Adattamenti Nel Muscolo Scheletrico In Seguito Ad Allenamenti Di Forza
Lez 3
1. Corso di Biodesign
AA 2010/2011 - Facoltà del Design - Politecnico di Milano
3° anno – Disegno Industriale
Biomeccanica e Biomimetica
Docente: G. Andreoni - Politecnico di Milano
2. Introduzione
-CONCETTI
Biomeccanica: E DEFINIZIONI
dal greco “Bios”, vita + Meccanica
ovvero, etimologicamente, l’applicazione delle leggi della
meccanica allo studio ed alla descrizione degli organismi
viventi.
3 ambiti/discipline/settori
Statica Cinematica Dinamica
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
3. Introduzione: Meccanica
Leggi della Meccanica Classica (Isaac Newton, 1687)
Primo principio della dinamica (Detto anche principio di inerzia):
"In un sistema inerziale, un corpo libero, cioè non sottoposto ad alcuna
forza, mantiene il suo stato di moto rettilineo uniforme o di quiete finchè
non interviene una forza esterna a variare tale moto".
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
4. Introduzione: Meccanica
Leggi della Meccanica Classica (Isaac Newton, 1687)
Secondo Principio della Dinamica:
"L'accelerazione di un corpo è direttamente proporzionale alla forza da
esso subita". La costante di proporzionalità tra la forza e l'accelerazione
è proprio la massa inerziale del corpo.
F = m*a
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
5. Introduzione: Meccanica
Leggi della Meccanica Classica (Isaac Newton, 1687)
Terzo principio della dinamica (principio di azione e reazione):
“ad ogni azione corrisponde una reazione, uguale e contraria, agente
sulla stessa retta di applicazione”
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
6. Introduzione
-CONCETTI E DEFINIZIONI
Biomeccanica: applicazione delle leggi della
meccanica allo studio ed alla descrizione degli
organismi viventi.
Statica Cinematica Dinamica
Postura : Movimento : Carichi :
allineamento analisi della analisi dei
quasi-statico mobilità e carichi e degli
di distretti della funzione sforzi agenti
corporei nello indipendentem sull’organismo e
spazio ente dalle delle
cause implicazioni
generatrici sulla funzione
(forze)
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
7. Introduzione
-CONCETTI E DEFINIZIONI
Biomeccanica: applicazione delle leggi della
meccanica allo studio ed alla descrizione degli
organismi viventi.
Neurologico : Anatomico:
lesioni e lesioni e
strategie patologie
motorie
Funzione:
analisi e valutazione
FES – Ausili – ortesi e
protesi
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
9. Il LyPhE
Laboratory of Physical Ergonomics
Analisi quantitativa del movimento con sistemi optoelettronici di
motion capture.
L’analisi è realizzata su un set di variabili cinematiche ovvero
parametri del movimento umano (angoli, traiettorie, velocità)
calcolate mediante opportuni modelli biomeccanici.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
10. L’uomo, oggetto di studio
REALTA’ ANATOMICA MOBILITA’ REALE MODELLO CINEMATICO DEL CORPO UMANO:
206 ossa, 244 GdL 18 segmenti rigidi, 17 articolazioni
238 Ridondanti 41 GdL
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
11. L’uomo, oggetto di studio
Organizzazione del Movimento e della Postura
Sistema Sensoriale
Centri Superiori Centri Spinali Sistema Muscolare Sistema Meccanico Postura e Movimento
Organi Tendinei
Fusi Muscolari
Le ossa sono collegate tra loro mediante articolazioni e legamenti connettivali,
che ne consentono movimenti reciproci e conferiscono al corpo una notevole
flessibilità e mobilità. Il movimento viene attuato dai muscoli che contraendosi,
esercitano un’azione di avvicinamento tra due pezzi scheletrici collegati. Il SNC
genera e controlla il movimento tramite sensori distribuiti.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
12. 12
Il corpo umano
Analogie anatomo-meccaniche
Ossa Leve e aste
Articolazioni Cerniere e giunzioni
Muscoli Motori
Tendini Funi e cavi
Legamenti Vincoli
Fusi musc. e Organi tendinei Sensori
Cervello e midollo spinale Programmatore/controllore
Nervi Sistema di trasmissione delle informazioni
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
13. Il corpo umano
Il Sistema Motorio
Cenni di Anatomia e Fisiologia
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
14. Il corpo umano: il sistema scheletrico
La struttura di sostegno
Lo scheletro
Lo scheletro umano costituisce la struttura portante
del corpo, ed è formata dall'insieme delle ossa,
variamente unite tra di loro da formazioni più o meno
mobili che prendono il nome di articolazioni.
Lo scheletro ha le funzioni di
- sostegno:
- consente il movimento del corpo tramite le
contrazioni muscolari
- protezione degli organi vitali e delle altre parti molli
- produce le cellule del sangue (emopoiesi)
- è un'importante riserva di sostanze minerali di vario
genere.
