IKS-BIOMECHANIKA SPORTU

IKS-BIOMECHANIKA SPORTU Biomechanika sportu navazuje na předmět biomechanika a snaží se získané vědomosti rozšířit do oblasti sportu. První kapitola se věnuje interakci těles (sportovce) s vnějším prostředím, druhá mechanickému namáhání principům vzniku zranění. Závěrečná kapitola podrobně popisuje biomechanické metody, které jsou pro biomechanickou analýzu pohybu nejčastěji využívány.

1 Pohyb a vliv prostředí Studijní cíle Ikona1   

umět popsat působení prostředí na pohyb umět popsat pozitivní i negativní vlivy tření, odporu prostředí a vztlaku umět popsat síly působící při odrazu a vertikálním skoku a vysvětlit výhody a nevýhody jednotlivých metod měření výšky vertikálního skoku

Úvod Pro celou řadu sportovních odvětví je klíčové působení sil souvisejících s vnějším prostředím. Porozumění interakce tělesa s vnějším prostředím napomáhá ve sportu ke zlepšování techniky provedení. Přestože odporové síly vnímáme jako negativní, musíme mít na paměti, že jejich účinek je také pozitivní. Bez třecí síly by nebyl možný odraz v šikmém směru, bez odporových sil by se plavec ve vodě nemohl pohybovat žádným směrem.

Reakční síla podložky Zákon akce a reakce – 3. Newtonův zákon Každá dvě tělesa na sebe vzájemně působí stejně velkými silami opačného směru. ikona10 Jedné síle říkáme akce, druhé říkáme reakce. Akce a reakce vznikají a zanikají současně. Jejich účinek se neruší, protože, každá síla působí na jiné těleso.

Tření Tření vzniká při pohybu pevného tělesa v těsném kontaktu s jiným pevným tělesem. Tření s kapalnými nebo plynnými tělesy se označuje jako odpor prostředí (viz níže).

Smykové tření T = f•FN, kde f je součinitel smykového tření, a FN síla kolmá na podložku.

Klidové tření Klidové tření je speciální případ smykového tření, které působí na tělesa, která se vůči sobě nepohybují. Výpočet je stejný jako u smykového tření, pouze hodnota součinitele klidového tření je vyšší než hodnota smykového tření za pohybu. Příklady hodnot součinitele klidového a smykového tření

Příklad 1.1 Ikona6e Jakou silou musíme působit, pokud táhneme dřevěnou bednu po dřevěné podlaze, která má hmotnost 50 kg a jakou sílu budeme potřebovat, aby se bedna vůbec dala do pohybu. Tíhové zrychlení g = 10 m•s-2. Řešení: FN = G = m•g = 50•10 = 500 N TS = f•FN = 0,3•500 = 150 N TK = fK•FN = 0,65•500 = 325 N

Valivý odpor Valivý odpor je druh tření, který vzniká při pohybu tělesa kruhového průřezu po podložce. Je dán vztahem: druh tření, které vzniká mezi tělesem kruhového průřezu při jeho valivém pohybu a podložkou. Fr = ξ•Fn/R, kde ξ je součinitel valivého odporu, Fn síla kolmá na podložku a R je poloměr kruhového průřezu tělesa.

Odpor prostředí Odpor prostředí je soubor všech sil, kterými plyn nebo kapalina působí proti pohybu těles. Je způsoben třením, které vzniká při kontaktu tělesa a prostředí a působí proti pohybu. Velikost odporu prostředí závisí na:  plocha příčného průřezu,  rychlost,  tvar,  povrch,  náběhový úhel. Poslední tři ukazatele jsou vyjádřeny součinitelem odporu. Obecně lze odpor prostředí charakterizovat: F = C•S•ρ•v2/2, kde C je součinitel odporu, S plocha příčného průřezu, ρ hustota tekutiny a v rychlost tělesa. Odpor prostředí můžeme rozlišit na:  tvarový - kolmý průřez tělesa a hydrodynamický tvar  vlnový - podélné a příčné vlny,  třecí - kvalita povrchu.

Vliv tvaru těles na odpor

Plocha průmětu tělesa do roviny kolmé na směr pohybu je u všech případech stejná. Liší se součinitel odporu v závislosti na tvaru tělesa C. Změny charakteru proudění způsobuje také náběhový úhel

Sd – plocha průmětu tělesa do roviny kolmé na směr pohybu

Vztlaková síla Při pohybu tělesa v prostředí působí na těleso síla, která zmenšuje působení tíhové síly. Tato síla se nazývá vztlaková. Podle prostředí a rychlosti tělesa rozlišujeme sílu  hydrostatickou,  aerostatickou,  hydrodynamickou,  aerodynamickou.

