ZÁKLADY BIOMECHANIKY SVALOVĚ KOSTERNÍHO SYSTÉMU 1. Co je to biomechanika? 2. Kinematická analýza pohybu člověka -příklady 3. Osobnosti v mechanice a jejich podíl na vzniku biomechaniky 4. Mechanické vlastnosti kostní tkáně
CO JE TO BIOMECHANIKA? Biomechanika se snaží porozumět mechanice živých systémů. Biomechanika se zabývá aplikací zákonů mechaniky v ¾biologii ¾medicíně ¾tělovýchově ¾sportu ¾kriminalistice atd.
Slovo „mechanika“ použil jako první Galileo jako název kapitoly své knihy „Two new Sciences“ (1638), ve které popisuje síly, pohyb a pevnost materiálů. V průběhu dalších let se obor mechanika rozšířil na studium pohybu částic a kontinua, včetně atomů, molekul a plynů, tekutin, pevných těles, konstrukcí, hvězd a galaxie. V obecném smyslu se mechanika používá pro analýzu jakéhokoliv dynamického systému.
Aplikace na atletiku – skok do dálky známe: x2 = l = 8 m t2 = 1 s neznáme: v0, θ, h
Známé vztahy z fyziky: Jednosměrný pohyb ve směru osy x: Pro 2-D pohyb v rovině xy analyzujeme ve směru os x,y, odděleně ⇒ vektorovým součtem spojíme
Aplikace na atletiku – skok do dálky známe: x2 = l = 8 m t2 = 1 s neznáme: v0, θ, h
Aplikace na vodní sport – skok do vody známe: h0 = 10 m, l = 5 m, t2 = 2,5 s neznáme: v0,
bod 0 [0, 10] bod 2 [5, 0]
Už řečtí filozofové analyzovali a popisovali lidský pohyb (500 – 300 př.n.l.). Smyslem jejich studia bylo nalézt harmonii světa. Řečtí filozofové věřili, že smysly klamou a proto žádné experimentální metody nemohou vést k pravdě. Pravda může být nalezena pouze logickým uvažováním. Filozofie starých Řeků provokuje závažné otázky pro moderní studium lidského pohybu. Klamou naše smysly a limitují naši schopnost pozorovat a analyzovat pohyb člověka? Toto je oprávněná otázka a měli bychom ji mít na paměti při interpretaci měření a studia pohybu, zejména, když se pokoušíme zobecňovat specifické pozorování.
ARISTOTELES Biologický svět je součástí fyziologického světa, který nás obklopuje, a přirozeně je také předmětem zkoumání mechaniky. Je to obor skutečně starodávný a zahrnuje velmi rozsáhlou oblast. Již starověký řecký filozof Aristoteles (384-322 př.n.l) byl výmluvný řečník na téma spojení fyziky se studiem živých bytostí. Moderní rozvoj mechaniky však nastal hlavně v technice a proto pro mnoho inženýrů zní dnes slovo biomechanika jako nový obor.
Galileo Galilei (1564 – 1642):"A přece se točí" Italský vědec a filozof. Byl to skutečně renesanční muž, vynikal v mnoha oborech, včetně hudby a malířství. Narodil se roku 1564 v italském městě Pisa. Jako první se snažil odvodit teoretické vztahy na podkladě experimentálního výzkumu: ¾doba kyvu tělesa není závislá ani na velikosti (amplitudě) kyvu ani na jeho hmotnosti ale výlučně na délce závěsu; ¾je zakladatelem učení o pohybu, čili dynamiky: tělesa při volném pádu mají konstantní zrychlení vertikálního směru a dráha pádu tělesa je přímo úměrná čtverci času pádu tohoto tělesa. ¾jako první člověk pozoroval vlastním dalekohledem nebeskou oblohu
A co biomechanika? Galileo Galilei používal kyvadlo k měření rychlosti tepu u lidí a výsledky kvantitativně vyjadřoval v délce závěsu.
William Harvey (1578 – 1657) Anglický vědec a lékař působil na St. Bartholomew’s hospitál in London. Studoval anatomii na universitě v Padově. Jeho objev: V roce 1615 Harvey přišel s myšlenkou krevní cirkulace v těle. Harveyovi pomohl objev, že žíly obsahují chlopně. Při svém objevu aplikoval Galileův princip měření. Nejprve dokázal, že krev opouští srdce pouze tepnami a to v jednom směru. Pak změřil kapacitu srdce a zjistil, že má objem 2 unce. Srdce tluče 72x za minutu, tedy za hodinu vypudí do systému 2 x 72 x 60 = 8640 uncí = 540 liber! Odkud se všechna ta krev poděje? Kam všechna ta krev jde? Udělal závěr, že existence cirkulace je nezbytnou podmínkou pro funkci srdce.
