałęzią mechaniki, która analizuje ciała w spoczynku lub ruchu jednostajnym
- Dynamika zajmuje się badaniem warunków, w których obiekt porusza się. Koncepcja dynamiki może być dalej omówiona w kinematyce i kinetyce.
- Koncepcja Kinetyka zajmuje się ruchem ciała i siły, które powodują jego ruch.
- Kinematyka opisuje ruch ciała bez względu na siły, które wytwarzają ten ruch. W kinematyce istnieje pięć zmiennych zainteresowania: rodzaj ruchu lub przemieszczenia, lokalizacja, kierunek, wielkość i szybkość ruchu lub przemieszczenia.
Zmienne kinematyki
Typ ruchu
Ruch człowieka jest opisywany jako ruch ogólny, tj. złożone połączenie liniowych i kątowych składowych ruchu. I przez większość czasu, ruch człowieka jest analizowany jako ruch liniowy lub kątowy, ponieważ te dwa rodzaje ruchu są zasadniczo uważane za „czysty” ruch.
- Ruch liniowy jest również znany jako ruch translacyjny lub translacyjny. W ruchu liniowym wszystkie części ciała poruszają się w tym samym kierunku i z tą samą prędkością, a jeśli ruch ten zachodzi wzdłuż linii prostej, określa się go jako liniowy. Ruch prostoliniowy jest wtedy, gdy ruch liniowy występuje w linii prostej, ruch krzywoliniowy jest wtedy, gdy ruch występuje wzdłuż zakrzywionej ścieżki.
- Ruch kątowy jest opisany jako obrót, który występuje wokół centralnej urojonej linii zwanej osią obrotu.
Czysty ruch liniowy u ludzi, jak w chodzeniu, bieganiu i pływaniu rzadko występuje, ponieważ orientacja segmentów ciała do siebie zmienia się nieustannie. W działaniach takich jak łyżwiarstwo i skoki narciarskie mogą być krótkie chwile czystego ruchu liniowego.
W ludzi, ruchy całego ciała są opisywane jako ruch ogólny, jak wyjaśniono w następujących przykładach. Kiedy osoba chodzi, głowy i tułowia ruchy są dość liniowe, ale nogi i ramiona ruchy są liniowe i kątowe jednocześnie, jak ciało osoby przekłada się do przodu. To samo dotyczy jazdy na rowerze, głowa, tułów i ramiona poruszają się dość liniowo, ale nogi poruszają się jednocześnie w ruchu liniowym i kątowym. Ruch ciała wielosegmentowego, takiego jak ciało człowieka, który obejmuje jednoczesny ruch liniowy i kątowy segmentów, jest zwykle określany jako ruch ogólny.
Wielkość ruchu
W przypadku ruchu kątowego, jego wielkość można zmierzyć w radianach lub stopniach za pomocą goniometru. Ruch liniowy segmentu mierzony jest na podstawie odległości liniowej, jaką pokonał obiekt, co można ocenić za pomocą narzędzi do oceny chodu, takich jak 6-minutowy test chodu.
Rędkość ruchu
Szybkość lub prędkość jest używana do pomiaru szybkości ruchu, a zmiana prędkości to przyspieszenie.
Lokalizacja ruchu stawu w przestrzeni
Jednym z powszechnie stosowanych układów odniesienia do lokalizacji ruchu stawu są płaszczyzny i osie anatomiczne. Płaszczyzna ruchu może być opisana jako szczególny wymiar ruchu, który przebiega przez wyimaginowaną płaską powierzchnię ciała, a oś jest wyimaginowaną linią, wokół której obraca się segment ciała. Istnieją trzy płaszczyzny ruchu w ciele, a mianowicie płaszczyzna strzałkowa, czołowa i poprzeczna.
- Płaszczyzna strzałkowa ma swoje osie jako mediolateralne i mediolateralne i jest również znana jako oś poprzeczna
- Płaszczyzny czołowa (koronowa) i poprzeczna mają swoje osie jako odpowiednio przednio-tylne i podłużne.