Statická vztlaková síla je důsledkem rozdílů velikostí hydrostatických tlakových sil v různých hloubkách. Dynamická vztlaková síla je důsledkem odporu prostředí (tekutiny) při pohybu tělesa. Statickou vztlakovou sílu můžeme definovat: FVZ = V•ρ•g, kde V je objem tělesa, ρ – hustota tekutiny a g tíhové zrychlení. Dynamický vztlak lze charakterizovat podobně jako odpor prostředí: FVZ = C•S•ρ•v2/2, kde C je koeficient vztlaku v požadovaném úhlu náběhu, S plocha příčného průřezu, ρ hustota tekutiny a v rychlost tělesa. Příklad 1.2 Ikona6e Jak velkou silou musíme působit na nafukovací míč o poloměru 15 cm, abychom ho udrželi celý pod vodou. Hustota vody je 1000 kg/m3, g je 10 m•s-2. Hmotnost míče je zanedbatelná, a tak ji neuvažujeme. Řešení: Objem koule vypočítáme podle vztahu V = 4/3•π•r3 r = 15 cm = 0,15 m V = 4/3•π•0,153 = 0,0045•π FVZ = V• ρ•g = 0,0045•π•1000•10 = 45 N

Magnusův jev Magnusův jev je fyzikální jev známý zejména ve svých praktických důsledcích ve sportu (faleš ve fotbale, topspin v tenise, …). Je způsoben třením mezi rotujícím tělesem a okolním vzduchem, který toto těleso obtéká. Vlivem tření se na jedné straně válce (koule) proud vzduchu urychlí, a tedy podle zákona zachování energie klesne jeho tlak, na straně druhé se zpomalí a vznikne zde přetlak. Rozdílem těchto tlaků vzniká síla. Její směr je téměř kolmý ke směru proudění a směřuje na stranu s nižším tlakem. Směr pohybu se tedy mění na stranu rotace tělesa.

Písemný úkol 1.1 Na internetu nalezněte libovolné video, kde můžeme pozorovat Magnusův jev v praxi. Odkaz napište.

Odraz Princip odrazu Při odrazu působíme svalovou sílou do podložky. Podle zákona akce a reakce, působíme-li na podložku, pak podložka působí na nás a to silou stejně velkou v opačném směru. Tato síla se nazývá reakční síla podložky. Pro uskutečnění odrazu musí být splněny dvě základní podmínky. Aby došlo k odlepení od podložky, musíme překonat sílu tíhovou. Druhou podmínkou je, že nesmí dojít podklouznutí. Tomuto podklouznutí brání síla třecí. Pro zjednodušení, zde neuvažujeme sílu setrvačnou a síly odporové. Příklad 1.3 ikona6e Přiřaďte názvy sil k jednotlivým vektorům. Abychom mohli síly porovnat, je žádoucí vybrané síly rozložit do dvou směrů horizontálního a vertikálního. G – tíhová síla Ft – třecí síla FSVA – svalová síla FSVAH – horizontální složka svalové síly FSVAV – vertikální složka svalové síly FREA – reakční síla podložky FREAH – horizontální složka reakční síly podložky FREAV – vertikální složka reakční síly podložky

Které podmínky musí být splněny pro uskutečnění odrazu? FREA > G FREAV > G FREAH < G FSVA < T FSVAV > T FSVAH < T

Vertikální skok Vertikální skok je testem explozivní síly dolních končetin. Opakované provádění tohoto testu může ukázat na efekt silového tréninku. Síly působící při vertikálním skoku U vertikálního skoku má svalová síla i reakční síla vertikální směr, a proto nemá smysl uvažovat podklouznutí. Jedinou podmínkou pro vertikální skok je, že reakční síla musí být větší než síla tíhová. Uvažujeme-li i sílu setrvačnou, pak dostáváme pohybovou rovnici: FREA – G – m•a = 0, FREA je reakční síla podložky, G je síla tíhová a m•a je síla setrvačná. Z rovnice je patrné, že síla setrvačná má stejný směr jako síla tíhová. Důvodem je, že síla setrvačná (podle zákona setrvačnosti) vždy působí proti zrychlení tělesa. Při vertikálním skoku tělo zrychluje směrem od podložky a setrvačná síla působí směrem k podložce. Metody měření výšky vertikálního skoku

Metoda dosahovací – Sargentův skok U této metody měříme přímo výšku skoku. Postup měření:  označíme místo, kam nejvýše dosáhneme rukou (M1),  konečky prstů si označíme křídou,  vyskočíme co nejvýše (M2),  výsledkem je rozdíl M2 – M1.

