Biomeccanica - Appunti (esclusa la parte di fisica)

Definizioni di biomeccanica

Biomeccanica

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

Sistemi viventi

Si può intendere:

• L’organismo nella sua completezza (es. l’uomo)
• Parti del corpo (tessuti-organi) o liquidi-gasi contenuti nel corpo (sistemi interni dell’organismo)
• Raggruppamenti di organismi (es. 2 lottatori)

Tipologie di biomeccanica

Si possono distinguere 2 tipologie di biomeccanica:

• Micromeccanica  Va a studiare struttura e funzioni delle singole unità motorie
• Macromeccanica  Va a studiare la dinamica, cinematica e rapporti delle forze est-int che interagiscono nel movimento intoto

Biomeccanica sportiva

La biomeccanica sportiva studia il movimento dell’uomo nell’esercizio fisico. Ciò avviene applicando le leggi della meccanica alle varie parti del corpo, cioè analizzando il comportamento di tali parti quando sono sottoposte a sollecitazioni dinamiche-statiche.

In particolar modo studia ed analizza:

• Come sono distribuite le sollecitazioni ossee
• Azioni a livello articolare
• Intervento dei muscoli durante movimento e nel mantenimento postura

(Biomeccanica strettamente correlata: bioingegneria, chinesiologia, ingegneria tissutale).

Analisi del movimento

Il movimento viene analizzato da un punto di vista:

• Quantitativo (es. 6m, 3s, 2 giocatori, ecc.)  Ci dà un certo valore relativo al movimento
• Qualitativo (buono, insufficiente, lungo, pesante, ecc.)  Esprime un giudizio relativo al movimento, che ha lo scopo di portare al miglioramento della tecnica personale e delle metodiche di allenamento

Indici utilizzati dalla biomeccanica

Per la descrizione delle caratteristiche del movimento, la biomeccanica si serve di alcuni indici:

Indici cinematici

• Parametri lunghezza  Lunghezza passo, lunghezza traiettoria, accelerazione, ecc.
• Parametri spostamento  Angoli articolari, angoli di stacco, ecc.
• Suddivisione in fasi del movimento  Es. fase rincorsa, stacco, ricaduta (o atterraggio)
• Integrazione fasi con indici temporali  Utilizzare indici temporali per misurare le varie fasi del movimento (es. durata fase appoggio nel momento di stacco o salti)
• Rapporto indici di lunghezza e spostamento  Es. lunghezza penultimo e ultimo passo nel salto in lungo
• Indici velocità  Durata penultimo e ultimo passo (cioè ritmo di rincorsa o stacco)

Indici dinamici

• Indici dinamici  Sono relativi alla struttura temporale del movimento, dal punto di vista dell’andamento delle forze (forze di accelerazione, forze frenanti, momenti rotatori)
• Traiettoria accelerazione
• Impulsi forza e frenanti  Es. nel salto in lungo per produrre uno stacco esplosivo occorre una sintonia ottimale degli andamenti delle forze eccentriche e concentriche della fase di ammortizzazione e distacco
• Coordinazione impulsi parziali  Coincidenza temporale tra tutte le accelerazioni parziali, favoriscono la somma delle singole forze
• Momenti forza rotatoria

Meccanica

Branca della fisica che analizza le azioni delle forze sulle particelle e sistemi meccanici.

Suddivisioni della meccanica

Si suddivide in:

• Statica  Studia l’oggetto in quiete (non in movimento), in particolar modo, lo studio è rivolto alle forze che agiscono sull’oggetto, che risultano in equilibrio tra loro e che quindi sono responsabili dell’equilibrio dell’oggetto.
• Dinamica  Studia la relazione tra movimento e cause che lo producono (o modificano).
• Cinematica  Descrive il movimento dei corpi (quindi i moti), senza occuparsi delle cause che lo provocano.

Cinetica

Studia l’azione delle forze associate al movimento (come le forze agiscono sul movimento).

Fattori antropometrici

Sono quei fattori relativi alle dimensioni e peso dei segmenti corporei, che influiscono sul movimento.

Forme di movimento

La maggior parte dei movimenti compiuti dall’uomo, sono una combinazione complessa di movimenti angolari e movimenti lineari.

Movimento lineare  Movimento lungo una linea. Se linea diritta  Moto rettilineo. Se linea curva  Moto curvilineo.

