Biomeccanica di base

BIOMECCANICA di BASE

Nozioni di Anatomia Funzionale

Ing. Ilaria BORTONE

Controllo Nervoso e Muscolare

del Movimento L’atto motorio deve essere considerato come l’espressione della interazione di tre sistemi funzionali.

Sistema Percettivo:

dove si verifica la ricezione degli stimoli e delle sensazioni (vie sensitive, afferenti) .

Sistema Elaborativo:

dove i segnali ricevuti sono sottoposti a programmazione (sistema nervoso centrale);

Sistema Effettore:

che si occupa di inviare la risposta esecutiva e di realizzare il movimento (vie motrici, efferenti).

Apprendimento del Movimento

Prima Fase: Il ruolo dell’allenatore è di fondamentale importanza perché deve riuscire a fornire informazioni chiare e precise per fare eseguire dei movimenti facili dopo averli dimostrati.

Seconda fase: Denominata della coordinazione fine, il movimento che precedentemente si riusciva solo ad eseguire, adesso viene automatizzato e ripetuto con disinvoltura anche in presenza di parametri sfavorevoli.

Terza fase: Durante la quale si esprime un elevato tasso tecnico esecutivo anche in presenza di enormi azioni di disturbo ed è il risultato di una razionale programmazione e di un lavoro metodico.

Biomeccanica

STUDIO MECCANICO di STRUTTURE BIOLOGICHE soggette a FORZE

Lo studio completo della meccanica comprende due aree di base:

1. STATICA: lo studio dei corpi a riposo o in equilibrio risultante da forze

che agiscono su di esso. 2. DINAMICA:

Cinematica relazioni che esistono tra spostamenti, velocità ed accelerazioni nei movimenti di traslazione e rotazione

Cinetica corpi in movimento e le forze che intervengono

Concetti di base (1/2) Variabili cinematiche:

Velocità, la variazione di posizione nel tempo

Accelerazione, la variazione di velocità nel tempo

Momento di una forza, rispetto ad un centro O, un vettore, la cui direzione è perpendicolare al piano che contiene la forza ed il braccio b

Leggi della dinamica:

1. Legge di inerzia di Galileo: afferma che un corpo preserva il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme finché non interviene una forza all'esterno a modificarlo.

2. Legge di Newton: esprime quantitativamente e qualitativamente la proporzionalità tra le forze che agiscono su un corpo e l'accelerazione a questi impressa, tramite l'equazione F=m*a, dove m è la massa inerziale del corpo.

3. Principio di Azione e Reazione: ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria.

Concetti di base (2/2)

Un corpo rigido di dimensioni finite è in equilibrio statico, rispetto ad un sistema fisico di riferimento, se sono soddisfatte le seguenti due condizioni:

1) la risultante delle forze esterne che agiscono sul corpo deve essere nulla (equilibrio traslazionale);

2) la risultante dei momenti delle forze esterne (calcolati rispetto ad un polo qualsiasi) deve essere nulla (equilibrio rotazionale);

LEVA DI I GENERE INTERFULCRATA

LEVA DI II GENERE INTERRESISTENTE

LEVA DI III GENERE INTERPOTENTE

Esempi di Leve nel nostro corpo

LEVA DI I GENERE LEVA DI II GENERE LEVA DI III GENERE

resistenza (peso) e potenza (muscolo) si trovano dalla medesima parte rispetto al fulcro, e la potenza ne è più lontana (maggior braccio).

Per bilanciare il peso del capo, applicato nel suo baricentro, ed evitare che la testa ciondoli in avanti, viene esercitata una potenza da parte dei muscoli nucali, che si trovano dall'altro lato rispetto al fulcro.

la potenza (tensione muscolare del bicipite) è molto vicina al fulcro (gomito), mentre la resistenza (peso del braccio, più eventuale peso sostenuto dalla mano) è più distale.

Esempi di Leve nel nostro corpo

Negli spostamenti del corpo umano si combinano più leve (sistemi di leve), dello stesso tipo o di tipo diverso fra loro e talvolta accade che la resistenza in un primo stadio diviene la potenza nello stadio successivo di un dato movimento.

Anatomia Funzionale

I principi biomeccanici sono alla base

della funzione muscolo - scheletrica.

I muscoli producono una forza che agisce attraverso il sistema scheletrico di leve per resistere alla gravità o creare movimento.