Měření doby bezoporové fáze Tato metoda vychází ze skutečnosti, že vertikální skok je vrhem svislým. Známe-li dobu letu vrhu svislého, pak pro maximální dosaženou výšku platí: h = g•t2/8 Měření je prováděno pomocí dotykového koberce pro měření časových parametrů (viz Biomechanické metody). Výhodou měření je cenová dostupnost. Nevýhoda spočívá ve sledované veličině (čas), která může být ovlivněna. ikona6a Jak je možno ovlivnit výšku skoku při měření doby bezoporové fáze? Příklad 1.4 Při měření výšky vertikálního skoku pomocí doby bezoporové fáze byla naměřena doba letu skokana 0,55 s. Jaká byla výška skoku? Měření silového impulsu K měření impulsu síly vertikální skoku je nutná silová plošina (viz Biomechanické metody). Za nevýhodu tohoto postupu můžeme považovat vysokou cenu tohoto měřícího zařízení. Na rozdíl od předchozí metody, není výška skoku odvozovány z doby letové fáze, ale z impulsu síly ve fázi odrazu. Impuls síly odrazu odvodíme z křivky síly po odečtení impulsu síly pro fázi zrychlení a zpomalení. Pro kontrolu můžeme použít také výpočet z doby bezoporové fáze.

Postup výpočtu: Změna impulsu síly je rovna změně hybnosti I = m•v, z toho odvodíme v = I/m. Vertikální skok je vrh svislý, tedy platí, že v = g•t, tedy t = v/g = I/m•g t je dobou výstupu, která je rovna době pádu. Pro výšku vertikálního skoku platí: h = ½•g•t2 = ½•g•(I/m•g)2 = I2/(2•g•m2)

Vliv prostředí ve vybraných ve vybraných sportech Plavání Při pohybu ve vodě pro plavce vyplývá potřeba zaujímat, pokud to situace dovolí, hydrodynamickou polohu těla a zmenšovat odpor vody. To znamená v konkrétních situacích např. vytahovat paži do vzpažení, nezvedat hlavu z vody, nekrčit nohy pod tělo (kraul), natáhnout dokonale nohy po kopu (prsa). Efektivní pro plavce je pohybovat s končetinou po hladině před ponořením pod hladinu. To umožňuje lepší využití vztlakové síly a vytváří větší hnací odporovou sílu, kterou působí voda na druhou horní končetinu. Třecí odpor lze ovlivnit celotělovými plavkami ze speciálních materiálů.

Cyklistika Cyklista překonává během jízdy odporovou sílu vyvolanou působením vzduchu, valivý odpor, odpor v ložiscích a hnacím ústrojí. Tvarový odpor můžeme ovlivnit zaujetím vhodné polohy nebo speciální přilbou. Odpor z tření můžeme snížit snížením drsnosti povrchu kombinézy a kůže (holení).

Skok na lyžích Hlavním úkolem skokana na lyžích je provedení kvalitního odrazu bez ztráty rychlosti, s příznivým elevačním úhlem a s optimální úrovní dopředné rotace těla. Jedním z cílů je co

nejrychlejší zaujmutí stabilní letové polohy vyznačující se dynamickou rovnováhou (výsledný moment síly působící na skokana se pohybuje kolem nuly).

Atletika – hody a vrhy Úhel odhodu při hodu oštěpem nebo diskem je nižší, než při vrhu koulí. Během letu těchto náčiní vznikají vlivem odporu prostředí vztlakové síly (výsledné zrychlení je menší než zrychlení tíhové), tedy disk nebo oštěp zůstávají ve vzduchu déle, a tak vertikální rychlost při odhodu může být menší.

Frisbee Extrémní případ využití vztlakových sil můžeme pozorovat u hodu létajícím talířem (Frisbee). V tomto případě jsou při letu vztlakové síly tak velké, že odhodový úhel je téměř nulový.

Golf Golfové hole jsou svým tvarem uzpůsobeny tomu, aby udělily při úderu míči spodní faleš. Velikost Magnusovy síly je srovnatelná s velikostí tíhové síly golfového míče. Frekvence rotačního pohybu míče dosahuje až 8000 otáček za minutu. Jestliže není úder veden na těžiště míče, vzniká rotace kolem osy, která není vodorovná.

Tenis Při úderech v tenise se můžeme setkat s Magnusovým jevem. Topspinový úder je úder s horní rotací, čopovaný úder je úder se spodní rotací. ikona4 Po zvládnutí této kapitoly umíte:  popsat základní síly působící na těleso při pohybu,  aplikovat poznatky o odporu, vztlaku a minusově jevu do vybraných sportovních disciplín,  charakterizovat síly působící při odrazu a popsat různé způsoby měření vertikálního skoku. ikona7 http://www.fsps.muni.cz/sdetmivpohode/kurzy/bazen/faktory.php http://ftplf2.agarek.com/fyzio/prvak/biofyzika/semin/zuzka_plavani.php http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/78/Vodpor.jpg/732px-Vodpor.jpg http://www.brianmac.co.uk/sgtjump.htm

2 Mechanické namáhání Studijní cíle Ikona1  

porozumět pojmům charakterizujícím vlastnosti biomateriálů jako jsou elasticita, viskozita, viskoelasticita, hystereze, umět popsat principy a rizika zranění.

