Appunti dettagliati del corso triennale Biomeccanica

LE FORZE

Perché l'abbiamo potuto misurare, ci manca da sapere quali sono le forze che l'hanno creato, ovvero le forze muscolari e momenti articolari. Quindi è un problema inverso. Un problema dinamico inverso è molto difficile da risolvere. Quindi il problema è individuare le forze interne, forze e azioni muscolari, forze legamentose e così via. Ci sono state diverse esperienze, per esempio Bergmann ha fatto studi sull'anca; a soggetti a cui servivano delle protesi all'anca, lui aveva inserito nella protesi dei sensori. La protesi poi era stata impiantata e dopo qualche mese, dopo che il paziente camminava normalmente, ha fatto fare dei test per misurare le forze che si andavano a scaricare sulla protesi. Però il problema è che le batterie dentro la protesi si erano scaricate. Perciò lui aveva messo un sistema con solenoide, faceva passare il paziente dentro campo magnetico per attivare solenoide così che si

attivasse la batteria.

Obiettivi:

• valutare le forze muscolari in una situazione definita
• valutare le reazioni articolari e i momenti articolari in una situazione definita

Scopi: disegno protesi, ergonomia, protezioni del corpo, programmazione della riabilitazione ecc.

Approcci:

1. equilibrio del,e forze e dei momenti
2. applicazione di tecniche analitiche (es. criteri di ottimizzazione)per risolvere problemi indeterminati.

Nei problemi ingegneristici di statica o dinamica le forze sono note e si vogliono valutare le deformazioni o i moti dei corpi rigidi.

sistema muscolo scheletrico:

Per il le forze interne non sono generalmente note(la misura diretta delle forze interne non è quasi mai realizzabile sull'uomo)

Il movimento è invece spesso facile da misurare. In Biomeccanica quindi è necessario risolvere il "problema dinamico inverso" per detrminare: Forze muscolari e Momenti articolari

Il problema dinamico diretto, conosciamo le forze e le equazioni di

Sceglie punto è si applicano le equazioni di moto. L'equilibrio dei momenti può essere effettuato nel centro di rotazione dell'articolazione di interesse in modo da eliminarne l'effetto sulle forze di reazione articolare (incognite).

Fattori di base che determinano le Forze Muscolari:

• Area fisiologica della sezione muscolare (PCSA)
• Relazioni Allungamento-Tensione: la forza che un muscolo esprime varia in funzione della lunghezza a cui si trova quando viene stimolato
• Relazioni Forza-Velocità: la velocità di accorciamento di un muscolo influenza la forza che viene sviluppata
• Relazioni Forza-Tempo: la forza generata da un muscolo è proporzionale al tempo di contrazione

Altri fattori:

• Pre-stretching
• Temperatura muscolare
• Affaticamento

La contrazione del muscolo può essere descritta tramite forza, allungamento e tempo. Quali relazioni usiamo?

Un'informazione ce la può dare l'area della sezione del muscolo. Abbiamo delle

Relazioni che possono descrivere il comportamento tra allungamento e tensione, relazioni forza velocità, forza tempo. Però non basta, perché il muscolo è influenzato anche da pre-stretching, temperatura muscolare e affaticamento. Ci può essere una contrazione isometrica in cui la lunghezza del muscolo è costante, o isogonica in cui la tensione del muscolo è costante.

Parametri muscolari?

Parametri muscolari: La forza potenzialmente esprimibile da un muscolo è proporzionale alla sua area fisiologica della sezione trasversale (PCSA). La PCSA è ottenuta dividendo il volume del muscolo per la lunghezza delle sue fibre. La lunghezza delle fibre è ragionevolmente costante lungo un singolo muscolo. Le fibre vanno da un tendine di origine ad un tendine di inserzione. La lunghezza delle fibre non è necessariamente uguale alla lunghezza del corpo muscolare in quanto alcune fibre possono disporsi obliquamente all'asse del muscolo.

stesso.La relazione tra la forza potenzialmente esprimibile da un muscolo el la PCSA è definita come una costante s dettalimite di tensione muscolareDipende da:

• Lunghezza alla quale è studiato il muscolo (relazione lunghezza/tensione)
• Condizioni di misura

Varia generalmente tra 0.1 e 1.0 MPa

Forze articolari

Le forze articolari possono valere diverse volte il peso del corpo, anche durante attività minime, a seguito dellacombinazione dellle forze di gravità e di quelle muscolari

Forze articolari anomali svolgono spesso un ruolo importante nell’insorgere di patologie degenerative articolari come leosteoartriti

La conoscenza delle forze articolari è importante nei seguenti settori:

• Protesizzazione di un’articolazione
• Studio dei meccanismi di lesione
• Programmazione delle attività riabilitative

I segmenti corporei possono essere modellizzati come corpi rigidi

Esempi: Braccio, coscia, piede

Free Body Diagrams

I possono essere disegnati

• Masse dei segmenti
• Dimensioni dei segmenti
• Posizione dei centri di massa
• Momenti di inerzia

• I segmenti corporei sono connessi attraverso le articolazioni e la lunghezza di ogni articolazione è costante
• Le articolazioni devono esser considerate o cerniere piane (2DOF) o cerniere sferiche (3DOF)
• Ogni segmento ha una massa che non varia durante il movimento che è posizionata nel centro di gravità

• Moti rigidi del corpo: le deformazioni sono piccole rispetto all'ampiezza del movimento
• La posizione del centro di gravità dei segmenti è fissa durante ogni movimento

Forze che agiscono sul Link Segment Model:

• Forze gravitazionali (mg): Agiscono verso il basso attraverso il centro di massa di ogni segmento
• Forze di reazione del terreno: Distribuite sulla superficie del piede. Rappresentate generalmente con un vettore applicato al centro di pressione suolo/piede
• Altre forze esterne: Ogni forza frenante o accelerante che agisce dall'esterno del corpo. Esempi: un ostacolo su cui si inciampa, una massa che deve essere sollevata
• Forze muscolari: Effetto dei muscoli agonisti e antagonisti su un segmento corporeo. La vera forza muscolare è spesso sottostimata a causa delle perdite per attrito nelle articolazioni
• Forze nei legamenti: I legamenti vincolano segmenti ossei nelle articolazioni

C'è proporzionalità tra forza massima e area della sezione del muscolo. Ci interessa sapere cosa succede nelle articolazioni, le forze che si cambiano.

I segmenti ossei, le forze tra cartellavi e cartilagine sono importanti per la salute delle articolazioni. Nel lungo termine, queste forze possono causare danni alla cartilagine. Le forze dipendono dal gesto che stiamo compiendo e dalla posizione del corpo (in cui contribuiscono le forze di gravità). Anche in fase statica, abbiamo una continua contrazione muscolare che mantiene l'equilibrio.

Dobbiamo fare delle approssimazioni perché non possiamo considerare tutti i parametri in gioco. Utilizziamo il diagramma dei corpi liberi per schematizzare il corpo come una serie di segmenti rigidi articolati tra loro. Questo ci aiuta perché ci dice che se i segmenti sono rigidi, sono indeformabili e le dimensioni rimangono le stesse durante il movimento. Inoltre, il baricentro rimane lo stesso.

L'accuratezza nella valutazione delle forze muscolari e delle reazioni articolari attraverso modelli statici/dinamici dipende dall'accuratezza con cui vengono fatte le ipotesi semplificative iniziali. I dati devono essere caratterizzati.