Corso di

Biomeccanica AA 2010-2011

Luigi Fattorini

luigi.fattorini@uniroma1.it

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

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.

B. nelle scienze motorie

• 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

KINESIOLOGIA

• 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.

APPLICAZIONI

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

• 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

B. per le scienze motorie

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

•- circolazione

• - Movimento di gas, liquidi e solidi negli organi

• CARDIACO

• LISCIO

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

• Rapidi

• Resistenti

• General Purpose

Il rapporto tra f.m. lente, intermedie, veloci è legato alla funzione.

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-MUSCOLO-

TENDINEO • 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

k

c

m X

f(t)

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

L’eccezionale mobilità dell’apparato muscolo scheletrico umano si ottiene dunque a scapito di un grande dispendio energetico

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.

A causa della sua configurazione

anatomica, ciascun muscolo esercita una

forza in una direzione predeterminata

dalla sua configurazione anatomica.

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

Due pesi uguali posti a distanza uguale dal fulcro della leva

risultano in equilibrio

distanza1 distanza2

peso1 peso2

Peso1 = Peso2 ….Distanza1 = Distanza2

peso1 * distanza1 = peso2 * distanza2

Potenza * braccio potenza = Resistenza * braccio resistenza

Potenza / resistenza = braccio resistenza/ braccio potenza

P R

bP bR

Formula generale per calcolo

nelle leve

GENERI DI LEVE

I° TIPO

II° TIPO

III° TIPO

F

R

F

R

F

R

I° GENERE

F

R

II° GENERE

F

R

III° GENERE

F

R

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

RESISTENZA:

Tessuti magri sono a bassa resistenza in quanto ricchi di acqua ed elettroliti.

Tessuto adiposo è un cattivo conduttore e quindi ad alta resistenza in quanto povero di acqua ed elettroliti.

Si basa sul principio della diversa

conduzione dei tessuti al passaggio di

una debolissima ed inavvertita corrente

elettrica alternata (800 microA a 50 Khz),

in relazione al loro contenuto di acqua ed

elettroliti (sali minerali).

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

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

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.