Zátěž a deformace Napětí ( stress) Působení vnějších sil (zátěže) na jakékoliv těleso způsobuje uvnitř tělesa mechanické napětí. Normálové napětí je vyjádřeno hodnotou působící síly na jednotku plochy. Základní jednotkou je Pascal (Pa), nejčastěji hodnoty udáváme v MPa. σ = F/S, kde F je velikost síly, S velikost příčného průřezu.

Deformace (strain) Míra deformace materiálu je posuzována jako změna rozměru sledovaného prvku vlivem zátěže. Rozlišujeme deformaci lineární a smykovou. Lineární Míra absolutní deformace je vyjádřena jako rozdíl mezi délkou prvku (vlákna) v zátěži a délkou prvku bez zátěže: l – l0 , kde l je velikost původní délky, a l0 velikost délky po aplikaci zátěže. Relativní velikost deformace bez ohledu na původní délku prvku vyjádříme: ε = (l – l0)/(l0) Smyková Smyková deformace představuje změnu v orientaci sousedních molekul, klouzajících po sobě projevuje se změnou velikosti úhlu. Příklad 2.1 ikona6e Seřaďte následující možnosti podle míry relativní deformace od největší Rozhodněte, v kterém případě došlo k větší relativní deformaci: a) původní délka: 5 cm, délka po aplikaci zátěže: 7 cm b) původní délka: 9 cm, délka po aplikaci zátěže: 12 cm c) původní délka: 2 cm, délka po aplikaci zátěže: 3 cm

Řešení: ε = (l – l0)/(l0) εa = (7 – 5)/(5) = 2/5 = 40 % εb = (12 – 9)/(9) = 3/9 = 33% εc = (3 – 2)/(2) = 1/2 = 50 % εc > εa > εb

Základní mechanické vlastnosti biomateriálů Elasticita Při určitém zjednodušení, můžeme uvažovat, že vlákna mají elastické vlastnosti. Tedy, že vztah mezi působící silou a protažením vlákna je lineární. Vlákna jsou v tomto případě přirovnávána k pružinám. Vztah mezi působící silou a protažením vlákna vyjádříme: F = a•(l – l0), kde l je velikost původní délky, l0 velikost délky po aplikaci zátěže. Konstanta a představuje tuhost vlákna (pružiny). Pro relativní zkrácení vlákna, obdržíme vztah: F = c•((l – l0)/l0), kde c opět představuje tuhost vlákna, avšak je nezávislé na jeho délce v klidu. Podíl mezi délkou vlákna při působící síle (zátěži) a v klidu vyjadřujeme míru protažení λ. λ = l/l0. V biomateriálech u relativně malého protažení vlákna je vztah mezi velikostí síly a mírou protažení přibližně lineární, avšak jakmile se protažení přiblíží kritické hodnotě (λC), pak je pro další protažení potřeba mnohem větší síly.

Modul pružnosti v tahu

Modul pružnosti v tahu (Youngův modul) vyjadřuje vztah mezi napětím a deformací. Je tedy ukazatelem odolnosti materiálu vůči napětí. Modul se zvyšuje se zvýšením normálového napětí a se snížením míry deformace. E = σ/ε, kde σ je velikost normálového napětí a ε deformace. Na obrázku můžeme vidět závislost mezi napětím a deformací u dvou různých materiálů. U materiálu A je pro stejnou deformaci potřeba větší napětí než u materiálu B, má tedy vyšší modul pružnosti v tahu a je odolnější vůči zatížení.

Modul pružnosti ve smyku Při působení smykových sil uvažujeme modul pružnosti ve smyku (G), který popisuje poměr mezi smykovým napětím a jím způsobenou deformací. Orientační hodnoty modulu pružnosti v tahu (E) a ve smyku (G) u vybraných materiálů

Příklad 2.2 ikona6e Vypočítejte Youngův modul pružnosti materiálu (vlákna), je-li jeho příčný průřez 1 mm2, působící síla má hodnota 21 N a jeho délka se při této síle zvýšila z 5 na 8 cm.

