Biomecanica aparatului locomotor

Biomecanica aparatului locomotor

1. Principiile mecanicii newtoniene

Principiul inertiei (Kepler): un corp isi mentine starea de repaus sau de miscare rectilinie uniforma atata timp cat asupra lui nu actioneaza alte corpuri care sa-i schimbe aceasta stare.

Dificultatea de a misca un obiect depinde atat de masa obiectului, cat si de viteza pe care dorim sa o atingem. Produsul acestor doi parametri reprezinta cantitatea de miscare sau impulsul (p). Formula variatiei impulsului este Ap = m x Av, unde m = masa corpului, Av = variatia vitezei, respectiv v_finala -

^vinitiala⁾

Forta este cauza modificarii starii de repaus sau miscare a unui corp. Dupa efectele induse, putem vorbi despre forte statice sau dinamice.

A doua lege a lui Newton sau principiul fundamental al dinamicii: daca o forta (F) actioneaza asupra unui corp, ea imprima acestuia o acceleratie (a), a carei marime este proportionala cu forta, avand aceeasi directie si acelasi sens (F = m x a). Unitatea de masura este Newtonul (N); un newton este egal cu

marimea fortei care aplicata unui corp cu masa de 1 kg ii imprima acestuia o acceleratie de 1 m/s². In kinetologie se foloseste si unitatea de masura pentru forta de kilogram forta (1 kgf = 9,81 N).

Forta este egala cu variatia impulsului raportata la intervalul de timp. Rezulta deci ca miscarea corpului depinde nu numai de forta aplicata asupra lui, ci si de durata de aplicare a acestei forte. Impulsul este marimea fizica ce arata efectul fortei aplicate in timp (p = F x t).

Principiul actiunii si reactiunii: daca un corp actioneaza asupra altui corp cu o forta, numita actiune, cel de-al doilea corp actioneaza asupra primului cu o forta egala in modul si opusa ca sens, numita reactiune (Ex: daca facem o saritura am exercitat o forta -actiune asupra solului-, iar acesta va raspunde cu o reactiune).

Caracteristicile unei forte

Forta este un vector si are: marime, directie, sens, punct de aplicatie. O forta este reprezentata printr-o sageata care indica directia si sensul ei de actiune si cateodata si marimea ei. Ca orice vectori, fortele pot fi compuse sau descompuse. Daca doua sau mai multe forte actioneaza simultan asupra unui punct material, efectul lor asupra acelui punct este acelasi cu al unei forte unice, numite rezultanta lor. Descompunerea unei forte se realizeaza invers compunerii sale. Este intotdeauna posibil sa inlocuim o forta prin doua componente care produc acelasi efect.

Asupra oricarui sistem pot actiona forte externe (din exteriorul sistemului) si forte interne (din interiorul sistemului).

>  Fortele externe - sunt fortele ce actioneaza asupra unui sistem din exteriorul sistemului; cele de care se tine cont in activitatea fizica sunt: gravitatia, reactia solului, forta de frecare, rezistenta mediului, forta de inertie.

>  Forte interne - sunt fortele ce actioneaza asupra unui sistem din interiorul sau; cele de care se tine cont in activitatea fizica sunt: forta de contact articular, fortele tendoanelor si a ligamentelor, forta musculara, presiunea intraabdominala, forta elastica.

Parghii

In fizica, parghia este o bara rigida, care se poate roti in jurul unui punct de sprijin (S) si asupra careia actioneaza: forta care trebuie invinsa (forta rezistenta - R) si forta cu ajutorul careia este invinsa forta rezistenta (forta activa - F).

Muschii actioneaza ca forte active in cadrul aparatului locomotor, producand miscarile prin deplasarea oaselor pe care se insera. Astfel, muschii si oasele alcatuiesc in biomecanica lanturi mobile, care se comporta ca sisteme complexe de parghii.

Parghiile osoase, biologice, sunt formate de doua oase vecine, articulate mobil si legate printr-un muschi. La o parghie, se disting trei elemente:

punctul de sprijin (S) sau fulcrum-ul (F) reprezinta axa biomecanica a miscarii;

forta de rezistenta (R) este data de greutatea corpului sau a segmentului care se deplaseaza si la care se poate adauga greutatea sarcinii de mobilizat; forta activa (F) este data de muschiul care realizeaza miscarea.

Dreptele perpendiculare pe vectorii forta si rezistenta si care trec prin punctul de sprijin - fulcrum

(S) reprezinta distantele directe si se brate (ale fortelor respective). Din punct mecanic, o parghie este in echilibru = R x b , unde F = - forta activa. a = R = rezistenta, b = bratul rezistentei.

Parghiile au rolul de a transmite marind eficienta ei (adica amplificarea vitezei sau deplasarii, eventual directiei miscarii sau contrabalansarea

Fig. 1. Elementele unei parghii

numesc de vedere cand: F x a bratul fortei,

miscarea, fortei, schimbarea

ei).

Parghiile de gradul I - parghii de echilibru; F

si R sunt aplicate de o parte si de alta a    axei de

rotatie si actioneaza in acelasi sens. (Ex: capul in echilibru pe coloana vertebrala)

Parghiile de gradul II - parghii de forta; F si R sunt aplicate de aceeasi parte a axei de rotatie; F este aplicata la mai mare distanta fata de axa de rot^Fatie decat R; F si R actioneaza in sensuri opuse; in general, toate miscarile in care partile distale sunt fixate in exterior folosesc avantajele parghiilor de gradul II: (Ex: ridicarea pe varfuri din stand).