Lo scheletro del soggetto adulto è formato da
206/214 ossa circa (si può avere una vertebra in più
e molte ossa del piede sono in numero variabile,
inoltre durante lo sviluppo le ossa cambiano di
numero, evolvendosi e diminuendo dopo i 45 anni.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
15. Il corpo umano: il sistema scheletrico
La struttura di sostegno
Lo scheletro
Lo scheletro è formato da due segmenti:
- lo scheletro assile: cranio, vertebre, gabbia toracica,
sterno;
- lo scheletro appendicolare: arti superiori e inferiori;
Le connessioni tra scheletro assile e appendicolare
prendono il nome di "cinture":
cintura scapolare: formata da clavicola e scapola;
cintura pelvica: formata dall'osso dell'anca e dall'osso
sacro.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
16. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
17. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Il componente
Le ossa
Un osso è costituito da una superficie esterna compatta, molto dura
e resistente, e da un interno che è spugnoso contenente tessuto
molle detto midollo.
La parte superficiale dura è formata da un materiale composito di
cristalli di idrossiapatite (un minerale di calcio) annegati in una
matrice di cartilagine: questa parte non è un insieme omogeneo e
compatto, ma è organizzata in una serie di tubuli e lamine di
materiale osseo (osteoni) che contengono internamente cellule e
linfa.
Nonostante siano in parte costituite da minerali, le ossa sono organi
a tutti gli effetti: la loro parte minerale viene costantemente rinnovata
da due tipi di cellule al loro interno, gli osteoclasti che distruggono
l'idrossiapatite e gli osteoblasti che invece generano nuovi cristalli
per rimpiazzare i vecchi (processo di rimaneggiamento osseo).
Nel midollo delle ossa trovano inoltre posto le cellule staminali del
sangue, necessarie per l'emopoiesi, ossia la creazione di nuovi
globuli rossi e globuli bianchi.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
18. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Osso spugnoso
Osso compatto
Epifisi
Prossimale Cartilagine Cartilagine articolare
articolare Ialina
Metafisi Linea
epifiseale
Endostio
Osso
spugnoso
Osso
compatto
Diafisi Canale
midollare Midollo giallo
(midollo
giallo) Osso
compatto
Periostio
Fibre di
Sharpey
Arterie
Epifisi
distale
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
19. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Il componente
Le ossa
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
20. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Il componente
Le ossa
Esternamente, le ossa hanno una
superficie liscia e sono ricoperte da una
membrana, il periostio: nei punti in cui
questa si articola con altre ossa il
periostio scompare lasciando il posto a
uno strato di cartilagine protettiva e altre
strutture (capsula sinoviale, dischi
intervertebrali ecc.). Il periostio si
interrompe anche nei punti di inserzione
della muscolatura, in cui la superficie
dell'osso si fa ruvida e irregolare per
favorire l'adesione delle fibre dei tendini
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
21. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Il componente
Le ossa
In base alla loro morfologia, possono essere distinte in cinque tipi principali:
- ossa lunghe (femore, omero), composte da un corpo o diafisi e due
estremità dette epifisi. All’interno della diafisi, vi è una cavità detta cavità
diafisaria occupata interamente da midollo osseo o tessuto emopoietico. Le
pareti della cavità sono costituite da tessuto osseo compatto. Le epifisi sono
costituite da tessuto osseo spugnoso, reso più resistente da trabecole ossee.
- ossa corte (carpali del polso, vertebre),
forma più o meno cuboide, costituite da
tessuto osseo spugnoso circondato da uno
strato sottile di tessuto osseo compatto;
non contengono perciò midollo osseo
- ossa piatte (scapola), costituite da uno
strato di tessuto spugnoso frapposto tra 2
lamine di tessuto compatto
- ossa irregolari, di forma irregolare
(sfenoide ed etmoide del cranio)
- ossa sesamoidi, nei tendini, favoriscono
meccanica del movimento (rotula).
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
22. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Il componente
Le ossa
Osso Compatto Trabecolare o Lamellare
Porzione esterna delle ossa lunghe
Osso solido, privo di spazi tranne quelli per le
cellule, ed i loro processi, ed i vasi sanguigni
Braccia e gambe
Osso Spugnoso o Trabecolare
Solitamente parte più interna delle ossa.
Molti spazi tra le specole (o trabecole)
dell'osso.
Midollo all'interno degli spazi.
• Rosso ematopoietico
Rosso,
• Giallo grasso
Giallo,
Colonna vertebrale, costole, mascella, polso.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
23. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Il componente Lacuna
Le ossa Osteociti
Canale di Havers
Canale centrale per vasi
sanguigni, etc
Canalicoli
Processi degli Osteociti
Lamelle
Cerchi concentrici originati
dalla deposizione
apposizionale dell’osso.
Morfologia dell’osso compatto
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
24. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Il componente
Le ossa
Trabecole
Midollo
Morfologia dell’osso spugnoso
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
25. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Il componente
Le ossa l’osso spugnoso è
presente dove le forze
vengono applicate da
Osso compatto varie direzioni
vs.
spugnoso
l’osso compatto è molto
resistente alla …ma una pressione
compressione in senso laterale può provocare
longitudinale… fratture
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
26. Il corpo umano: il sistema scheletrico
Il componente
Le ossa osso spugnoso
L’osso spugnoso è costituito da
sottili trabecole o spicole
disposte in modo
apparentemente disordinato,
che delimitano cavità
intercomunicanti;
tali spazi sono riempiti dal
Osso midollo emopoietico;
compatto
le trabecole sono costituite da
lamelle ossee non organizzate
in osteoni ben definiti
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
27. Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti
Le articolazioni
Le articolazioni costituiscono il sistema di connessione tra due o più
segmenti ossei.