Řešení: S = 1 mm2 = 0,000001 m2 σ = F/S = 21/0,000001 = 21 000 000 Pa = 21 MPa U deformace se jedná o relativní veličinu, takže nemusíme převádět l a l0 na základní jednotky. l0 = 5 cm = 0,05m l = 8 cm = 0,08 m ε = (l – l0)/(l0) = (0,08 – 0,05)/0,05 = 0,03/0,05 = 0,6 nebo 60 % E = σ/ε = 21/0,6 = 35 MPa Příklad 2.3 Na běžce při dopadu působí síla 3000 N, která způsobí že délka tibie délky 40 cm se zkrátí o 0,5 mm. Tibie má příčný průřez 4 cm2. Vypočítejte napětí σ, deformaci ε a Youngův modul pružnosti.

Viskozita Biologické tkáně však nemají pouze elastické vlastnosti, protože velkou jejich část tvoří voda. Mechanické vlastnosti vody jsou spojeny s termínem viskozita. Místo pružiny u elasticity si zde můžeme představit píst. Viskozita je charakterizována součinitelem kinematické vazkosti. Viskozita tlumí pohyb.

Plasticita Plasticita je vlastností materiálu nevratně měnit svůj tvar bez makroskopického porušení. Je charakterizována pomocí součinitelem tření. Hmotnost a elasticita mají schopnost akumulace energie, viskozita a plasticita tlumí pohyb.

Další vlastnosti biomateriálů Hystereze – při cyklickém zatěžování je průběh změn napětí vzhledem k protažení (deformace) různé při zatěžování a odlehčení. Při opakovaném působení napětí, dochází k větší deformaci. Nehomogenita – tkáně mají v různých částech různé složení a tedy i různé mechanické vlastnosti. Anizotropie – v různých směrech dochází k různé odezvě na zátěž. Adaptabilita – při opakovaném zatěžování dochází k přizpůsobení struktury a vlastností tkáně.

Viskoelasticita U většiny biologických tkání jsou jejich vlastnosti kombinací elasticity s viskozitou. Tuto vlastnost nazýváme viskoelasticita. Viskoelastické materiály jsou přirovnávány k pružině s pístem. Základní charakteristiky viskoelastických biomateriálů

    

přítomnost viskózní tekutiny má za následek , že k deformaci nedochází okamžitě, a také návrat materiálu do původního tvaru je opožděn, viskoelastické materiály mají jak elastickou odpověď, tak tlumící efekt, viskoelastické materiály jsou v kostech, šlachách, vazech i kůži, odpověď na zátěž je závislá na době působení i elasticitě, hystereze.

U elastických materiálů je vztah napětí a deformace stejný při zátěži i odlehčení. Velikost energie, která se uloží při deformaci je stejná jako uvolněná energie navrácení tělesa do původního stavu po odeznění zátěže (vyšrafovaná oblast).

U viskoelastických materiálů tomu tak není. Změna napětí vzhledem k deformaci je při zátěži a odlehčení odlišná (hystereze). Absorbovaná energie se uvolňuje ve formě tepla.

Pro viskoelastické materiály jsou charakteristické dva efekty:  creep – při konstantní zátěži dochází k pozvolnému protažení tkáně,  napěťová relaxace – při konstantním protažení tkáně dochází k postupnému poklesu napětí.

Působení zátěže na lidské tělo S různou intenzitou zatížení (mechanické zátěže) se mění odezva organizmu. Negativní však není pouze nadlimitní zátěž, která vyvolává patologickou reakci organizmu. Pro správný vývoj a funkci je důležité dosažení hodnoty zatížení alespoň na spodní hranici intervalu, ve kterém je zátěž přijatelná. Podprahové hodnoty mohou vést k remodelaci kosti a dalších pasivních prvků pohybového systému. Působení zátěže na lidské tělo ovlivňuje:  velikost zátěže,  místo,  směr působení,  doba,  frekvence,  variabilita,  rychlost změn.

Namáhání kostí Podle typu deformace rozlišujeme způsoby namáhání kostí na:  tlak – síly působí proti sobě, dochází ke zkrácení a rozšíření kosti,  tah – síly působí od sebe, dochází k prodloužení a zúžení kosti,  smyk – síla působí kolmo na povrch kosti,  krut – rotační pohyb kolem podélné osy kosti,



ohyb – kombinace tlaku a tahu, které působí na různých stranách kosti.

Elastické a plastické deformace Průběh křivky závislosti napětí na deformaci má u vazů typický průběh: 1. Tkáň se deformuje snadno bez velkého napětí. 2. Vztah mezi velikostí napětí a mírou deformace je přibližně lineární. Sklon této části křivky (poměr mezi napětím a deformací) je obvykle brán jako ukazatel elasticitiy tkáně. 3. Objevují se náhlé změny napětí jako následek mikrotraumat. 4. Při dalším zatížení napětí prudce klesá jako důsledek přetržení tkáně.