Schéma chlopní na paži z knihy Williama Harvey
Galenovo fyziologické schéma srdce
Galen (129 – 216) sice objevil pohyb krve v těle, věřil však, že krev kontinuálně vzniká a je spotřebována. Jeho myšlenka platila po celých 1400 let.
René Descartes (1596-1650) latinsky Renatus Cartesius: "Myslím, tedy jsem." Francouzský filosof (scholastik a metafyzik) a vědec (matematik, fyzik a fyziolog). Tvůrce novověké koncepce subjektu, zakladatel novověkého racionalismu a vědeckého objektivismu. Jeden ze zakladatelů analytické geometrie - zavedl pojem funkce a proměnné veličiny a soustavu pravoúhlých (kartézských) souřadnic. Descartes neměl žádné praktické znalosti o fyziologii a přesto jsou jeho knihy považované za první důležité moderní knihy věnované fyziologii. Zavedl čtyři principy živočišného světa včetně popisu funkce nervů: ¾Principy lidského poznání ¾Principy materiálních věcí (základy teoretické karteziánské fyziky) ¾Viditelný svět (věnované přírodovědným otázkám, zvláště astronomii) ¾Země.
Giovanni Alfonso Borelli (1608 – 1679) Vynikající italský matematik a astronom, přítel Galilea Galilei. Vydal knihu „ O pohybu zvířat“, ve které úspěšně objasňuje pohyb svalů a dynamiku těla. Pojednal o letu ptáků a plavání ryb, stejně jako o pohybu srdce a střev.
Robert Boyle (1627 – 1691) Byl to anglický přírodovědec a byl ve své době považován za jednoho z nejvýznamnějších experimentálních vědců. Měl vynikající schopnosti teoretika, experimentátora i filosofa a s jeho jménem bývá spojováno utváření vědeckých základů chemie. V roce 1660 objevil nepřímoúměrný vztah mezi tlakem a objemem plynu při konstantní teplotě. Vztah P x V = konst. je znám jako Boylův zákon a byl to jeden z prvních pokusů vyjádřit vědecký princip pomocí matematické formule. A co biomechanika: Robert Boyle studoval plíce a zabýval se funkcí vzduchu ve vodě vzhledem k dýchání ryb.
Robert Hook (1635 – 1703) Anglický vědec, pracoval jako asistent Boylea, kde mu pomáhal s konstrukcí vzduchové pumpy. Dokázal, že vzduch je nezbytný pro život a hoření. V roce 1660 zjistil, že relativní deformace těles je úměrná působícímu napětí (Hookův zákon). Vynalezl kónické kyvadlo, zkonstruoval si vlastní zrcadlový dalekohled a v roce 1672 se pokusil dokázat, že dráha Země kolem Slunce je elipsa. V roce 1678 objevil, že gravitační síla ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Robert Hook nám dal tedy Hookův zákon v mechanice a svět „buněk“ v biologii, když určil základní jednotku života. Navrhl mikroskop s osvětlovacím systém, jeden z nejlepších v té době.
Leonhard Euler (1707 – 1783): “Mohu dělat co chci . . . a tak jsem nejšťastnějším člověkem na světě. ” Leonhard Euler byl vynikající matematik 18. století. Ačkoliv většina jeho práce se týkala čisté matematiky, významně přispěl také do astronomie a do fyziky. Za svůj život publikoval více než 500 knih a článků, dalších 400 prací vyšlo po jeho smrti. Eulerův příspěvek do matematiky je velmi rozsáhlý. Zabýval se metodami vyčíslení integrálů, diferenciálními rovnicemi a prouděním ideálních plynů. Euler také zavedl moment setrvačnosti, odvodil diferenciální rovnici ohybové čáry nosníku a úpravu matematiky (e pro základ přirozených logaritmů, π pro Ludolfovo číslo, Σ pro součet atd.). A jeho příspěvek k biomechanice: V roce 1775 publikoval článek:“ On the propagation of waves in arteries“.