Le articolazioni hanno la funzione di
unire le terminazioni ossee tra di loro
garantendo uno o più gradi di libertà.
Tale funzione deve garantire anche
che lo scheletro possa espletare la
sua funzione di sostegno e
protezione.
Le articolazioni hanno anche il
compito di parte passiva nella mobilità
dell'organismo.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
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Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti
Le articolazioni
In base al grado di mobilità che permettono le superfici di contatto, le
articolazioni vengono classificate come :
-DIARTROSI, articolazioni mobili, possono avere diversa forma ed effettuare
diversi movimenti:
- ANFIARTROSI, articolazioni semimobili, sono generalmente costituite da
superfici ossee pianeggianti o quasi, con l'interposizione di un disco
cartilagineo (es.: tra le vertebre). Consentono piccoli movimenti in tutti i sensi.
- SINARTROSI, immobili, non hanno una vera e propria meccanica articolare.
A seconda se tra le due ossa è interposto tessuto cartilagineo oppure tessuto
connettivale semplice si dividono in sicondrosi e in suture (es.: tra le ossa del
cranio).
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
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Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti
Le articolazioni
LE ARTICOLAZIONI DEL CORPO UMANO sono:
Articolazioni del busto:
- articolazioni del capo (occipito-atlantoidea ed atlanto-
epistrofea);
- articolazioni della colonna vertebrale (intervertebrali);
- articolazioni vertebro-costali;
- articolazioni costo-sternali.
Articolazioni degli arti superiori:
- complesso articolare della spalla (sterno-clavicolare,
acromio-clavicolare e scapolo-omerale);
- articolazione del gomito (omero-radio-ulnare
superiore);
- articolazione del polso (radio-carpica e radio-ulnare
inferiore);
- articolazioni della mano.
Articolazioni degli arti inferiori:
- articolazione dell'anca (coxo-femorale);
- articolazione del ginocchio (femoro-rotuleo-tibiale);
- articolazione della caviglia (tibio-tarsica e peroneo-
tibiale inferiore);
- articolazioni del piede.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
30. Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti
Le articolazioni
Sinartrosi
Sinostosi
Movimento nullo, tessuto che unisce l’articolazione è osso
(cranio dell’adulto).
Sincondrosi
Movimento scarso, tessuto è cartilagine (prime costole dello
sterno).
Sindesmosi
Movimento limitato, tessuto è connettivo denso (sinfisi pubica).
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
31. Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti
Le articolazioni
Diartrosi
Maggior parte delle articolazioni.
Capi articolari sempre ricoperti da
Cartilagine Ialina
Ialina.
Capsula articolare:
Strato fibroso esterno di
fibroso,
connettivo denso, continuo
con periostio.
Strato sinoviale cellulare
sinoviale,
interno, ricopre le superfici
non cartilaginee. Detto
anche membrana sinoviale.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
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Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti
- Trocleo-artrosi, una gola concava (troclea) entro la
Le articolazioni quale si inserisce un una faccia convessa a forma di
rocchetto (es.: tra la troclea omerale e l'ulna). Consente
movimenti di flessione ed estensione.
- Trocoide, un cilindro osseo avvolto da un anello fibroso
che scorre su una superficie leggermente cava (es.: tra il
Classificazione delle capitello del radio e l'ulna; tra l'atlante l'epistrofeo).
Consente movimenti di pronazione e di supinazione.
Articolazioni Diartrosi
- A sella, due superfici aventi ognuna due curvature, una
concava e l'altra convessa (es.: tra il carpo ed metacarpo
del pollice; tra lo sterno e la clavicola). Consente
movimenti di flessione, estensione, abduzione e
adduzione.
- Condilo-artrosi, una sporgenza convessa allargata
(ovoidale) entro una superficie concava anch'essa
allargata (es.: tra il radio e il carpo; tra il metacarpo e le
falangi; l'articolazione del ginocchio). Consente movimenti
di flessione, estensione, abduzione e adduzione.
- Enartrosi, superficie sferica (testa) entro una cavità (es.:
l'articolazione dell'anca; tra la scapola e l'omero).
Consente movimenti di flessione, estensione, abduzione,
adduzione, rotazione esterna e rotazione interna.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
33. 33
Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti
Le articolazioni
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
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Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti
Le articolazioni
Principali tipi di diartrosi:
1 artrodia;
2 enartrosi;
3 condilartrosi;
4 articolazione a sella;
5 ginglimo laterale o trocoide;
6 ginglimo angolare o troclea
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
35. Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti Anfiartrosi
I dischi intervertebrali sono paragonabili a
Le articolazioni
cuscinetti incompressibili che impediscono
l'urto tra i corpi vertebrali adiacenti. Essi
sono costituiti da un anello fibroso, l'anulus
(A), che racchiude il nucleo polposo (N) ed
è compreso tra due piastre cartilaginee
intimamente addossate rispettivamente al
corpo vertebrale soprastante e sottostante.