Movimento angolare  Movimento attorno ad un asse di rotazione.

La combinazione di questi movimenti, determina il movimento generale, che possiamo definire come la combinazione della traslazione e rotazione.

Sistema locomotore

Il sistema locomotore è costituito da: muscoli, tendini, ossa, cartilagini, i quali cooperano al fine di produrre movimento e resistere alla gravità.

Queste funzioni possono essere realizzate grazie al lavoro prodotto dai muscoli, i quali trasformano energia chimica (ATP) in energia meccanica. Il lavoro prodotto viene applicato sui segmenti ossei, traducendosi in un movimento del corpo o più in generale il movimento di alcune parti del corpo rispetto all’ambiente.

Componenti del sistema locomotore

Muscoli scheletrici: Grazie alla loro capacità di trasdurre energia chimica in energia meccanica e calore, rappresentano il motore del sistema locomotore.

Nella contrazione, i muscoli hanno la capacità di esprimere una forza per unità di superficie muscolare nell’ordine di 5-8 kg/cm².

Capacità di adattamento muscolare  I muscoli, sottoposti a continui stimoli, danno luogo a fenomeni di adattamento a tali stimoli che vanno dal miglioramento del tono muscolare all’ipertrofia muscolare con aumento considerevole della forza in tutte le sue espressioni (forza esplosiva, forza massima, forza resistente, ecc).

Tendini

Hanno il compito di trasferire le forze muscolari alle ossa in determinati punti di inserzione.

Ossa

Dotate di notevole dinamicità, e quindi soggette a notevoli cambiamenti nel corso della vita del soggetto. Questi cambiamenti sono: cambiamento di forma, percentuale di costituenti, proprietà meccaniche.

L’esercizio fisico favorisce positivamente tali cambiamenti, è infatti noto che una persona che si sottopone a intensa attività muscolare, oltre ad aumentare la propria massa muscolare e la forza dei propri muscoli, irrobustisce anche le ossa.

L’osso risulta molto leggero ma allo stesso tempo molto resistente  Ciò è garantito dalla sua architettura interna.

Tipologia delle ossa

Quasi tutto il tessuto osseo dell’adulto è composto da un tessuto osseo lamellare, cioè la matrice extracellulare mineralizzata viene prodotta e organizzata dagli osteoblasti sotto forma di sottilissime lamine che si applicano le une alle altre imprigionando tra di esse gli osteoblasti stessi che diventando quiescenti, trasformandosi in osteociti. Una simile disposizione lamellare permette di sopportare al meglio le sollecitazioni meccaniche di carico. Le fibre di collagene sono disposte parallele tra loro ma oblique rispetto alle lamelle.

Il tessuto osseo lamellare può essere:

• Compatto  Le lamelle vengono organizzate a strati ad andamento circolare attorno ad un canale, detto canale di Havers, contenente vasi sanguigni e nervi. Questo tipo di disposizione determina una grande resistenza alle compressioni lungo l’asse longitudinale di un osso lungo, ma una scarsa resistenza alle forze applicate lungo assi diversi, che possono quindi facilmente causare fratture.
• Spugnoso  È formato da pacchetti di lamelle sovrapposte anastomizzate e ramificate tra loro, che prendono il nome di trabecole. Tale disposizione costituisce un’impalcatura tridimensionale ricca di spazi comunicanti in cui è presente porzioni di midollo osseo emopoietico (sangue midollare). La presenza di cavità conferisce a questo tipo di osso maggiore leggerezza rispetto all’osso compatto e l’orientamento in tutte le direzioni delle trabecole aumenta notevolmente la resistenza a forze di compressione e di trazione provenienti da più direzioni.

Articolazioni

Costituiscono le giunture tra i segmenti dello scheletro e ne permettono la connessione stabile. Le articolazioni sono responsabili del movimento ed hanno un ruolo primario nella trasmissione delle forze e sono coinvolte nell’accrescimento.

Ossa: Legge di Wolf

"Ogni cambiamento di forma e funzione di un osso o solamente della sua funzione è seguito da alcune modifiche definitive nella sua architettura interna, e altrettanto precisa alterazione secondaria nella loro conformazione esterna”.

