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

NNaa iinntteerrnneettuu nnaalleezznněěttee lliibboovvoollnnéé vviiddeeoo,, kkddee mmůůžžeemmee ppoozzoorroovvaatt MMaaggnnuussůůvv jjeevv vv pprraaxxii.. OOddkkaazz

nnaappiiššttee..

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&#8226;a &#61; 0,

FREA je reakční síla podložky, G je síla tíhová a m&#8226;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 &#61; g&#8226;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

PPřřii mměěřřeenníí vvýýšškkyy vveerrttiikkáállnnííhhoo sskkookkuu ppoommooccíí ddoobbyy bbeezzooppoorroovvéé ffáázzee bbyyllaa nnaamměěřřeennaa ddoobbaa lleettuu

sskkookkaannaa 00,,5555 ss.. JJaakkáá bbyyllaa vvýýšškkaa sskkookkuu??

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 &#61; m&#8226;v, z toho odvodíme v &#61; I/m.

Vertikální skok je vrh svislý, tedy platí, že

v &#61; g&#8226;t, tedy t &#61; v/g &#61; I/m&#8226;g

t je dobou výstupu, která je rovna době pádu.

Pro výšku vertikálního skoku platí:

h &#61; &#189;&#8226;g&#8226;t2 &#61; &#189;&#8226;g&#8226;(I/m&#8226;g)

2

&#61; I2/(2&#8226;g&#8226;m

2)

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.

&#963; &#61; 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:

&#949; &#61; (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:

&#949; &#61; (l – l0)/(l0)

&#949;a &#61; (7 – 5)/(5) &#61; 2/5 &#61; 40 &#37;

&#949;b &#61; (12 – 9)/(9) &#61; 3/9 &#61; 33&#37;

&#949;c &#61; (3 – 2)/(2) &#61; 1/2 &#61; 50 &#37;

&#949;c &#62; &#949;a &#62; &#949;b

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 &#61; a&#8226;(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 &#61; c&#8226;((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

&#955;.

&#955; &#61; 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 (&#955;C),

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 &#61; &#963;/&#949;,

kde &#963; je velikost normálového napětí a &#949; 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 &#61; 1 mm2 &#61; 0,000001 m

2

&#963; &#61; F/S &#61; 21/0,000001 &#61; 21 000 000 Pa &#61; 21 MPa

U deformace se jedná o relativní veličinu, takže nemusíme převádět l a l0 na základní

jednotky.

l0 &#61; 5 cm &#61; 0,05m

l &#61; 8 cm &#61; 0,08 m

&#949; &#61; (l – l0)/(l0) &#61; (0,08 – 0,05)/0,05 &#61; 0,03/0,05 &#61; 0,6 nebo 60

&#37;

E &#61; &#963;/&#949; &#61; 21/0,6 &#61; 35 MPa

Příklad 2.3

NNaa bběěžžccee ppřřii ddooppaadduu ppůůssoobbíí ssííllaa 33000000 NN,, kktteerráá zzppůůssoobbíí žžee ddééllkkaa ttiibbiiee ddééllkkyy 4400 ccmm ssee zzkkrrááttíí oo

00,,55 mmmm.. TTiibbiiee mmáá ppřřííččnnýý pprrůůřřeezz 44 ccmm22.. VVyyppooččíítteejjttee nnaappěěttíí &&##996633;;,, ddeeffoorrmmaaccii &&##994499;; aa

YYoouunnggůůvv mmoodduull pprruužžnnoossttii..

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 &#61; &#91;xA, yA, zA&#93;, B &#61; &#91;xB, yB, zB&#93;.

Úhel mezi segmenty

Příklad 3.1

PPoolloohhaa bbooddůů vv kkaarrttéézzsskkéé ssoouussttaavvěě ssoouuřřaaddnnéé jjee:: AA &&##9911;;11,,33&&##9933;;,, BB&&##9911;;44,,66&&##9933;;,,

CC&&##9911;;44,,33&&##9933;;.. JJaakkáá jjee ddééllkkaa úússeeččkkyy AABB aa jjaakkáá jjee vveelliikkoosstt úúhhlluu BBAACC??

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 &#61;

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-air-

during-the-long-jump

http://www.zebris.de/english/medizin/medizin-hand-arm-motorik.php

http://polhemus.com/?page&#61;Motion_FASTRAK

http://blog.roymatheson.com

http://www.bme.columbia.edu/senior_design/08/orthometrics/technologies.html

http://www.drsami.com/ptsite/EMG.htm