Příčiny zranění Ke vzniku zranění přispívá celá řada faktorů. Můžeme je dělit na vnitřní (souvisí se samotným sportovcem) a vnější (prostředí). Některé z faktorů ovlivnit nelze (věk, pohlaví), jiné mohou být ovlivněny např. tréninkem (síla, rovnováha, flexibilita).

Zranění a počet opakování Vztah mezi velikostí zatížení, počtem opakování a rizikem poranění je vyjádřen na obrázku. Při větším počtu opakování zátěže je riziko zranění již při menším zatížení.

Velikost zátěže můžeme rozdělit do tří zón:  zóna zatížení – i při opakovaném působení nedochází k poranění,  zóna únavy – při opakovaném zatížení dochází k poranění,  zóna přetížení – k poranění dochází už po jednorázovém zatížení (přetížení)

Příklad 2.4 Ve zvolené sportovní disciplíně, zjistěte nejčastější typy zranění a popište možné příčiny. Po zvládnutí této kapitoly umíte:

ikona4  

popsat základní vlastnosti biomateriálů, diskutovat možné příčiny zranění.

ikona7 Bahr, R., Holme, I. (2003). Risk factors for sports injuries – a methodological approach. Br J Sports Med, 37, 384-392. Ether, C. R., Simmons, C. A. (2007). Introductory biomechanics. From cells to organism. Cambridge: Cambridge University Press. Janura, M. (2003). Úvod do biomechaniky pohybového systému člověka. Olomouc: Univerzita Palackého. Meeuwisse, W. H. (1994). Athletic injury etiology: Distinguishing between interaction and confounding. Clin J Sport Med, 4, 171-5. Oomens, C., Brekelmans, M., Baaijens, F. (2009). Biomechanics. Concepts and computations. Cambridge: Cambridge University Press. http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:ModulPruznosti2.svg http://en.wikipedia.org/wiki/Shear_modulus http://wweb.uta.edu/faculty/ricard/Classes/KINE-3301/Kine-3301.html

3 Biomechanické metody Studijní cíle Ikona1  

seznámit se s teoretickými zákonitostmi biomechanických metod a vytvořit tak základ pro praktickou část, objasnit rozdíly mezi jednotlivými metodami.

Úvod K biomechanickému sledování pohybu nejen v oblasti sportu je využívána celá řada biomechanických metod. Tato kapitola má za cíl vám přiblížit jejich teoretické základy a principy. Je zřejmé, že teoretické poznatky nestačí, a proto v seminářích studenti mají možnost se s metodami seznámit také prakticky.

Přehled metod pro biomechanickou analýzu pohybu Kinematické  goniometrie,  akcelerometrie,  dotykový koberec pro měření časových parametrů,  kinematografie (videografie),  optoelektronické snímání (VICON, Qualysis, ...),  snímání založené na elektromagnetickém principu (FasTrak),  snímání využívající ultrazvukové senzory (Zebris). Kinetické  dynamometrie,  dynamografie,  pedobarografie,  izokinetická dynamometrie. Ostatní  elektromyografie.

Kinematické metody Kinematická analýza poskytuje informace o vzájemné poloze jednotlivých segmentů těla.

Kinematické veličiny      

dráha, rychlost, zrychlení, čas, úhel, úhlová rychlost,



úhlové zrychlení.

Souřadný systém Abychom mohli určit polohy bodů a z nich vyplývající polohy segmentů a celého těla je nezbytné definování souřadného systému. Nejčastěji používaným je kartézský systém souřadnic.

Umístění značek U rovinné 2D analýzy jsou k definování segmentu nutné dvě značky u prostorové 3D analýzy to jsou značky tři. Jedno z možných rozmístění bodů pro celé tělo je uvedeno na následujících obrázcích. Rozmístění značek trup, hlava a horní končetiny – pohled zepředu

Rozmístění značek trup, hlava a horní končetiny – pohled zezadu

Rozmístění značek pánev a dolní končetiny – pohled zepředu

Rozmístění značek pánev a dolní končetiny – pohled zezadu

Vyhodnocení záznamu Abychom získali souřadnice zkoumaných bodů, je nutné zjistit jejich pozici na záznamu. To můžeme provádět buď manuálně, nebo s pomocí automatického systému. U aktivních značek systém vyhodnocuje jejich pozici na základě signálu, který vysílá vysílač a zachycuje přijímač. U pasivních značek je automatické určování souřadnic založeno na kontrastu značky a jejího okolí.