Kierunek ruchu
Kierunek ruchu można opisać w kategoriach tego, jak ruch odbywa się wzdłuż płaszczyzny i osi. Ruch zmniejszający kąt stawowy w płaszczyźnie strzałkowej nazywany jest zgięciem, a ruch „wydłużający” zwiększa kąt stawowy. Innymi popularnymi kierunkami ruchu w płaszczyźnie strzałkowej są zgięcie grzbietowe i zgięcie grzbietowo-palcowe. Ruch do krańców zakresu ruchu określany jest często jako „hiper”, tak jak w przypadku hiperprostensji, która również występuje w płaszczyźnie strzałkowej. Ruch segmentu z dala od linii środkowej w płaszczyźnie czołowej nazywany jest „abdukcją”, natomiast ruch z powrotem w kierunku linii środkowej nazywany jest „addukcją”. Inne kierunki ruchu, które są powszechne w tej płaszczyźnie to wyprost i odwracanie. Wspólne ruchy wzdłuż płaszczyzny poprzecznej to rotacja wewnętrzna i rotacja zewnętrzna, pronacja i supinacja są również wspólnymi ruchami wzdłuż płaszczyzny poprzecznej. Istnieją również inne terminy kierunkowe, które pomagają opisać pozycję segmentu ciała w stosunku do pozycji anatomicznej. Należą do nich superior i inferior, które opisują pozycję ciała odpowiednio w kierunku głowy i stóp. Również przednie i tylne mogą być używane do opisania obiektów związanych z ciałem jako przedniej lub tylnej orientacji do ciała, odpowiednio. Części lub ruch w kierunku linii środkowej ciała jest nazywany medialnym, podczas gdy ruch lub pozycja w kierunku boków ciała jest lateral.
Łańcuch kinematyczny
Łańcuch kinematyczny jest również określany jako łańcuch kinetyczny w literaturze. W otwartym łańcuchu kinematycznym stopień swobody opisuje liczbę kierunków, w których staw pozwala na ruch segmentu ciała i jest to liczba niezależnych współrzędnych, które są używane do precyzyjnego określenia pozycji obiektu w przestrzeni. Kombinacja stopni swobody tworzy łańcuch kinematyczny, a łańcuch kinematyczny może być otwarty lub zamknięty. jeden staw może poruszać się niezależnie od pozostałych, podczas gdy w zamkniętym łańcuchu kinematycznym jeden koniec łańcucha pozostaje nieruchomy. Levangie i Norkin stwierdzili, że koncepcja otwartej i zamkniętej pozycji parkowej pomaga opisać ruchy, które mają miejsce w warunkach obciążających i nieobciążających i ważne jest, aby zwrócić na nie uwagę, gdy ćwiczenie ma być ukierunkowane na jeden lub wiele stawów.
Porządek naturalnego łańcucha kinetycznego obejmuje w górnej i dolnej kończynie zintegrowane zadanie biomechaniczne, które, gdy jest zaburzone, skutkuje dysfunkcyjnym wyjściem biomechanicznym prowadzącym do bólu i/lub urazu. Na przykład w przypadku barku, gdy deficyty występują w poprzednich ogniwach, mogą one negatywnie wpływać na bark. Dlatego też, podczas leczenia barku, należy dążyć do przywrócenia wszystkich deficytów łańcucha kinetycznego, a sesje terapeutyczne powinny przebiegać zgodnie ze zintegrowanymi ćwiczeniami propriocepcji, elastyczności, siły i wytrzymałości z zachowaniem kolejności łańcucha kinetycznego.
Koncepcja kinetyczna w analizie ruchu
Podczas gdy koncepcja kinematyczna opisuje segment ruchu ciała, koncepcja kinetyczna daje nam wyobrażenie o siłach związanych z tym ruchem. I to doprowadzi nas do kinetycznej koncepcji analizy ruchu, a ja zamierzam zacząć od zdefiniowania, czym jest siła w biomechanice. Siła jest prostym sposobem na przedstawienie obciążenia w biomechanice i może być zdefiniowana jako działanie jednego obiektu na drugi. Siła może być zewnętrzna lub wewnętrzna.
