A biomechanika, mint tudományág történeti előzményei

Az előadások a következő témára: "A biomechanika, mint tudományág történeti előzményei"— Előadás másolata:

1 A biomechanika, mint tudományág történeti előzményei
Biomechanica Hungarica I. évfolyam, 1. szám 63-75 AZ ORVOSI BIOMECHANIKA TÖRTÉNETE Csernátony Zoltán

2 Arisztotelész (i.e. 384-322) Az állatok részei Az állatok mozgása
Az állatok úgy tudnak mozogni, hogy nyomást gyakorolnak arra, ami alattuk van (vagyis a talajra). Az atléták távolabbra tudnak ugrani, ha súlyt tartanak a kezükben, és gyorsabban tudnak futni, ha karjaikat erőteljesen lendítik. Az állatok részei Az állatok mozgása Az állatok fejlődése

3 Az izmok szerepe a járás és más mozgások során.
Pontos leírása annak, hogyan történik az izületekben létrejövő forgómozgások átalakítása transzlációs mozgássá. Az emelőrendszerekről, a gravitációról, a mozgás törvényszerűségeiről megfogalmazott koncepciói meglehetősen pontosak voltak és a későbbi tudósok (Leonardo da Vinci, Newton, Borelli stb.) felfedezéseinek tudományos előzményeinek tekinthetők.

4 Egyszerű munkagépek (csiga, csavar)
Arkhimédész (i.e ) A testek sűrűségének meghatározása Felhajtóerő felfedezése A súlypont meghatározása Egyszerű munkagépek (csiga, csavar)

5 Emelők, erőkarok Adjatok egy helyet (stabil pontot), amelyen állni tudok és akkor megtudom mozgatni a Földet (kimozdítom sarkaiból a világot)!

6 The most commonly related anecdote about Archimedes tells how he invented a method for measuring the volume of an object with an irregular shape. According to Vitruvius, a new crown in the shape of a laurel wreath had been made for King Hiero II, and Archimedes was asked to determine whether it was of solid gold, or whether silver had been added by a dishonest goldsmith.[12] Archimedes had to solve the problem without damaging the crown, so he could not melt it down in order to measure its density as a cube, which would have been the simplest solution. While taking a bath, he noticed that the level of the water rose as he got in. He realized that this effect could be used to determine the volume of the crown. For practical purposes water is incompressible [13], so the crown would displace an amount of water equal to its own volume. By dividing the weight of the crown by the volume of water displaced, its density could be obtained. The density of the crown would be lower if cheaper and less dense metals had been added. Archimedes then took to the streets naked, so excited by his discovery that he had forgotten to dress, crying "Eureka!" "I have found it!" (Greek: "εύρηκα!")[14]

7 emelők Archimedes is said to have remarked about the lever: "Give me a place to stand on, and I will move the Earth." Archimedes uses the principles derived to calculate the areas and centers of gravity of various geometric figures including triangles, paraboloids, and hemispheres

8 Galen, Galenus Marcus (130-201)
Marcus Aurelius On the Use of the Parts of the Human Body Az első kineziológiai tankönyvnek tekinthető Az agy kontrollálja az izmok működését a központi és perifériás idegrendszer által

9 Agonista- antagonista izomcsoportok Az erek funkciójának leírása
Galen megkülönböztetett vénás (sötét vörös) és artériás (világosabb és kevésbé sűrű) vért, amelyeknek elkülönült és specifikus szerepe van Harvey ( )

10 Erővektorok komponensei Az eső testek gyorsulása
Leonardo da Vinci ( ) Anatómus, biológus, mérnök Erővektorok komponensei Súrlódási együttható Az eső testek gyorsulása Tovább fejlesztette Archimedes elméletét az emelőkről megkülönböztetve az erőt és erőkart. Leonardo da Vinci's work about forces transferred to strings from a load they are carrying, or what we know as to resolve a force into two components. Combining lever arm and pulley he extended Archimedes ' rule for the lever to include inclined loads and lever arms rotating about their ends

