introduzione alla biomeccanica dello sport

Università degli Studi di Bari
Ingegneria Biomedica
www.bioingegneria.uniba.it
“Misurare ciò che è misurabile
e rendere misurabile ciò che
non lo è”
Galileo Galilei
(1564-1642)
Pitagora (570 b.C.)
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Sviluppo della Ingegneria Biomedica
Aristotele (382 – 322 BC)
Student of Plato
Founded own school (lyceum)
Wrote extensively on philosophy, politics, logic, natural sciences, and
physics
Much of his complete works were lost
Pictured the human body as a machine: muscles cause an action which
moves the bones at the joints
Sviluppo della Ingegneria Biomedica
Leonardo DaVinci (1452 – 1519)
Artist: Mona Lisa, Last Supper
Scientist: Anatomist (one of the first scientists to make a detailed
record of human dissections)
Detailed descriptions of design of skeleton Illustrated muscle origins
and insertions
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Sviluppo della Ingegneria Biomedica
Sir Isaac Newton (1643 – 1727)
Developed basic Laws of Motion
Invented calculus
Developed the theory of gravity which was held until updated by
Einstein’s theories
Founder of the Royal Academy of Sciences
Despite his contributions to science, Newton’s primary investigations
were into Biblical text
Sviluppo della Ingegneria Biomedica
1608-1680
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Da “La Nature” del 22 aprile 1882, in un
articolo nel quale egli spiega di essere
riuscito “ …a costruire, con le
dimensioni di un fucile da caccia, un
apparecchio che fotografa 12 volte al
secondo l’oggetto mirato; ogni
immagine richiede, come tempo di
posa, soltanto 1/720 di secondo.
Étienne Jules Marey
Sviluppo della Ingegneria Biomedica
Thomas Alva Edison
(from Menlo Park, NJ)
1093 inventions including: the electric light
bulb, voice transmitter (amplifier),
answering machine, and phonograph
Invented motion pictures in 1888.
He used a roll of film called kinetoscope
Quote from Edison: “Genius is 1% inspiration and 99% perspiration.”
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Quantificare le
osservazioni soggettive
Evidenziare aspetti non
osservabili visivamente
1878
Edward Muybridge
To understand how living bodies can move.
5
Edward Muybridge
To understand how people can move.
Why study biomechanics
To understand how people move
This information may be used to:
• enhance performance by improving technique
–
–
–
–
Improve current technique (shooting a foul shot)
Develop new technique (Fosbury Flop)
Equipment improvement
Training improvement
• lower the risk for injury
– Techniques to reduce injury
– Equipment designs to reduce injury
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ANATOMY
PHYSIOLOGY
MECHANICS
BIOMECHANICS
EXERCISE
BIOMECHANICS
SPORTS
MEDICINE
Problem solving - Complexity of Human Movement
In order to understand the basics, we will use the underlying
principle of the human body as a mechanical machine.
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Problem Solving - Critical Thinking in Biomechanics: Asking how…?
How do forces produced by muscles create movement at the joints?
How are running shoes designed to reduce injury and improve running
performance?
How does joint cartilage act as a shock absorber?
How do muscle forces create torque at joints ?
How does genetics play a role in muscle power?
How do we design prosthetics (ex. artificial knee) to optimize function?
Current Applications of Biomechanics – Problem Solving
Physiologists and Engineers
EXAMPLES:
Response of bone and connective tissue (ligaments, tendons) to
exercise training, rehab
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Current Applications of Biomechanics – Problem Solving
Space Scientists (NASA)
EXAMPLES:
Adaptation to low gravity environments
Bone loss
Atrophy of skeletal muscle
Loss of blood volume, CV function
Orthostatic intolerance (fainting)
Legge di Wolff
Current Applications of Biomechanics – Problem Solving
Exercise Biomechanists and Engineers
EXAMPLES:
Design of running shoes
Design of exercise equipment (Nautilus and Cybex equipment, etc.)
