Fondamenti di biomeccanica del movimento umano

FONDAMENTI DI BIOMECCANICA

1. INTRODUZIONE ALLA BIOMECCANICA

La biomeccanica è la scienza che studia le proprietà meccaniche degli organismi viventi,

applicando ad essi le leggi della fisica. Si divide in:

• Micromeccanica: analisi delle strutture e delle unità motorie.

• Macromeccanica: studio delle forze coinvolte nel movimento (cinematica e dinamica).

La biomeccanica si suddivide in statica e dinamica. La statica studia le condizioni che

permettono l’equilibrio dei corpi e analizza tutti gli elementi che possono influenzarlo, come le

forze, le leve, i momenti di forza e di resistenza, oltre ai centri e alle linee di gravità e ai punti

di riferimento utili per comprendere meglio il movimento umano. La dinamica, invece, si

occupa del rapporto tra il movimento e le cause che lo generano. Al suo interno comprende la

cinematica, che descrive il movimento in termini di spazio e tempo senza considerare le forze

che lo hanno prodotto, e la cinetica, che studia il movimento dal punto di vista delle forze

responsabili del moto.

Le grandezze fisiche sono entità sulle quali è possibile effettuare operazioni di confronto e

misurazione. Misurare una grandezza significa attribuirle un valore numerico per descriverla in

modo quantitativo. Per farlo è necessario definire un’unità di misura, che deve essere

omogenea al misurando e universalmente riconosciuta. La misura si ottiene dal rapporto tra il

valore del misurando e l’unità di misura. Una volta stabilite le unità fondamentali, è possibile

ricavarne altre derivate tramite leggi fisiche, come nel caso della velocità espressa in metri al

secondo. L’utilizzo di multipli e sottomultipli permette di rappresentare grandezze molto grandi

o molto piccole in modo più agevole. La misurazione è il procedimento sperimentale con cui si

determina quantitativamente una grandezza; il misurando è ciò che viene sottoposto a misura,

mentre la misura è il risultato numerico ottenuto. Alcune grandezze, come la temperatura,

non permettono operazioni aritmetiche semplici (es. somma).

Altre grandezze, come la durezza dei minerali, non sono misurabili direttamente ma solo

classificabili tramite confronto. Per determinare la durezza di un minerale che non compare in

una scala di riferimento, lo si confronta con i minerali già classificati, osservando quali esso

riesce a scalfire e da quali invece viene scalfito. Alle grandezze ordinate nella scala vengono

attribuiti valori numerici in modo arbitrario; per questo motivo tali grandezze non sono

misurabili in senso stretto, ma possono essere ordinate in base al confronto. Grandezze di

questo tipo vengono definite classificabili, poiché permettono di stabilire quale elemento è

maggiore o minore rispetto a un altro.

Esistono poi alcune grandezze che si manifestano solo quando vengono sollecitate da

un’energia esterna; sono le cosiddette grandezze passive, come la resistenza elettrica di un

materiale, che può essere determinata solo applicando una corrente o una differenza di

potenziale. Queste sono grandezze misurabili indirettamente, perché il loro valore si ottiene

attraverso una legge che le collega a grandezze misurabili direttamente. Anche alcune

grandezze misurabili direttamente possono essere determinate in modo indiretto, come nel

caso dell’anno luce.

Ogni misura è sempre accompagnata da un’incertezza, cioè da una parte di indeterminazione

che rimane dopo l’esecuzione di un esperimento. Ogni misurazione può essere influenzata da

fattori esterni, che si dividono in fattori sistematici e fattori aleatori. I fattori sistematici si

ripetono sempre nello stesso modo ogni volta che la misura viene eseguita, mentre quelli

aleatori variano in modo imprevedibile da una misurazione all’altra. I primi possono essere

compensati, ad esempio prestando maggiore attenzione durante l’esperimento; i secondi

possono essere soltanto stimati, ma non eliminati. Le grandezze fisiche possono essere

fondamentali e derivate, scalari e vettoriali.

Le grandezze fondamentali stabilite ufficialmente nel 1960 all’interno del Sistema

Internazionale di unità di misura (SI) sono tre: la lunghezza, misurata in metri (m), la massa,

misurata in chilogrammi (kg), e il tempo, misurato in secondi (s). Accanto a queste grandezze

fondamentali legate alla meccanica esistono altre grandezze fondamentali del SI che

appartengono a diversi ambiti della fisica: la quantità di materia, misurata in mole (mol),

l’intensità di corrente elettrica, misurata in ampere (A), la temperatura, misurata in kelvin (K), e

la luminosità, misurata in candele (cd).