La forma di un osso è data dal loro spostamento (o posizione) in direzioni delle forze applicate. L’accrescimento o riduzione della loro massa è dovuta all’intensità delle forze applicate. La grande capacità di adattamento dell’osso, gli permette di rimodellarsi (alterando dimensioni, forma, struttura) a seconda delle sollecitazioni meccaniche alle quali è sottoposto.

Conseguenze della legge di Wolf in condizioni di:

• Attività fisica  Le ossa per poter crescere, hanno bisogno di sollecitazioni meccaniche e forze. L’attività fisica permette di sviluppare e mantenere l’integrità delle ossa e forza.
• Inattività fisica  Può essere sperimentata ad esempio nel soggetto allettato, producendo gli stessi effetti che si hanno in un volo spaziale, cioè in assenza di gravità: significativa perdita di massa ossea in tempi brevi quindi ossa meno resistenti, diminuzione lunghezza ossa, diminuzione sezione trasversale osso compatto, rallentamento formazione ossea.

Considerazioni muscolari del movimento

Proprietà delle unità muscolo-tendinee, comuni a tutte le tipologie di muscoli (cardiaco, liscio, scheletrico):

• Estensibilità  Capacità di estendersi (aumentare lunghezza).
• Elasticità  Capacità di ritornare alla lunghezza normale dopo aver subito un’estensione. L’elasticità è determinata da componenti elastiche che a seconda della loro posizione rispetto alla fibra muscolare (componente contrattile) vengono definite:
• Componente elastica parallela  È la membrana muscolare la quale risulta in parallelo rispetto alle fibre muscolari e fornisce forza quando il muscolo è allungato passivamente.
• Componente elastica in serie  È data dal tendine, il quale risulta in serie alla fibra muscolare e agisce come una molla quando il muscolo viene stirato.
• Eccitabilità  Capacità di rispondere ad uno stimolo che può essere:
• Elettrochimico  Potenziale d'azione
• Meccanico  Es. colpo esterno con martello sul tendine rotuleo
• Abilità di sviluppare tensione muscolare  Quando il muscolo viene attivato da uno stimolo è capace di sviluppare tensione.

Ruolo dei muscoli

Quasi tutti i movimenti avvengono per azione sinergica di diversi muscoli, alcuni dei quali sono direttamente responsabili del movimento, mentre i restanti svolgono una funzione stabilizzatrice o neutralizzatrice di movimenti indesiderati. In funzione del ruolo svolto durante il movimento si distinguono:

• Motori agonisti (primari): Sono quelli direttamente responsabili del movimento e del suo mantenimento (es. estensione gamba su coscia  agonista = muscolo quadricipite). Possono produrre una contrazione: concentrica, eccentrica, isometrica. Questi muscoli sono coadiuvati nel movimento da muscoli sinergici.
• Antagonisti: Svolgono il movimento opposto a quello svolto dai muscoli agonisti. Essi modulano la velocità del movimento e intervengono nella fase eccentrica di un muscolo motore agonista, per controllare il movimento dello stesso (es. estensione gamba su coscia  antagonista = muscolo bicipite femorale, semitendinoso, semimembranoso, glutei). Il ruolo di contrarsi per rallentare-controllare il movimento dell’arto quando è allungato, lo sottopone ad una maggior possibilità di danno.
• Sinergici: Partecipano al movimento di cui i muscoli motori primari sono direttamente responsabili, in maniera marginale o solo in specifiche condizioni. Possono essere:

• Stabilizzatori: Intervengono nei movimenti stabilizzando l’articolazione. I muscoli che intervengono per espletare questa funzione svolgono movimento opposto (es. muscoli che fissano la scapola, quando il braccio si muove).
• Neutralizzatori: Agiscono nel movimento per prevenire azioni indesiderate (es. se è necessario un movimento di flessione, ma il muscolo motore primario responsabile di questo movimento, oltre che flessore è anche abduttore, l’intervento di un muscolo adduttore neutralizzerà il movimento non desiderato, favorendo solo quello di flessione) – Aggiungere forza al movimento per renderlo più raffinato.

Muscoli scheletrici

I muscoli scheletrici sono organi formati da una parte contrattile (ventre) e dai tendini, con i quali si inseriscono sulle ossa.

Gli elementi cellulari che costituiscono il muscolo scheletrico prendono il nome di fibre muscolari. Ogni fibra è circondata da un sottile strato di tessuto connettivo lasso detto endomisio, che contiene capillari sanguigni e fibre nervose. L’endomisio separa le varie fibre (cellule) muscolari e costituisce la sede degli scambi metabolici con il sangue.

