Lez 3

Corso di BiodesignAA 2010/2011 - Facoltà del Design - Politecnico di Milano

3° anno – Disegno Industriale

Biomeccanica e BiomimeticaDocente: G. Andreoni - Politecnico di Milano

-CONCETTI E DEFINIZIONIBiomeccanica:

dal greco “Bios”, vita + Meccanica

ovvero, etimologicamente, l’applicazione delle leggi della meccanica allo studio ed alla descrizione degli organismi viventi.

Introduzione

Cesare AlippiGiuseppe Andreoni

3 ambiti/discipline/settori

Statica Cinematica Dinamica

Primo principio della dinamica (Detto anche principio di inerzia):

Leggi della Meccanica Classica (Isaac Newton, 1687)

Introduzione: Meccanica


Primo principio della dinamica (Detto anche principio di inerzia):"In un sistema inerziale, un corpo libero, cioè non sottoposto ad alcunaforza, mantiene il suo stato di moto rettilineo uniforme o di quiete finchènon interviene una forza esterna a variare tale moto".


Secondo Principio della Dinamica:



Secondo Principio della Dinamica:"L'accelerazione di un corpo è direttamente proporzionale alla forza daesso subita". La costante di proporzionalità tra la forza e l'accelerazioneè proprio la massa inerziale del corpo.

F = m*a


Terzo principio della dinamica (principio di azione e reazione):



Terzo principio della dinamica (principio di azione e reazione):“ad ogni azione corrisponde una reazione, uguale e contraria, agentesulla stessa retta di applicazione”

-CONCETTI E DEFINIZIONIBiomeccanica: applicazione delle leggi della meccanica allo studio ed alla descrizione degli organismi viventi.

Statica Cinematica Dinamica

Introduzione


Postura : allineamento quasi-statico di distretti corporei nello spazio

Movimento : analisi della mobilità e della funzione indipendentemente dalle cause generatrici (forze)

Carichi : analisi dei carichi e degli sforzi agenti sull’organismo e delle implicazioni sulla funzione

-CONCETTI E DEFINIZIONIBiomeccanica: applicazione delle leggi della meccanica allo studio ed alla descrizione degli organismi viventi.

Neurologico : Anatomico:

Introduzione


Neurologico : lesioni e strategie motorie

Funzione:analisi e valutazione

FES – Ausili – ortesi e protesi

Anatomico: lesioni e patologie

8

Introduzione

Tecnologie -> Dati -> Modelli -> Interpretazione -> Clinica


GAMBA

PIEDE

ASTRAGALO

Il LyPhE

Laboratory of Physical ErgonomicsAnalisi quantitativa del movimento con sistemi optoelettronici di motion capture.L’analisi è realizzata su un set di variabili cinematiche ovvero parametri del movimento umano (angoli, traiettorie, velocità) calcolate mediante opportuni modelli biomeccanici .


MODELLO CINEMATICO DEL CORPO UMANO:

18 segmenti rigidi, 17 articolazioni41 GdL

L’uomo, oggetto di studio

MOBILITA’ REALE

206 ossa, 244 GdL238 Ridondanti

REALTA’ ANATOMICA


Organizzazione del Movimento e della Postura

Centri Superiori Centri Spinali Sistema Muscolare Sistema Meccanico Postura e Movimento

Sistema Sensoriale

L’uomo, oggetto di studio


Organi Tendinei

Fusi Muscolari

Le ossa sono collegate tra loro mediante articolazioni e legamenti connettivali, che ne consentono movimenti reciproci e conferiscono al corpo una notevole flessibilità e mobilità. Il movimento viene attuato dai muscoli che contraendosi, esercitano un’azione di avvicinamento tra due pezzi scheletrici collegati. Il SNC genera e controlla il movimento tramite sensori distribuiti.

Leve e asteCerniere e giunzioniMotoriFuni e caviVincoli

Il corpo umano12

OssaArticolazioni

MuscoliTendini

Legamenti

Analogie anatomo-meccaniche


VincoliSensoriProgrammatore/controlloreSistema di trasmissione delle informazioni

LegamentiFusi musc. e Organi tendinei

Cervello e midollo spinaleNervi

Il Sistema Motorio

Cenni di Anatomia e Fisiologia

Il corpo umano


La struttura di sostegno

Lo scheletroLo scheletro umano costituisce la struttura portante del corpo, ed è formata dall'insieme delle ossa, variamente unite tra di loro da formazioni più o meno mobili che prendono il nome di articolazioni.Lo scheletro ha le funzioni di- sostegno:

Il corpo umano: il sistema scheletrico


- sostegno:- consente il movimento del corpo tramite le contrazioni muscolari- protezione degli organi vitali e delle altre parti molli- produce le cellule del sangue (emopoiesi)- è un'importante riserva di sostanze minerali di vario genere.Lo scheletro del soggetto adulto è formato da 206/214 ossa circa (si può avere una vertebra in più e molte ossa del piede sono in numero variabile, inoltre durante lo sviluppo le ossa cambiano di numero, evolvendosi e diminuendo dopo i 45 anni.