Le grandezze derivate si ottengono tramite leggi fisiche più o meno complesse. Nella

meccanica le quantità derivate più comuni includono la velocità, definita come il rapporto tra

spazio e tempo; l’accelerazione, definita come variazione della velocità nel tempo; la forza,

data dal prodotto tra massa e accelerazione; la pressione, definita come il rapporto tra forza e

superficie; l’energia, calcolata tramite la relazione un mezzo per massa per velocità al

quadrato; la quantità di moto, data dal prodotto tra massa e velocità; e infine la potenza,

definita come energia fratto il tempo. La misura delle grandezze derivate può ottenersi tramite

operazioni matematiche sulle misure delle grandezze fondamentali. Ad esempio, la velocità si

calcola come il rapporto tra lo spazio percorso e il tempo impiegato, e per questo si misura in

metri al secondo (m/s).

Una grandezza si dice scalare quando può essere completamente descritta da un numero,

mentre una grandezza vettoriale richiede, oltre al numero, anche una direzione e un verso. Il

numero associato a un vettore rappresenta la sua intensità o modulo. Esempi di grandezze

vettoriali sono la velocità, l’accelerazione e la forza. Un vettore si rappresenta con una freccia:

la retta su cui giace indica la direzione, la punta indica il verso e la lunghezza rappresenta

l’intensità. Se un vettore è applicato a un corpo, è necessario specificare anche il punto di

applicazione; in questo caso si parla di vettore applicato. I vettori si scrivono con una lettera

minuscola sovrapposta da una freccia o da una linea.

Per descrivere correttamente il moto di un corpo, è fondamentale specificare il sistema di

riferimento, ossia l’insieme di oggetti rispetto ai quali il movimento viene osservato. Un

esempio classico, utilizzato anche nei corsi di studio, è il sistema di assi cartesiani. Un altro

concetto chiave è la traiettoria, cioè l’insieme di tutti i punti dello spazio occupati dal corpo

durante il moto. In base alla forma della traiettoria, il moto può essere rettilineo, circolare,

parabolico o avere altre forme.

Il moto di un corpo può essere rappresentato in due modi: indicando le diverse posizioni

assunte mediante vettori chiamati vettori posizione, che partono dal punto di osservazione

fino al punto considerato lungo la traiettoria, oppure conoscendo la traiettoria e misurando la

posizione lungo di essa tramite un numero. Nel primo caso, lo spostamento è il vettore che

unisce due posizioni diverse, mentre nel secondo caso lo spazio rappresenta la distanza

percorsa. In questo modo si distingue chiaramente che lo spazio è una grandezza scalare,

mentre lo spostamento è un vettore.

2. SCOPI DELLA BIOMECCANICA

I principi biomeccanici sono alla base della funzione muscolo-scheletrica. I muscoli generano

forza che viene trasmessa attraverso il sistema scheletrico, costituito da leve, per resistere alla

gravità o per produrre movimento. La struttura dei muscoli, osservabile dall’anatomia

grossolana, influisce sulla forza e sulla distanza di contrazione: la disposizione delle fibre

muscolari determina la potenza sviluppata e l’escursione possibile. Nei muscoli fusiformi o

longitudinali le fibre sono disposte lungo l’asse del muscolo, creando una sezione trasversale

ridotta e quindi una forza minore, ma permettendo contrazioni su distanze maggiori. Nei

muscoli pennati, le fibre sono angolate rispetto ai tendini, aumentando la superficie in

sezione e la forza generata, ma riducendo l’escursione.

L’effetto della contrazione muscolare dipende anche dall’inserzione sull’osso e dall’angolo di

azione sulla leva ossea, che determina la componente rotatoria e quella non rotatoria della

forza. Queste componenti cambiano in funzione del movimento del segmento scheletrico, e la

distanza dell’inserzione dall’asse della leva influenza il momento di forza prodotto. L’asse

articolare istantaneo e l’inserzione muscolare aiutano a determinare la lunghezza della leva.

Quando più muscoli agiscono su un osso, il risultato finale dipende dalla combinazione delle

forze, dagli angoli di azione e dalla posizione rispetto all’asse articolare. Un muscolo tira sulle

sue inserzioni, spostando quella che oppone minore resistenza, e può agire da agonista,

sinergico, antagonista o stabilizzatore. Spesso più muscoli si contraggono insieme per

produrre il movimento desiderato, e la loro ampiezza, il loro angolo di azione e la posizione

rispetto all’articolazione e agli altri muscoli sono fondamentali.

