BIOMECHANIKA

BIOMECHANIKA TANSZÉK Tanszékvezető: Kiszolgáló épület III. em. Dr. Tihanyi József, egyetemi tanár, MTA doktor Kiszolgáló épület III. em. Oktatók: Dr. Bretz Károly nyugalmazott tudományos tanácsadó, MTA doktor Dr. Barabás Anikó egyetemi docens, PhD (biológia) Dr. Laczkó József egyetemi docens, PhD (matematika) Dr. Csende Zsolt, egyetemi adjunktus, PhD (biológia) Szilágyi Tibor tudományos munkatárs Dr. Rácz Levente tudományos munkatárs Tudományos assziszens: Gréger Zsolt Előadó: Berki Bernadett

www.hupe.hu

Vizsga: írásbeli teszt és számítás KÖVETELMÉNYEK Jelenlét az előadásokon Jelenlét a laboratóriumi foglalkozásokon (a hiányzást pótolni kell) Sikeres zárthelyi Sikeres házi feladat megoldás Zárthelyi dolgozat: 1. nyolcadik hét 2. tízen harmadik hét Vizsga: írásbeli teszt és számítás Házi feladat: 1. tömegközéppont meghatározás

FELKÉSZÜLÉS A VIZSGÁRA Tankönyv: Barton J.: Biomechanikai alapismeretek. Tankönyviadó Előadások anyaga Laboratóriumi foglalkozásokon tanultak

BIOMECHANIKA ? A kineziológia egyik tudományága, amely az elő (bio) rendszerek mechanikai viselkedését vizsgálja, illetve a mechanikai törvényszerűségek érvényesülését vizsgálja az élő szervezeteken azok tér és időbeli mozgásai során.

KINEZIOLÓGIA ? Az emberi mozgások során érvényesülő anatómiai, élettani, biomechanikai, neurofiziológiai, mozgásszabályozási és pszichofiziológiai törvényszerűségek érvényesülésének vizsgálata Mozgástan, vagy mozgástudomány Az elő (bio) rendszerek mozgását vizsgáló tudomány

Normáltól eltérő mozgások Minden napos tevékenység Mechanika Biológiai anyag Emberi test BIOMECHANIKA Alap, normál mozgások Normáltól eltérő mozgások Célorientált mozgások Sport Foglalkozás Minden napos tevékenység Levegőben Talajon Vízben

Emberi test Aktív és passzív mozgatórendszer Keringési és légzőrendszer rendszer A szövetek biomechanikája Az izületek biomechanikája Szív Ér, Folyadék Tüdő, Levegő, Folyadék Izom, ideg, ín, szalag, porc, csont Láb, boka, térd, csípő, stb.

Tér, idő, sebesség, gyorsulás Munka, energia, teljesítmény MECHANIKA S(Z)TATIKA DINAMIKA Kinetika Kinetika Kinematika Erő Erő Tér, idő, sebesség, gyorsulás Munka, energia, teljesítmény

Időbeli lefolyás szerint Nem egyenletesen változó MECHANIKAI MOZGÁSOK PONT KITEJEDT TEST HALADÓ FORGÓ Pálya szerint Időbeli lefolyás szerint Egyenes vonalú Görbe vonalú Egyenletes Nem egyenletes Változó Nem változó Egyenletesen változó Nem egyenletesen változó

Matematikai modellezés, szimuláció BIOMECHANIKA Matematikai modellezés, szimuláció Mérések, számítások Mozgásszabályozás Optimalizáció

A biomechanika, mint tudományág kialakulása és előzményei

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

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.

Egyszerű munkagépek (csiga) Arkhimédész (i.e. 287-212) A súlypont meghatározása Euréka, Euréka Adjatok egy helyet (stabil pontot), amelyen állni tudok és akkor megtudom mozgatni a Földet (kimozdítom sarkaiból a világot)! Egyszerű munkagépek (csiga)

Agonista- antagonista izomcsoportok Galen (131-201) Agonista- antagonista izomcsoportok Az erek funkciója Harvey (1578-1657) Gladiátorok orvosa

Leonardo da Vinci (1452-1519) Anatómus, biológus, mérnök, művész Testközéppont és egyensúly A madarak repülése

Luigi Galvani (1737-1798) Albrecht Haller (1708-1777) Az izmok ingerelhetősége Albrecht Haller (1708-1777) A kontrakció az izmok alapvető működési formája Amand Duchenne (1806-1875) Physiologie des Mouvements Az izmok együttműködése

Adolf E. Fick (1829-1901) Wilhelm Roux (1850-1924) Izometriás és izotóniás kontrakció Wilhelm Roux (1850-1924) Edzés - izomhipertrófia

Mosso (1829-1901) Einthoven (1843-1910) Technikai újítások Mosso (1829-1901) Ergométer Einthoven (1843-1910) Galvanométer, elektromiográfia

Izomműködés A.V. Hill (1894-1956) Erő-sebesség összefüggés

Galileo Galilei (1564-1642) Isaac Newton (1642-1727) Mozgások mechanikai elemzése Galileo Galilei (1564-1642) Nehézségi gyorsulás Isaac Newton (1642-1727) A mozgás három törvénye

Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679) A modern biomechanika atyja A matematika, a fizika és az anatómia összekapcsolása Az első tudós, aki kinyilvánította, 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 reciprok működése Az izmok nem kontrahálódnak, csak a térfogatukat növelik

Étienne Jules Marey (1830-1904) Eadweard Muybrigde (1831-1904) Fényképezőgép kifejlesztése mozgások elemzésére (Chrono-Zyklo-Photographia) Eadweard Muybrigde (1831-1904) Sorozatfelvételek Lumiere fivérek kifejlesztették a filmkamerát (1894)

Christian Wilhelm Braune (1831-1892) Otto Fisher (1861-1917) Járáselemzés Módszer a testközéppont kiszámítására A részsúlypontok helyének meghatározása

Az idegi központok nem tudnak semmit az izmokról, a mozgást ismerik Jackson (1831-1892) Az idegi központok nem tudnak semmit az izmokról, a mozgást ismerik

Charles Sherrington (1857-1952) Az izmok reciprok beidegzése Henry Bowditch (1814-1911) Minden vagy semmi törvénye

?