Lo scheletro è formato da due segmenti:- lo scheletro assile: cranio, vertebre, gabbia toracica, sterno;- lo scheletro appendicolare: arti superiori e inferiori;


La struttura di sostegno

Lo scheletro


Le connessioni tra scheletro assile e appendicolare prendono il nome di "cinture":cintura scapolare: formata da clavicola e scapola;cintura pelvica: formata dall'osso dell'anca e dall'osso sacro.

Un osso è costituito da una superficie esterna compatta, molto dura e resistente, e da un interno che è spugnoso contenente tessuto molle detto midollo.La parte superficiale dura è formata da un materiale composito di cristalli di idrossiapatite (un minerale di calcio) annegati in una matrice di cartilagine: questa parte non è un insieme omogeneo e


Il componente

Le ossa


matrice di cartilagine: questa parte non è un insieme omogeneo e compatto, ma è organizzata in una serie di tubuli e lamine di materiale osseo (osteoni) che contengono internamente cellule e linfa.Nonostante siano in parte costituite da minerali, le ossa sono organi a tutti gli effetti: la loro parte minerale viene costantemente rinnovata da due tipi di cellule al loro interno, gli osteoclasti che distruggono l'idrossiapatite e gli osteoblasti che invece generano nuovi cristalli per rimpiazzare i vecchi (processo di rimaneggiamento osseo).Nel midollo delle ossa trovano inoltre posto le cellule staminali del sangue, necessarie per l'emopoiesi, ossia la creazione di nuovi globuli rossi e globuli bianchi.

EpifisiEpifisiProssimaleProssimale

MetafisiMetafisi

Cartilagine Cartilagine articolarearticolareLinea Linea epifisealeepifiseale

Osso Osso spugnosospugnosoOsso Osso compattocompatto

Osso spugnosoOsso spugnoso

Osso compattoOsso compatto

Cartilagine articolareCartilagine articolareIalinaIalina

EndostioEndostio



DiafisiDiafisi

Epifisi Epifisi distaledistale

Canale Canale midollare midollare (midollo (midollo giallo)giallo)

Midollo gialloMidollo giallo

Osso Osso compattocompatto

PeriostioPeriostio

Fibre di Fibre di SharpeySharpey

ArterieArterie


Il componente

Le ossa



Il componente

Le ossaEsternamente, le ossa hanno una superficie liscia e sono ricoperte da una membrana, il periostio: nei punti in cui questa si articola con altre ossa il periostio scompare lasciando il posto a uno strato di cartilagine protettiva e altre strutture (capsula sinoviale, dischi


strutture (capsula sinoviale, dischi intervertebrali ecc.). Il periostio si interrompe anche nei punti di inserzione della muscolatura, in cui la superficie dell'osso si fa ruvida e irregolare per favorire l'adesione delle fibre dei tendini

In base alla loro morfologia, possono essere distinte in cinque tipi principali:- ossa lunghe (femore, omero), composte da un corpo o diafisi e due estremità dette epifisi. All’interno della diafisi, vi è una cavità detta cavità diafisaria occupata interamente da midollo osseo o tessuto emopoietico. Le pareti della cavità sono costituite da tessuto osseo compatto. Le epifisi sono costituite da tessuto osseo spugnoso, reso più resistente da trabecole ossee.


Il componente

Le ossa


- ossa corte (carpali del polso, vertebre), forma più o meno cuboide, costituite da tessuto osseo spugnoso circondato da uno strato sottile di tessuto osseo compatto; non contengono perciò midollo osseo- ossa piatte (scapola), costituite da uno strato di tessuto spugnoso frapposto tra 2 lamine di tessuto compatto- ossa irregolari , di forma irregolare (sfenoide ed etmoide del cranio)- ossa sesamoidi , nei tendini, favoriscono meccanica del movimento (rotula).

Osso Osso Compatto Compatto TrabecolareTrabecolare o Lamellareo Lamellare

� Porzione esterna delle ossa lunghe

� Osso solido, privo di spazi tranne quelli per le cellule, ed i loro processi, ed i vasi sanguigni


Il componente

Le ossa


� Braccia e gambe

Osso Spugnoso o Osso Spugnoso o TrabecolareTrabecolare� Solitamente parte più interna delle ossa.� Molti spazi tra le specole (o trabecole)

dell'osso.� Midollo all'interno degli spazi.

•• RossoRosso, ematopoietico•• GialloGiallo, grasso

� Colonna vertebrale, costole, mascella, polso.

LacunaOsteociti

Canale di HaversCanale centrale per vasi

sanguigni, etc

CanalicoliProcessi degli Osteociti


Il componente

Le ossa


Processi degli Osteociti

LamelleCerchi concentrici originati

dalla deposizione apposizionale dell’osso.