Parghiile de gradul III - parghii de viteza; F si R sunt aplicate de aceeasi parte a axei de rotatie; F este aplicata mai aproape fata de axa de rotatie decat R; F si R actioneaza in sensuri opuse (Ex: flexia cotului).

Statica articulara

Importante si esentiale probleme de statica sunt la nivelul coloanei vertebrale, genunchiului, piciorului, iar in general la nivelul tuturor articulatiilor portante.

La nivelul coloanei vertebrale se doresc cunoscute: tipurile de tinuta, echilibru intrinsec si extrinsec, rolul componentelor musculare in functia statica dar si dinamica a coloanei vertebrale si evidentierea rolului discurilor intervertebrale si a ligamentelor anterioare si posterioare a coloanei vertebrale. Se impune cunoasterea axelor biomecanice de transmitere a fortelor, care pot diferi de axele anatomice.

La nivelul genunchiului se ridica problemele legate de modul de repartitie a greutatii pe cele 2 glene tibiale, de presiunile si contrapresiunile exercitate asupra platoului tibial si asupra condililor femurali, interes prezentand si parghiile formate la nivelul genunchiului si "inchise' de ligamentele colaterale.

Stabilitatea articulatiei talo-crurale trebuie inteleasa prin rolul diferit ce revin in realizarea acesteia, pe de o parte morfologiei structurilor osoase, iar pe de alta parte ligamentelor articulare. La nivelul piciorului, statica poate fi aprofundata cunoscand modul de formare si structura boltii plantare, stalpii si arcurile acesteia, modul in care arcurile sunt sustinute, precum si modul de distributie a greutatii la nivelul piciorului, facandu-se apoi distinctia din punct de vedere static si dinamic dintre antepicior si postpicior.

Biodinamica articulara survine ca un corolar dupa parcurgerea in ordine a capitolelor
osoase, articulatii, muschi si contine: miscarile posibile prin structura articulatiei, definirea axelor de
miscare pe unde trec ele si eventualele repere anatomice, definirea miscarilor la modul general si tinandu-
se cont de segmentele articulare ce se deplaseaza, amplitudinea miscarii - conditionata in principal de forma suprafetei articulare.

Analiza biomecanica a mersului

Desi obisnuita pentru om, aceasta miscare este foarte complexa, realizandu-se cu un randament maxim si cu un consum energetic minim.

Mersul, ca "bipedalism alternativ', este o miscare ciclica, realizata prin ducerea succesiva a unui picior inaintea celuilalt, fiecare dintre cele 2 membre inferioare avand pe rand functia de propulsor si de suport (exista un sprijin permanent al corpului pe sol, fie prin intermediul unui picior - perioada sprijinului unilateral - fie cu ambele picioare- perioada sprijinului bilateral). In timpul sprijinului unilateral, un picior sustine greutatea corpului si este numit picior de sprijin, iar celalalt se numeste picior oscilant sau pendulant. In mersul normal, pentru un membru, 60% din durata unui ciclu de mers este reprezentata de sprijin si 40% de balans.

Momentul in care piciorul oscilant se afla in dreptul celui de sprijin se numeste momentul verticalei si el imparte pasul in: pas posterior si pas anterior.

Unitatea functionala in mers este reprezentata de pasul dublu (ciclu de pasi) -totalitatea miscarilor efectuate intre doua sprijiniri succesive ale aceluiasi picior; el este alcatuit din 2 pasi simpli. Lungimea pasului dublu se masoara de la calcaiul primului pas la varful celui de al doilea pas, iar cea a pasului simplu de la calcaiul piciorului de contact cu solul la varful piciorului de impulsie. Numarul de pasi executati pe unitatea de timp (minut) se numeste cadenta (frecventa).

Kinematica mersului este in stransa corelatie cu consumul energetic; acesta determina aparitia oboselii in mers, fiind in raport de proportionalitate directa cu amplitudinea miscarilor centrului de greutate pe verticala si pe orizontala.

Miscarile determinante ale mersului sunt: rotatia pelvisului, inclinarea pelvisului, flexia genunchiului, miscarea piciorului, deplasarea laterala a pelvisului. Desigur ca in mers se produc si alte miscari, ale trunchiului, capului, balansul bratelor, dar acestea nu determina kinematica mersului, ci doar o urmeaza.

In functie de momentele de sprijin si balans se disting 4 faze ale mersului (in fiecare din ele analizandu-se situatia unghiurilor articulare in care se afla ambele membre inferioare):

Faza 1: faza de amortizare compusa din contactul initial (atacul cu talonul) si incarcarea tine pana la

momentul verticalei.

Faza 2: momentul verticalei piciorului de sprijin sau sprijinul median; dureaza foarte putin; centrul de

greutate are pozitia cea mai inalta si se deplaseaza usor spre piciorul de sprijin.

Faza 3: desprinderea de pe sol a piciorului sau faza de impulsie; dureaza pana la ridicarea piciorului de

pe sol; centrul de greutate este la nivelul cel mai coborat; spre sfarsitul fazei, datorita impulsului dat de piciorul de sprijin, corpul este impins spre inainte si in sus, iar membrul de sprijin va deveni picior oscilant.

Faza 4: oscilatia sau balansarea; cunoscuta si sub denumirea de al doilea sprijin unilateral este

subimpartita in oscilatia initiala (posterioara), oscilatia de mijloc si cea terminala (anterioara).

Kinetica mersului - studiaza fortele musculare care realizeaza miscarile corpului necesare acestei activitati.