L'anulus è costituito da una serie di lamine
circolari concentriche costituite da collagene
opportunamente orientate. Il nucleo polposo
è composto da cartilagine fibrosa molle, è
ricco d’acqua nella quale è disperso del
collagene sotto forma di fibrille fini non
orientate.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
36. Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti Anfiartrosi
Le articolazioni Il nucleo polposo è chiuso in uno spazio a
perfetta tenuta e si comporta come una sfera
liquida. Si può pertanto approssimativamente
considerare che il nucleo si comporti come
una biglia interposta tra due piani.
Questo tipo di articolazione consente tre tipi di
movimento:
inclinazione:
sul piano sagittale: quando si effettua una flessione o
una estensione,
sul piano frontale: flessione laterale,
rotazione di uno dei piatti vertebrali rispetto all'altro
taglio di un piatto sull'altro, con l'intermezzo della sfera.
Sommando il movimento di numerose
articolazioni di questo tipo si possono
ottenere movimenti di grande ampiezza.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
37. 37
Il corpo umano: il sistema scheletrico
I giunti
Le articolazioni
In genere le superfici
articolari concordano e
combaciano in tutta la loro
estensione.
Quando esse sono
disarmoniche, le cartilagini
articolari non vengono in
contatto in tutti i loro punti.
I menischi sono formazioni
fibrocartilaginee che costituiscono
spessori interposti tra le superfici
articolari. Essi permettono il reciproco
scarico gravitazionale dei capi
articolari; ottenendo cosí una piú
vantaggiosa distribuzione delle
sollecitazioni meccaniche con una
minore usura.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
38. Il corpo umano: il sistema muscolare
Il sistema motore
L’apparato muscolare
Il sistema muscolare è l'insieme di tessuti che permette la locomozione
del soggetto e lo scorrimento di sostanze organiche (sangue e cibo).
Si distinguono due tipologie di muscoli:
muscoli volontari, che permettono il movimento del soggetto detti
anche muscoli scheletrici.
muscoli involontari che vengono detti anche muscoli viscerali perché
involontari,
si trovano a ricoprire gran parte delle pareti degli organi interni, come nel
tratto digestivo, nella vescica, nei dotti, nelle arterie.
Fa eccezione il muscolo cardiaco, di natura involontaria ma di struttura
striata.
Dal punto di vista della funzione motoria è possibile distinguere muscoli
deputati alla statica, in particolare i muscoli della parte posteriore del
corpo, e deputati alla dinamica, rappresentati grossomodo dai muscoli
della parte anteriore.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
39. Il corpo umano: il sistema muscolare
Il sistema motore
Il Muscolo
Il Muscolo è l’elemento base.
Ciascun muscolo è formato da
fasci di cellule di forma
allungata (fibre muscolari),
innervati dal sistema nervoso
somatico o dal sistema
nervoso autonomo. Il primo è
responsabile di contrazioni di
tipo volontario, mentre il
secondo di contrazioni
involontarie. Per tale motivo, i
muscoli vengono distinti in
volontari, o scheletrici, e
involontari.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
40. 40
Il corpo umano: il sistema muscolare
Il sistema motore
Il Muscolo
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
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Il corpo umano: il sistema muscolare
Il sistema motore
Il Muscolo
La contrazione di un muscolo scheletrico ha inizio quando il segnale elettrico,
proveniente dai motoneuroni del sistema nervoso centrale arriva ai bottoni
sinaptici liberando l’acetilcolina che agisce sui recettori presenti nella placca
neuro muscolare determinando il potenziale d’azione. Il potenziale d'azione si
propaga lungo il sarcolemma (ovvero la membrana cellulare del muscolo
scheletrico) e attiva dei fenomeni elettrochimici che alla fine producono l’effetto
seguente: con una reazione di fosforilazione, l’ATP diventa ADP liberando un
gruppo fosfato che si lega alla testa di miosina, la quale sfrutta tale energia per
saltare dal suo loco, e andare ad occupare il sito di attacco nel filamento sottile,
lasciato libero dalla tropomiosina. Durante lo scorrimento le teste di miosina si
legano a quelle di actina con una precisa angolazione di 45° .
Possiamo suddividere la contrazione e il rilassamento muscolare in tre fasi
principali, ovvero la contrazione, il rilassamento ed infine la fase latente, fase
che segue lo stimolo, ma nella quale non c’è risposta.
Il tono muscolare non è dato da una gradualità di funzionamento, ma dal
numero di fibre muscolari che entrano in azione.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
42. 42
Il corpo umano: il sistema locomotore
Il sistema locomotore
Il corpo come sistema di leve
Una leva è una macchina semplice, un
dispositivo costruito dall'uomo per
vincere mediante una forza, detta
motrice, un'altra forza detta resistente.
Le leve obbediscono ad un principio
fisico semplice: il sistema è in equilibrio
se la risultante dei momenti delle due
forze è nulla.