Thomas Young (1773 – 1829) Čím byl pro evropský kontinent Leonardo da Vinci, tím byl pro britské ostrovy o tři století mladší Thomas Young, lékař, fyzik a univerzální génius. Podle jednohlasného hodnocení svých současníků lze jen těžko najít obor, v němž by nebyl vynikající. ¾objevil, že akomodace oka je způsobena proměnným tvarem oční čočky, jejíž křivost automaticky mění ciliární svaly; ¾Objevil podstatu světla, kterou spatřoval ve vlnění vše vyplňujícího hypotetického prostředí - éteru - a nikoliv ve světelných částicích, jakýchsi světelných atomech, jak si představoval Newton; ¾v nauce o pružnosti dodnes nese jeho jméno modul pružnosti v tahu; ¾učinil první úspěšné kroky k rozluštění egyptských hieroglyfů.
Jean Luise Marie Poiseuille (1799 – 1894) Francouzský lékař a vědec. Již na studiích vynalezl rtuťový manometr na měření krevního tlaku na aortě psa. Po dokončení studia se věnoval proudění kapalin v trubici a zjistil, že rychlost proudění závisí na průměru a délce trubice a na rozdílu tlaku mezi jejími konci. Formuloval rovnici známou jako Piseuillův zákon, kde popisuje tento vztah. Jednotka viskosity (velikost odporu kapaliny) je pojmenována poise na jeho počest. Viskosita kapalin může být definována jako velikost odporu kapaliny proudit. Je to analogické jako tření pevných těles v tom smyslu, že také přeměňuje kinetickou energii do tepelné. Jednotka dynamické viskosity je v absolutní soustavě Poise = P = g . cm-1 . s-1 V tomto případě jednoznačně lékař zasahuje do hydrodynamiky.
Hermann von Helmholtz (1821 1894) Německý lékař a fyzik – právem může být nazýván „Father of Bioengineering“ Byl profesorem psychologie a patologie v Königsbergu, profesor anatomie a psychologie v Bonnu, profesor psychologie v Heidelbergu a konečně profesor fyziky v Berlíně. Napsal článek „zákon o zachování energie“. Jeho přínos je velmi rozsáhlý, zahrnuje optiku, akustiku, termodynamiku, elektrodynamiku, fysiologii a medicínu. Objevil mechanismus ostření oka, a jako pokračovatel Younga, formuloval třísložkovou teorii barevného vidění. První určil rychlost pulzu nervů – 30 m/s a ukázal, že teplota vyvinutá při kontrakci svalu, je významným zdrojem živočišného tepla.
Ačkoliv se všeobecně soudí, že vynález kontaktních čoček spadá někam do poloviny 20. století, pravdou je, že první zmínky o kontaktních čočkách byly učiněny již téměř před 500 lety. Byl to, jako v mnoha jiných případech, “všeuměl” Leonardo da Vinci, který už roku 1508 načrtl a popsal několik druhů těchto čoček. S popisem rohovkových čoček přišel o více než století (1632) později i Francouz René Descartes. Jeho myšlenku však rozvíjí a realizuje teprve Thomas Young roku 1801. Využívá k tomu krátké skleněné trubky naplněné vodou a provádí tak korekci svého zraku. Další osobnosti: anglický astronom John Herschel - 1827 německý foukač skla z Wiesbadenu F. E. Mülller - 1887 Švýcar A. Eugenem Fickem -1888 optik William Feinbloom z New Yorku 1936
Otto Wichterle Zásadní obrat v použití vhodného materiálu pro kontaktní čočky byl učiněn až v 50. letech a to v Čechách. Od roku 1952 se profesor Vysoké školy chemicko-technologické v Praze Otto Wichterle začal zabývat syntézou síťovaných hydrofilních gelů, které vodou bobtnají, s cílem najít vhodný materiál pro oční implantáty. Podařilo se mu připravit gel, který pohlcoval až 40 % vody, měl vhodné mechanické vlastnosti a byl průhledný.
V roce 1958 byl Wichterle jmenován ředitelem nově vzniklého Ústavu makromolekulární chemie ČSAV. Budova ústavu se však teprve stavěla a tak rozhodující pokusy s převedením hydrogelů do vhodného tvaru oční kontaktní čočky musel profesor Wichterle provádět doma. Posloužila mu k tomu dětská kovová stavebnice “Merkur”. Z ní si postavil první prototyp odstředivého odlévacího zařízení. Poháněl ho dynamkem z jízdního kola napájeného zvonkovým transformátorem. Na tomto jednoduchém zařízení odlil první 4 čočky, které nedráždily oko. Za několik let se tyto měkké, hydrofilní čočky rozšířily do celého světa.
