Biomeccanica

Biomeccanica

Possiamo definire la biomeccanica come la disciplina che studia la meccanica applicata al corpo umano. La biomeccanica ha come oggetto lo studio del movimento del corpo nella sua globalità ed in particolare si occupa di analizzare:

• Sollecitazioni ossee
• Movimenti articolari
• Azione dei muscoli necessaria per il movimento e per il mantenimento della postura

Il corpo umano ha la capacità di produrre una quantità quasi infinita di posture e movimenti richiesti dal corpo stesso, al fine di generare e rispondere alle forze che producono e controllano il movimento delle articolazioni.

Meccanica classica

La meccanica classica si applica a corpi continui e fenomeni della vita quotidiana, a patto che si muovano a velocità di molto inferiori a quella della luce e possiedano dimensioni maggiori di quelle della luce.

Punto materiale

Un corpo può essere approssimato ad un punto materiale quando le sue dimensioni sono ininfluenti e trascurabili rispetto alle distanze che percorre (la Terra può essere considerata un punto materiale nella sua orbita attorno al Sole).

Possiamo quindi descrivere con semplicità e linearità cose che nello specifico sarebbero molto complesse, purché ci poniamo alla giusta distanza di osservazione, es: il moto di una barca a vela all’interno delle onde è un fenomeno complesso, ma rispetto al mare la barca si può considerare come un punto che prosegue linearmente la sua rotta. Questo è importante nel ragionamento osteopatico. Un punto materiale è caratterizzato da tre coordinate nello spazio, dal suo stato di quiete o di moto, dalla sua massa. Sono tuttavia trascurabili le sue attività interne da un punto di vista cinematico e i suoi gradi di libertà.

Cinematica

Ogni corpo, o punto materiale, può rimanere in stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, a meno che tale stato non venga “disturbato”. Include l’insieme dei concetti che ci permette di descrivere il movimento e lo spostamento di un segmento, senza considerare le forze all’origine di quel movimento. Lo scheletro umano è un sistema di segmenti e leve. Le ossa non sono propriamente segmenti rigidi, ma le assumiamo come tali per studiarne il comportamento.

Ci sono 5 variabili cinematiche che descrivono in toto il movimento di un corpo:

• Il tipo di spostamento
• L’orientamento nello spazio di tale spostamento
• La direzione dello spostamento
• L’intensità dello spostamento
• Il tasso di cambiamento dello spostamento (velocità o accelerazione)

Tipologie di movimento

Movimento traslatorio (spostamento lineare): Movimento di un segmento su una linea retta. Ogni punto del segmento si muove attraverso la stessa distanza, nello stesso tempo, percorrendo linee parallele. Diversi movimenti del corpo umano si possono accostare a questa definizione, tuttavia quasi sempre ogni movimento traslatorio è accompagnato da movimenti rotatori.

Movimento rotatorio (spostamento angolare): Movimento di un segmento attorno ad un asse fisso (centro di rotazione) in un percorso curvo. Ogni punto sul segmento si muove attraverso lo stesso angolo, allo stesso tempo, a una distanza costante dal centro di rotazione. Può verificarsi solo se al segmento viene impedito di traslare e viene forzato a ruotare attorno a un asse fisso. È inattuabile nel corpo umano un movimento puro di rotazione attorno ad un asse fisso. Tutti gli assi delle articolazioni traslano leggermente durante il movimento perché non sono sufficientemente vincolati per produrre una rotazione pura.

Movimento generale: È evidente come la maggior parte dei movimenti, per essere ottimali, siano una combinazione tra traslazione e rotazione.

Movimento curvilineo (planare): Designa una combinazione tra traslazione e rotazione di un segmento in due direzioni.

Orientamento del movimento nello spazio

Per definire la posizione del corpo nello spazio usiamo gli assi cartesiani x, y, z, la cui origine si trova nel centro di massa del corpo, nella sua posizione anatomica (in piedi, sguardo avanti, palmi delle mani in avanti).

• Asse X= asse Coronale o Trasversale, attraversa il baricentro da destra a sinistra.
• Asse Y= asse Verticale o Longitudinale, attraversa il baricentro dall’alto verso il basso.
• Asse Z= asse Antero-Posteriore o Sagittale, attraversa il baricentro da dietro a avanti.

