Analisi del Movimento

Analisi del movimento: elementi di base, biomeccanica

3.1 L’unità di misura

L’unità di misura è una quantità prefissata di una grandezza definita ed è adottata per convenzione o per legge.

Per grandezza fisica si intende, ogni ente utile per la descrizione dei fenomeni fisici che sia suscettibile di definizione quantitativa, cioè di misurazione.

Le unità di misura sono utilizzate come riferimento per la misura di grandezze della stessa tipologia.

Il Sistema Internazionale, ha identificato sette grandezze fondamentali misurate con strumenti e metodi sperimentali che hanno richiesto un confronto diretto con un campione scelto arbitrariamente come unità di misura.

3.1.1 Le grandezze scalari e vettoriali

Una grandezza scalare è descritta da un numero reale associato a un’unità di misura e non necessita di altri elementi per essere individuata. Esempi sono: la lunghezza, il volume, la densità, la pressione, la temperatura, ecc...

La grandezza vettoriale è definita come una grandezza descritta da un vettore ed è rappresentata da un segmento orientato. Un vettore è definito da almeno tre parametri:

• Modulo, cui corrisponde un valore numerico.
• Direzione, retta lungo cui agisce la grandezza.
• Verso, specifica il senso di percorrenza in cui agisce la grandezza.

Alcune grandezze possono essere considerate sia scalari sia vettoriali. La velocità è una grandezza vettoriale in quanto per definirla si ha bisogno oltre del valore reale che la definisce, della direzione e del verso. Essa può essere espressa anche unicamente dal valore di intensità quando la direzione non è rilevante.

3.2 La misura diretta e indiretta

La misura diretta è quella ottenuta mettendo a diretto confronto un’unità di misura con la grandezza da misurare.

La misura indiretta è quella ottenuta con l’ausilio di formule matematiche.

3.3 Sistemi di riferimento. Caratteristiche spaziali del moto

La misurazione di un determinato fenomeno è realizzabile quando è definita l’unità di misura e il sistema di riferimento.

Si definisce sistema di riferimento l’insieme di riferimenti o coordinate utilizzate per individuare la posizione di un oggetto nello spazio. Un riferimento è un ambiente fisico al quale si riferiscono tutte le operazioni di misura. Se si considerano sistemi di riferimento, un oggetto che risulta in quiete per un sistema, non è detto che lo sia per gli altri.

Quindi, a seconda di dove si realizza l’osservazione, si possono avere delle informazioni differenti sul moto del fenomeno da descrivere.

In conclusione, si può affermare che non esistono, in assoluto, corpi immobili, ma tutti i corpi si muovono rispetto a un dato riferimento.

Può verificarsi che in alcuni sistemi di riferimento, come per esempio la terra, la variazione della velocità non è significativa per la soluzione di un dato problema ed è possibile trascurarla. Questo tipo di condizione è caratteristica dei sistemi di riferimento inerziali.

Si definisce riferimento cartesiano, un sistema di riferimento formato da rette ortogonali orientate, che si intersecano in un punto chiamato origine. Su ogni asse è fissata un'unità di misura, che consente di identificare qualsiasi punto dell'insieme mediante numeri reali. Il sistema di riferimento cartesiano può essere:

• Monodimensionale, definito da una retta sulla quale un oggetto è vincolato a muoversi. Sulla retta è definita un’origine, un verso di percorrenza ed un’unità di misura.
• Bidimensionale, definito da una coppia incidenti di rette orientate. Solitamente le rette sono nominate X e Y, ed il punto di intersezione è definito origine. Il valore di un punto P sull’asse orizzontale X è definito ascissa, il valore di P sull’asse verticale Y è definito ordinata.
• Tridimensionale, il sistema che presenta tre rette non parallele, in genere indicate con X, Y e Z passanti per l’origine del sistema di riferimento. In questo caso il valore di P sull’asse delle Z è definito applicata.

