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

FA C O LTA’ D I M E D I C I N A E C H I R U R G I A

L A U R E A T R I E N N A L E I N S C I E N Z E M O T O R I E

P i e t r o P i c e r n o , P h D

A A 2 0 1 2 - 2 0 1 3

I ns e gna mento d i

BIOMECCANICA

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 2Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

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

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 3Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Modulo 6

Macchine da muscolazione

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 4Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Macchine sempl ici

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

P = R

bP = bR

potenza (P) resistenza (R)

braccio di P

(bP)braccio di R

(bR)

fulcro (F)

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 5Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Macchine sempl ici

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)

braccio di P

(bP)braccio di R

(bR)

fulcro (F)

P = R

bP > bR

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 6Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Leve

• asta rigida indeformabile

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 7Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Leve

fulcro (F)

• asta rigida indeformabile

• ruota attorno ad un fulcro

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 8Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Leve

potenza (P)

fulcro (F)

• asta rigida indeformabile

• ruota attorno ad un fulcro

• potenza (forza attiva, quella da applicare)

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 9Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Leve

potenza (P) resistenza (R)

fulcro (F)

• asta rigida indeformabile

• ruota attorno ad un fulcro

• potenza (forza attiva, quella da applicare)

• resistenza (forza passiva, quella da vincere)

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 10Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Leve

potenza (P) resistenza (R)

braccio di P

(bP)braccio di R

(bR)

fulcro (F)

• 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)

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 11Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Classif icazione (caso di equi l ibr io)

• 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

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 12Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Classif icazione (caso di equi l ibr io)

leva di 1° genere:

• fulcro tra la potenza e la resistenza

• può essere indifferente, vantaggiosa o svantaggiosa

potenza (P) resistenza (R)

fulcro (F)

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 13Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Classif icazione (caso di equi l ibr io)

leva di 2° genere:

• resistenza tra il fulcro e la potenza

• sempre vantaggiosa

potenza (P)

resistenza (R)

fulcro (F)

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 14Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Classif icazione (caso di equi l ibr io)

leva di 3° genere:

• potenza tra la fulcro e resistenza

• sempre svantaggiosa

potenza (P)

resistenza (R)

fulcro (F)

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 15Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

P = R

bP = bR

Carrucola (o puleggia) f issa

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 16Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Carrucola (o puleggia) f issa

• cambia solo direzione alla forza (bP = bR)

• tiro 10cm, e il carico si solleva di 10cm

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 17Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Carrucola (o puleggia) mobi le

• bP = 2bR

(applico meta della forza per

equilibrare una resistenza)

• P ha verso opposto di R

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 18Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Carrucola composta

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)

• 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

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 19Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

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

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 20Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Paranchi mult ipl i

(fonte: Wikipedia)

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

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 21Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Paranchi mult ipl i

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).

(fonte: Wikipedia)

vantaggio del paranco:

P = R/2•n

dove

n = numero paranchi

semplici

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 22Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Camme

• la forma ellittica permette di avere 3 tipi di

vantaggi (rapporto tra bP e bR):

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 23Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

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)

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 24Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Sistemi per lo svi luppo di forza muscolare

1. macchine a resistenza costante (isoinerziali)

2. macchine a resistenza variabile (camme)

3. macchine a resistenza adattiva (isocinetica)

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 25Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Misure di forze ( isoinerziale)

Cella di carico per la misura della forza di trazione

forza

c

a

v

o

c

a

v

o

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 26Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Misure di forze ( isoinerziale)

Accelerometro sul pacco pesi

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 27Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

• P = forza peso

• T = forza di trazione

• Non è mai vero che P = T a causa di attriti, paranchi e inerzia del carico

(caso dinamico)

P

T

Misure di forze ( isoinerziale)

0

100

200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Fo

rza

[N

]

tempo [s]

Forza pacco pesi

0

20

40

60

80

100

120

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

este

nsio

ne

[°]

tempo [s]

Cinematica del ginocchio

Forza di trazione

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 28Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Stima del la 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!!

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 29Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

Resistenza var iabi le e adatt iva

resistenza variabile

resistenza adattiva

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 30Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

vantaggi:

- tensione muscolare uguale per tutto

l’arco del movimento

Metodo isocinet ico

αIMO

O

F =∑

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

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 31Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

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

- richiede che il paziente sviluppi almeno il 60% della

sua forza massima

*Bosco 2000

Metodo isocinet ico

Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 32Biomeccanica (A A 2012-2013) Picerno

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