Un segmento libero può muoversi indifferentemente attorno a ciascuno di questi tre assi, col risultato di 6 opzioni di movimento per quel segmento, anche dette gradi di libertà. Oltre a muoversi attorno ad un asse, ogni segmento si muove anche parallelamente, o all’interno di uno dei 3 piani cardinali, ognuno dei quali può essere perpendicolare all’asse di rotazione in questione, o parallelo ad un altro asse.

• Piano sagittale: taglia il corpo in una metà destra e una sinistra.
• Piano frontale: divide il corpo in dorsale e ventrale.
• Piano trasverso: divide il corpo in craniale e caudale.

I movimenti attorno all’asse X avvengono sul piano sagittale (es. flesso-estensione). Movimento attorno all’asse Y avvengono sul piano trasverso (es. rotazione dx e sx). Dal momento che spesso l’asse verticale del corpo non è perfettamente parallelo a quello dei singoli segmenti, quando descriviamo il loro movimento lo consideriamo attorno all’asse longitudinale del segmento stesso. Movimenti attorno all’asse Z avvengono sul piano frontale (es. latero-flessione dx e sx, abduzione e adduzione).

Direzione dello spostamento

Flessione-estensione: sono due movimenti che avvengono sullo stesso piano (sagittale a parte qualche eccezione come il pollice), attorno allo stesso asse, ma in due direzioni opposte. La flessione generalmente porta all’avvicinamento delle facce ventrali di due segmenti adiacenti, l’estensione le allontana, o avvicina le due facce dorsali di tali segmenti (ginocchio caso particolare).

Rotazione interna, o mediale: il segmento si muove parallelamente al terreno e verso la linea centrale del corpo.

Rotazione esterna, o laterale: il segmento si muove parallelamente al terreno e lateralmente alla linea centrale del corpo.

Quando il segmento fa parte della linea centrale del corpo (es. testa, tronco), la rotazione sul piano trasversale viene chiamata semplicemente rotazione destra e sinistra. Come per il movimento rotatorio, anche il movimento traslatorio di un segmento si può muovere nelle due direzioni e nelle tre dimensioni. Sempre per convenzione, il movimento lineare di un segmento sull’asse X trasverso viene considerato positivo a dx e negativo a sx, sull’asse Y longitudinale positivo verso l’alto e negativo in basso, sull’asse Z sagittale positivo in avanti e negativo indietro.

Grandezza (ampiezza) dello spostamento

La grandezza, o ampiezza, di movimento di rotazione può essere espressa in gradi o in radianti. Un radiante è letteralmente il rapporto tra un arco e il raggio del suo cerchio.

ROM (Range of Motion): L’ampiezza di movimento rotatorio consentita ad un’articolazione viene definita range of motion. Lo strumento utilizzato per calcolare il ROM è il goniometro, che usa come unità di misura i gradi (°).

Tasso di spostamento

Importante quanto le altre variabili, consiste nel movimento per l’unità di tempo.

• Velocità scalare: Lo spostamento nell’unità di tempo senza considerare la direzione.
• Velocità vettoriale: Lo spostamento nell’unità di tempo in una data direzione.
• Se la velocità cambia nel tempo, il cambiamento di velocità nell’unità di tempo è accelerazione.

La velocità viene espressa in metri al secondo. L’accelerazione in metri al secondo quadrato. La velocità angolare in gradi al secondo. L’accelerazione angolare in gradi al secondo quadrato.

Forza

Le forze esterne possono sia facilitare che contrastare un movimento. Le forze interne generalmente sono quelle che si occupano di far cominciare un movimento. Tuttavia, dovrebbe essere evidente che anche le forze interne controllano o neutralizzano il movimento prodotto da forze esterne, oltre a contrastare altre forze interne.

Vettori di forza

La forza di gravità è una delle forze più consistenti ad agire sulla postura e sul movimento del corpo umano. Essendo una grandezza vettoriale, può essere descritta sempre tramite punto di applicazione, direzione-orientamento-linea d’azione, intensità. Diversamente dalle altre forze, che possono agire su un singolo punto, o un’area di contatto, la gravità agisce su ogni unità di massa che compone un oggetto. Per convenzione, consideriamo la gravità su un oggetto applicata al suo centro di massa (CoM), centro di gravità (CoG).