L’effetto della contrazione di un muscolo dipende anche da come si inserisce sull’osso. Quando due o più muscoli agiscono su un osso, il risultato dipende dalle forze combinate da ciascun muscolo.

I legamenti, la cartilagine ed altri tessuti molli intervengono nel controllo articolare e sono condizionati dalla posizione e dal movimento del corpo.

Le ossa costituiscono un sistema di leve su cui agiscono muscoli e tendini.

Anatomia Funzionale: Convenzioni

Viene definita una posizione anatomica di riferimento nel modo seguente:

Posizione eretta

Talloni uniti

Braccia distese

Palmi delle mani rivolti in avanti

Rispetto a tale posizione vengono definiti i piani anatomici e gli assi anatomici

Assi e Piani Corporei 1/2

I piani anatomici sono delle linee immaginarie disegnate attraverso il corpo, che permettono di descrivere oggettivamente i movimenti e le posizioni del corpo.

• Piano mediano: è un piano verticale immaginario che passa attraverso il centro del corpo, dividendolo in due metà uguali o antimeri.

• Piano frontale o coronale : è un piano verticale parallelo alla fronte e perpendicolare al piano mediano, dividendo il corpo in parte anteriore e parte posteriore.

• Piano orizzontale o trasversale : è un piano che divide il corpo in due metà superiore e inferiore.

Assi e Piani Corporei 2/2

Gli assi anatomici sono linee immaginarie vengono utilizzate per tracciare l'asse sul quale si svolgono i movimenti di rotazione.

Assi principali:

• Longitudinale (verticale):

è perpendicolare alla base di appoggio,

quando il corpo è in posizione eretta.

• Trasversale (orizzontale):

è diretto da sinistra a destra ed è

perpendicolare all'asse longitudinale.

• Sagittale (antero-posteriore):

è diretto dalla superficie posteriore alla

superficie anteriore del corpo.

Nomenclatura 1/2

Nomenclatura 2/2

Cranico: localizzato sulla testa

Caudale: localizzato sulle natiche

Centrale: si riferisce alla centralità del corpo (es. sistema nervoso centrale indica il cervello e la colonna vertebrale)

Periferico: si riferisce alla superficie del corpo (es. i nervi)

Prossimale: localizzato verso il tronco (verso il cuore)

Distale: localizzato lontano dal tronco (dal cuore)

Dorsale: sulla schiena, indica anche la superficie superiore del piede e della mano

Ventrale: riferito alla parte frontale (addome)

Palmare: localizzato sul palmo della mano

Plantare: localizzato sulla suola del piede

Forza Muscolare 1/3

La forza muscolare è quella capacità motoria

che permette di vincere una resistenza o di opporvisi

tramite lo sviluppo di tensione da parte della muscolatura.

I principali determinanti della forza muscolare sono:

il diametro trasverso dei muscoli

il numero di fibre rapide

la capacità di reclutamento delle unità motorie

la coordinazione muscolare, intesa come la capacità di far lavorare in sinergia i muscoli antagonisti e quelli agonisti al movimento

la lunghezza iniziale del muscolo (lo)

il numero di unità motorie reclutate (si attivano per prime le unità motorie più piccole, vedi figura)

Forza Muscolare 2/3

La tensione passiva è misurata nel

muscolo non stimolato elettricamente,

per diversi valori di l > l0.

La tensione totale è misurata nel

muscolo stimolato in condizione

isometrica. Presenta un massimo per l ≈

l0 nei muscoli a fibre parallele, assente

invece nei muscoli pennati.

La tensione attiva non è misurata

direttamente ma calcolata come

differenza tra le due precedenti. E‘

sviluppata dal muscolo nel processo di

contrazione.

Forza Muscolare 3/3 Forza sviluppata in relazione al

numero di unità motorie contratte Capacità di reclutamento in funzione dell’allenamento

Lavoro di una forza Consideriamo una forza F che, applicata ad un corpo, lo sposti di DS. Il lavoro L compiuto dalla forza è dato da L = F ·DS

Gli Sforzi (1/2)

Un corpo solido può trovarsi in equilibrio statico

pur essendo sottoposto a forze, che tendono a deformarlo.

