Z. Svoboda-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&#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
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 &#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;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.
&#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 m2
&#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
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 &#963;, deformaci &#949; 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 &#61; &#91;xA, yA, zA&#93;, B &#61; &#91;xB, yB, zB&#93;.
Úhel mezi segmenty
Příklad 3.1
Poloha bodů v kartézské soustavě souřadné je: A &#91;1,3&#93;, B&#91;4,6&#93;,
C&#91;4,3&#93;. 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 &#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-airduring-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