Il centro di massa è il punto in cui viene concentrata tutta la massa di un oggetto o di un segmento. Ogni oggetto, o segmento, ha un singolo centro di massa. In un oggetto simmetrico il CoM si trova nel centro geometrico dell’oggetto stesso. In un oggetto asimmetrico, il CoM sarà posizionato verso l’estremità più pesante perché la massa deve essere distribuita uniformemente attorno al CoM. Il CoM in realtà è un punto ipotetico, perché può non giacere all’interno dell’oggetto su cui viene applicata la forza. Il centro di massa di un oggetto può essere approssimato pensando al centro di massa come il punto di equilibrio dell’oggetto (supponendo che si possa bilanciare l’oggetto su un dito).

Centro di massa

Quando tutti i segmenti del corpo sono in relazione fra loro e considerati come un unico oggetto rigido, in posizione anatomica, il centro di massa del corpo umano si trova approssimativamente anteriore alla seconda vertebra sacrale. La quantità di cambiamento nella posizione del CoM dipende da quando i segmenti cambiano la loro distribuzione dei pesi durante la riorganizzazione conseguente al movimento.

In condizioni “ideali”, la linea di gravità che origina dal baricentro è parallela al tronco e agli arti e cade al centro della base (poligono) d’appoggio.

Stabilità

Se la linea di gravità di un corpo si trova dentro il perimetro del poligono d’appoggio, il corpo, a prescindere dalla sua posizione nello spazio, è stabile e non cade. L’altezza del baricentro da terra e la posizione dei segmenti del corpo determinano la grandezza del poligono d’appoggio. Un baricentro basso, che può essere dovuto ad una bassa statura della persona o alla divaricazione degli arti inferiori per esempio, comporta una base d’appoggio più ampia e quindi consente di compiere molti movimenti in sicurezza. Viceversa, movimenti che alzano il baricentro diminuiscono la base d’appoggio, ne intaccano la stabilità. Un’altra cosa che può alterare la stabilità di un corpo sono le variazioni di massa applicate su di esso. Infatti, il CoM dipende dalla distribuzione dei pesi del corpo ma se ulteriori pesi vengono aggiunti o tolti bisogna trovare un nuovo equilibrio.

Statica e dinamica

Se le forze che agiscono su un segmento sono bilanciate (stato di equilibrio), il segmento rimarrà in stato di quiete o di moto uniforme. Lo sbilanciamento delle forze provoca una reazione. La statica è lo studio delle condizioni tali per cui gli oggetti mantengono lo stato di quiete. La dinamica è lo studio delle condizioni che portano gli oggetti al movimento.

Inerzia

La legge di inerzia, la prima legge di Newton, identifica le condizioni dello stato di equilibrio di un oggetto. L’inerzia è la capacità di un oggetto di resistere sia all’avvio di movimento, sia al cambiamento del movimento in corso, ed è direttamente proporzionale alla massa dell’oggetto stesso. Un oggetto rimarrà nel suo stato di quiete o moto uniforme finché non viene disturbato da una forza non bilanciata. Un oggetto su cui agiscono forze bilanciate rimane in equilibrio statico. La velocità vettoriale di un oggetto in equilibrio può avere qualsiasi valore ≥ 0. Se la velocità è > di 0, l’oggetto è in continuo movimento a velocità costante (equilibrio dinamico). L’equilibrio dinamico non è molto frequente nel corpo umano.

Accelerazione

La legge dell’accelerazione (seconda legge di Newton) afferma che l’accelerazione di un oggetto è proporzionale alla risultante non bilanciata delle forze che agiscono su quell’oggetto ed è inversamente proporzionale alla massa dell’oggetto. Un oggetto su cui agisce una rete non bilanciata di forze è invariabilmente in movimento dinamico. L’inerzia quindi non è altro che la capacità di un oggetto di resistere all’accelerazione ed è proporzionale alla massa dell’oggetto.