M OMENTO = F ORZA x b raccio
Se la risultante dei momenti deve essere nulla
(affinché il sistema si trovi in equilibrio) allora:
M FORZA IN ENTRATA = M FORZA IN USCITA
F x b = F' x b'
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
43. 43
Il corpo umano: il sistema locomotore
Leva di prima specie:
il fulcro si trova tra la forza motrice e la forza resistente.
A sua volta la leva di primo tipo può essere vantaggiosa se la forza motrice è più
distante dal fulcro della forza resistente oppure, nel caso contrario, svantaggiosa.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
44. 44
Il corpo umano: il sistema locomotore
Leva di seconda specie:
il fulcro si trova dalla stessa parte della forza motrice e della forza resistente, allo
stesso tempo occorre che la forza motrice sia più distante dal fulcro rispetto alla
resistente. Si deduce quindi che le leve di secondo tipo sono sempre vantaggiose.
Vantaggio statico e Vantaggio dinamico.
Si ha un vantaggio statico, quando
impiegando una minore forza motrice si può
vincere una maggiore forza resistente (leva
vantaggiosa), in questo caso però la
velocità e l'ampiezza del movimento sono
piccole, si ha quindi uno svantaggio
dinamico.
Automaticamente uno svantaggio statico
(leva svantaggiosa) permette una maggiore
velocità e ampiezza di movimento, cioè un
vantaggio dinamico.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
45. 45
Il corpo umano: il sistema locomotore
Leva di terza specie (tipo):
il fulcro si trova dalla stessa parte della forza motrice e della forza resistente, e allo
stesso tempo occorre che la forza motrice sia più vicina al fulcro rispetto alla resistente.
Si deduce quindi che le leve di terzo tipo sono sempre svantaggiose.
Essendo più corto il braccio di leva, la forza
sviluppata dal muscolo bicipite deve essere di
gran lunga superiore rispetto alla forza peso
della palla che si tiene sulla mano. Questo tipo
di leva, permette però una grande ampiezza e
rapidità di movimento.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
46. Il corpo umano: il sistema nervoso
Il sistema di Comando
Il Sistema Nervoso
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
47. Il corpo umano: il sistema nervoso
Applicazioni: ortesi e SEF
Sistema visivo, uditivo,
vestibolare, tattile, ...
Centri Centri Attuatori Sistema Movimenti
superiori spinali muscolari scheletrico
Fusi
muscolari
Forze
Organi del esterne
Golgi
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
48. Il corpo umano: il sistema nervoso
Applicazioni: ortesi e SEF
Internal cable
Thumb switch
4 ch stimulator
connector Electrodes cable
thigh cuff
Spiral cable
electrodes
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
49. Il corpo umano: il movimento
Convenzioni e Terminologie del Movimento
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
50. Il corpo umano: il movimento
Movimenti nel piano sagittale
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
51. Il corpo umano: il movimento
Movimenti nel piano frontale
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
52. Il corpo umano: il movimento
Movimenti nel piano coronale
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
53. Il corpo umano: il movimento
Movimenti di prono - supinazione
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
54. 54
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Il concetto
Biomimicry (from bios, meaning life,
and mimesis, meaning to imitate) is a
new discipline that studies nature’s
best ideas and then imitates these
designs and processes to solve human
problems. …
I think of it as “innovation inspired by
nature”.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
55. 55
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Il concetto
Life has been performing design experiments
on Earth’s R&D lab for 3.8 billion years.
What’s flourishing on the planet today are the
best ideas---those that perform well in context,
while economizing on energy and materials.
Whatever your company’s design challenge,
the odds are high that one or more of the
world’s 30 million creatures has not only faced
the same challenge, but has evolved effective
strategies to solve it.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
56. 56
La natura sorgente di idee
Biomimetica
La definizione
Processo di astrazione dalla natura al design
Ipotesi fondativa:
L’evoluzione garantisce che il design usato in natura funziona
Miliardi di anni di evoluzione, di tentativi e continui miglioramenti (trial
and error) che si offrono alla cultura del progetto come un enorme
bagaglio di soluzioni progettuali a cui ispirarsi.
Problema associato:
Processo induttivo-deduttivo per capire la funzione che la struttura
svolge in natura e come applicarla nel tuo problema
Criticità/Potenzialità:
La struttura spesso di funzioni ne ha molte
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
57. 57
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Esempi
La nascita della biomimetica si può “datare” al 1948, quando il
chimico svizzero George de Mestral inventò il velcro: accorgendosi
che i pallini spinosi di nappole che si attaccavano ai suoi pantaloni e
al pelo del suo cane terminavano con dei piccoli gancetti, pensò di
sfruttare lo stesso sistema e nacque così il sistema di aggancio ad
uncino che ha trovato moltissime applicazioni nella vita quotidiana,
dalle chiusure lampo, alle tute spaziali e agli stivali progettati dalla
NASA per i suoi astronauti.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
58. 58
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Esempi
La Concept Car Bionic di Mercedes si ispira a una creatura marina che vive
a latitudini tropicali: l’Ostracion Cubicus. Più noto come “pesce scatola”,
nonostante le sue forme insolite è estremamente aerodinamico e riesce a
muoversi consumando una quantità minima di energia. È inoltre in grado di
sopportare pressioni elevate, grazie ad una corazza esterna costituita da
piastre ossee di forma esagonale, che gli consentono di uscire indenne da
collisioni con la barriera corallina. Nel movimento libero il suo corpo ha un
coefficiente di penetrazione aerodinamica di 0,06! Queste caratteristiche
sono ideali per un’automobile che intende conseguire livelli di efficienza
energetica straordinari, senza rinunciare alla sicurezza dei passeggeri..