3.3.1 Sistema di riferimento globale e locale

Si è visto come la posizione del sistema di riferimento possa dipendere dall’elemento oggetto dell’osservazione e come lo stesso fenomeno possa essere descritto utilizzando differenti sistemi, ognuno dei quali può garantire un’informazione di qualità diversa. Se si volessero mettere in relazione diversi sistemi di riferimento, per descrivere un determinato fenomeno di moto, si dovrebbe scegliere un sistema a cui riportare tutte le misure realizzate dai vari sottosistemi.

Si definisce riferimento globale il sistema che riguarda il campo di osservazione nella sua interezza.

È definito locale, invece, il sistema di riferimento che consente di ottenere informazioni, coerenti con l’attività da misurare di una parte del campo d’osservazione.

Questo tipo di operazione consente di tralasciare alcune informazioni ed è utile, soprattutto, quando la valutazione riguarda più oggetti di cui si è interessati a conoscerne lo spostamento relativo e assoluto.

3.5 I gradi di libertà e il corpo rigido

I gradi di libertà di un sistema sono il numero di possibilità in cui il sistema può variare in maniera indipendente.

Un corpo libero nello spazio possiede 6 gradi di libertà, che equivalgono a tre movimenti di traslazione e tre di rotazione.

Per traslazione si intende la possibilità del corpo di spostare tutti i suoi punti di una distanza fissa nella stessa direzione.

La rotazione, invece, è una trasformazione nel piano o nello spazio che sposta gli oggetti in modo rigido e che lascia fisso almeno un punto nel piano, o una retta nello spazio.

I 6 gradi di libertà definiscono la massima possibilità di movimento di un determinato oggetto. Fissando in un punto un corpo libero, lo si priva simultaneamente di 3 gradi di libertà, ovvero delle possibili traslazioni.

L’apparato scheletrico è costituito da differenti segmenti corporei collegati tra loro tramite le giunzioni articolari che ne limitano la possibilità di movimento, diminuendone i gradi di libertà nello spazio. L’articolazione del ginocchio possiede 2 gradi di libertà, il che vuol dire che i segmenti ossei possono realizzare solo due movimenti di rotazione: attorno all’asse medio laterale del ginocchio e intorno all’asse longitudinale.

La coppia biocinetica è l’unione mobile di due parti, nella quale la possibilità di movimento è determinato dalla struttura dell’articolazione e dalla direzione dell’azione dei muscoli. Un esempio è il sistema costituito dal femore e la tibia.

L’unione di più coppie biocinetiche si definisce catena, la quale può essere aperta o chiusa.

Si definisce aperta quando sia un anello libero finale, contrariamente è definita chiusa quando non vi è un anello finale libero e di conseguenza non sono possibili movimenti isolati.

Il saluto con il braccio sollevato e la mano libera di muoversi è un esempio di catena aperta, in quanto il movimento della mano non influenzerà il movimento degli altri segmenti corporei in catena.

Le mani fisse sui fianchi, quando si realizza uno Squat sono un esempio di catena cinetica chiusa. In questo caso ogni rotazione del polso influenzerà il movimento degli altri segmenti corporei.

3.6 La biomeccanica e il sistema biomeccanico

La biomeccanica è la scienza che studia le leggi dell’azione meccanica nei sistemi viventi.

Il sistema biomeccanico è una semplificazione del corpo umano. I modelli non descrivono il corpo nei dettagli particolari, ma consentono di effettuare operazioni di calcolo, che permettono di indagare sulle caratteristiche del moto ed eseguire delle previsioni. Essi sono scelti in relazione alle informazioni che si vogliono ottenere e sono per questo motivo più o meno complessi.

Il modello più semplice è il punto materiale.

Le informazioni che si ottengono sono relative, unicamente, alla traiettoria del corpo senza alcun riferimento a come esso sia orientato. Un esempio è lo spostamento di un giocatore di calcio durante un incontro, una volta definito un sistema di riferimento bidimensionale cartesiano, si potranno calcolare la traiettoria, la velocità, le accelerazioni, senza però avere alcune informazioni riguardante il suo orientamento.