Il rapporto tra l’intensità della forza F applicata all’area A del corpo sulla quale essa agisce uniformemente è chiamato sforzo, σ=F/A

– di trazione

– di compressione

– di taglio

Deformazioni, come variazioni di lunghezza: Ε=Δl/l0

Deformazioni di scorrimento: Ε=Δx/l0

La deformazione che può subire un corpo

sottoposto a sforzo ha un andamento a tratti:

Gli Sforzi (2/2)

1. Elastico:

Il corpo si deforma sotto l’azione di forze esterne e al cessare di queste torna alla sua forma iniziale

2. Plastico:

Il corpo arriva ad un livello di deformazione dal quale non torna più indietro

3. Fino al Carico di rottura

Caratteristiche del corpo umano che

influenzano la produzione di forza

Caratteristiche migliorabili:

1. Sezione trasversa del muscolo (PCSA)

2. Reclutamento delle fibre

3. Coordinazione intra/inter-muscolari

4. Fattori legati allo stiramento

Caratteristiche immutabili:

1. Tipo di fibre muscolari

2. Angolo di pennazione

3. Punto di inserzione dei tendini

4. Caratteristiche cinematiche delle articolazioni

Caratteristiche immutabili 1a/4

Tipo di fibre muscolari:

Tipo I (rosse o Slow Twich)

Tipo IIa (intermedie)

Tipo IIb (bianche o Fast Twich)

Caratteristiche immutabili 1b/4

Caratteristiche immutabili 2a/4 L'orientamento delle fibre muscolari all'interno del muscolo ne determina la forza e l'ampiezza di contrazione.

Fusiforme Unipennato

Bipennato Multipennato

La disposizione delle fibre è associata alla funzione del muscolo: i muscoli veloci sono solitamente a fasci paralleli, quelli forti pennati.


Angolo di pennazione: si definisce l'angolo compreso tra la fibra muscolare e la linea d'azione del muscolo (asse di generazione della forza) e determina:

A. le fibre parallele trasmettono tutta la loro capacità contrattile al tendine; quelle pennate invece ne trasmettono solo una parte.

Un angolo di 30° trasmette al tendine circa il 90% della tensione esercitata dalle fibre.

B. anche se ho una perdita del potere contrattile delle fibre, la pennazione permette di compattare un gran numero di fibre in un’area trasversale minore.

Caratteristiche immutabili 2c/4

Effetti dell’angolo di pennazione:

Caratteristiche immutabili 3/4 Punto di inserzione dei tendini In relazione al movimento che esegue, si parla di origine di un muscolo per indicare l'estremità tendinea più vicina al tronco o all'osso più stabile; l'inserzione rappresenta invece il punto d'impianto più distale o più mobile. In base al numero di punti, i muscoli vengono classificati in:

muscoli monocaudati: sono quelli che hanno un solo punto di inserzione.

muscoli bicaudati: sono quelli che hanno due punti di inserzione. muscoli tricaudati: sono quelli che hanno tre punti di inserzione. muscoli pluricaudati: sono quelli che hanno più punti di inserzione.

Caratteristiche immutabili 4a/4

Caratteristiche cinematiche delle articolazioni

1. la posizione del centro di istantanea rotazione (CIR) varia al variare dell’angolo articolare e quindi varia il braccio di leva corrispondente al momento articolare prodotto da un determinato muscolo

Posizione

del CIR

α

(gradi)

b

(cm)

1

180

2,5

2

165

3,4

3

150

3,9

4

135

4,1

5

120

4,0

6

105

3,6

7

90

2,5

b = braccio di leva,

è la distanza tra il CIR e la linea d’azione della forza prodotta da un determinato muscolo

b


2. Il braccio di leva cambia al variare dell’angolo articolare

3. L’angolo articolare influenza la lunghezza del sarcomero e quindi il numero di ponti acto-miosinici in presa

Caratteristiche migliorabili (attraverso l’allenamento) 1a/4

Sezione trasversa del muscolo (PCSA) la somma delle aree traverse delle singole fibre muscolari, misurate perpendicolarmente alla loro direzione longitudinale.

La PCSA è un parametro che evidenzia

l'importanza funzionale dell'architettura muscolare.

La forza sviluppata da ogni tipo di muscolo è direttamente proporzionale a:

numero delle fibre muscolari disposte in parallelo (numero dei sarcomeri

disposti in parallelo);

PCSA, ossia alla somma della sezione traversa delle varie fibre muscolari.