Siły zewnętrzne są albo ciągnąć lub pchać na ciało, które występuje ze źródeł spoza ciała i sił wewnętrznych są te siły, które działają na struktury ciała i są generowane przez tkanki ciała. Siła może zmienić kształt obiektu i może zmienić stan ruchu obiektu. Siła charakteryzuje się również wielkością, kierunkiem i punktem przyłożenia. Wszystkie te czynniki decydują o wpływie siły na obiekt. Istnieje wiele sił, które działają na obiekt i jest możliwe, aby rozwiązać te siły w jedną „wypadkową” siłę, która ma taki sam efekt, jak wszystkie inne siły działające razem. Proces łączenia tych dwóch lub więcej sił w jedną siłę wypadkową jest znany jako układ sił. Po zrozumieniu, czym jest siła, konieczne jest przyjrzenie się niektórym prawom kierującym stosowaniem siły.
Levangie i Norkin, powtórzyli, że istnieją trzy podstawowe zasady działania sił: 1. Siła działająca na odcinek musi pochodzić od czegoś, 2. Wszystko, co styka się z odcinkiem musi wytworzyć siłę na tym odcinku i 3. Grawitacja jest uważana za siłę działającą na wszystkie obiekty.
Prawo ruchu Newtona
Prawo ruchu Newtona opisuje działanie siły i ruchu. Pierwsze prawo ruchu Newtona znane również jako prawo bezwładności (bezwładność jest oporem ciała do zmiany jego stanu ruchu), stwierdza, że obiekt pozostanie w spoczynku lub ruchu jednostajnym, chyba że niezrównoważona siła netto działa na niego. Koncepcja prawa bezwładności Newtona pokazuje, że im większa masa obiektu, tym większa siła potrzebna do jego poruszenia. Na przykład, do poruszania się na wózku inwalidzkim mężczyzny endomorficznego (kogoś z wysokim procentem tkanki tłuszczowej) potrzebna będzie większa siła niż do poruszania się mężczyzny ektomorficznego (szczupłego). Innym obszarem, w którym pierwsze prawo ruchu jest stosowane jest w analizie statycznej. Analiza statyczna jest metodą inżynierską służącą do analizy sił i momentów powstających podczas interakcji obiektów. Koncepcja ta jest stosowana w biomechanice do oszacowania nieznanych sił reakcji mięśni i stawów w układzie mięśniowo-szkieletowym.
Drugie prawo Newtona stwierdza, że siła netto będzie działać na obiekt, aby zmienić jego pęd, powodując przyspieszenie lub opóźnienie obiektu. Trzecie prawo Newtona stwierdza, że dla każdego działania istnieje równa i przeciwna reakcja. Jednym z zastosowań tej koncepcji jest to, że sportowiec będzie w stanie biec szybciej w betonowej powierzchni w porównaniu do powierzchni piaszczystej ze względu na przeciwstawne siły reakcji podłoża, które jest wymagane do napędzania ciała.
Koncepcja kinetyczna w analizie ruchu
Podczas gdy koncepcja kinematyczna opisuje segment ruchu ciała, koncepcja kinetyki daje nam wyobrażenie o siłach związanych z tym ruchem. Omawiając kinetyczną koncepcję analizy ruchu, musimy zdefiniować siłę w biomechanice. Siła jest prostym sposobem na przedstawienie obciążenia w biomechanice i może być zdefiniowana jako działanie jednego obiektu na drugi. Siła może być zewnętrzna lub wewnętrzna.
- Siły zewnętrzne są albo ciągnąć lub pchać na ciało, które występuje ze źródeł spoza ciała
- Siły wewnętrzne są te siły, które działają na struktury ciała i są generowane przez tkanki ciała.