Un modello che consente maggiori informazioni è il corpo solido. Esso permette di avere delle indicazioni relative alle dimensioni dell’oggetto, alla sua posizione nello spazio e sul suo orientamento. Questo modello permette di individuare sul corpo del giocatore un sistema di riferimento ad esso solidale, orientato al pari del sistema anatomico, con origine sul centro di massa. La terna posizionata con origine sul corner del campo è il sistema di riferimento globale, sul quale sono riportati gli spostamenti e le rotazioni del sistema di riferimento locale del giocatore.

Il modello biomeccanico del sistema di corpi, infine, consente di calcolare: la posizione assoluta e relativa dei segmenti corporei che costituiscono il corpo. Ogni segmento corporeo è definito da una terna solidale al centro di massa del segmento. Oltre alla posizione assoluta del calciatore e al suo orientamento si potranno calcolare la posizione relativa dei segmenti ossei adiacenti.

3.7.2 Paragrafo da non studiare ma con definizioni importanti

Si definisce momento della forza la misura del moto rotatorio della forza sul corpo; esso è determinato dal prodotto del modulo della forza per la distanza perpendicolare al punto di rotazione.

La distanza tra il centro di rotazione e la forza prende il nome di braccio.

Un sistema equivalente al momento della forza è rappresentato dalla coppia ovvero un sistema di due forze parallele, all’opposto orientate, a distanza nota.

4.1 Gli strumenti di misura

Lo strumento di misura è un’apparecchiatura che consente il confronto tra la grandezza misurata e l’unità di misura prescelta. Esso è composto da un rilevatore ed eventualmente da un trasduttore, un dispositivo in grado di trasformare il parametro da misurare in un’altra grandezza che è più facilmente gestibile.

La misura dipende fortemente dalle caratteristiche dello strumento. Le principali sono:

• La prontezza ovvero il tempo necessario affinché lo strumento dia una risposta ad una variazione della sollecitazione.
• L’intervallo d’uso ovvero l’intervallo tra la soglia e la portata dello strumento. La soglia è il minimo valore della grandezza che lo strumento può misurare, mentre la portata è il massimo valore che può registrare.
• La sensibilità* è la più piccola variazione rilevabile della grandezza che si misura ed è caratteristica del sensore utilizzato. Un’elevata sensibilità può determinare una grande instabilità e, quindi, scarsa ripetibilità della misura che si vuole rilevare.
• La precisione indica quanto la misura sia ripetibile. Una misura è tanto più precisa quanto più i singoli valori misurati si concentrano intorno alla media delle serie di misure effettuate. La precisione di una misura dipende dalla modalità di realizzazione, dalla grandezza che si intende misurare e, infine, dalla sensibilità dello strumento. La sensibilità*, invece, è costante in ogni misurazione in quanto è una caratteristica intrinseca degli strumenti.
• L’accuratezza è un parametro che indica di quanto il risultato della misura si discosta dal valore reale di quella grandezza.

4.1.1 Errori casuali ed errori sistematici

Durante la misurazione di una grandezza fisica si possono individuare due tipologie di errori: gli errori casuali e gli errori sistematici. Gli errori casuali detti anche accidentali dipendono dallo sperimentatore e dalle condizioni sperimentali di misurazione che ne modificano accidentalmente in eccesso o in difetto la misura.

Gli errori sistematici sono dovuti, invece, alle caratteristiche della strumentazione utilizzata. Questa tipologia di errore è sempre riscontrabile nella stessa quantità in tutte le misurazioni che si realizzano e determinano una variazione della misurazione in eccesso o in difetto. Una volta individuato il valore e la fonte dell’errore che lo determina possono essere facilmente eliminate. Possono dipendere da difetti dello strumento o al suo deterioramento.

4.2 Il segnale

È definito segnale una grandezza fisica che varia nel tempo e/o nello spazio. Esso può essere monodimensionale, bidimensionale o tridimensionale a seconda che sia una funzione di una o più variabili.