Caratteristiche migliorabili (attraverso l’allenamento) 1b/4

Sezione trasversa del muscolo – PCSA -

Caratteristiche migliorabili

(attraverso l’allenamento) 1c/4

Ipertrofia aumento di volume del muscolo per aumento di volume degli elementi che lo compongono (fibre, miofibrille, tessuto connettivo, sarcomeri, proteine contrattili, …) quale risultato di:

aumento delle miofibrille

(sia di volume sia di numero)

sviluppo degli involucri muscolari

(tessuto connettivo)

aumento della vascolarizzazione

aumento del numero di fibre (iperplasia)


(attraverso l’allenamento) 2a/4 Reclutamento delle fibre muscolari

a) Reclutamento e frequenza

la graduazione della forza sviluppata dipende dalla possibilità di variare la frequenza di stimolazione delle unità neuromotorie e dalla possibilità di variare il numero delle unità neuromotorie stimolate. Il meccanismo che regola il numero di unità motorie da reclutare per sviluppare tensioni diverse viene definito reclutamento.

b) Sincronizzazione

la capacità di reclutare tutte le fibre nello stesso istante, pertanto la sincronizzazione ci porta ad un ulteriore miglioramento della forza e soprattutto al miglioramento della forza esplosiva.


Reclutamento delle fibre muscolari c) Efficienza neuromuscolare

l’incremento di forza che un muscolo ottiene dopo un periodo di allenamento, è dovuto a adattamenti e modificazioni sia della parte miogena sia della parte neurale.

Questi miglioramenti portano ad un diverso rapporto tra forza sviluppata ed attività elettrica prodotta dal sistema nervoso centrale (EMG/Forza).

Una decremento di questo rapporto dovuta ad un riduzione dell’attività elettrica ed un aumento della forza evidenzia un fenomeno definito da Bosco efficienza neuromuscolare.


(attraverso l’allenamento) 2c/4

Rappresentazione dei relativi

ruoli di adattamento neurale e

morfologico all’allenamento di

forza massimale.

Nella prima fase di allenamento si

nota una fase predominante di

adattamento neurale.

Questa fase è stata studiata nella

maggior parte delle ricerche

pubblicate nella letteratura

internazionale.

Caratteristiche migliorabili (attraverso l’allenamento) 3/4

Coordinazione intra ed intermuscolare

Molti studi dimostrano che il miglioramento della forza è specifico, cioè un progresso ottenuto in un determinato esercizio, ad esempio lo squat, non è sempre accompagnato da un miglioramento della forza in un altro esercizio.

Ciò significa che incrementi di forza in parte sono dovuti alla coordinazione di quei muscoli che intervengono e che sono specifici per quel determinato esercizio.

Si presenta la necessità di inserire esercizi di forza speciale e specifica per ogni determinata disciplina sportiva.

Caratteristiche migliorabili (attraverso l’allenamento) 4a/4

Fattori legati allo stiramento Un muscolo preventivamente allungato esprime nel successivo accorciamento una forza maggiore rispetto ad una semplice contrazione eccentrica.

Le cause di questo fenomeno sono:

a. Sollecitazione del sistema nervoso

b. Proprietà visco-elastiche del muscolo e dei tendini


Fuso neuromuscolare

Meccanismo eccitatorio

Apparato muscolo-tendineo del Golgi

Meccanismo inibitorio

Sollecitazione del sistema nervoso

Caratteristiche migliorabili (attraverso l’allenamento) 4c/4

Proprietà visco-elastiche del muscolo e dei tendini Modello meccanico del muscolo

scheletrico. Componente contrattile costituita da actina e miosina (elemento contrattile). Elementi elastici in serie con funzione attiva (ponti actomiosinici = elemento elastico 1) e passiva (tendini e tessuto connettivo = elemento elastico 2). Elementi elastici in parallelo (tessuto connettivo e sarcolemma = elemento elastico 3)

Caratteristiche biologiche che

influenzano la produzione di forza

Parametro Proprietà influenzata

Tipo di fibre muscolari Velocità e resistenza

Angolo di pennazione Forza esercitabile dal muscolo

Proprietà cinematiche delle articolazioni

Momento articolare

Sezione trasversa del muscolo Forza e velocità

Reclutamento fibre Forza e velocità

Coordinazione intermuscolare Forza specifica

Proprietà viscoelastiche del muscolo Forza e velocità

Riassunto

Biomeccanica di base

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