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
59. 59
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Esempi
La foglia di loto ha una superficie autopulente e idrorepellente, grazie a delle
micro e nanostrutture oleose che in unione con l’acqua, formano delle
gocce che rotolando eliminano la polvere. Questa vernice è impermeabile e
resistente alle macchie e soprattutto autopulente e quindi estremamente
utile per rivestimenti esterni.
Le piante di loto hanno delle superfici
super-idrofobiche. Di conseguenza, anche
una lieve inclinazione della foglia, dovuta al
peso dell’acqua, le fa scivolare via. La
superficie della foglia rimane asciutta anche
durante un forte temporale.
Il rotolamento delle goccioline su piccole
particelle di sporco ne favorisce
l’asportazione, sicché le foglie del loto sono
autopulenti.
Foglie di Nelumbo Nucifera subito dopo la caduta di
goccioline di liquido colorato ed alcuni secondi dopo
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
60. 60
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Il concetto
Il tessuto del nuovo costume Fastskin Speedo è stato sviluppato
osservando la struttura della pelle di squalo.
La pelle di squalo è formata da squame dette “denticles” o dentelli
dermici, che grazie alla loro forma, struttura e disposizione,
riducono la resistenza dell’acqua, consentendone un fluire più
rapido e quindi una maggiore velocità.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
61. 61
Il corpo umano: sorgente di idee
Biomimetica
Il concetto
Meccanismo di apertura e
chiusura delle pigne
Tessuti a diversi
gradi di
traspirabilità per
abbigliamento
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
62. 62
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Esempi
Le setae del geco
Insetti, ragni e lucertole hanno sviluppato un’abilità unica di attaccarsi o
staccarsi dalle superfici su comando. Tale capacità è attribuibile a
micro/nanostrutture riscontrate sui cuscinetti di adesione di queste
creature. Sebbene la forma e la dimensione di queste strutture vari da
creatura a creatura, in tutti i casi i cuscinetti sono ricoperti da peli,
chiamati setae. All’aumentare della dimensione (massa) della creatura,
decresce il raggio degli elementi di adesione terminali ed aumenta la
densità di questi elementi.
Il geco è l’animale più grande a disporre di questo sistema di adesione a
secco e per questo motivo ha rappresentato il principale oggetto della
ricerca scientifica.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
63. 63
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Il concetto
Struttura delle setae del geco
Le zampe dei gechi arborei rappresentano forse la maggiore richiesta
al mondo di applicazione adesiva; essi sono in grado di attaccare e
staccare le loro zampe adesive nell’arco di millisecondi mentre
sfrecciano su superfici verticali e soffitti senza ricorrere ad alcuna
secrezione. Le setae del geco si presentano in serie uniformi di
tappetini lamellari sovrapposti ad una densità di 14,400 mm²;
ciascuna seta misura circa 110 µm di lunghezza e 5 µm di diametro
con ramificazioni all’estremità in 100-1000 spatulae. Quest’ultime sono
steli con una terminazione sottile approssimatamene triangolare, in cui
il vertice lega la spatula al suo stelo. Le spatulae misurano circa 200
nm in lunghezza e larghezza all’estremità, con uno spessore
decrescente da 30 nm alla base fino a 10 nm all’estremità.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
65. 65
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Esempi
L’adesione avviene quando le spatulae si appiattiscono contro un
substrato, e le loro interazioni cumulative di van der Waals spatola-
substrato generano forze capaci di supportare diverse volte il peso del
corpo dell’animale, considerato che la totalità di 6,5 milioni di setae di un
gecko tokay di 50 g che sfrutta appieno le capacità adesive potrebbe
teoricamente generare 1300 N di forze di taglio – sufficienti a supportare
133 kg.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
66. 66
La natura sorgente di idee
Biomimetica
Esempi
Gecko - textiles
Gecko - tapes
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
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Il corpo umano: sorgente di idee
Lampada “Tizio” by Artemide, Design R. Sapper
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
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Il corpo umano: sorgente di idee
Lampada “L-2” by Luxo
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
70. Richiami
STATICA: UN CORPO RIGIDO SI TROVA IN CONDIZIONI
STATICHE SE SONO SODDISFATTE LE CONDIZIONI DI
ECQUILIBRIO ALLA TRASLAZIONE E ALLA ROTAZIONE
-F ext
-M ext
C.N.S. IL CG DEL CORPO UMANO NON E’ UN
PUNTO FISSO, MA DIPENDE DALLA
EQUILIBRIO: CONFIGURAZIONE DEI SEGMENTI
CHE LO COMPONGONO
Σ F=0
-mg
Σ M=0
-M
-R
IN PARTICOLARE MG+FEXT = R e MEXT = M
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
71. Richiami
DINAMICA:
DINAMICA DIRETTA: ANALISI MECCANICA DI UN SISTEMA IN CUI SI
CONOSCONO LE FORZE E SI VUOLE DETERMINARE IL MOVIMENTO.