Morfologia dell’osso compatto


Il componente

Le ossa


Trabecole

Midollo

Morfologia dell’osso spugnoso

Osso compattovs.spugnoso

l’osso spugnoso èpresente dove le forze vengono applicate da varie direzioni


Il componente

Le ossa


l’osso compatto è molto resistente alla

compressione in senso longitudinale…

…ma una pressione laterale può provocare fratture

osso spugnoso

L’osso spugnoso è costituito da sottili trabecole o spicole disposte in modo apparentemente disordinato, che delimitano cavità


Il componente

Le ossa


Ossocompatto

che delimitano cavità intercomunicanti;

tali spazi sono riempiti dal midollo emopoietico;

le trabecole sono costituite da lamelle ossee non organizzate in osteoni ben definiti


I giunti

Le articolazioni

Le articolazioni hanno la funzione di unire le terminazioni ossee tra di loro garantendo uno o più gradi di libertà.

Le articolazioni costituiscono il sistema di connessione tra due o più segmenti ossei.


garantendo uno o più gradi di libertà.Tale funzione deve garantire anche che lo scheletro possa espletare la sua funzione di sostegno e protezione.Le articolazioni hanno anche il compito di parte passiva nella mobilità dell'organismo.

28

In base al grado di mobilità che permettono le superfici di contatto, le articolazioni vengono classificate come :-DIARTROSI, articolazioni mobili, possono avere diversa forma ed effettuare diversi movimenti:- ANFIARTROSI, articolazioni semimobili, sono generalmente costituite da superfici ossee pianeggianti o quasi, con l'interposizione di un disco

I giunti

Le articolazioni



superfici ossee pianeggianti o quasi, con l'interposizione di un disco cartilagineo (es.: tra le vertebre). Consentono piccoli movimenti in tutti i sensi.- SINARTROSI, immobili, non hanno una vera e propria meccanica articolare. A seconda se tra le due ossa è interposto tessuto cartilagineo oppure tessuto connettivale semplice si dividono in sicondrosi e in suture (es.: tra le ossa del cranio).

Il corpo umano: il sistema scheletrico29

LE ARTICOLAZIONI DEL CORPO UMANO sono:Articolazioni del busto:- articolazioni del capo (occipito-atlantoidea ed atlanto-epistrofea);- articolazioni della colonna vertebrale (intervertebrali);- articolazioni vertebro-costali;- articolazioni costo-sternali.

I giunti

Le articolazioni


- articolazioni costo-sternali.Articolazioni degli arti superiori:- complesso articolare della spalla (sterno-clavicolare, acromio-clavicolare e scapolo-omerale);- articolazione del gomito (omero-radio-ulnare superiore);- articolazione del polso (radio-carpica e radio-ulnare inferiore);- articolazioni della mano.Articolazioni degli arti inferiori:- articolazione dell'anca (coxo-femorale);- articolazione del ginocchio (femoro-rotuleo-tibiale);- articolazione della caviglia (tibio-tarsica e peroneo-tibiale inferiore);- articolazioni del piede.

Sinartrosi SinostosiSinostosi

Movimento nullo, tessuto che unisce l’articolazione è osso


I giunti

Le articolazioni


Movimento nullo, tessuto che unisce l’articolazione è osso (cranio dell’adulto).

SincondrosiSincondrosiMovimento scarso, tessuto è cartilagine (prime costole dello

sterno).SindesmosiSindesmosi

Movimento limitato, tessuto è connettivo denso (sinfisi pubica).

DiartrosiMaggior parte delle articolazioni.

Capi articolari sempre ricoperti da Cartilagine IalinaCartilagine Ialina.


I giunti

Le articolazioni


Cartilagine IalinaCartilagine Ialina.

Capsula articolare:Capsula articolare:Strato fibrosoStrato fibroso, esterno di

connettivo denso, continuo con periostio.

Strato sinovialeStrato sinoviale, cellulare interno, ricopre le superfici non cartilaginee. Detto anche membrana sinoviale.

Il corpo umano: il sistema scheletrico32

- Trocleo-artrosi , una gola concava (troclea) entro la quale si inserisce un una faccia convessa a forma di rocchetto (es.: tra la troclea omerale e l'ulna). Consente movimenti di flessione ed estensione.- Trocoide , un cilindro osseo avvolto da un anello fibroso che scorre su una superficie leggermente cava (es.: tra il capitello del radio e l'ulna; tra l'atlante l'epistrofeo). Consente movimenti di pronazione e di supinazione.- A sella , due superfici aventi ognuna due curvature, una concava e l'altra convessa (es.: tra il carpo ed metacarpo

Classificazione delleArticolazioni Diartrosi

I giunti

Le articolazioni


concava e l'altra convessa (es.: tra il carpo ed metacarpo del pollice; tra lo sterno e la clavicola). Consente movimenti di flessione, estensione, abduzione e adduzione.- Condilo-artrosi , una sporgenza convessa allargata (ovoidale) entro una superficie concava anch'essa allargata (es.: tra il radio e il carpo; tra il metacarpo e le falangi; l'articolazione del ginocchio). Consente movimenti di flessione, estensione, abduzione e adduzione.- Enartrosi , superficie sferica (testa) entro una cavità (es.: l'articolazione dell'anca; tra la scapola e l'omero). Consente movimenti di flessione, estensione, abduzione, adduzione, rotazione esterna e rotazione interna.

