7._vjezba-sile reakcije podloge
TRANSCRIPT
20.12.2008
1
Sile reakcije podloge
Mr. Sc. Mario Kasović
Kineziološki fakultet Sveučilišta u Zagrebu
Vježba Vježba 77. . GRFGRF
Pregled
Uvod
Sila reakcije podloge
Centar pritiska
A/D pretvorba
Mjerni pretvornici sile
Rastezne mjerne trake
Piezoelektrični pretvornici
Primjena GRF
Pregled istraživanja
Sile reakcije podloge / 2008.
Mjerenje kinetičkih veličina
Mjerenje reakcijske sile podloge
Mjerenje raspodjele tlaka između tijela i podloge
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
2
Uvod
Za svaku akciju, prema 3. Newtonovom zakonu ili Zakonu akcije i reakcije, postoji jednaka akcija suprotnog smjera.
Zahvaljujući gravitacijskoj sili, kontinuirano održavamo kontakt sa podlogom.
U tom procesu pojavljuje se određena interakcija između tijela i podloge.
Sile reakcije podloge / 2008.
Uvod
Ta sila reakcije nastala interakcijom tijela sa podlogom zove se sila reakcije podloge (ground reaction
force GRF).
GRF zajedno sa masom predstavlja važnu silu koja izvana djeluje na tijelo.
Instrument za detekciju i registraciju GRF naziva se ploča za mjerenje sila (force-plate).
Sile reakcije podloge / 2008.
Uvod
Slika 1a prikazuje oblik platforme gdje Z os predstavlja vertikalnu smjer.
Na slici 1b prikazana je interakcija tijela preko stopala sa podlogom te djelovanje vektora sile reakcije manjoj površini.
Sile reakcije podloge / 2008.
Slika 1a i 1b.
20.12.2008
3
Uvod
Obično platforme imaju ugrađena 4 tri-axialna senzora za mjerenje sile (slika 1c). Senzori takvog tipa mjere djelovanje sile između stopala i podloge u 3 smjera ili osi: transverzalna (x), anteroposteriorna (y) i vertikalna (z) os.
Na slici 1c prikazana su 4 vektora reakcije sile mjerena ugrađenim senzorima.
Sile reakcije podloge / 2008.
Slika 1c.
Uvod
Ukupan zbroj svih akcija podloge jednak je sumi svih 4 sila (F1,F2, F3 i F4) mjerenih senzorima.
Sile reakcije podloge / 2008.
Slika 1b i 1c.
=
Uvod
Slika 1d prikazuje jednu silu F koja predstavlja sumu svih sila (F1+F2+F3+F4) i točku centar pritiska Tz. F predstavlja silu reakcije podloge koja ima tri komponente: Fx, Fy i Fz. Fy pripada smjeru u kojem se tijelo kreće. Fz uvijek potiskuje tijelo prema gore.
To znači da se sve sile akcije između stopala i podloge mogu sažeti u jedan jedini vektor sila reakcije (F) i slobodni centar pritiska (Tz). Točka aplikacije sile reakcije podloge na platformi zove se centar pritiska (CP). Tz ima samo vertikalnu (Z) komponentu.
Sile reakcije podloge / 2008.
Slika 1d.
20.12.2008
4
Mjerni pretvornici sile
Najčešća tehnička rješenja mjernih pretvornika sile i momenta sile:
piezoelektrični pretvornicirastezne mjerne trake
Sile reakcije podloge / 2008.
Različite izvedbe piezoelektričnih pretvornika
Jednokomponentni mjerni pretvornik.
Ima mogućnost mjerenja samo Fz komponente sile reakcije podloge.
Sile reakcije podloge / 2008.
Različite izvedbe piezoelektričnih pretvornika
Trokomponentni mjerni pretvornik.
Ima mogućnost mjerenja tri komponente sile reakcije podloge Fx, Fy i Fz, .