Design of competitive sportswear, protective gear
Football pads and helmets
Low friction swimming, cycling, and running wear
??
9
mechanics
Science concerned with the effects of forces acting on objects (body)
body: focus of the analysis
human body
individual body segment
specific tissue / anatomical site
Rigid-body mechanics AND Mechanics of Deformable Bodies
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Rigid body mechanics
Rigid Body
Mechanics
Statics
-at rest
-constant velocity
Dynamics
-changing motion (acceleration)
Kinematics
-description of motion
Kinetics
-study of the forces that cause
or tend to cause the
changes in motion
Analisi del movimento
• descrizione quantitativa della cinematica articolare
• predizione delle forze trasmesse dai tessuti coinvolti
11
12
Can this be applied to human biomechanics?
Motion capture
Raw data
Transformed
data for
analysis
Classification
Pre-process
and store
Database
Animation for
visualization
13
Can this be applied to human biomechanics?
Raw data
Transformed
data for
analysis
Output data
Pre-process
and store
Model
Database
Realta’ e Modelli
La realta’ e’ spesso
troppo complessa per
poter essere studiata in
modo semplice, preciso e
accurato.
Si ricorre a semplificazioni, a
volte drastiche, in modo pero’
da mantenere sempre le
caratteristiche salienti del
fenomeno da studiare
Si usano dei Modelli
Un modello e’ una costruzione teorica che cerca di catturare, piu’o meno fedelmente, uno
o piu’ aspetti di un fenomeno
Un modello semplifica e diminuisce la complessita’ di un fenomeno, aiutando a capire,
ma fornisce soluzioni approssimate
Scegliere un modello “corretto” è difficile.
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??
Bilancia di Pauwels
p
pt
R
a
b
15
Modelli
p
pt
R
a
b
Complessita’
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Analisi del passo
Postura eretta
Pendolo
inverso
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Obiettivi
Ottenere informazioni circa:
• Funzioni muscolari
• Sollecitazioni dei tessuti
• Strategie motorie
Nel corso di determinati atti motori
http://osu.orst.edu/instruct/exss323/
salto
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La riabilitazione motoria
riguarda circa il tre
per mille della popolazione
Analisi del movimento e
Valutazione funzionale
Necessità di misurare
un atto motorio
Ricerca di parametri che
definiscono in maniera oggettiva
e numerica un atto motorio
Validazione dei modelli
con dati sperimentali
Quantificazione di
osservazioni cliniche
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Analisi di Segnale
Forza Massima
600
Newton [N]
500
400
300
200
100
0
1
2
3
4
5
Prove
Falls: classification
Slipping
Tripping
Misstep
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caduta con successiva immobilità
Simulazione di caduta
2
1.5
1
Caduta rilevata
caduta 01.csv
2
0
1.5
-0.5
1
-1
0.5
-1.5
-2
0
500
1000
1500
Tempo [10
2000
-2
s]
2500
Accelerazione [g]
Accelerazione [g]
0.5
0
3000
-0.5
-1
-1.5
-2
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Tempo [10-2 s]
Exercise Biomechanics
Young discipline --> Technology: hands-on
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Il Metodo Scientifico
Osservazioni
Esperimenti
Sintesi
Analisi
Verifica
Evoluzione della Scienza
“Ho mal d’orecchio”
2000 BC “Tieni, Succhia questa radice miracolosa”
1000 AD “Quella radice e’ veleno. Recita questa preghiera”
1850 AD “Questa preghiera e’ superstizione.
Bevi questa pozione”
1940 AD “Questa pozione e’ veleno. Ingoia questa pillola”
1985 AD “Questa pillola non funziona.
Prendi questo antibiotico”
2000 AD “ Questo antibiotico non e’ Biologico e Naturale.
Tieni, succhia questa radice biodinamica”
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Come NON studiare
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