Transzverzális v. vízszintes Az emberi test síkjai Koronális v. frontális Transzverzális v. vízszintes Szagittális v. oldal

Kardinális síkok és tengelyek Helyi referencia rendszer

kifelé – befelé forgatás Lateromedial v. szélességi KARDINÁLIS SÍKOK TENGELYEK Mozgás FRONTÁLIS Közelítés - távolítás OLDAL feszítés - hajlítás TRANSZVERZÁLIS kifelé – befelé forgatás Hosszúsági Jobbra -balra Anteroposterior v. mélységi jobbra -balra Lateromedial v. szélességi Előre - hátra

FORGÁS A HOSSZÚSÁGI TENGELY KÖRÜL

FORGÁS A MÉLYSÉGI TENGELY KÖRÜL

FORGÁS A SZÉLESSÉGI TENGELY KÖRÜL

Izületi szög Kiegészítő (belső) 100° Kiegészítő (belső) 180° Anatómiai (külső) 80° Anatómiai (külső) 0°

IZÜLETI SZÖGELFORDULÁS

Kettő vagy több csont összeköttetése inak, szalagok és izmok által Izület Kettő vagy több csont összeköttetése inak, szalagok és izmok által 148 Mozgatható csont 147 izület

Az izületek mozgási szabadságfoka Szabadságfok: a változóknak azt a számát jelenti, amellyel a mozgás leírható. A szabadságfok száma = a koordináták száma mínusz a a mozgás korlátozottság száma. Transzlációs Forgási 3 + 3 6

Izületi mozgás szabadságfok (SZF) 3D: SZF = 6N - K 2D SZF = 3N - K N = testszegmensek száma, K = a korlátozottság szám

Korlátozottság ANATÓMIAI független függő (az egyes izületi mozgások egymásra hatása) AKTUÁLIS (Pl. kerékpár pedálozás) MECHANIKAI (pl. egyensúlyozás, véletlen megcsúszás) MOTOROS FELADAT (meghatározott mozgás)

Kinematikai lánc mobilitása Szabadságfok több, mint egy csuklóból álló izületi rendszerben Kinematikai lánc mobilitása M = 6n - å I • ki 5 I=3 M = a test mobilitása, I = izületi osztály, ki = az adott izületi osztályt képviselő izületek i = 6 -f, f= egy izület szabadságfoka

F = (6•148) - [(3 •29) + (4 •33) + (5 •85)] = 244 Harmad osztályú izület: 29 (három szabadságfok) Negyed osztályú izület: 33 (két szabadságfok) Ötöd osztályú izület: 85 (egy szabadságfok) F = (6•148) - [(3 •29) + (4 •33) + (5 •85)] = 244

TÖMEGKÖZÉPPONT

TÖMEGKÖZÉPPONT 2004. 09. 23.

G1 G2 G3

Számítási módszerek a tömegközéppont helyének meghatározására Palló és mérleg módszer M = 0 G + Fr = 0 G ltkp + Fr lp= 0 Fr lp G

Palló és mérleg módszer G + Fr = 0 G ltkp + Fr lp= 0

Palló és mérleg módszer G + Fr = 0 G ltkp + Fr lp= 0

Szegmentális módszer

A résztömegközéppontok helye a testszegmenseken Demster modell 13 szegmens

m = térfogat (V)  sűrűség () Térfogat és tömeg Vsz = (m2 –m1)  r2 – (s2 – s1)  R2 m = térfogat (V)  sűrűség () Az izom sűrűsége  1,028 g cm-3

Mágneses rezonancia (MRI)

A testszegmens térfogatának kiszámítása ( V ) Vs = [ (As1 + As2) / 2] ls Vs – a szelet térfogata As1 – a szelet területe ls – a szelet vastagsága ls Vi = Vs A1 A2

Hanavan testmodel 15 szegmens

17 szegmens

A testszegmensek százalékos tömege a testtömeghez viszonyítva Demster Clauser Plagenhoef Fej 7.9 7.3 8.2 Törzs 48.6 50.7 55.1 Felkar 2.7 2.6 3.2 Alkar 1.6 2.3 1.9 Kéz 0.6 0.7 0.65 Comb 9.7 10.3 10.5 Lábszár 4.5 4.3 4.7 Láb 1.4 1.5

Markerek elhelyezése

P1 (P1 – P2)  0.45 P2 (P2 – P5)  0.61 P3 (P3 – P4)  0.43 (P4 – P6)  0.43 P4 (P5 – P7)  0.43 P5 (P7 – P8)  0.43 P6 P7 P8

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7

Fej 7.9 Törzs 48.6 Felkar 2.7 Alkar 1.6 Kéz 0.6 Comb 9.7 Lábszár 4.5 Demster Fej 7.9 Törzs 48.6 Felkar 2.7 Alkar 1.6 Kéz 0.6 Comb 9.7 Lábszár 4.5 Láb 1.4 m  0.079  m  0.486  m  0.027  m  0.016  m  0.06  m  0.09  m  0.045  m  0.014

m1x1 x1 m1 m1y1 y1

A test tömegközéppontjának x, y, z koordinátáinak kiszámítása