Kalibrace a transformace souřadnic Provedení kalibrace při analýze záznamu pohybu je jedním ze základních kroků, který slouží k určení závislostí mezi skutečnými velikostmi a odpovídajícími údaji, získanými na záznamu. Podstatou kalibrace prostoru je nasnímání souboru kalibračních bodů ze všech kamer. Skutečné vzdálenosti těchto bodů jsou známy. Vztah mezi těmito známými 3D pozicemi značek a jejich 2D projekcemi do záznamů z různých kamer je dopočítán pomocí software. Když se zkoumaný subjekt pohybuje před kamerami ve zkalibrovaném prostoru, tento postup se „obrátí“ a z 2D pozic bodů na snímku každé z kamer jsou vypočítány 3D pozice bodů subjektu v reálném prostoru laboratoře.

Úprava vyhodnocených dat Při digitalizaci pozic značek je nemožné dosáhnou dokonalé přesnosti (Kirtley, 2006). Malé odchylky v souřadnicích vedou k tzv. digitalizačnímu šumu v měření. Abychom tento šum odstranili a zůstala nám data co nejvíce se blížící skutečným reálným polohám bodů, provádíme vyhlazení nebo filtrování dat.

Délkové a úhlové parametry Z prostorových souřadnic vybraných bodů můžeme vypočítat délkové a úhlové parametry na základě vzorců analytické geometrie. Délka úsečky , kde A = [xA, yA, zA], B = [xB, yB, zB]. Úhel mezi segmenty

Příklad 3.1 Poloha bodů v kartézské soustavě souřadné je: A [1,3], B[4,6], C[4,3]. Jaká je délka úsečky AB a jaká je velikost úhlu BAC?

Metody a zařízení Kinematické metody se zpravidla liší v tom, jaké kinematické veličiny přímo měří, nebo v tom, jakým způsobem z těchto veličin odvozují další informace o měřeném jedinci. Případně můžeme metody dělit podle toho, zda měřící zařízení analyzuje měřenou veličinu přímo nebo pomocí zobrazení Metody přímé – měří přímo sledovanou veličinu bez nutnosti dalšího zpracování:  goniometrie,  akcelerometrie,  dotykový koberec pro měření časových parametrů. Metody zobrazovací:  videografická metoda,  optoelektronické snímání,  snímání založené na elektromagnetickém principu,  snímání využívající ultrazvukové senzory. U zobrazovacích metod jsou na tělo umístěny značky. Pomocí snímačů (kamer) je sledována jejich poloha v prostoru a čase. Z dat polohy sledovaných bodů lze odvodit informace o dráze, rychlosti daných bodů či úhel nebo úhlová rychlost mezi segmenty. Goniometrie Goniometr slouží k přímémo měření úhlu mezi segmenty. Elektrogoniometr je speciálním případem elektrického potenciometru. Stejně jako u dalších přímých metod, tak i zde je možno okamžitě po měření obdržet data. Za nevýhodu lze považovat, obtížné hodnocení většího počtu segmentů najednou a možnost pohybu ramen po kůži.

Akcelerometrie

Princip měření je založen na pohybu těles (krystalů) uvnitř akcelerometru při zrychlení. Tento pohyb způsobuje změnu napětí, která je pak převedena na změnu zrychlení. Jednoduchý akcelerometr může měřit zrychlení pouze ve směru jedné osy. Pokud chceme měřit zrychlení v prostoru, pak musíme využít tříosý akcelerometr, který je složen ze tří jednoduchých akcelerometrů, jejichž osy jsou na sebe navzájem kolmé.

Dotykový koberec pro měření časových parametrů Koberec (podložka) pro měření časových parametrů má dvě vnější vrstvy, mezi kterými je vzduch. Při dotyku podložky dojde ke kontaktu vnějších vrstev a změně napětí na výstupu. Tato zařízení rozlišují pouze dvě možnosti: těleso je v kontaktu s podložkou (oporová fáze), těleso není v kontaktu s podložkou (bezoporová fáze). Využití můžeme nalézt např. při hodnocení časových parametrů chůze nebo měření výšky vertikálního skoku pomocí doby bezoporové fáze. Videografická metoda Pro potřeby videografické metody nám postačí pouze jedna kamera (pro 2D analýzu) nebo alespoň 2 kamery 3D analýzu. Hlavním kladem je její dostupnost. K pořízení záznamu postačí běžná videokamera. U rychlých pohybů ve sportu jsou často využívány kamery s vysokou rychlostí záznamu. Nevýhodou je často zdlouhavé zpracování dat, protože využití automatického označování polohy značek je omezené. Dříve byly používány také kinematografické kamery (kinematografická metoda), ale v současné době je jejich využívání ojedinělé.

Optoelektronické snímání Optoelektronické kamery ze zdrojů umístěných v okolí objektivu vysílají infračervené záření. To se odráží od speciálních pasivních značek umístěných na objektu měření a je zpracováno v detektoru pro vyhodnocení značek v kameře.