FORZE MOVIMENTO
DINAMICA INVERSA: ANALISI MECCANICA DI UN SISTEMA IN CUI SI
CONOSCE IL MOVIMENTO E SI VOGLIONO DETERMINARE LE FORZE.
MOVIMENTO FORZE
IL LEGAME TRA MOVIMENTO E FORZE E’ FORMALIZZATO DA SISTEMI
DI EQUAZIONI
Σ F = ma
Σ M = dT/dt = I ω0
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
72. Richiami
Per ricavare le misure dei segmenti articolari si fa uso di tabelle
antropometriche:
Tabella di Zatsiorsky
Peso del soggetto
Peso del singolo
segmento
Lunghezza di ogni arto
Posizione del baricentro
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
74. Esercitazione
Esercizio
Un sistema di tre aste vincolate tra loro è orientato nello spazio come da
figura: calcolare la posizione del baricentro (x,y,z) del sistema sapendo che le
aste rappresentano l’arto inferiore di un soggetto di 80 Kg.
Si ipotizzi che:
AB= segmento coscia
BC= segmento gamba Y
CD= segmento piede
coordinate (cm): A
A=(10,80,25)
B=(45,50,15) B
C=(20,10,20)
D=(40,0,15) D X
C
mAB=0.14165 *mTOT Z
mBC=0.04330 *mTOT
mCD=0.01371 *mTOT
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
75. Esercitazione
CENTRO DI GRAVITÀ: da un punto di vista operativo il CG si calcola
A y
A(Ax,Ay,Az)
B B(Bx,By,Bz)
x
C(Cx,Cy,Cz)
C
z
CGx=(Ax mA +Bx mB +Cx mC)/(mA+mB+mC)
CGy=(Ay mA +By mB +Cy mC)/(mA+mB+mC)
CGx=(Az mA +Bz mB +Cz mC)/(mA+mB+mC)
Il problema si generalizza ovviamente in caso di n particelle
Questa formula è valida anche nel caso il corpo rigido sia
rappresentabile come una singola particella.
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
76. Esercitazione
Soluzione esercizio
Y
mAB=0.14165 *80=11.132 kg
mBC=0.04330 *80=3.464 kg A
mCD=0.01371 *80=1.0968 kg G(28.78,53.08,19.27)
B
GAB ((10+45)/2,(80+50)/2,(25+15)/2)=(27.5,65,20)
GBC (32.5,30,17.5) D X
C
GCD (30,5,17.5) Z
Gx=(11.132*27.5+3.464*32.5+1.0968*30)/(11.132+3.464+1.0968)=
=(306.13+112.58+32.904)/15.6928=28.78
Gy=(11.132*65+3.464*30+1.0968*5)/(11.132+3.464+1.0968)=
=(723.58+103.92+5.484)/15.6928=53.08
GZ=(11.132*20+3.464*17.5+1.0968*17.5)/(11.132+3.464+1.0968)=
=(222.64+60.62+19.194)/15.6928=19.27
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
77. Esercitazione
Esercizio
Calcolare la forza prodotta dal bicipite per mantenere l’avambraccio
nella posizione in figura, sapendo che il bicipite si attacca a 90°
rispetto all’avambraccio, a 3 cm dal centro di rotazione del gomito.
Si supponga che il peso P sia applicato sulla verticale passante per
il baricentro della mano.