11 A madarak repülése

12 A tárgyak esése, gravitáció, gravitációs gyorsulás
A tárgyak esése, gravitáció, gravitációs gyorsulás. Galileo Galilei előfutára. da Vinci said (or so I hear, I never met the guy) that if you fall one unit of distance in the first unit of time, you’ll fall two in the next unit, three in the one after that, then four, etc. So if you fall 5 meters in one second, in the next you’ll fall another 10 for 15 meters total. Galileo said almost the same thing, but with odd numbers. If you fall one unit of distance in the first second, then in the second you fall three, then five more, then seven, etc. So if you again fall 5 meters in one second, in the next you’ll fall another 15, for 20 total. Galileo was right; da Vinci wrong. But let’s not screw over our primitive-flying-device-making friend with such a cursory examination. They’re both awesome dudes, as Leonardo’s testudine counterpart would say.

13 Marcus Vitruvius Pollio (born c. 80–70 BC, died after c
Marcus Vitruvius Pollio (born c. 80–70 BC, died after c. 15 BC) was a Roman writer, architect and engineer Vitruvian Man by Leonardo da Vinci, an illustration of the human body inscribed in the circle and the square derived from a passage about geometry and human proportions in Vitruvius's writings

14 De humani corporis fabrica libri septem (Az emberi test szerkezete)
Andreas Vesalius ( ) De humani corporis fabrica libri septem (Az emberi test szerkezete) Korrigálta Galen anatómiáját

15 Galileo Galilei ( ) A mechanika atyja

16 Az állatok tömege nem méretük arányában növekszik, és így a csontok tömege sem arányos a csontok körfogatával. A tömör struktúrák (pl. csont) hajlítással szembeni ellenállása növekszik, ha üregessé válnak. A tengeri élőlények súlya nagyobb lehet a szárazföldi élőlényekkel szemben, mert felhajtóerő hat rájuk.

17 A parabolikus matematika atyja

18 A tudományos kutatás alapjainak lerakója
Jelenségek megfigyelése Tények kritikus vizsgálata Kísérlet a jelenségek okainak feltárására A jelenségek tudományos magyarázata

19 Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679) A modern biomechanika atyja
A matematika, a fizika és az anatómia összekapcsolása Az első tudós, aki felismerte, hogy az emberi izomrendszer mechanikai törvények szerint működik Az állatok mozgása nem csak a belső erőktől, de a víz és a levegő ellenállásától is függ. Az izmok nem kontrahálódnak, csak a térfogatukat növelik

20 A testek tömegközéppontjának kiszámítása
Az erő és teher karok viszonya A testek tömegközéppontjának kiszámítása A súlypontmeghatározáshoz méréseket végzett: meztelen férfiakat kötözött egy deszkához, amit aztán egy késélen addig helyezgetett, míg megtalálta az egyensúlyi helyzetet.

21 Isaac Newton ( ) A mozgás négy törvénye 1 Newton első törvénye – a tehetetlenség törvénye 2 Newton második törvénye – a dinamika alaptörvénye 3 Newton harmadik törvénye – a hatás-ellenhatás törvénye 4 Newton negyedik törvénye – az erőhatások függetlenségének elve Ha egy testre egyidejűleg több erő hat, akkor az erőhatások egymást nem zavarva, egymástól függetlenül adódnak össze

22 Ezen túlmenõen Newton alkotta meg az erõvektorok parallelogramma szabály szerinti összegzésének módszerét is. Newton is also credited with the first correct general statement of the parallelogram offorce, based on his observation that a moving body affected by two independent forces acting simultaneously moved along a diagonal equal to the vector sum of the forces acting independently. By further analysis of the laws ofmovement as applied by the discus thrower, it can be demonstrated mathematically that the horizontal and vertical forces acting on the flying discus are equal. The diagonal, which is equal to the vector sum ofthe horizontal and vertical forces, is, therefore, 45 degrees , and the missile should traverse the greatest distance when it travels at this angle. In practice, of course, other fadors oflift, drag, shape, gyroscopic rotation, and so forth enter the situation, and it is possible that the : most effective angle of release may not always be the one that is the theoretical optimum. Because two or more muscles may pull on a common point ofinsertion, each at a different angle and with a different force, the resolution of vectors of this type is a matter of considerable importance in the solution of academic problems in kinesiology.