Siła może zmienić kształt obiektu i może zmienić stan ruchu obiektu. Siła charakteryzuje się również wielkością, kierunkiem i punktem przyłożenia. Wszystkie te czynniki decydują o wpływie siły na obiekt. Istnieje wiele sił, które działają na obiekt i jest możliwe, aby rozwiązać te siły w jedną „wypadkową” siłę, która ma taki sam efekt, jak wszystkie inne siły działające razem. Proces łączenia tych dwóch lub więcej sił w jedną siłę wypadkową jest znany jako układ sił. Zrozumiawszy, czym jest siła, należy przyjrzeć się niektórym prawom kierującym stosowaniem sił.
Levangie i Norkin, powtórzyli, że istnieją trzy podstawowe zasady działania sił:
- Siła działająca na odcinek musi pochodzić od czegoś
- Wszystko, co styka się z odcinkiem, musi wytworzyć siłę na tym odcinku
- Uważa się, że grawitacja oddziałuje siłą na wszystkie obiekty.
Zasadą zrozumienia biomechaniki ruchu jest dogłębne zrozumienie siły, praw ruchu Newtona, pracy i energii.
Prawo ruchu Newtona
Prawo ruchu Newtona opisuje efekt siły i ruchu.
Pierwsze prawo ruchu Newtona znane również jako prawo bezwładności (bezwładność jest oporem ciała do zmiany jego stanu ruchu), stwierdza, że obiekt pozostanie w spoczynku lub ruchu jednostajnym, chyba że niezrównoważona siła netto działa na niego. Koncepcja prawa bezwładności Newtona pokazuje, że im większa masa obiektu, tym większa siła potrzebna do jego przemieszczenia. Oznacza to, że zmiana w sile wypadkowej jest wymagana do stworzenia zmiany w ruchu. Przykłady:
- Do poruszania się na wózku inwalidzkim człowieka endomorficznego (kogoś z wysokim procentem tkanki tłuszczowej) potrzebna będzie większa siła niż do poruszania się człowieka ektomorficznego (szczupłego).
- Kiedy gracz w piłkę nożną kopie piłkę nożną, zmienia siłę wypadkową na piłkę, aby ją poruszyć.
- Pasażer w samochodzie porusza się z tą samą prędkością, z jaką porusza się samochód, a kiedy samochód nagle hamuje, pasażer, jeśli nie ma zapiętych pasów bezpieczeństwa, będzie nadal poruszał się do przodu z tą samą prędkością, z jaką poruszał się samochód przed hamowaniem.
- Aby podnieść ciężki przedmiot, osoba podnosząca musi wytworzyć siłę w górę większą od ciężaru przedmiotu, w przeciwnym razie, nie będzie się on poruszał.
Innym obszarem, w którym pierwsze prawo ruchu jest stosowane jest w analizie statycznej. Analiza statyczna jest metodą inżynierską do analizy sił i momentów wytwarzanych podczas interakcji obiektów. Koncepcja ta jest stosowana w biomechanice do szacowania nieznanych sił reakcji mięśni i stawów w układzie mięśniowo-szkieletowym.
