Cu o istorie de două mii de ani, biomecanica s-a constituit ca disciplină distinctă care aplică legile mecanicii, ale fizicii în general, în analiza mişcării sistemelor biologice.

Lenardo da Vinci → schi acvatic până la deltaplan.

Combinând cunoştinţele de anatomie cu cele de mecanică, da Vinci analizează în detaliu forţele musculare sinergice care acţionează asupra segmentelor, în diferite acţiuni umane: mers, săritură, ridicarea trunchiului.

Galileo Galilei spunea: ”Natura se scrie în simboluri matematice”, anticipând transcrierea fenomenelor biologice şi mecanice în expresii şi formule exacte, ce dau consistenţă studiului mişcării.

Biomecanica → “studiul forţelor care acţionează asupra organismului şi în interiorul acestuia, şi al efectelor acestora asupra dimensiunilor, formei, structurii şi mişcărilor corpului”.

“cât de înalt se poate desprinde Michael Jordan în săritură”???

răspunsul poate fi imaginat printr-un experiment biomecanic simplu: o platformă de forţă înregistrează timpul cât acţionează componenta verticală a forţei de impulsie pe sol (în momentul desprinderii). Apoi, pe baza relaţiei matematice care defineşte momentul impulsului, se poate calcula viteza verticală a centrului de greutate la desprindere şi, astfel, înălţimea săriturii.

“de ce Michael Jordan avea o detentă superioară celorlalţi subiecţi de talia lui???”

sunt necesare mai multe informaţii care conectează domeniul fiziologiei cu cel al mecanicii corpului. În mod concret, ne interesează corelarea proprietăţilor mecanice şi de “arhitectură” ale musculaturii trenului inferior, în faza de contact cu solul a săriturii. Cum? Prin modelare pe computer.

În funcţie de caracteristicile spaţiale, specialiştii divizează modelele de mişcare în:

-modele uniplanare (extrem de rare) - în care mişcarea se desfăşoară într-un singur plan;

-modele multiplanare, tridimensionale (cele mai numeroase) - în cadrul cărora coexistă: mișcări de translație, mișcări de rotație și mișcări combinate.

Mişcările segmentelor în articulaţii sunt descrise, în raport cu cele trei planuri principale ale corpului: planul sagital (plan vertical ce divizează corpul în jumătatea dreaptă şi cea stângă), planul frontal (plan vertical ce împarte corpul în jumătatea anterioară şi cea posterioară) şi planul transversal (plan orizontal ce distinge jumătatea superioară şi cea inferioară a corpului). Aceste planuri sunt repere de bază pentru mişcările umane efectuate în spaţiul tridimensional.

Axele de rotaţie sunt reprezentate de articulaţiile corpului, de diferite obiecte (vezi bara fixă) şi de linii imaginare situate între corpul executantului şi un alt corp.

În general, axa poate fi reprezentată de o linie care intersectează planul mişcării, fiind perpendiculară pe acesta.

Alţi autori clasifică modelele (pattern-urile) de mişcare în:

- postură, - locomoție, - manipulare. Aceste modele pot fi subdivizate în categorii

mai înguste, cum sunt: locomoţia pe uscat, în mediul acvatic, în aer, proiectarea corpului în aer, suspendarea sa, proiectarea unor obiecte, manipularea grosieră, fină a obiectelor etc.

modelul teoretic de analiză a mişcării porneşte de la premisa că subiectul este o individualitate, iar situaţia motrică este unică.

din acest motiv, soluţiile de optimizare a acesteia sunt condiţionate de particularităţile individului şi de contextul acţiunii.

Acest model cuprinde următoarele etape:

1. Stabilirea scopului este strict dependentă de subiect, deoarece aceeaşi acţiune (mişcare) efectuată, poate avea scopuri diferite, la subiecţi diferiţi.