Sistema lineare di forze

Un sistema lineare di forze esiste se due o più forze agiscono sullo stesso oggetto, sullo stesso piano, nella stessa direzione. Le forze si intenderanno come positive o negative seguendo la stessa convenzione del movimento lineare.

Il complesso gamba+piede e il peso applicato al piede compongono un sistema lineare di forze che allontanano la gamba dalla coscia. Una rete di forze che allontana un segmento osseo da un altro ad esso adiacente è nota come forza di distrazione. L’articolazione del ginocchio rimane stabilita grazie alle caratteristiche istologiche e recettoriali (Golgi) delle strutture che la compongono, capsula e legamenti – possono solo “tirare”. Se i vettori, in un sistema di forze, invece che essere complanari, estendendoli si intersecano, allora non si tratta più di un sistema lineare ma di un sistema di forze simultanee (concorrenti).

Azione - reazione

Quando un oggetto entra in contatto con un altro oggetto ed applica ad esso un foro, il secondo oggetto deve rispondere simultaneamente con una forza di uguale grandezza e di verso opposto (terza legge di Newton). Le forze applicate di due oggetti sono una coppia di interazione e si possono definire anche forze di azione-reazione. Il concetto di forze e reazione è fondamentale per il nostro lavoro.

Forze di tensione

La “tensione” di una capsula articolare è data da almeno due forze opposte (ognuna delle quali è una forza di tensione). Ogni coppia di oggetti, tra cui vi siano forze di tensione in atto, raggiunge un equilibrio, di forze uguali e contrarie di verso, che rimane tale finché non si superano le priorità strutturali di un oggetto di sopportare la tensione.

Distrazione articolare

Se il sistema di forze che agisce sull’articolazione non è bilanciato, i segmenti ossei si allontanano fra loro: distrazione articolare. Una forza risultante da un sistema non bilanciato che allontana due segmenti ossei può essere definita forza di distrazione articolare. È diretta lontano dalla superficie alla quale viene applicata, è perpendicolare alla superficie articolare, conduce alla separazione dei segmenti. La distrazione articolare può verificarsi solo quando l’accelerazione di un segmento è inferiore (o in direzione opposta a) all’accelerazione del segmento adiacente, con conseguente separazione delle superfici articolari.

Forze di compressione e reazione delle articolazioni

Quando due segmenti vengono spinti l’uno verso l’altro ed entrano a contatto, le risultanti forze di reazione (di contatto) possono essere definite come forze di compressione. Le forze che generano quelle di reazione sono le forze di compressione, che sono fondamentalmente il contrario delle forze di distrazione. Esempio semplificato di forze di tensione e compressione sull’articolazione del ginocchio. Finché le forze di compressione e distrazione di un’articolazione sono in equilibrio, e posto che tutte le forze siano perpendicolari alla superficie articolare, i legamenti e la capsula articolare non sono generalmente in tensione. L’equilibrio fra queste forze fa sì che i segmenti ossei contigui non si danneggino.

Attrito e scivolamento

Quando due superfici articolari entrano in contatto esiste una potenziale forza di attrito sulle superfici. La forza di attrito avrà una sua intensità, ma solo se sono presenti delle concomitanti forze di scivolamento sulle superfici articolari.

Una forza di scivolamento (o di taglio) è una qualsiasi forza parallela alle superfici di contatto, con una linea d’azione nella direzione di movimento voluto. Possiamo considerare la forza di attrito come un caso particolare di forza di scivolamento con verso opposto. L’intensità della forza di attrito non può mai superare l’intensità della forza di scivolamento. L’attrito può opporsi al movimento, ma non può creare movimento. Una volta superata la forza di inerzia, l’oggetto su cui abbiamo applicato la forza di scivolamento si muoverà, con una forza d’attrito cinetico costante.

Momento di forza

Quando ad un oggetto senza vincoli viene applicata una forza che non passa dal suo centro di massa, il risultato sarà un movimento combinato di rotazione e traslazione. Per passare da un moto rotatorio puro è necessario applicare una forza di uguale grandezza e con verso opposto in un altro punto dell’oggetto in movimento e parallelamente ad esso. In questo modo i due movimenti traslatori si annullano.