23 James Keill ( ) In his studies of muscular contraction, he calculated the number of fibers in certain muscles, assumed that on contraction each fiber became spherical and thus shortened, and from this deduced the amount of tension developed by each fiber to lift a given weight. In AN ACCOUNT OF ANIMAL SECRETION, THE AMOUNT OF BLOOD IN THE HURMAN BODY, AND MUSCULAR MOTION (1708), Keill drew the erroneous conclusion that a muscle could not contract to less than two thirds of its great

24 John Hunter (1728-1793) Izomműködés
Izommorfológia, az izomrostok mechanikai felépítése, kontrakció, relaxáció, izomerő, hipertrófia in 1776, 1777, 1779, 1780, 1781, and 1782,": brought together all of this great anatomist's observations concerning the structure and power of muscles and the stimuli by which they are excited. Muscle, he declared, while endowed with life, is fitted for self-motion, and is the only part ofthe body so fitted. He emphasized that muscular function could be studied only by observations of living persons, not cadavers. In his lecture series, Hunter described muscular function in considerable detail, including the origin, insertion, and shape ofmuscles, the mechanical arrangement of their fibers, the two-joint problem, contraction and relaxation, strength, hypertrophy, and many other aspects ofthe subject. His lectures may be regarded as summarizing all that was known about kinesiology at the end ofthe eighteenth century, when, unwittingly, kinesiologists stood at the threshold of a discovery that was to revolutionize their methods of investigation.

25 Albrecht Haller (1708-1777) a modern kísérleti fiziológia megalapítója
A kontrakció az izmok alapvető működési formája About 1740 physiologists became excited over the phenomena produced by electrical stimulation of muscles. Haller summarized many of the early experiments in his treatise on muscle initability, and Whytt reported clinical observations on a patient treated by electrotherapy. "Animal electricity" was proposed as a substitute for the "animal spirits" that earlier investigators had believed to be the activating force in muscular movement

26 A közel 400 holttest felboncolásával szinte tökéletesen sikerült felvázolnia az emberi test érrendszerét. Tanulmányozta a véráramlást, a csontozat felépítését és az embrionális fejlődést. Számos kísérletet hajtott végre állatokon, illetve állati testrészeken a szenzibilitás (érzékenység) és az irritabilitás (ingerelhetőség) meghatározásához. A kísérletek és eredményeik fejre állították az akkori orvostudományt és Európa-szerte nagy vitát váltottak ki. A kísérletek bebizonyították, hogy a test nem a lélek által irányíott passzív gépezet – mint ahogyan eddig feltételezték -, hanem egy aktív, ingerre reagáló organizmus. Ezzel a kijelentéssel nemcsak az életről, de a betegségek kialakulásáról szóló elképzelések is megváltoztak. Az 1750-es évekig úgy gondolták, hogy a betegséget lényegében a testgépezet szöveteinek és nedveinek a zavara okozza. Az új elmélet szerint egy megzavart ingerlékenység és érzékenység minden rossz okozója.

27 Az izmok ingerelhetősége A kisérleti neurológia megalapozója
Luigi Galvani ( ) Az izmok ingerelhetősége A kisérleti neurológia megalapozója . During the summer of 1786, Luigi Galvani ( ) studied the effects of atmospheric electricity on dissected frog muscles. He observed that the muscles of a frog sometimes contracted when touched by a scalpel, which led him to the conclusion that there was "in dwelling electricity which proceeded along the nerve." His Commentary on the Effects of Electricity on Muscular motion (1791) is probably the earliest explicit statement of the presence of electrical potentials in nerve and muscle. Galvani is considered the father of experimental neurology.

28 Emil DuBois-Reymond (1818–1896)
Az állati elektromosság az egyik leginkább kutatott témává vált. A kérdés legnagyobb kutatója volt, aki munkásságával lefektette a modern elektrofiziológiát ban demonstrálta az idegek akciós potenciálját, és 1849-ben EMG-vizsgálatot végzett.