Ex: un subiect cu amputaţie de gambă, care poartă proteză, doreşte să facă jogging, timp de 30 minute, în aşa fel încât mişcarea să se realizeze la fel de natural şi economic, ca cea a membrului intact;

Sau atletul amputat îşi propune să alerge cursa de 10.000 m, fără riscul unei noi accidentări.

2. Identificarea şi descrierea mişcării:

tipul de mişcare, descrierea poziţiei de start, a poziţiei finale, direcţia acţiunii în fiecare articulaţie, durata, coordonarea şi ritmul în acţiunile articulare, stabilizarea musculară sau externă necesară etc.

Mersul este format dintr-o succesiune de pasi : in analiza biomecanica a mersului se foloseste pasul dublu, compus din totalitatea miscarilor care se efectueaza intre doua sprijiniri succesive ale aceluiasi picior. Pasul dublu este unitatea functionala de miscare in timpul mersului. El se compune din doi pasi simpli si poate fi descompus pentru studiu in sase faze, din care doua, de foarte scurta durata, au fost numite momente.

Fazele pasului dublu sunt urmatoarele:

o Faza I sau faza de amortizare incepe din momentul cand piciorul anterior ia contactul cu solul prin calcai si dureaza pana la momentul vertical

o Faza a II-a sau momentul verticalei piciorului de sprijin – corpul trece un timp foarte scurt prin aceasta pozitie, fiind sprijinit pe un singur picior. In acest moment corpul are inaltimea maxima, iar centrul de greutate este usor deplasat lateral, catre piciorul de sprijin, pentru mentinerea echilibrului

o Faza a III-a sau faza de impulsie incepe imediat dupa trecerea corpului prin momentul verticalei piciorului de sprijin si dureaza pana la desprinderea de pe sol a acestuia. Catre partea finala a acestei faze, planta se dezlipeste de sol, incepand cu calcaiul. Atunci cand sprijinul se face numai cu varful metatarsienelor si cu degetele, corpul se afla in sprijin bilateral, intrucat piciorul anterior se gaseste in contact cu solul prin calcai. In timpul mersului bilateral, centrul de greutate a corpului are inaltimea minima. La sfarsitul acestei faze, corpul este impins inainte si in sus prin forta de impulsie a piciorului de sprijin, care apoi devine picior oscilant.

3. Identificarea condiţiilor anatomice, mecanice şi de mediu presupune cunoaşterea dimensiunilor corporale, a greutăţii subiectului, a procentajului de ţesut adipos, a secţiunii transversale a muşchilor, identificarea tipului de fibră musculară, a punctelor de inserţie, a unghiurilor anatomice particulare. De asemenea, trebuie să se cunoască mărimea, direcţia, punctul de aplicaţie al forţei şi durata sa de acţiune (de exemplu, forţa gravitaţională, centrifugă, de frecare, de reacţie a sprijinului etc).

Mediul extern condiţionează mişcarea prin caracteristicile climatului, terenului, regulilor de arbitraj, prezenţei adversarului etc.

Revenind la exemplul anterior, greutatea corporală a alergătorului cu amputaţie şi lungimea membrului amputat reprezintă caracteristici individuale importante pentru adaptarea protezei şi a modului său de funcţionare. Mai trebuie stabilit şi tipul de pantof de alergare pentru proteza X.

4. Stabilirea principiilor biomecanice de execuţie face ca mişcarea complexă a organismului să poată fi redusă la elemente mai simple, dar esenţiale pentru realizarea scopului acesteia.

În mod obişnuit, principiul atestă o relaţie cauzală între doi factori, de exemplu, un corp este în stare de echilibru dacă centrul lui general de greutate se află deasupra bazei de susţinere.