Další kinematické systémy Mezi další systémy, které umožňují automatické vyhodnocení polohy značek v prostoru, patří systémy založené na elektromagnetickém principu nebo využívající ultrazvukové senzory. Tyto systémy využívají aktivní značky (snímače) vysílající signál, který je zachycován pomocí přijímačů (kamer). Aktivní značky musí mít nějaké napájení (baterie) a proto je jejich hmotnost vyšší než u značek pasivních.

Kinetické metody Kinetická analýza se zabývá měřením sil a veličin z těchto sil odvozených.

Kinetické veličiny Základní kinetickou veličinou je síla F. Dále také hovoříme o měření rozložení tlaku (p = F/A). Z vektoru reakční síly, kinematických a antropometrických parametrů můžeme odvodit také moment síly produkovaný v kloubu, mechanický výkon svalů, změny energie z něho vyplývající a mechanickou práci.

Metody a zařízení Dynamometrie S dynamometry se v oblasti sportu můžeme setkat zejména při testování síly. Výstupem z měření je pouze maximální hodnota síly, zatímco u dynamografie je zaznamenán průběh síly v čase.

Dynamografie (silové plošiny) Silové plošiny jsou nejčastěji využívaným zařízení pro měření síly. Výstupem měření je vektor reakční síly podložky. Silová plošina umožňuje měření celkové síly, kterou působí chodidlo na podložku, avšak neukazuje velikosti této síly v různých částech chodidla. Má obvykle čtyři podstavce umístěné blízko rohů plošiny. V každém z rohů plošiny je zpravidla umístěn jeden tříosý snímač síly.

Využití silových plošin můžeme nalézt zejména při hodnocení reakční síly podložky při chůzi nebo běhu, při hodnocení rovnováhy a jako nástroj pro určení výšky vertikálního skoku. V současné době dochází často ke srovnávání (někdy i zaměňování) dynamografie s pedobarografií. Výhodou dynamografie je vyšší přesnost, hodnocení síly ve třech směrech vertikální, anteroposteriorní, mediolaterální a také možnost vypočítat momenty síly kloubech.

Pedobarografie (tlakové plošiny) Měření rozložení tlaku pod chodidlem je metoda analýzy pohybu, která může mít specifický význam zejména u osob, u kterých může být zvýšený tlak v některých částech chodidla rizikový. Plantární tlaky můžeme měřit při stoji, chůzi či běhu.

Pedobarografické plošiny jsou využívány také pro analýzu tlaků mezi jezdcem a koněm (jezdectví, hipoterapie) nebo pro analýzu tlaku v lůžku protézy. Výhoda měřících zařízení pro měření tlaku je v tom, že umožňují na rozdíl od silových plošin zkoumat různé oblasti chodidla odděleně.

Izokinetická zařízení Izokinetická zařízení slouží zejména k testování svalové síly u sportovců nebo u pacientů se svalovým oslabením. Další možné využití je v oblasti rehabilitace.

Na rozdíl od izometrických zařízení (testování síly ve statických situacích) umožňují izokinetická zařízení testování síly za pohybu. Rychlost pohybu je konstantní. Základním výstupem je hodnota momentu síly při flexi a extenzi. Kromě koncentrického režimu (zrychlování pohybu) je možné testovat také v excentrickém režimu (brzdění pohybu).

Měření síly šlach a vazů

V mnoha případech je žádoucí změřit velikost síly, která působí na jednotlivé šlachy či vazy. Tato měření jsou však invazivní, a proto jsou využívané zejména u studií na zvířatech.

Elektromyografie Elektromyografie (EMG) je metoda, která zaznamenává aktivitu kosterního svalstva. Princip spočívá ve sledování změn membránového potenciálu svalu. EMG nám může ukázat míru zapojení jednotlivých svalů nebo timing (načasování) jejich zapojení. Nejčastější využití je v rehabilitaci nebo v biomechanické analýze pohybu. Výstupy z EMG nemůžeme považovat za ukazatel svalové síly. Podle typu elektrod rozlišujeme povrchové (vlevo) a jehličkové (vpravo) EMG.

Písemný úkol 3.1 Ve zvolené sportovní disciplíně popište možné využití biomechanických metod. Po zvládnutí této kapitoly umíte: ikona4  

popsat základní biomechanické metody a jejich principy, popsat využití biomechanických metod v oblasti sportu, v rehabilitaci, ortotice, protetice apod.

Zdroje obrázků: ikona7 http://www.britannica.com/EBchecked/media/88002/Carl-Lewis-flying-through-the-airduring-the-long-jump http://www.zebris.de/english/medizin/medizin-hand-arm-motorik.php http://polhemus.com/?page=Motion_FASTRAK http://blog.roymatheson.com http://www.bme.columbia.edu/senior_design/08/orthometrics/technologies.html http://www.drsami.com/ptsite/EMG.htm