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
5
Specifications Type 9281C
Model lightweight construction
Calibration calibrated
Measuring Range
Fx, Fy
kN ±10
Fz kN -10...20
Sensitivity Fx, Fy
pC/N -7.5
Fz pC/N -3.8
Natural Frequency
fnx, fny, fnz
kHz ≈1
Operating temperature range
°C 0...60
Length mm 600
Width mm 400
Height mm 100
Connection Fischer 9 pol. neg.
Sealing IP65
Mass kg 16
Sile reakcije podloge / 2008.
Specifications Type 9287B
Model large
Calibration calibrated
Measuring Range
Fx, Fy kN ±10
Fz kN -10...20
Sensitivity Fx, Fy pC/N -7.5
Fz pC/N -3.8
Natural Frequency
fnx, fny kHz ≈0.75
fnz kHz ≈0.52
Operating temperature range
°C 0...60
Length mm 900
Width mm 600
Height mm 100
Connection Fischer 9 pol. neg.
Sealing IP65
Mass kg 25
Sile reakcije podloge / 2008.
Specifications Type 9285
Model Glass plate
Calibration calibrated
Measuring Range
Fx, Fy kN ±2.5
Fz kN 0...5
Sensitivity Fx, Fy pC/N -7.4
Fz pC/N -3.8
Natural Frequency
fnx, fny kHz ≈0.3
fnz kHz ≈0.5
Operating temperature range
°C -20...50
Length mm 600
Width mm 400
Height mm 150
Connection Fischer 9 pol. neg.
Sealing IP65
Mass kg 45
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
6
Specifications Type 9286A
Model mobile
Calibration calibrated
Measuring Range
Fx, Fy kN ±2.5
Fz kN 0...10
Sensitivity Fx, Fy pC/N -7.8
Fz pC/N -3.5
Natural Frequency
fnx, fny kHz ≈0.35
fnz kHz ≈0.2
Operating temperature range
°C 0...60
Length mm 600
Width mm 400
Height mm 35
Connection Fischer 9 pol. neg.
Sealing IP63
Mass kg 17.5
Sile reakcije podloge / 2008.
Uvod
Slika 2 prikazuje tipičan mjerni sustav za mjerenje sila reakcije podloge povezan sa kinematičkim sustavom. Platforma je smještena u razini podloge.
Na slici 3 prikazan je shematski prikaz sustava. Signali registrirani na platformi prvo se pojačavaju u pojačalu (AMP). Slijedeća faza je pretvorba iz analognog oblika u digitalni oblik u A/D pretvorniku.
Sile reakcije podloge / 2008.
Slika 2.
Slika 3.
Drugi oblici izvedbe platforme
GRF platforma "Emed" proizvođača Novel. Na slici je prikazana ugrađena u razinu podloge. Sadrži 6,080 mjernih pretvornika sila. Svaki pojedini senzor pokriva površinu 0,25 cm2 i ima mogućnost registriranja pritiska od 0 do 127 N/cm2.
Frekvencija uzorkovanja iznosi 50 uzoraka u sekundi..
Sile reakcije podloge / 2008.
www.novel.de
20.12.2008
7
Uvod
Upotrebom softwarea moguće je studirati vrh pritiska, integral pritiska, maksimalnu silu pritiska različitih dijelova stopala.
Sile reakcije podloge / 2008.
Sile reakcije podloge / 2008.
Matrični senzorski uložak za obuću za mjerenje raspodjele tlaka – otpornički princip rada
Uvod
Raspodjela tlaka na podlogu pri zdravom hodu u obući
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
8
Sile reakcije podloge / 2008.
Sile reakcije podloge / 2008.
GripTM sustav
GripTM SytemTactile Grip Force and Pressure Measurement
Primjenjivost ovog sustava je u ergonomiji i designu.
Ergonomija: studije vibracije, sindrom carpalnog tunela, otežano dizanje
Design: sportska primjena, baseball (bacanje), golf (držanje palice), tenis (držanje reketa), robotika
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
9
Platforma za mjerenje sila kao trenažni sustav
Golf Instruction using the Force Plate
Creates a slight draw. Good swing path, inside out. This is the form you want a student to
achieve.
Explodes hips toward ball trapping club back. Pushes ball to the right.
Swing plane outside in. Weight from Right toe to Left heel.