“Orice corp își păstrează starea de repaus sau de mișcare rectilinie și uniformă dacă nu este constrâns de acțiunile altor corpuri asupra lui, să-și schimbe starea.“

Principiul inertiei

Revenind la exemplul anterior, datorită faptului că membrului protezat îi lipseşte musculatura gambei şi a piciorului, este necesar ca acesta să compenseze într-un fel forţa de propulsie deficitară, prin materialul de fabricaţie al protezei care poate stoca şi elibera energie (asemenea unor grupe musculare) → principiile aplicabile în această situaţie sunt principiul stocării şi eliberării energiei (care se materializează prin capacitatea de compresie şi destindere a materialului de fabricaţie) şi principiul acţiunii şi reacţiunii.

5. Evaluarea şi valorificarea datelor. Profesorii, antrenorii, kinetoterapeuţii şi specialiştii în ergonomie pot valorifica sau îmbunătăţi mişcarea numai înţelegând-o corect şi deplin (cauze, efecte, influenţe, restricţii). Specialistul poate decide, astfel, dacă un nou stil sau procedeu tehnic este oportun pentru un sportiv, ce componente ar trebui să includă sau ce schimbări ar trebui să survină prin modificarea condiţiilor de mediu, a instalaţiilor sportive sau a caracteristicilor antropometrice.

Luând exemplul atletului deficient, să presupunem că acesta aleargă utilizând două tipuri de proteze, pentru a determina care dintre ele este mai eficientă în creşterea vitezei de deplasare. Sistemul de înregistrare şi analiză cantitativă a mişcării furnizează date despre unghiul de flexie în articulaţia genunchiului şi despre viteza de producere a flexiei şi extensiei, la acest nivel. Datele obţinute relevă faptul că una dintre proteze este mai eficientă.

De exemplu, introducerea mesei de sărituri în gimnastica artistică sau modificarea greutății corporale a unei gimnaste (ce depăşeşte greutatea optimă) sunt, pentru antrenor, aspecte de analizat, care nu privesc doar tehnica de execuţie, ci şi riscul producerii unor traumatisme grave. Astfel, devine posibilă prevenirea accidentelor, dar şi ajustarea echipamentelor, a aparatelor care favorizează performanţa motrică sau sportivă.

forţe externe;

forţe interne;

dificultatea;

inerţia.

a. Forţele externe sunt, în general, factori care se opun mişcării corpului, ele fiind descrise de legile mecanicii newtoniene.

Forţa este un vector care are mărime, direcţie şi sens, toate aceste caracteristici având relevanţă pentru practica exerciţiului fizic. Dacă asupra corpului acţionează mai multe forţe, vectorii se compun (se însumează) după reguli geometrice, de tipul regulii paralelogramului, prin care se determină forţa rezultantă şi direcţia acesteia.

Forţele externe care se exercită cel mai frecvent asupra corpului sunt: forţa gravitaţională, forţa de reacţie a sprijinului, forţele de frecare, forţele de tip împingere sau ridicare.

Acestora li se adaugă forţe exercitate de un alt subiect (adversarul) sau de un obiect ori aparat la care se lucrează (aparatele din sălile de forţă, în care rezistenţele se exercită pe verticală, pe orizontală, oblic, excentric, concentric etc).

b. Forţele interne sunt reprezentate de acţiunea muşchilor agonişti, antagonişti, stabilizatori, neutralizatori şi de frecarea segmentelor în articulaţii.

Pentru o viziune completă, acestora le-am putea adăuga şi acţiunea mobilizatoare sau frenatoare a proceselor psihice, chiar dacă nu se încadrează în aria de studiu a biomecanicii.

Rolul fiecărui tip de muşchi → pentru o corectă înţelegere a mişcării şi a posibilităţii de optimizare a acesteia în procesul formativ.

