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1: Introduzione alla Biomeccanica

Domenico Cherubini PhD

Biomeccanica Applicata allo Sport

L’insieme dei fattori che determinano l’attività motoria, in tutte le sue forme possibili, rispondono a leggi fisiche la cui comprensione risulta determinante per comprendere a pieno il gesto atletico.

CONSIDERAZIONI GENERALI

D. Cherubini PhD. Biomeccanica Applicata allo Sport



La Prestazione Motoria = Fattori

Propulsivi_ Resistenze

Possiamo considerare la prestazione motoria come la sommatoria tra i fattori propulsivi, che generano il movimento, e le resistenze, che si oppongono allo stesso movimento.


Forza esercitata dall’atleta Accelerazione di gravità

Aerodinamica Idrodinamica Meccanica

rotolamentostrisciamentointerne

Fattori Propulsivi Resistenze


LA BIOMECCANICA

Applicazione della Meccanica allostudio di sistemi biologici?

non propriamente!!!


“IL SISTEMA NATURALE OGGETTO DELLA NOSTRA ATTENZIONE E’ IL SISTEMA UOMO, IL FENOMENOE’ L’ATTO MOTORIO. IL NOSTRO OBIETTIVO E’ IL RAZIONALE POSSEDIMENTO DEL FENOMENO …” (A. Cappozzo 1985).

Ciò potrà permettere di ottimizzare una prestazione sportiva.

LA BIOMECCANICA


Il primo connubio tra meccanica e anatomia lo possiamo riscontrare nella Grecia Classica, periodo in cui l’interpretazione del movimento umano eralegato alla filosofia e alla medicina.

Sebbene le prime opere di biomeccanica si hanno nel 1600, l’osservazione e la descrizione del movimento umano, ha origini molto antiche …

Nascita della BiomeccanicaNascita della Biomeccanica


AristoteleAristotele (Stagira, 384 a.C. – 322 a.C.)

Aristotele scrisse “La Fisica”, un’insieme di 8 libri così composti:1 - Sul cielo (quattro libri)2 - Sulla generazione e corruzione (due libri)3 - Sulle meteore (quattro libri)4 - Storia degli animali (un libro)5 - Sulle parti degli animali (un libro)6 - Sulla generazione degli animali (un libro)7 - Sulle migrazioni degli animali (un libro)8 - Sul movimento degli animali (un libro)


La sua metodologia si basava sulla diretta osservazione del mondo reale, rinnegava la medicina sacerdotale e faceva della ragione la sua pratica.

Galeno di Pergamo (129 d.C. – 216 d.C.)

Fu un medico greco antico, i cui punti di vista hanno dominato la medicina europea per più di mille anni.


“ ..sempre il cientro del peso dell’omo, che leva l’un de’ piedi da terra, resta sopra del cientro della pianta del suo piede....“

Royal Library, Windsor Castle

Leonardo Leonardo dada Vinci (1452 Vinci (1452 –– 1519)1519)

“ Guarda la linia perpendicularesotto il cientro della gravitàdell’omo.“

South Kensington Museum, London


Galileo Galileo GalileiGalilei (1564 (1564 –– 1642)1642)

« La filosofia è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io dico l'universo), ma non si può intendere se prima non s'impara a intender la lingua, e conoscer i caratteri, ne' quali è scritto. Egli è scritto in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto. »


Isaac Newton (1643 (1643 –– 1727)1727)


Giovanni Alfonso Borelli (1608 -1680)


Descrisse dal punto di vista meccanico i moti muscolari attivati nel camminare, nel correre, nel sollevare i pesi nonché i moti interni del corpo.

Giovanni Alfonso Borelli (1608 -1680)


Étienne-Jules Marey(1830 –1904)

EadweardEadweard MuybridgeMuybridge(1830(1830--1904)1904)

Gli albori della storia moderna


EadweardEadweard MuybridgeMuybridge(1830(1830--1904)1904)

Il metodo fotografico

Fotografo inglese, fu pioniere della Fotografo inglese, fu pioniere della fotografia in movimentofotografia in movimento


EadweardEadweard Muybridge (1830Muybridge (1830--1904)1904)

THE SCIENCE OF THE HORSE’S

MOTIONS


Muybridge’s set up - Palo Alto (California) - 1878-79


24 cameras were placed in line at a distance apart of 0.53 m wires stretched across the track activated the shutters photographs were taken with an exposure of 1/2000 of a second


Animated sequence of a buffalo galloping. First published in 1887 at Philadelphia (Animal Locomotion).

Animated sequence of a race horse galloping. First published in 1887 at Philadelphia (Animal Locomotion)



Dal movimento animale alla locomozione umana




Non solo camminare…..