Weight transfer in line with ball flight. Some times a good hit, some times a push. Compensating move creates a duck hook.
Hits the ball well, but loses some to right. Loses power because head is down. Has to make a compensating move to stay in balance.
All weight on left foot then reverses back to right. Result is very poor swing.
All weight on Right foot, NO transfer.
Weight on Right Heel then quickly to Left heel. Lack of balance causes left heel to “Spin”.
Sile reakcije podloge / 2008.
Primjena
Sile reakcije podloge / 2008.
Primjena:
• Motori
• Vehicles
• Manufacturing
• Plastics Processing
• Biomechanics
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
10
Primjena mjernih pretvornika sile
Industrial measuring systems increase efficiency and safety.
Increase in productivity with existing resources.
Product testing – an indispensable part of quality assurance.
Measurement of wheel forces shortens development times.
Passive vehicle safety can be measured.
Gait analysis for optimizing rehabilitation.
Road damage can be reduced.
Simulations prevent the destruction of expensivecomponents.
Sile reakcije podloge / 2008.
Sportska i klinička primjena biomehaničkih istraživanja
Područje interesa:
Sportski trening - mogućnost objektivizacije praćenja uspješnosti trenažnog procesa te optimizacija treninga,
Klinička primjena - objektivizacija stanja pacijenta i mogućnost objektivizacije pračenja uspješnosti rehabilitacijskih procesa.
Suradnja sa: Medicinskim fakultetom, Fakultetom
elektrotehnike i računarstva, Strojarskim fakultetom...
Sile reakcije podloge / 2008.
Pregled istraživanja
Nogomet
Proučava se:
eksplozivna snage donjih ekstremiteta
propriocepcija - Kinematika
umor muskulature
Testovi skočnosti - vertikalni skok
Counter Movement test
Sargentov test
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
11
Najčešće proučavani motorički zadaci
Hod
Stoj na jednoj nozi
Vertikalni skok na jednoj nozi
Doskok sa 20 cm na jednu nogu
Doskok sa 40 cm na jednu nogu
1.
2.
3.
4.
5.
Sile reakcije podloge / 2008.
Istraživanja
Kinetički (GRF) signali koljenog zgloba prije i nakon umaranja.
Sila reakcije podloge [1055]
vertikalne sile pri doskoku desnom nogom
vrijeme
sila
[N]
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Sile reakcije podloge [1055]
vertikalne sile pri doskoku desnom nogom
vrijeme
sila
[N]
-200
200
600
1000
1400
1800
2200
2600
3000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Sile reakcije podloge / 2008.
Biomehanika u sportskom treningu
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
12
Biomehanika u sportskom treningu
Sile reakcije podloge / 2008.
Biomehanika u sportskom treningu
Sile reakcije podloge / 2008.
Biomehanika u sportskom treningu
OMJER MAKSIMAL�E SILE (VERIKAL�I SKOK LIJEVOM �OGOM)
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
DRD
I
TOAN
BAIG
KO
IG
CO
IV
LEJE
JUM
A
MA
MA
AG
JA
BU
TO
CE
BO
SM
DA
KW
PA
BO
SP
PO
KR
SE
GO
LAIV
ZADA
KRN
I
PE
VL
ME
EN
OMJER MAKSIMALNE SILE (VERIKALNI SKOK DESNOM NOGOM) I TEŽINE
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
DR
DI
TOA
N
BA
IG
KO
IG
CO
IV
LEJE
JUM
A
MAM
A
AG
JA
BUTO
CEB
O
SM
DA
KW
PA
BO
SP
PO
KR
SEG
O
LAIV
ZAD
A
KR
NI
PEV
L
MEE
N
OMJER MAKSIMALNE SILE (SUNOŽNI SKOK) I TEŽINE
0,000,501,001,502,002,503,003,504,004,50
DR
DI
TOA
N
BA
IG
KO
IG
CO
IV
LEJE
JUM
A
MA
MA
AG
JA
BU
TO
CE
BO
SM
DA
KW
PA
BO
SP
PO
KR
SE
GO
LAIV
ZAD
A
KR
NI
PE
VL
ME
EN
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
FMAXSUNO/ATT_FW FMAXDESN/ATT_FW FMAXLIJE/ATT_FW
Omjer maksimalne sile i težine(srednje vrijednosti)
OBRANA VEZNI RED NAPAD
Nogomet
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
13
Biomehanika u sportskom treningu
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
1
51
101
151
201
251
301
351
401
451
501
551
601
651
Series1 Series2 Series3 Series4
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1 42 83 124
165
206
247
288
329
370
411
452
493
534
575
Series1 Series2 Series3 Series4
Nogomet Nogomet -- vertikalni skokvertikalni skok
napad vezni redSile reakcije podloge / 2008.