Oltre ai muscoli, legamenti, cartilagine e altri tessuti molli partecipano al controllo articolare,

condizionati dalla posizione e dal movimento del corpo. Le ossa costituiscono un sistema di

leve su cui agiscono muscoli e tendini. Le forze meccaniche influenzano anche la crescita e lo

sviluppo corporeo: carichi normali favoriscono uno sviluppo regolare, mentre forze anomale,

soprattutto durante i periodi di crescita, possono generare deformazioni.

La risposta dei tessuti dipende dal tipo di carico, dalla sua durata e dalla direzione; la tensione

e la compressione influenzano la condrogenesi e l’osteogenesi. Carichi prolungati hanno effetti

diversi rispetto a carichi intermittenti. Comprendere come si generano deformazioni permette

di rimuovere le forze dannose e applicarne altre per correggerle. Esempi di applicazione dei

principi biomeccanici nella crescita e nello sviluppo sono gli splint notturni per il piede torto e il

divaricatore di Pavlik per la displasia congenita dell’anca.

La resistenza incontrata dall’apparato muscolo-scheletrico può derivare da diverse fonti,

come la forza di gravità, la resistenza dell’acqua, l’elasticità dei materiali, l’attrito, strutture

stazionarie o la resistenza manuale. L’efficacia di questa resistenza dipende dall’angolo della

linea di applicazione del carico e dalla sua distanza dall’asse del sistema di leve. La gravità, il

carico più comune sul corpo, ha una direzione costante e il suo effetto è determinato dal peso,

dalla posizione del carico e dalla posizione della parte del corpo coinvolta.

Alcuni sistemi di pulegge vengono utilizzati per modificare la linea di azione sul corpo, offrendo

resistenza o supporto per facilitare il movimento in qualsiasi direzione. La forza di gravità può

essere ridotta o neutralizzata immergendo completamente o parzialmente il corpo in acqua,

dove la spinta di galleggiamento bilancia il peso del volume d’acqua spostato. L’acqua fornisce

anche resistenza diretta al movimento della parte immersa. Un altro metodo per ridurre gli

effetti della gravità è la sospensione tramite bende, come suggerito da Guthrie-Smith (1943).

Materiali elastici, come molle, elastici o palloni, possono opporre resistenza all’esercizio

muscolare, con la linea della forza lungo l’asse del materiale elastico. Strumenti di allenamento

moderni sfruttano l’attrito come carico, con linee di forza spesso perpendicolari alla leva ossea

lungo tutto il range di movimento. Strutture immobili offrono resistenza per contrazioni

isometriche, mentre la resistenza manuale può essere isometrica o applicare un ampio range di

carichi.

Secondo Radin (1980), la biomeccanica trova una delle applicazioni più efficaci nello studio e

nella risoluzione dei problemi legati ai traumi muscolo-scheletrici. Le lesioni

muscoloscheletriche si verificano spesso in modi prevedibili. Le fratture ossee dipendono da

cinque fattori biomeccanici principali: tipo di carico, grandezza, velocità di applicazione e

proprietà dei materiali del tessuto. Una lesione può essere causata da una singola forza molto

intensa, come una caduta grave, oppure da carichi piccoli ma ripetuti, come nelle fratture da

stress.

Il clinico che comprende la meccanica della lesione può valutarne meglio il tipo e l’estensione,

offrendo un trattamento più mirato. Conoscere il meccanismo che ha generato la lesione è

essenziale: fratture da stress, fratture da flessione, compressione, distrazioni o contusioni

derivano tutte da forze, ma il meccanismo permette di determinare la natura esatta della

lesione. Il tipo di frattura dipende dalle caratteristiche della forza e dalla modalità della sua

applicazione. Comprendere il meccanismo facilita anche la localizzazione dei tessuti interessati

e la valutazione dell’estensione della lesione. L’importanza di questi aspetti meccanici è stata

sottolineata da numerosi autori, tra cui Viano et al. (1989), Krag et al. (1986) e Gozna (1982).

La valutazione manuale dei muscoli si basa sulla capacità del clinico di applicare test di forza

di diversa intensità, considerando l’importanza della lunghezza del braccio di leva e della forza

applicata. La posizione del centro di massa di ogni segmento corporeo influisce sull’azione dei

muscoli che lo sostengono. Il clinico può valutare la postura del paziente in piedi, seduto o

durante il sollevamento e il movimento di oggetti, sviluppando procedure di trattamento basate

sui principi meccanici per correggere problemi posturali.