33Il corpo umano: il sistema scheletrico

I giunti

Le articolazioni



I giunti

Le articolazioni


Principali tipi di diartrosi :1 artrodia;2 enartrosi;3 condilartrosi;4 articolazione a sella;5 ginglimo laterale o trocoide;6 ginglimo angolare o troclea

I dischi intervertebrali sono paragonabili acuscinetti incompressibili che impedisconol'urto tra i corpi vertebrali adiacenti. Essisono costituiti da un anello fibroso, l'anulus(A), che racchiude il nucleo polposo (N) edè compreso tra due piastre cartilagineeintimamente addossate rispettivamente al


I giunti

Le articolazioni

Anfiartrosi


intimamente addossate rispettivamente alcorpo vertebrale soprastante e sottostante.

L'anulus è costituito da una serie di laminecircolari concentriche costituite da collageneopportunamente orientate. Il nucleo polposoè composto da cartilagine fibrosa molle, èricco d’acqua nella quale è disperso delcollagene sotto forma di fibrille fini nonorientate.

Il nucleo polposo è chiuso in uno spazio a perfetta tenuta e si comporta come una sfera liquida. Si può pertanto approssimativamente considerare che il nucleo si comporti come una biglia interposta tra due piani.Questo tipo di articolazione consente tre tipi di movimento:


I giunti

Le articolazioni

Anfiartrosi


movimento:inclinazione:

sul piano sagittale: quando si effettua una flessione o una estensione,

sul piano frontale: flessione laterale,rotazione di uno dei piatti vertebrali rispetto all'altrotaglio di un piatto sull'altro, con l'intermezzo della sfera.

Sommando il movimento di numerose articolazioni di questo tipo si possono ottenere movimenti di grande ampiezza.


I giunti

Le articolazioni

In genere le superfici articolari concordano e combaciano in tutta la loro estensione.Quando esse sono disarmoniche, le cartilagini


disarmoniche, le cartilagini articolari non vengono in contatto in tutti i loro punti.

I menischi sono formazioni fibrocartilaginee che costituiscono spessori interposti tra le superfici articolari. Essi permettono il reciproco scarico gravitazionale dei capi articolari; ottenendo cosí una piú vantaggiosa distribuzione delle sollecitazioni meccaniche con una minore usura.

Il sistema muscolare è l'insieme di tessuti che permette la locomozione del soggetto e lo scorrimento di sostanze organiche (sangue e cibo).Si distinguono due tipologie di muscoli:muscoli volontari , che permettono il movimento del soggetto detti anche muscoli scheletrici.muscoli involontari

Il corpo umano: il sistema muscolare

Il sistema motore

L’apparato muscolare


muscoli involontari , che vengono detti anche muscoli viscerali perché si trovano a ricoprire gran parte delle pareti degli organi interni, come nel tratto digestivo, nella vescica, nei dotti, nelle arterie. Fa eccezione il muscolo cardiaco , di natura involontaria ma di struttura striata.

Dal punto di vista della funzione motoria è possibile distinguere muscoli deputati alla statica, in particolare i muscoli della parte posteriore del corpo, e deputati alla dinamica, rappresentati grossomodo dai muscoli della parte anteriore.

Il Muscolo è l’elemento base.Ciascun muscolo è formato da fasci di cellule di forma allungata (fibre muscolari), innervati dal sistema nervoso

Il corpo umano: il sistema muscolare

Il sistema motore

Il Muscolo


innervati dal sistema nervoso somatico o dal sistema nervoso autonomo. Il primo è responsabile di contrazioni di tipo volontario, mentre il secondo di contrazioni involontarie. Per tale motivo, i muscoli vengono distinti in volontari, o scheletrici, e involontari.

40Il corpo umano: il sistema muscolare

Il sistema motore

Il Muscolo


La contrazione di un muscolo scheletrico ha inizio quando il segnale elettrico, proveniente dai motoneuroni del sistema nervoso centrale arriva ai bottoni sinaptici liberando l’acetilcolina che agisce sui recettori presenti nella placca neuro muscolare determinando il potenziale d’azione. Il potenziale d'azione si propaga lungo il sarcolemma (ovvero la membrana cellulare del muscolo scheletrico) e attiva dei fenomeni elettrochimici che alla fine producono l’effetto

41Il corpo umano: il sistema muscolare

Il sistema motore

Il Muscolo


scheletrico) e attiva dei fenomeni elettrochimici che alla fine producono l’effetto seguente: con una reazione di fosforilazione, l’ATP diventa ADP liberando un gruppo fosfato che si lega alla testa di miosina, la quale sfrutta tale energia per saltare dal suo loco, e andare ad occupare il sito di attacco nel filamento sottile, lasciato libero dalla tropomiosina. Durante lo scorrimento le teste di miosina si legano a quelle di actina con una precisa angolazione di 45°.Possiamo suddividere la contrazione e il rilassamento muscolare in tre fasi principali, ovvero la contrazione, il rilassamento ed infine la fase latente, fase che segue lo stimolo, ma nella quale non c’è risposta.Il tono muscolare non è dato da una gradualità di funzionamento, ma dal numero di fibre muscolari che entrano in azione.

42Il corpo umano: il sistema locomotore

Il sistema locomotore

Il corpo come sistema di leveUna leva è una macchina semplice, un dispositivo costruito dall'uomo per vincere mediante una forza, detta motrice, un'altra forza detta resistente.