Drugie prawo ruchu Newtona odnosi się do impulsu siły. Prawo to stwierdza, że siła netto będzie działać na obiekt, aby zmienić jego pęd, powodując przyspieszenie lub opóźnienie obiektu. Jest ono również nazywane zasadą impuls-momentum i ma szereg zastosowań w sporcie. Wydajność sportowa dotyczy zwiększania i zmniejszania prędkości ruchu ciała ludzkiego lub sprzętu sportowego. Zasada ta prowadzi do poprawy techniki sportowej, jak ilość siły może być stosowana dłużej, na przykład w shot put. Siła kontaktu jest inny rodzaj siły. Występuje ona, gdy dwa obiekty stykają się ze sobą. Siły te między nimi można podzielić na normalne reakcje sił i tarcie. Znajomość sił kontaktowych, na przykład, jest niezbędna w projektowaniu butów sportowych lub treningowych poprzez wprowadzenie siły tarcia w celu poprawy sił reakcji podłoża. Ważnym obszarem biomechaniki jest moment siły lub moment obrotowy, czyli siła działająca na obiekt, która może spowodować jego obrót. Moment siły jest iloczynem siły i odległości, a także odnosi się do siły obrotu segmentu. Znaczenie tej koncepcji polega na tym, że moment siły jest ważny dla efektywnego funkcjonowania mięśnia w utrzymaniu nośności. Na przykład, w kolanie, rzepka tworzy efektywny moment z mięśniem czworogłowym wokół centrum rotacji kolana, tak że rozciągnięcie kolana jest utrzymywane na tyle, aby przenosić ciężar. Po rozważeniu niektórych sił zewnętrznych w izolacji, ważne jest, aby zobaczyć, jak te siły łączą się razem w celu uzyskania określonej funkcji w postaci maszyny. Maszyna przekształca energię z jednej formy w inną, a ta energia jest zdolnością do wykonania pracy. Praca ma miejsce, gdy siła porusza obiekt. W mechanice, maszyny przekształcają energię z jednej formy w inną poprzez wykonywanie pracy, tj. generowanie ruchu. Układ mięśniowo-szkieletowy jest zestawem maszyn prostych, które współpracują ze sobą w celu przenoszenia obciążeń i generowania ruchu. W układzie mięśniowo-szkieletowym człowieka znajdują się tylko trzy maszyny proste: dźwignia, koło i oś oraz koło pasowe. Ta prosta maszyna umożliwia trzy funkcje, w tym wzmocnienie siły i ruchu oraz zmianę kierunku przyłożonej siły. Jednak większość z tych prostych maszyn w układzie mięśniowo-szkieletowym, są przeznaczone do wzmocnienia ruchu, a nie siły. Gdy mięśnie rozwijać napięcie, to ciągnie na kości albo do wsparcia lub przenieść opór obciążenia stosowanego do segmentu ciała. Mięśnie i kość funkcjonują mechanicznie jako dźwignia. Na podstawie rozmieszczenia obciążenia, wysiłku i dźwigni fulcrum można podzielić na pierwszą i trzecią klasę. Wspólna dźwignia anatomiczna w ludzkim ciele jest trzeciej klasy, a powodem jest to, że wstawka mięśniowa jest zwykle blisko stawu działania, a zatem wysiłek jest zwykle między punktem podparcia a oporem, co jest dźwignią trzeciej klasy. Taka konstrukcja pomaga ciału uzyskać ruch i szybkość, a zatem układ mięśniowo-szkieletowy człowieka jest zaprojektowany dla szybkości i zakresu ruchu kosztem siły. W układzie mięśniowo-szkieletowym układy koła i osi zapewniają wzmocnienie zarówno siły, jak i ruchu. Przykładem tego jest rotacja przyśrodkowa i boczna stawu barkowego. Koncepcja ta jest również stosowana w projektowaniu wózków inwalidzkich i ich napędu ręcznego Krążek anatomiczny jest zmodyfikowaną formą koła i osi. Główną funkcją krążka jest przekierowanie siły w celu ułatwienia wykonania zadania.Zadaniem” w ruchu człowieka jest obrót segmentu ciała. Anatomiczne krążki ułatwiają to zadanie, odchylając linię działania mięśnia od osi stawu, zwiększając w ten sposób przewagę mechaniczną siły mięśniowej. Przewaga mechaniczna (MA) jest miarą sprawności mechanicznej dźwigni i jest funkcją skuteczności siły wysiłku w stosunku do siły oporu. Istnieją cztery klasy krążków anatomicznych, od klasy I do klasy IV, które mogą być interesujące dla fizjoterapeutów. Koncepcje kinetyczne i kinematyczne są ważne w zrozumieniu ruchu człowieka i wpływu siły na segmenty ciała podczas ruchu. W projektowaniu urządzeń i sprzętu wspomagającego i adaptacyjnego istnieje potrzeba rozważenia biomechanicznej koncepcji siły, tarcia i maszyn, aby urządzenie wspomagało lub poprawiało ruch człowieka.Siła kontaktu
Moment siły lub moment obrotowy
Prosta maszyna
System dźwigni
Koło &oś
Krążek
Wniosek