29 Physiologie des Mouvements Az izmok együttműködése
Amand Duchenne ( ) Physiologie des Mouvements Az izmok osztályozása a test mozgásához viszonyítva (funkcionális anatómia) Az izmok együttműködése Fascinated by the prospect of investigating muscular response produced by electrical stimulation, Guillaume Benjamin Amand Duchenne ( ) set out to classify the functions of individual muscles in relation to body movements, although he recognized that isolated muscular action does not exist in nature (Duchenne, 1959). His masterwork, PHYSIOLOGIE DES MOUVEMENTS, appeared in 1865 and has been acclaimed "one ofthe greatest books of all times."(Jokl, 1956).

30 Ernst Heinrich Weber (1795–1878), Wilhelm Eduard Weber (1804–1891) és
Bár a helyváltoztatás modern koncepciója Borellitõl származik, a Weber testvérek: Ernst Heinrich Weber (1795–1878), Wilhelm Eduard Weber (1804–1891) és Eduard Friedrick Wilhelm Weber (1806–1871) munkásságáig kevés elõrehaladás történt ezen a téren.

31 1836-ban írott Die Mechanik der Menschlichen Gerverkzeuge (Az emberi mozgásrendszer mechanikája) címen megjelent mûvükben pusztán megfigyelések révén szilárdan megalapozták az izommûködéssel kapcsolatos tudományos kutatómunkát. Mindamellett tévesen úgy képzelték, hogy az emberi test felegyenesedett helyzetének megtartásáért alapvetõen a szalagok feszülése felelõs, amihez csak minimális izommûködés szükséges, vagy még az sem. Elképzelésük szerint járás és futás közben az alsó végtagok elõrelendülése a gravitációnakmköszönhetõ ingamozgás, a felsõtest pedig dõl elõre, és azért nem esünk orra, mert az elõrelendült végtagra helyezõdik a súlyunk. Ugyanakkor számos helytálló megállapítást tettek a testtömegközéppont helyzetének járás közbeni változásáról, illetve a hosszú csöves csontok, mint erõkarok szerepérõl a végtagok mozgásai során. Elsõk között foglalkoztak a járás, futás, ugrás analízisével.

32 Adolf E. Fick (1829-1901) Izometriás és izotóniás kontrakció
The late nineteenth and early twentieth centuries were most productive of physiologic studies closely related to kinesiology. Adolf Eugen Fick ( ) made important contributions to our knowledge of the mechanics of muscular movement and energetics and introduced the terms "isometric" and "isotonic."

33 Wilhelm Roux (1850-1924) Izom hipertrófia
The study of developmental mechanics was introduced by Wilhelm Roux ( ), who stated that muscular hypertrophy develops only after a muscle is forced to work intensively, a point ofview that was later demonstrated experimentally by Werner W. Siebert." (Siedber, 1960). B. Morpurgo showed that increased strength and hypertrophy are a result of an increase in the diameter of the individual fibers of a muscle, not a result of an increase in the number of fibers. The theory of progressive resistance exercise is based principally on the studies of Morpurgo and Siebert (Steinhaus, 1955) but Morpurgo's work is now being questioned.

34 Louis-Antoine Ranvier (2 October 1835 – 22 March 1922)
L. Ranvier, about 1880, discovered the difference in the speeds of contraction of red and white muscle. "The importance ofhis finding," says Granit, "is that it brought functional aspects into the focus of subsequent research." (Granit, 1970).

35 Tulius Wolff ( ) A csontok struktúrája, felépítése az izmok húzóerejétől és az állásban a testre ható statikus erőktől függ, illetve ezek a tényezők határozzák meg. The trajectorial theory was supported by Roux and became the basis for his interpretation of the trajectory system of other bones. In 1892 this theory was classically expressed by Tulius Wolff ( ) in the famous Wolff s law: "Every change in the form and function of a bone or of their function alone is followed by certain definite changes in their internal architecture, and equally definite secondary alteration in their external conformation, in accordance with mathematical laws." He believed that the formation of bone results from both the force of muscular tensions and the resultant static stresses of maintaining the body in the erect position, and that these forces always intersect at right angles. Wolff s law also applies to the healing of skin wounds.