Le leve obbediscono ad un principio


Le leve obbediscono ad un principio fisico semplice: il sistema è in equilibrio se la risultante dei momenti delle due forze è nulla.

M OMENTO = F ORZA x b raccio

Se la risultante dei momenti deve essere nulla (affinché il sistema si trovi in equilibrio) allora:

M FORZA IN ENTRATA = M FORZA IN USCITA

F x b = F' x b'

Leva di prima specie:il fulcro si trova tra la forza motrice e la forza resistente.A sua volta la leva di primo tipo può essere vantaggiosa se la forza motrice è più distante dal fulcro della forza resistente oppure, nel caso contrario, svantaggiosa.



Leva di seconda specie:il fulcro si trova dalla stessa parte della forza motrice e della forza resistente, allo stesso tempo occorre che la forza motrice sia più distante dal fulcro rispetto alla resistente. Si deduce quindi che le leve di secondo tipo sono sempre vantaggiose.


Vantaggio statico e Vantaggio dinamico.Si ha un vantaggio statico, quando impiegando una minore forza motrice si può vincere una maggiore forza resistente (leva vantaggiosa), in questo caso però la


vantaggiosa), in questo caso però la velocità e l'ampiezza del movimento sono piccole, si ha quindi uno svantaggio dinamico. Automaticamente uno svantaggio statico (leva svantaggiosa) permette una maggiore velocità e ampiezza di movimento, cioè un vantaggio dinamico.

Leva di terza specie (tipo):il fulcro si trova dalla stessa parte della forza motrice e della forza resistente, e allo stesso tempo occorre che la forza motrice sia più vicina al fulcro rispetto alla resistente. Si deduce quindi che le leve di terzo tipo sono sempre svantaggiose.



Essendo più corto il braccio di leva, la forza sviluppata dal muscolo bicipite deve essere di gran lunga superiore rispetto alla forza peso della palla che si tiene sulla mano. Questo tipo di leva, permette però una grande ampiezza e rapidità di movimento.

Il sistema di Comando

Il Sistema Nervoso

Il corpo umano: il sistema nervoso


Sistema visivo, uditivo,vestibolare, tattile, ...

Applicazioni: ortesi e SEF



Centrisuperiori

Centrispinali

Attuatorimuscolari

Sistemascheletrico

Movimenti

Fusimuscolari

Organi delGolgi

Forzeesterne

Internal cableThumb switch

connector

4 ch stimulator

Spiral cablethigh cuff

Electrodes cable

Applicazioni: ortesi e SEF



electrodes

Spiral cable

Convenzioni e Terminologie del Movimento

Il corpo umano: il movimento


Movimenti nel piano sagittale



Movimenti nel piano frontale



Movimenti nel piano coronale



Movimenti di prono - supinazione



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La natura sorgente di idee

Biomimetica

Il concetto

Biomimicry (from bios, meaning life,and mimesis, meaning to imitate) is anew discipline that studies nature’sbest ideas and then imitates thesedesigns and processes to solve human


designs and processes to solve humanproblems. …I think of it as “innovation inspired bynature”.

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Life has been performing design experiments on Earth’s R&D lab for 3.8 billion years. What’s flourishing on the planet today are the

Biomimetica

Il concetto



What’s flourishing on the planet today are the best ideas---those that perform well in context, while economizing on energy and materials. Whatever your company’s design challenge, the odds are high that one or more of the world’s 30 million creatures has not only faced the same challenge, but has evolved effective strategies to solve it.

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Processo di astrazione dalla natura al design

Ipotesi fondativa:L’evoluzione garantisce che il design usato in natura funziona

Biomimetica

La definizione



L’evoluzione garantisce che il design usato in natura funziona

Problema associato:Processo induttivo-deduttivo per capire la funzione che la struttura

svolge in natura e come applicarla nel tuo problema

Criticità/Potenzialità:La struttura spesso di funzioni ne ha molte

Miliardi di anni di evoluzione, di tentativi e continui miglioramenti (trial and error) che si offrono alla cultura del progetto come un enorme bagaglio di soluzioni progettuali a cui ispirarsi.

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Biomimetica

Esempi

La nascita della biomimetica si può “datare” al 1948, quando ilchimico svizzero George de Mestral inventò il velcro: accorgendosiche i pallini spinosi di nappole che si attaccavano ai suoi pantaloni eal pelo del suo cane terminavano con dei piccoli gancetti, pensò disfruttare lo stesso sistema e nacque così il sistema di aggancio aduncino che ha trovato moltissime applicazioni nella vita quotidiana,dalle chiusure lampo, alle tute spaziali e agli stivali progettati dalla



uncino che ha trovato moltissime applicazioni nella vita quotidiana,dalle chiusure lampo, alle tute spaziali e agli stivali progettati dallaNASA per i suoi astronauti.