Rareori muşchiul acţionează singular; în majoritatea cazurilor, el lucrează în cooperare cu alţi muşchi, ca ”membri ai aceleiaşi echipe”, într-o varietate de combinaţii şi moduri de acţiune:

muşchii agonişti - sunt principalii responsabili pentru efectuarea unei mişcări într-o articulaţie. Aceştia pun în mişcare pârghiile, prin contracţia lor în regim concentric. De exemplu, bicepsul brahial este muşchi agonist pentru flexia antebraţului pe braţ şi pentru supinaţia (răsucirea externă) a antebraţului; deltoidul este agonist pentru abducţia (ridicarea în lateral) a braţului;

muşchii antagonişti - sunt cei care, prin contracţie, produc mişcarea opusă celei efectuate de musculatura agonistă. De exemplu, în mişcările de extensie a segmentelor, muşchii extensori sunt agonişti, în timp ce flexorii sunt antagonişti. Astfel, muşchiul triceps acţionează ca antagonist în mişcarea de flexie a antebraţului pe braţ şi ca agonist în mişcarea opusă, de extensie a aceluiaşi segment.

muşchii stabilizatori (fixatori) - sunt cei care fixează, ancorează un segment într-o articulaţie, astfel încât o mişcare dorită să se poată efectua într-o altă articulaţie.

c. Dificultatea mişcării depinde de sediul acesteia, de segmentele interesate, de axa de mişcare, de unghiul format de axa de progresie pe verticală, de viteza de progresie a corpului etc. Din perspectiva acestor elemente, se poate aprecia că săriturile din gimnastica artistică, săritura cu prăjina, elementele acrobatice, sunt exemple tipice de acţiuni dificile.

d. Un alt element care intervine în biomecanica mişcării umane este inerţia, adică tendinţa corpului de a se menţine în repaus sau în mişcare. Masa unui corp exprimă măsura inerţiei acestuia, adică rezistenţa opusă de corp la începerea unei mişcări (inerţia de repaus), sau la modificarea vitezei şi direcţiei de deplasare în timpul efectuării mişcării (inerţia de mişcare).

Inerţia este deteminată şi de alţi factori: echilibrul corpului, tipul de pârghie care acţionează într-o mişcare şi prezenţa ritmului în acţiunile subiectului.

Aparatul locomotor uman poate fi asimilat unui sistem de pârghii, în care segmentele osoase sunt puse în mişcare (prin rotaţii) de muşchi sau de forţe externe.

Pârghiile sunt dispozitive destinate să echilibreze sau să transmită mişcările, cu ajutorul unor forţe.

Eficienţa pârghiilor osoase se modifică odată cu vârsta. De exemplu, în timpul puseelor de creştere (cum ar fi în perioada pubertară), subiectul controlează pârghiile cu dificultate, deoarece nu este încă familiarizat cu propriul său corp pe care trebuie să reînveţe să îl utilizeze.

Aşa putem explica situaţia gimnastelor care obţin performanţe de vârf la 14-15 ani, pentru ca, după 2-3 ani, din cauza redistribuirii greutăţii segmentelor şi a existenţei unor pârghii mai lungi, să devină incapabile de a obţine aceleaşi rezultate în marile competiţii.

Elementele de structură ale unei pârghii sunt:

Axa - este linia reală sau imaginară care trece prin articulaţie şi în jurul căreia segmentul intră în rotaţie. Axa va fi întotdeauna perpendiculară pe planul mişcării pârghiei.

Punctul de aplicare a forţei - este punctul de inserţie a muşchiului pe os.

Braţul forţei - este distanţa dintre axul articulaţiei (sprijin) şi punctul de inserţie a muşchiului.

Punctul de aplicare a rezistenţei - este punctul în care acţionează un obiect extern (o încărcătură) sau centrul de greutate al segmentului.

Braţul rezistenţei - este distanţa dintre axul articulaţiei şi punctul de aplicare a rezistenţei.

 

În funcţie de dispunerea (anatomică) a acestor trei puncte, pârghiile se împart în:

pârghii de gradul I, care au sprijinul în centru - R, S, F; acestea sunt pârghii de echilibru;

pârghii de gradul II, care au rezistenţa în centru - S, R, F; acestea sunt pârghii de forţă;

pârghii de gradul III, care au punctul de forţă în centru - S, F, R; acestea sunt pârghii de viteză.