Biomehanika u sportskom treningu
Sile reakcije podloge / 2008.
Sile reakcije podloge / 2008.
Biomehanika u sportskom treningu
20.12.2008
14
Analiza hoda
Sile reakcije podloge / 2008.
Čovječji hod je proces kretanja kod kojeg se uspravno tijelo giba prema naprijed tako da se prvo oslanja na jednu nogu, a zatim na drugu.
Hod je visoko individualiziran i različit u svakog pojedinca, što se zorno pokazuje već time da smo sposobni prepoznati neku osobu po hodu već iz daleka.
Varijacije ne ovise samo o tjelesnim razlikama između pojedinih ljudi, nego se očituju i za jednu te istu osobu, ovisno o vrsti obuće, o umoru, o trenutačnom raspoloženju i drugim parametrima.
Analiza hoda
Sile reakcije podloge / 2008.
Analiza hoda
Okomita sila
-20
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90% ciklusa
% te
žine
Medio-lateralna sila
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90% ciklusa
% te
žine
Medijalno
Lateralno
Antero-posteriorna sila
-25
-20
-15-10
-50
510
1520
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90% ciklusa
% te
žin
e
Naprijed
Nazad
Sile reakcije podloge / 2008.
Kinetičke krivulje sile reakcije podloge.
Nakon udarca petom okomita sila naglo raste preuzimajući težinu tijela, a zbog siline udarca i prelazi ukupnu težinu tijela i do 20%.
Maksimalni iznos vertikalne sile prilično ovisi o mnogim faktorima hoda, pa je tako zabilježeno da se mijenja ovisno o brzini i načinu hoda, obući, kompenzacijskim mehanizmima pri hodu kao što su izbjegavanje opterećenja bolne noge.
Okomita sila i njezin gradijent u pravilu se povećavaju s brzinom hoda, a trajanje se smanjuje.
20.12.2008
15
Reakcijska sila podloge pri hodu (gore) i trčanju različitim tehnikama (sredina i dolje), pri različitim brzinama
Fx – vodoravno lijevo-desnoFy – vodoravno naprijed-natragFz - okomito
Primjeri
Sile reakcije podloge / 2008.
ukočeni kuk zdravi kuk
zdravi hod
cerebelarna ataksija
Primjeri
Sile reakcije podloge / 2008.
Vektorski dijagram zdravog hodapri 48 koraka u minuti (gore) i pri
56 koraka u minuti (dolje)
Vektorski dijagrami bolesnikas obiteljskom spastičnom paraparezom
Primjeri
Sile reakcije podloge / 2008.
20.12.2008
16
Biomehanika u kliničkoj primjeni
ProblemProblemii
Cerebralna paraliza Cerebralna paraliza -- djecadjeca
Amputacije donjih ekstremitetaAmputacije donjih ekstremiteta
Sportske povredeSportske povrede
PropriocepcijaPropriocepcija
PPomoomoćć pri odreñivanju pri odreñivanju i izborui izboru
metode sanacije povredemetode sanacije povrede
Sile reakcije podloge / 2008.
Biomehanika u kliničkoj primjeni
Cerebralna paraliza - djeca
Istraživanje patološkog hoda
Istraživanje ravnoteže
Pomoć pri odreñivanju
i izboru fizikalne terapije
Objektivni pokazatelj stanja
pacijenta
Sile reakcije podloge / 2008.
Hvala na pažnji !!!
Pauza?