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Biomimetica

EsempiLa Concept Car Bionic di Mercedes si ispira a una creatura marina che vivea latitudini tropicali: l’Ostracion Cubicus. Più noto come “pesce scatola”,nonostante le sue forme insolite è estremamente aerodinamico e riesce amuoversi consumando una quantità minima di energia. È inoltre in grado disopportare pressioni elevate, grazie ad una corazza esterna costituita dapiastre ossee di forma esagonale, che gli consentono di uscire indenne dacollisioni con la barriera corallina. Nel movimento libero il suo corpo ha un



collisioni con la barriera corallina. Nel movimento libero il suo corpo ha uncoefficiente di penetrazione aerodinamica di 0,06! Queste caratteristichesono ideali per un’automobile che intende conseguire livelli di efficienzaenergetica straordinari, senza rinunciare alla sicurezza dei passeggeri..

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Biomimetica

Esempi

La foglia di loto ha una superficie autopulente e idrorepellente, grazie a delle micro e nanostrutture oleose che in unione con l’acqua, formano delle gocce che rotolando eliminano la polvere. Questa vernice è impermeabile e resistente alle macchie e soprattutto autopulente e quindi estremamente utile per rivestimenti esterni.


Le piante di loto hanno delle superfici


Le piante di loto hanno delle superfici super-idrofobiche. Di conseguenza, anche una lieve inclinazione della foglia, dovuta al peso dell’acqua, le fa scivolare via. La superficie della foglia rimane asciutta anche durante un forte temporale.Il rotolamento delle goccioline su piccole particelle di sporco ne favorisce l’asportazione, sicché le foglie del loto sono autopulenti.

Foglie di Nelumbo Nucifera subito dopo la caduta di goccioline di liquido colorato ed alcuni secondi dopo

Biomimetica

Il concetto

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Il tessuto del nuovo costume Fastskin Speedo è stato sviluppato osservando la struttura della pelle di squalo.La pelle di squalo è formata da squame dette “denticles” o dentelli dermici, che grazie alla loro forma, struttura e disposizione, riducono la resistenza dell’acqua, consentendone un fluire più rapido e quindi una maggiore velocità.


rapido e quindi una maggiore velocità.

Il corpo umano: sorgente di idee

Biomimetica

Il concetto

61

Meccanismo di apertura echiusura delle pigne


Tessuti a diversi gradi di traspirabilità per abbigliamento

Le setae del geco

Insetti, ragni e lucertole hanno sviluppato un’abilità unica di attaccarsi o staccarsi dalle superfici su comando. Tale capacità è attribuibile a micro/nanostrutture riscontrate sui cuscinetti di adesione di queste

Biomimetica

Esempi

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creature. Sebbene la forma e la dimensione di queste strutture vari da creatura a creatura, in tutti i casi i cuscinetti sono ricoperti da peli, chiamati setae. All’aumentare della dimensione (massa) della creatura, decresce il raggio degli elementi di adesione terminali ed aumenta la densità di questi elementi.

Il geco è l’animale più grande a disporre di questo sistema di adesione a secco e per questo motivo ha rappresentato il principale oggetto della ricerca scientifica.

Struttura delle setae del geco

Le zampe dei gechi arborei rappresentano forse la maggiore richiestaal mondo di applicazione adesiva; essi sono in grado di attaccare estaccare le loro zampe adesive nell’arco di millisecondi mentre

Biomimetica

Il concetto

63



staccare le loro zampe adesive nell’arco di millisecondi mentresfrecciano su superfici verticali e soffitti senza ricorrere ad alcunasecrezione. Le setae del geco si presentano in serie uniformi ditappetini lamellari sovrapposti ad una densità di 14,400 mm ²;ciascuna seta misura circa 110 µm di lunghezza e 5 µm di diametrocon ramificazioni all’estremità in 100-1000 spatulae. Quest’ultime sonosteli con una terminazione sottile approssimatamene triangolare, in cuiil vertice lega la spatula al suo stelo. Le spatulae misurano circa 200nm in lunghezza e larghezza all’estremità, con uno spessoredecrescente da 30 nm alla base fino a 10 nm all’estremità.

Biomimetica

Esempi

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L’adesione avviene quando le spatulae si appiattiscono contro un substrato, e le loro interazioni cumulative di van der Waals spatola-substrato generano forze capaci di supportare diverse volte il peso del corpo dell’animale, considerato che la totalità di 6,5 milioni di setae di un gecko tokay di 50 g che sfrutta appieno le capacità adesive potrebbe

Biomimetica

Esempi

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gecko tokay di 50 g che sfrutta appieno le capacità adesive potrebbe teoricamente generare 1300 N di forze di taglio – sufficienti a supportare 133 kg.

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Biomimetica

Esempi



Gecko - tapes

Gecko - textiles

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Lampada “Tizio” by Artemide, Design R. Sapper



68

Lampada “L-2” by Luxo



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Richiami ed esempi applicativi


STATICA: UN CORPO RIGIDO SI TROVA IN CONDIZIONISTATICHE SE SONO SODDISFATTE LE CONDIZIONI DIECQUILIBRIO ALLA TRASLAZIONE E ALLA ROTAZIONE

C.N.S.EQUILIBRIO:

IL CG DEL CORPO UMANO NON E’ UN PUNTO FISSO, MA DIPENDE DALLA CONFIGURAZIONE DEI SEGMENTI CHE LO COMPONGONO

-F ext

-M ext

Richiami


EQUILIBRIO:Σ F=0Σ M=0

IN PARTICOLARE MG+FEXT = R e MEXT = M

CHE LO COMPONGONO

-mg

-R

-M

DINAMICA:

DINAMICA DIRETTA: ANALISI MECCANICA DI UN SISTEMA IN CUI SI CONOSCONO LE FORZE E SI VUOLE DETERMINARE IL MOVIMENTO.