Più fibre si raccolgono a formare un fascetto muscolare, avvolto da uno strato di connettivo detto perimisio. L’intero muscolo è ricoperto da una guaina connettivale ricca di fibre elastiche che riveste la superficie del muscolo e viene detta epimisio.

La sua fisiologia e dimensione si modifica rapidamente durante l’infanzia e raggiunge il massimo tra i 20 e 30 anni di età e dopo, gradualmente, perde, con gli anni, la sua capacità funzionale.

Tendini

Sono di colore biancastro, hanno forma di cordone e le loro dimensioni variano nei diversi muscoli. Sono formati internamente da tessuto connettivo fibroso, costituito da fibre di collagene parallele tra loro e da fibroblasti che prendono il nome di tenociti.

Esternamente i tendini sono avvolti da una lamina connettivale, detta guaina peritendinea esterna, rivestita in superficie da un sottile strato di connettivo lasso, il peritenonio, il quale aderendo alle strutture vicine, facilita il movimento del tendine.

Sempre dalla guaina peritendinea esterna si dipartono, penetrando nel tendine, sottili sepimenti (setti fibrotici di natura lassa) i quali andranno a circondare i gruppi di fibre di collagene e connettivale tenociti, costituendo la guaina peritendinea interna.

Giunzione muscolo-tendinea

L’endomisio, perimisio e epimisio si fondono tra loro e si continuano nel tessuto connettivo fibroso del tendine. Il sarcolemma della fibra muscolare, in corrispondenza della giunzione con il tendine, presenta delle introflessioni nelle quali penetrano le fibre di collagene del tendine, che vanno a connettersi saldamente al sarcolemma attraverso micro fibrille giunzionali. La guaina peritendinea esterna del tendine, si continua con il connettivo del muscolo (perimisio).

In questo modo, quando le fibre muscolari contratte tirano le guaine del tessuto connettivo, trasmettono la forza alle ossa, che vengono spostate.

Giunzione osso-tendinea

In prossimità della giunzione con il segmento osseo, la guaina peritendinea esterna, si continua con il periostio.

Forza muscolare

È influenzata dalle dimensione e struttura del muscolo. In particolar modo essa è influenzata da diversi fattori come:

• Spessore muscolo (circonferenza)
• Età (diminuisce con l’età)
• Disposizione delle fibre muscolari  L’azione che ciascun muscolo svolge dipende (in parte) proprio dalla disposizione delle fibre. In base alla disposizione delle fibre muscolari possiamo distinguere:

Tipologie di muscoli in base alla disposizione delle fibre

• Muscoli a fibre circolari (sfintere)  Es. i muscoli circolari come lo sfintere anale, i quali presentano delle fibre che si dispongono a circondare un’apertura, regolandone il diametro.
• Muscoli a fibre parallele (img.pag.53 anatomia II)  Sono in genere lunghi e sottili, sviluppano una forza di contrazione piuttosto bassa, ma rispetto ai muscoli pennati presentano una disposizione tale da consentire l’accorciamento di tutto il muscolo, determinando anche movimenti di grande ampiezza e velocità di contrazione maggiore.
• Quadrilateri (es. pronatore quadrato)
• Nastriformi: (es. muscolo retto addome)
• Fusiformi: (es. muscolo brachiale)

Nella maggior parte dei muscoli a fibre parallele, ci sono delle fibre che non si estendono per tutta la lunghezza del muscolo, ma terminano in qualche parte del ventre muscolare. Queste fibre hanno una funzione strutturale che provvedono a formare interconnessioni con le fibre vicine in molti punti, consentendo la distribuzione di tensione quando la fibra viene stimolata.

• Muscoli a fibre oblique (img.pag.53 anatomia II)  Permettono di sviluppare forze di contrazione elevate ma in genere determinano movimenti di ampiezza minore rispetto ai muscoli a fibre parallele, per il fatto di avere delle fibre più corte.

Possono essere a forma:

• Triangolare (es. grande pettorale)
• Pennata (img.pag.53 anatomia II)  Costituiscono la maggior parte dei muscoli scheletrici.
• Uni pennati (es. estensore lungo dita): fibre muscolari disposte obliquamente rispetto all'estensione del muscolo.