-Fm
Peso soggetto: 80 Kg
H soggetto: 180 cm
b=3 cm
P=70 N -90°
Lunghezza avambraccio:
0.146*H -P
-b
Peso avambraccio=0.01615 PTOT
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
78. Esercitazione
Soluzione esercizio
-Fm
Peso soggetto: 80 Kg
H soggetto: 180 cm
b=3 cm
P=70 N -R
-90°
Peso avambraccio:
0.01615*80=1.29Kg
Lunghezza avambraccio:
-P
-b
0.146*180=26.28 cm -mg
Σ F=0: Fm-mg-P+R=0 2 incognite NON RISOLVIBILE
Σ M=0: Fm*d1-mg*d2 -P*d3 +R*d4 =0
Fm*0.03-1.29*9.81*0.1314-70*0.2628+R *0=0
Fm*0.03=1.66+18.40+0=20.06 Nm
Fm=20.06/0.03=669N
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
80. Esercitazione
Modello statico 2D
Modelli che analizzano le forze agenti sul disco L3-L4 durante un sollevamento
P1 : forza peso testa e braccia
F2
P2 : forza peso torace e lombare
P1 F1 : forza peso dell’oggetto
F P2
3 F2 : forza intraddominale
F3 : forza intratoracica
Caratteristiche :
F1 bidimensionale
statico
punti di applicazione = baricentri
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
81. Esercitazione
Modello dinamico 3D
Modello 3D :
• sistema optoelettronico
• 18 marker
• piattaforma di forza
Caratteristiche :
• tridimensionale (considera traslazioni
e rotazioni su tutti i piani)
• dinamico (con componenti inerziali)
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
82. Esercitazione
LEGGI DEL MOTO DI NEWTON:
Dettagli applicativi sulla terza legge di Newton: VINCOLI
F1 Rx
Ry
F1
RY
Rx
F2 F2
cerniera
Rx e Ry sono reazioni vincolari
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
83. Esercitazione
LEGGI DEL MOTO DI NEWTON:
Dettagli applicativi sulla terza legge di Newton: VINCOLI
F1 M Rx
Ry
F1
RY M
Rx
F2 F2
Vincolo rigido
M è un momento interno
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
84. Esercitazione
Modello delle forze agenti sul disco L3-L4:
Baricentro
upper FX è la somma delle forze orizzontali
body
e bx il suo braccio
FY è la somma della forze verticali
e by il suo braccio
F3 è la forza intraddominale e A3
il suo braccio
F2 è la forza intratoracica e A2 il
suo braccio
è l’angolo di applicazione delle
forze F2 e F3
β è l’angolo di inclinazione del disco
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
85. Esercitazione
Modello delle forze agenti sul disco L3-L4:
Baricentro
upper
body
Le incognite sono : R , β e F2
Tramite le equazioni di equilibrio
dinamico:
− Fx + F3 ⋅ senα − F2 ⋅ senα
tg β =
− FY + F3 ⋅ cos α − F2 ⋅ cos α
− FY ⋅ bY + FX ⋅ b X − F3 ⋅ A3
F2=
A2
− FY + ( F3 − F2 ) cos α
R=
cos β
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
86. Esercitazione
equilibrio orizzontale :
Fy - F3·cos +F2·cos + R·cosβ = 0
equilibrio verticale :
Fx- F3·sen +F2·sen + R·senβ = 0
momento sul disco :
F2·A2 + F3·A3 + Fy · by – Fx · bx = 0
dividendo la seconda per la prima:
tg β =
− Fx + F3 ⋅ senα − F2 ⋅ senα
F2= − FY + F3 ⋅ cos α − F2 ⋅ cos α
− FY ⋅ bY + FX ⋅ b X − F3 ⋅ A3
A2
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
88. Esercitazione
Esempio applicativo
• 6 soggetti analizzati
- sistema optoelettronico di rilevamento marker
• 2 task motori : SOLLEVAMENTO e POSIZIONAMENTO
• 3 strategie motorie : gambe tese, parzialmente flesse e flesse
• 2 diverse distanze : D1 e D2
• peso da sollevare / posizionare : 8 kg
Totale = 250 prove circa
Per tutti i soggetti si è ricavato:
• baricentro dei segmenti
• velocità lineari e angolari
• accelerazioni lineari e angolari
• angoli dei segmenti (relativi ed assoluti)
• reazioni statiche e dinamiche sul disco
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
89. Esercitazione
3000
FORZE di Compressione SOGGETTO n°1 sollevamento
2500
2000 Forza di compressione
1500
Newton
1000
Fase 1 : standing
500
Fase 2 : abbassamento
0
Fase 3 : plateau
-500
0 20 40 60
frame
80 100 120 Fase 4 : aggiunta del carico
1200
coordinata y del polso Fase 5 : risalita
1100 Fase 6 : standing
1000
900
millimetri
800
700
600
500
400
Coordinata Y del polso
300
0 20 40 60 80 100 120
frame
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
90. Esercitazione
Risultati: MEDIA SOGGETTI (sollevamento D2)
forze di compressione forze di taglio
3098 350
3100 336
2951
321
2900 325
2700 300
Newton
Newton
2500
-26% 275 -23%
261
250
2300 2297
225
2100
200
1900
tese D2 poc fl D2 flex D2
tese D2 poc fl D2 flex D2
momento
140
• Elevata differenza tra strategia
130 127 ottimale e le restanti
Newton metri
125
120 • Deviazioni standard molto basse
-12% 112
110
100
tese D2 poc fl D2 flex D2
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
91. Esercitazione
Conclusioni
I carichi massimi agenti aumentano al diminuire del grado di flessione
delle gambe :
+ 30% tra strategia ottimale e peggiore
La gravosità cresce con l’aumentare della distanza :
+ 5% passando da D1 a D2
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
92. 92
Riferimenti
Docente:
Giuseppe Andreoni
Dip. INDACO – Politecnico di Milano
Tel. 02 2399.8881
Email: giuseppe.andreoni@polimi.it
Assistenti:
Fiammetta Costa
Tel. 02 2399.7269 e-mail: fcosta@mail.polimi.it
Marco Mazzola
Tel. 02 2399.5944 e-mail: marco.mazzola@mail.polimi.it
Paolo Perego
Tel. 0341 48.8897 e-mail: paolo.perego@polimi.it
Maximiliano Romero
Tel. 02 2399.5990 e-mail: maximiliano.romero@polimi.it
Giuseppe Andreoni
Cesare Alippi