 

Capul în echilibru pe coloana vertebrală ilustrează o pârghie de gradul I; punctul de sprijin corespunde articulaţiei atlanto-occipitale, rezistenţa este dată de greutatea capului care tinde să îl aplece înainte, iar forţa este reprezentată de muşchii cefei care contracarează această tendinţă.

O serie de mişcări de extensie a segmentelor membrelor pot fi echivalate cu pârghiile de gradul I: extensia antebraţului când cotul este ridicat, extensia gambei pe coapsa fixată

Un exemplu de pârghie de gradul II corespunde situaţiei în care subiectul se ridică pe vârfuri.

În acest caz, sprijinul corespunde capetelor metatarsienelor, forţa este exercitată de muşchiul tricepsului sural care se aplică pe calcaneu, iar rezistenţa se manifestă prin proiecţia centrului general de greutate (CGG) care cade la nivelul articulaţiei gleznei, deci între punctul de sprijin şi punctul de aplicare a forţei.

Diferitele moduri în care corpul se ridică pot fi explicate prin acţiunea acestui tip de pârghii: flotările în braţe, extensia trunchiului din culcat facial şi, în general, toate mişcările în care părţile distale sunt fixate în exteriorul zonei de acţiune a forţei active.

Pârghiile de gradul III sunt pârghii de viteză, în care o forţă relativ redusă îi poate imprima braţului rezistenţei deplasări apreciabile. Astfel, în mişcarea de flexie a antebraţului pe braţ, sprijinul este reprezentat de articulaţia cotului, forţa activă este exercitată de muşchiul biceps, iar rezistenţa este dată de greutatea antebraţului care trebuie deplasat pe o anumită distanţă.

Forţa este o mărime vectorială, care are o mărime, un punct de aplicaţie, o direcţie şi un sens. Ea este produsul dintre masă şi acceleraţie:

F = m x a. Unitatea de măsură a forţei este newton-ul

(N). Cinetica este ramura mecanicii care se

ocupă cu studiul forţelor ce determină sau modifică parametrii mişcării.

Masa (m) reprezintă o inerţie care se opune unei forţe. Cu cât masa creşte, cu atât acceleraţia care poate fi imprimată corpului are valori mai reduse: m = F/a. Unitatea de măsură a masei este kilogramul (kg).

Centrul general de greutate (CGG) este un ansamblu de puncte materiale care concentrează, în mod convenţional, masa unui corp. La om, în poziţia stând, CGG este situat în micul bazin,

Stabilitatea corpului este esenţială în majoritatea ramurilor de sport. În tir, gimnastică, patinaj, schi, box, sărituri (din atletism), se impune o cunoaştere detaliată a poziţiilor centrelor de greutate ale segmentelor, prin care se asigură echilibrul postural (static sau dinamic).

Lucrul mecanic (L) sau travaliul muscular este produsul dintre forţă şi lungimea pe care se deplasează punctul său de aplicaţie: L = F x d.

Unitatea de măsură pentru lucrul mecanic este joule-ul (J).

Dacă greutatea corporală (G) este deplasată pe o anumită distanţă (d), lucrul mecanic este egal cu: L = k x G x d (unde k este un coeficient de proporţionalitate).

Lucrul mecanic poate fi: pozitiv - când segmentul se deplasează, iar

fibra musculară se contractă concentric; negativ - când forţa rezistivă depăşeşte

forţa musculară, iar fibra musculară se alungeşte;

static - când segmentul nu se deplasează, iar lungimea muşchiului rămâne constantă.

Puterea musculară (P) are semnificaţia unui randament, ea fiind raportul dintre lucrul mecanic şi timp: P = L/t; P=kxGxd/t; P=F x v

Unitatea de măsură pentru putere este watt-ul (W).

Energia (E) sau travaliul total este puterea debitată un anumit timp: E = P x t = k x F x v x t. Unitatea de măsură a energiei este joule-ul (J).