University of Pennsylvania, 1884-85


Étienne-Jules Marey(1830(1830--1904)1904)

Il Il MetodoMetodo GraficoGrafico

Fisiologo ed inventore francese studioso dei movimenti, ideò strumenti e tecniche per la loro registrazione

“When a variation occurs which, because of its smallness or its rapidity, we cannot perceive it or when it develops in such a manner that it challenges our patience, when, in any case, for its own nature, the variation escapes our appreciation, then it is needed, if possible, to apply to a recording device …When the eye stops seeing, the ear stops hearing, the sense of touch stops feeling, or when our senses give us erroneous appearances, then these devices are as new senses and have an astonishing precision.”

(Marey, 1878)


Étienne-Jules Marey (1830(1830--1904)1904)



Set-up sperimental per la registrazione delle fasi del cammino (chaussureexploratrice) ed i movimenti verticali del vertice del capo.


Inventa la cronofotografia, cioè la sovrapposizione sulla stessa lastra fotografica di immagini precisamente spaziate nel tempo



Al fine di aumentare il numero di immagini senza che vi sia grave sovrapposizione, introduce, più tardi, la cronofotografia geometrica




“La conoscenza del fenomeno movimento umano rimase ancora in gran parte qualitativa. Le pubblicazioni dello scienziato parigino sono piene di efficaci parole, ma pochissimi sono i numeri. Con Marey siamo dunque ancora in una fase neonatale della Biomeccanica”.

Da: Aurelio cappozzo, Biomeccanica del Movimento. Atleticastudi, 2, 1985, pp. 155-166

Però:


L’Era Moderna

“L’era moderna per questa disciplina incomincia nel 1895, anno in cui i due prussiani Wilhelm Braune e Otto Fischer incominciano a pubblicare i loro lavori sulla locomozione umana”.

“Essi poterono, utilizzando gli strumenti matematici messi a disposizione dalla Meccanica razionale, descrivere quantitativamente e predire molti ed importanti aspetti del fenomeno in esame che non erano e non sono direttamente osservabili”.

“Essi furono i primi ad analizzare il movimento umano nelle tre dimensioni dello spazio utilizzando la stereofotogrammetria. Cosìfacendo ottennero la descrizione numerica delle traiettorie di punti di repere anatomici, nonché le relative velocità ed accelerazioni”.

Da: Aurelio cappozzo, Biomeccanica del Movimento. Atleticastudi, 2, 1985, pp. 155-166


Christian Wilhelm Braüne (1831-1892) and Otto Fischer (1861 - 1917)

La moderna Biomeccanica

“On the centre of gravity of the human body”, 1889


Soggetto equipaggiato con tubi luminosi

Leipzig, night between the 24th and 25th of July, 1891Tubes were lit 26.09 times per second(Braune and Fischer, 1895)




Una lastra fotografica


Valori Stimati

• Velocità ed accelerazione del centro di gravità dei segmenti corporei

• Traiettoria, velocità, accelerazione del centro di gravità dell’intero corpo

• Cinematica articolare

• Forze di reazione vincolare al suolo (singolo appoggio e piano sagittale)

• Carichi Intersegmentali (singolo appoggio e piano sagittale)


(Braune and Fischer, 1895)


Nikolaj Bernstein (1896 – 1966)

E’ il punto di riferimento della biomeccanica mondiale tra il 1927 e il 1936. Migliora alquanto l’uso della tecnica fotografica passando dai 26 fotogrammi al secondo di Braune e Fischer, ai 70-100 fino ai 120-150. Questa aumentata risoluzione temporale gli consentì di osservare dettagli del movimento umano che erano sfuggiti ai suoi predecessori.


Università della california (1945 – 1947)

The 3D position and orientation reconstruction


Negli anni successivi alla seconda guerra mondiale, un forte impulso alla ricerca fu dato dall’Università di California, dove furono finanziati progetti di analisi del movimento umano, per affrontare le problematiche legate ai tanti invalidi e mutilati reduci dalla guerra. Queste ricerche sono tuttoggi un riferimento per moderni studi di analisi del movimento umano.


Test subject with bone pinsand markers attached

Cresta iliaca

Condilo mediale del femoreCondilo laterale prossimale della tibia


The glass walk path



Lower limbrotations



Six component force plate



Estimation of the internal forces (J.P.Paul, 1966)

La storia attuale


La storia attuale

Physiology of walking, G.A. Cavagna (1965)


La storia attuale

Physiology of running, G.A. Cavagna (1965)


Un moderno laboratorio di analisi del movimentoUn moderno laboratorio di analisi del movimento

INERTIAL SENSORS SYSTEM

DYNAMIC ELECTROMYOGRAPHY

SYSTEM

STEREOPHOTOGRAMMETRIC SYSTEM

VIDEO RECORDING SYSTEM

DynamometricPlatforms

Videocamera

Cameras & infra-red Strobes


Tutte le moderne strumentazioni da laboratorio permettono di registrare particolari infinitesimali del fenomeno analizzato; nessuna però da sola è in grado di descriverlo nella sua interezza. Utilizzando tali informazioni sarà possibile però comprendere il fenomeno dell’atto motorio osservandolo attraverso altri occhi, che sono:

LA CINEMATICA

LA DINAMICA

LE LEVE

LA BIOMECCANICA


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