FORZE MOVIMENTO

DINAMICA INVERSA: ANALISI MECCANICA DI UN SISTEMA IN CUI SI

Richiami


DINAMICA INVERSA: ANALISI MECCANICA DI UN SISTEMA IN CUI SI CONOSCE IL MOVIMENTO E SI VOGLIONO DETERMINARE LE FORZE.

MOVIMENTO FORZE

IL LEGAME TRA MOVIMENTO E FORZE E’ FORMALIZZATO DA SISTEMI DI EQUAZIONI

Σ F = maΣ M = dT/dt = I ω0

Per ricavare le misure dei segmenti articolari si fa uso di tabelle antropometriche:

Tabella di Zatsiorsky

Peso del soggetto

Peso del singolo

Richiami


Peso del singolosegmento

Lunghezza di ogni arto

Posizione del baricentro

Richiami


Un sistema di tre aste vincolate tra loro è orientato nello spazio come da figura: calcolare la posizione del baricentro (x,y,z) del sistema sapendo che le aste rappresentano l’arto inferiore di un soggetto di 80 Kg.

Si ipotizzi che:

AB= segmento cosciaBC= segmento gambaCD= segmento piede

Y

Esercizio

Esercitazione


coordinate (cm):

A=(10,80,25)B=(45,50,15)C=(20,10,20)D=(40,0,15)

mAB=0.14165 *mTOTmBC=0.04330 *mTOTmCD=0.01371 *mTOT

X

Z

A

B

C D

CENTRO DI GRAVITÀ: da un punto di vista operativo il CG si calcola

B

A

C

A(Ax,Ay,Az)

C(Cx,Cy,Cz)

B(Bx,By,Bz)x

y

z

Esercitazione


CGx=(Ax mA +Bx mB +Cx mC)/(mA+mB+mC)CGy=(Ay mA +By mB +Cy mC)/(mA+mB+mC)CGx=(Az mA +Bz mB +Cz mC)/(mA+mB+mC)

Il problema si generalizza ovviamente in caso di n particelleQuesta formula è valida anche nel caso il corpo rigido sia rappresentabile come una singola particella.

Soluzione esercizio

mAB=0.14165 *80=11.132 kgmBC=0.04330 *80=3.464 kgmCD=0.01371 *80=1.0968 kg

GAB ((10+45)/2,(80+50)/2,(25+15)/2)=(27.5,65,20)

GBC (32.5,30,17.5)

G(28.78,53.08,19.27)

X

Y

A

B

C D

Esercitazione


GBC (32.5,30,17.5)

GCD (30,5,17.5)

Gx=(11.132*27.5+3.464*32.5+1.0968*30)/(11.132+3.464+1.0968)=

=(306.13+112.58+32.904)/15.6928=28.78

Gy=(11.132*65+3.464*30+1.0968*5)/(11.132+3.464+1.0968)=

=(723.58+103.92+5.484)/15.6928=53.08

GZ=(11.132*20+3.464*17.5+1.0968*17.5)/(11.132+3.464+1.0968)=

=(222.64+60.62+19.194)/15.6928=19.27

ZC D

-Fm

Calcolare la forza prodotta dal bicipite per mantenere l’avambraccionella posizione in figura, sapendo che il bicipite si attacca a 90°rispetto all’avambraccio, a 3 cm dal centro di rotazione del gomito.Si supponga che il peso P sia applicato sulla verticale passante peril baricentro della mano.

Esercizio

Esercitazione


-Fm

-b-P

-90°

Peso soggetto: 80 KgH soggetto: 180 cmb=3 cmP=70 N

Lunghezza avambraccio:0.146*H

Peso avambraccio=0.01615 PTOT

Peso soggetto: 80 KgH soggetto: 180 cmb=3 cmP=70 N

Peso avambraccio:0.01615*80=1.29Kg

Soluzione esercizio-Fm

-90°-R

Esercitazione


0.01615*80=1.29KgLunghezza avambraccio:0.146*180=26.28 cm

Σ F=0: Fm-mg-P+R=0 �2 incognite�NON RISOLVIBILEΣ M=0: Fm*d1-mg*d2 -P*d3 +R*d4 =0 �

Fm*0.03-1.29*9.81*0.1314-70*0.2628+R *0=0Fm*0.03=1.66+18.40+0=20.06 NmFm=20.06/0.03=669N

-b-P

-mg

La movimentazione manuale dei carichi FATTORI di CRITICITA’: INCLINAZIONE del TRONCO

Esercitazione


Modello statico 2DModelli che analizzano le forze agenti sul disco L3-L4 durante un sollevamento