36 az izom munkateljesítményét mérő készülék
Technikai újítások Mosso ( ) Ergométer az izom munkateljesítményét mérő készülék Camillo Di Giulio1, Franca Daniele2 and Charles M. Tipton3 Angelo Mosso and muscular fatigue: 116 years after the first congress of physiologists: IUPS commemoration. Advan. Physiol. Edu. 30: 51-57, 2006

37 Christian Wilhelm Braune (1831-1892)
Braune ezen túlmenõen új szemléletû térhatású anatómiai ábráival is beírta magát az orvostörténelembe. Otto Fischer ( ) Járáselemzés Módszer a testközéppont kiszámítására Jackson ( ) Az idegi központok nem tudnak semmit az izmokról, a mozgást ismerik

38 Christian Wilhelm Braune (1831–1892) és
Otto Fischer (1861–1917) német tudósok az emberi járómozgást elemezték, és az emberi testben lévõ csuklókapcsolatok kinematikáját vizsgálták. Mind a mai napig az ő munkásságuk révén fejlõdött legtöbbet a járásanalízis. Felismerték, hogy a testtömegközéppont pontos ismerete szükséges az izmokra háruló munka megértéséhez. Ehhez 1889-ben dolgoztak ki új módszert. Fagyasztott tetemeket rögzítettek hosszú acélszegekkel egy falhoz. Ezután meghatározták a három fõ síkot, amelyekben megtalálható a testtömegközéppont is. Ezt követõen a holttestek darabolásával eljutottak a keresett pontig.

39 Einthoven ( ) Galvanométer, elektromiográfia

40 Izomműködés A.V. Hill ( ) Erő-sebesség összefüggés

41 Étienne Jules Marey (1830-1904)
Fényképezőgép kifejlesztése mozgások elemzésére (Chrono-Zyklo-Photographia) Daguerre 1837-ben fedezte fel a fényképezőgépet

42 A járáselemzés mozgáselemzés részén túlmenõen
foglalkozott a talp-talaj kontaktusban fellépõ erõk mérésével is, amihez erõmérõvel ellátott cipõtalpat készített. Késõbb, 1882-ben kidolgozta a sorozatfényképezés egyik technikáját, amit kronofotográfiának neveztek el. Ennek lényege az volt, hogy 12 külön felvételt lehetett készíteni ugyanarra a lemezre ban pedig elkészítette az elsõ flexibilis filmet. Marey sportmozgáselemzése

43

44 Stroboszkóp

45 Edweard Muybridge (1831-1904) Sorozatfelvételek
Lumiere fivérek kifejlesztették a filmkamerát (1894)

46

47

48 Carlet (1845–1892) továbbfejlesztette Marey
erõmérõvel ellátott cipõtalpát, és külön erõmérést végzett az elõlábon és a lábtõben. A mérés alanya egy 20 méter átmérõjû körön járt, és az erõméréssel egyidejûleg a medence vertikális és oldalirányú oszcillációját is mérte. Carlet erõmérõ

49 Wilfrid Taylor Dempster (1905–1965) késõbb
megismételte Harless cadaver darabolásos kísérleteit. 8 idõs ember tetemét vizsgálva térfogat-, sûrûség-, tömeg-, tömegközéppont- és inertiamérést végzett, majd a testeket részekre bontotta, és a méréseket azokon is elvégezte.

50 Friedrich Pauwels (1885–1980) aAnémet biomechanika egyik legnagyobb alakja volt. Az ortopédia professzora tiszteletbeli címét is elnyerte pályája végén. Munkájában többek között azt igyekezett bebizonyítani, hogy az izmok és a szalagok olyan gurtniként viselkednek, amelyek a csontokban ébredõ feszültséget próbálják csökkenteni.

51 Knoll 1925-ben analizált először sportmozgást filmfelvételek alapján

52