Molte metodiche utilizzate nella gestione di problemi muscoloscheletrici e neurologici si

fondano su principi biomeccanici. Ad esempio, il riallineamento della rotula, le artroprotesi

totali, le trasposizioni tendinee, la riparazione di legamenti, la stabilizzazione di fratture e le

osteosintesi vertebrali. Tensione, compressione, taglio, flessione e torsione devono essere

attentamente considerate per ottenere risultati chirurgici ottimali. La scelta tra artrodesi,

osteotomia o artroprotesi dipende dalla necessità di movimento e stabilità dell’articolazione

coinvolta (Walker, 1981).

Esistono programmi di esercizi per prevenire e riabilitare molte patologie, ciascuno con

vantaggi e limiti. Un esercizio può essere benefico in una situazione ma dannoso in un’altra,

come nel caso dei vari esercizi di rinforzo dei muscoli addominali (Le Veau, 1973). Per valutare

correttamente ogni strumento di esercizio è necessario considerare la biomeccanica: posizione

del corpo, resistenza e sforzo richiesto, lunghezza del braccio di leva, punto di applicazione

della forza, peso di parti dello strumento e disposizione delle pulegge.

Tecniche di trazione utilizzano la forza per superare gravità, attrito e resistenza dei tessuti

molli. Bastoni e stampelle aiutano a ridurre il carico gravitazionale su parti del corpo affette, e il

coefficiente d’attrito tra la superficie di deambulazione e le stampelle determina l’angolo di

appoggio ottimale. La valutazione e il trattamento della deambulazione si basano sulle

caratteristiche meccaniche di spostamento, velocità e accelerazione.

La terapia manuale utilizza diversi movimenti, come oscillazioni, scivolamenti, distrazioni,

leve sugli arti e forza applicata su una superficie, per influenzare il corpo. La mobilizzazione dei

tessuti molli impiega forze con direzione e ritmo appropriati per ottenere gli effetti desiderati.

L’applicazione progressiva delle forze può influenzare la formazione di neotessuto cicatriziale e

modificare legami trasversali, allungandoli o rompendo quelli indesiderati. Inoltre, l’uso corretto

delle forze può aumentare il range di movimento di diverse articolazioni. Alcuni esempi di

tecniche sono riportati da Donatelli e Wooden (1989), Maitland (1986), Grieve (1984),

Bourdillon e Day (1987) e Basmajian (1985).

Alcune forme di terapia sfruttano le funzioni fisiologiche per valutare la capacità del soggetto di

lavorare e aumentare gradualmente le prestazioni, incrementando resistenza, endurance e

tolleranza a specifiche azioni (Hopkins e Smith, 1988). La conoscenza dei principi biomeccanici

è fondamentale per programmare un percorso efficace.

Il corretto funzionamento di ortesi e protesi richiede il rispetto delle leggi della biomeccanica

(Cool, 1989). È importante comprendere le forze e le coppie per capire trazioni e flessioni delle

strutture, e conoscere la resistenza dei materiali utilizzati. Nella fabbricazione di uno splint, ad

esempio, è essenziale sapere l’ampiezza della forza, il punto e la linea di applicazione,

combinandoli correttamente per ottenere un dispositivo efficace.

Gli splint possono essere statici, per proteggere i muscoli residui o fornire supporto correttivo,

oppure dinamici, applicando una forza quasi costante durante il movimento per sostituire i

muscoli assenti o indeboliti, mantenere la funzione articolare, permettere il riposo o prevenire

l’anchilosi. Progettare uno splint richiede attenzione all’ampiezza della forza, alla linea di

spinta, alla pressione e alle aree di contatto. La base statica deve garantire un solido appoggio

per un corretto allineamento su cui fissare le componenti protesiche (Hopkins e Smith, 1988).

Sia gli splint sia le protesi possono utilizzare la forza elastica di elastici e molle per generare

carichi sulle parti del corpo o sugli strumenti. La forza elastica dipende dalle caratteristiche del

materiale o dalle specifiche della molla. La conoscenza dei materiali permette di scegliere

quello più adatto per ogni dispositivo.

La protesi deve essere progettata e costruita in modo che la sua cinematica sia simile alla

situazione fisiologica. Dimensioni, angoli e proprietà del materiale devono essere valutati

attentamente. Componenti come cinghie, montanti, anelli, barre, placche