F2P1 : forza peso testa e braccia

P2 : forza peso torace e lombare

Esercitazione


P1

F1

P2F3

F1 : forza peso dell’oggetto

F2 : forza intraddominale

F3 : forza intratoracica

Caratteristiche :bidimensionalestaticopunti di applicazione = baricentri

Modello dinamico 3D

Modello 3D :

• sistema optoelettronico• 18 marker

Esercitazione


• 18 marker• piattaforma di forza

Caratteristiche :

• tridimensionale (considera traslazionie rotazioni su tutti i piani)

• dinamico (con componenti inerziali)

LEGGI DEL MOTO DI NEWTON:

Dettagli applicativi sulla terza legge di Newton: VINCOLI

F1

R

Rx

Esercitazione


F1

F2 F2

Rx

RY

Ry

cerniera

Rx e Ry sono reazioni vincolari

LEGGI DEL MOTO DI NEWTON:

Dettagli applicativi sulla terza legge di Newton: VINCOLI

F1

R

RxM

Esercitazione


F1

F2 F2

Rx

RY

Ry

Vincolo rigido

M

M è un momento interno

FX è la somma delle forze orizzontalie bx il suo braccio

FY è la somma della forze verticali e by il suo braccio

F3 è la forza intraddominale e A3

Modello delle forze agenti sul disco L3-L4:

Baricentro upper body

Esercitazione


F3 è la forza intraddominale e A3 il suo braccio

F2 è la forza intratoracica e A2 il suo braccio

� è l’angolo di applicazione delle forze F2 e F3

β è l’angolo di inclinazione del disco

Le incognite sono : R , β e F2

Tramite le equazioni di equilibrio dinamico:

tg β = αααα

coscos 23

23

⋅−⋅+−⋅−⋅+−

FFF

senFsenFF

Y

x

Modello delle forze agenti sul disco L3-L4:

Baricentro upper body

Esercitazione


F2=

R=

coscos 23 FFFY

2

33

A

AFbFbF XXYY ⋅−⋅+⋅−

βα

cos

cos)( 23 FFFY −+−

equilibrio orizzontale :

Fy - F3·cos � +F2·cos � + R·cosβ = 0

equilibrio verticale :

Fx- F3·sen � +F2·sen � + R·senβ = 0

momento sul disco :

F2·A2 + F3·A3 + Fy · by – Fx · bx = 0

Esercitazione


dividendo la seconda per la prima:

tg β =

F2= αααα

coscos 23

23

⋅−⋅+−⋅−⋅+−

FFF

senFsenFF

Y

x

2

33

A

AFbFbF XXYY ⋅−⋅+⋅−

Esempio applicativo: sollevamento di bimbi con diverse modalità e strategie

Esercitazione


-α

-V -D

-H

Esempio applicativo

• 6 soggetti analizzati- sistema optoelettronico di rilevamento marker

• 2 task motori : SOLLEVAMENTO e POSIZIONAMENTO• 3 strategie motorie : gambe tese, parzialmente flesse e flesse• 2 diverse distanze : D1 e D2

Esercitazione


• peso da sollevare / posizionare : 8 kg

Totale = 250 prove circa

Per tutti i soggetti si è ricavato:• baricentro dei segmenti• velocità lineari e angolari• accelerazioni lineari e angolari• angoli dei segmenti (relativi ed assoluti)• reazioni statiche e dinamiche sul disco

Forza di compressione

Fase 1 : standingFase 2 : abbassamentoFase 3 : plateauFase 4 : aggiunta del carico

SOGGETTO n°1 sollevamento

0

500

1000

1500

2000

2500

3000 FORZE di Compressione

New

ton

Esercitazione


Fase 4 : aggiunta del caricoFase 5 : risalitaFase 6 : standing

0 20 40 60 80 100 120-500

frame

0 20 40 60 80 100 120300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

frame

mill

imet

ri

coordinata y del polso

Coordinata Y del polso

Risultati: MEDIA SOGGETTI (sollevamento D2)forze di compressione

2297

30982951

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

tese D2 poc fl D2 flex D2

New

ton

forze di taglio

261

336321

200

225

250

275

300

325

350


New

ton-26% -23%

Esercitazione


• Elevata differenza tra strategia ottimale e le restanti

• Deviazioni standard molto basse


momento

112

125127

100

110

120

130

140


New

ton

met

ri

-12%

Conclusioni

I carichi massimi agenti aumentano al diminuire del grado di flessionedelle gambe :

+ 30% tra strategia ottimale e peggiore

Esercitazione


La gravosità cresce con l’aumentare della distanza :

+ 5% passando da D1 a D2

92Riferimenti

Docente:Giuseppe AndreoniDip. INDACO – Politecnico di MilanoTel. 02 2399.8881Email: [email protected]

Assistenti:Fiammetta CostaTel. 02 2399.7269 e-mail: [email protected]


Tel. 02 2399.7269 e-mail: [email protected]

Marco MazzolaTel. 02 2399.5944 e-mail: [email protected]

Paolo PeregoTel. 0341 48.8897 e-mail: [email protected]

Maximiliano RomeroTel. 02 2399.5990 e-mail: [email protected]

Lez 3

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