4.2.1 Segnale analogico e digitale

Il segnale ci fornisce delle informazioni concernenti delle dimensioni fisiche. Tale informazione può essere continua nel tempo o discreta. Si definisce analogica, la grandezza fisica che può essere descritta tramite una funzione definita per ogni valore del tempo e continua. I sensori analogici forniscono un segnale elettrico continuo a risoluzione infinita, il quale, può assumere infiniti valori all’interno di un dato intervallo.

Una grandezza è discreta se appartiene a un insieme di valori discreti. Il segnale digitale è dato da una funzione tempo discreta e quantizzata.

Il segnale digitale rispetto al segnale analogico presenta diversi vantaggi che risiedono nella possibilità di: realizzare più facilmente operazioni di calcolo tramite microprocessori e microcalcolatori, essere meno soggetti a disturbi ed infine le memorie digitali consentono la conservazione del dato senza che ci sia il rischio che si deteriori nel tempo.

4.2.2 Campionamento e conversione analogica/digitale di un segnale

Il sensore permette di trasformare una grandezza fisica in una variazione di corrente. La procedura che consente di convertire un segnale analogico in digitale deve tenere conto del campionamento e della quantizzazione dell’ampiezza del segnale.

Il campionamento è la procedura che consente di prelevare da un segnale analogico una successione temporale di valori che sono acquisiti in determinati istanti detti “istanti di campionamento”. Il teorema del campionamento o di Nyquist-Shannon definisce la minima frequenza necessaria per campionare un segnale analogico senza perdere informazioni: la minima frequenza di campionamento per evitare la perdita di informazione nella ricostruzione del segnale analogico originario deve essere pari al doppio della frequenza del segnale originale.

La quantizzazione è il processo che permette di trasformare un segnale a valori continui in un segnale che assume un numero finito di valori. La quantizzazione prevede la definizione di un campo di valori entro cui il segnale deve mantenersi, tale campo è definito “campo di misura”. Una volta definito il campo di misura bisogna suddividerlo in un numero finito di intervalli contigui.

La fedeltà della misura ottenuta a seguito della conversione dipende dal campo di misura e del numero degli intervalli scelti. Il numero di intervalli dipende dalla risoluzione del convertitore analogico digitale e, quindi, dai suoi numeri di bit. Maggiore è il numero di bit maggiore è la risoluzione del sistema. Il bit è l’unità di informazione e rappresenta una cifra binaria.

La codifica, infine associa univocamente 1 bit con una ripartizione del campo di misura. Con l’operazione di codifica è possibile gestire il segnale tramite software su calcolatori elettronici, facilitando enormemente le operazioni di calcolo sul segnale.

4.2.3 L’elaborazione del segnale

I segnali in uscita dai sensori, molte volte, sono deboli e affetti da disturbi. Per evitare questa problematica, durante l’acquisizione il segnale viene elaborato tramite operazioni di:

• Limitazione: impedisce al segnale di superare una determinata ampiezza di valore.
• Filtraggio: consiste nell’eliminare rumori.
• Amplificazione: consente di amplificare dei segnali molto deboli.
• Attenuazione in ampiezza: consiste nel dividere il valore di ampiezza del segnale per un coefficiente opportuno.

L’analisi strumentale del movimento umano

5.1 L’analisi strumentale

L’analisi strumentale del movimento umano ha come obiettivo la raccolta di dati quantitativi riguardanti la meccanica del sistema muscolo-scheletrico durante l’esecuzione di un movimento.

5.2 L’analisi multifattoriale integrata del movimento umano

Se si osserva l'esecuzione di una abilità, l'attenzione sarà rivolta principalmente agli elementi di natura di coordinativa che sono l'espressione visibile del movimento. Ma le traiettorie che si attuano durante il movimento sono il risultato delle forze interne ed esterne che agiscono sul sistema e dei processi cognitivi di elaborazione. L'osservazione del movimento, quindi, si potrà considerare maggiormente valida quanto più complessivo è l'approccio al suo studio.

Il sistema integrato multifattoriale di analisi movimento consente di misurare il movimento nella sua complessità realizzativa. L'architettura di queste strumentazione prevede due sottosistemi:

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