Ανθρώπινη Βιολογική Μηχανικη Ανθρώπινη Βιολογική Μηχανικη Κινηματική και Κινητική Δρ. Παναγιώτης Τσακλής Αναπληρωτής Καθηγητής

Περιγραφή και αιτιολόγηση Biomechanics BIO MECHANICS Κλάδος της Φυσικής Περιγραφή και αιτιολόγηση της κίνησης Ζώντες οργανισμοί

ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΙΝΗΣΙΟΛΟΓΙΑ ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΑΝΑΤΟΜΙΚΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΓΩΝΙΑΚΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΓΩΝΙΑΚΗ ΘΕΣΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ ΘΕΣΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ ΔΥΝΑΜΗ ΡΟΠΗ

Γιατί να σπουδάσουμε Βιομηχανική? Για να καταλάβουμε πως μπορεί να κινηθεί ένα σώμα.

Γιατί να σπουδάσουμε Βιομηχανική? Για να καταλάβουμε πώς κινούνται οι άνθρωποι.

Γιατί σπουδάζουμε Βιομηχανική? Μπορεί μια αγελάδα να κάνει άλμα στο φεγγάρι?

Γιατί σπουδάζουμε Βιομηχανική? Για να καταλάβουμε πως κινούνται οι άνθρωποι. Για να επαυξήσουμε την ικανότητα απόδοσης Για να μειώσουμε την πιθανότητα τραυματισμών Εξοπλισμός ασκήσεων& τεχνικές Παπούτσια & επιφάνειες Υποστηρίγματα & ορθοτικά Αυτοκίνητα Συγκρούσεις

Βιομηχανικά χαρακτηριστικά της ανθρώπινης κίνησης ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤ/ΚΑ ΔΥΝΑΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤ/ΚΑ ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΠΟΥ ΕΚΔΗΛΩΝΟΝΤΑΙ Σύστημα αναφοράς Εξωτερικές Δυνάμεις Χαρακτ/κα Αδράνειας Εσωτερικές Δυνάμεις Χαρακτ/κα Χώρου Χαρακτ/κα Δύναμης Αλληλεπίδραση Εξωτερικών/Εσωτερικών Χαρακτ/κα Χρόνου Χαρακτ/κα Ενέργειας Χαρ/κα Χώρου/Χρόνου

Επίπεδα / Αξονες Κίνησης???

Κινητικές Αλυσίδες ?

Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Βιομηχανική των σπόρ Ορθοπεδική βιομηχανική Επαγγελματική βιομηχανική Βιομηχανική άλλων βιολογικών συστημάτων

Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Βιομηχανική των σπόρ Βελτιώνει την αθλητική απόδοση, μειώνει τους αθλητικούς τραυματισμούς

Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Ορθοπεδική βιομηχανική Τεχνητά μέλη, αρθρώσεις και ορθωτικά μέσα στόχο τη βελτίωση της λειτουργικής ικανότητας κίνησης Μελέτη των φυσικών και τεχνητών βιολογικών ιστών

Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Επαγγελματική βιομηχανική Εργονομικοί και ανθρώπινοι παράγοντες μείωση των επαγγελματικών παθήσεων - κακώσεων

Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Βιολογική Μηχανική: υπάρχει σε περισσότερα από ένα πεδία? Βιομηχανική άλλων βιολογικών συστημάτων Συγκριτική βιομηχανική (π.χ., η κολύμβηση των ψαριών, κίνηση των πιθήκων) Απόδοση των αγωνιστικών σκύλων και αλόγων

Τι έχουμε κοινό? Εφαρμογή των θεμελιωδών αρχών της μηχανικής στη μελέτη της δομής και λειτουργίας των ζωντανών συστημάτων Κοινά εργαλεία μέτρησης και ανάλυσης.

Τι κάνουν οι Βιομηχανικοί επιστήμονες? Βοηθούν στο να βελτιωθεί η αθλητική απόδοση. Βοηθούν στην κατανόηση των μηχανισμών μιας κάκωσης Σχεδιάζουν αθλητικό εξοπλισμό.

Τι άλλο κάνουν? Σχεδιάζουν το περιβάλλον εργασίας. Βελτιώνουν το περιβάλλον εργασίας.

παράδειγμα: προτιμώμενη ταχύτητα βάδισης Cavanagh & Williams (1982) shorter step longer step

παράδειγμα: προτιμώμενος ρυθμός ποδηλασίας Marsh & Martin (1993) most economical preferred

Πως ο Michael Jordan στέκεται στον αέρα ?

Αυτός ο τύπος είναι δυνατός ή ισχυρός?

Τι κάνει την τεχνική Fosbury Flop τη μόνη που χρησιμοποιούν οι άλτες σήμερα?

Η βιολογική Μηχανική περιλαμβάνει τις εφαρμογές των αρχών της φυσικής στη μελέτη των ζώντων οργανισμών. Δύο τομείς αυτού του πεδίου είναι: 1. Η Κινηματική Είναι η μελέτη του τύπου κίνησης σε σχέση με το χρόνο 2. Η Κινητική Είναι η μελέτη των δυνάμεων που σχετίζονται με την κίνηση.

Οι επιστήμονες της Βιομηχανικής συνήθως χρησιμοποιούν υψηλών ταχυτήτων κινηματογράφηση ή συστήματα VIDEO για να εφαρμόσουν ποσοτική κινηματική ανάλυση Η διαδικασία περιλαμβάνει την καταγραφή με προσεκτικά σχεδιασμένο film ή video μίας ενέργειας και frame-by-frame ανάλυση μέσω υπολογιστή της δράσης αυτής. Redlake high-speed video camera (with framing rates of up to 500 frames/sec), and motion analysis software setup on WebFX.

Η διαδικασία της ανάλυσης κίνησης. Ενα πλάνο, στα 208 ms y 2 y 1 x x 1 2

Μετά την ανάλυση frame-by-frame analysis, συλλέγεται μία ομάδα δεδομένων, για παράδειγμα: Time X-position Y-position 40.0 48.0 50.0 200.0 208.0 210.0 212.0 1.3 1.6 1.8 2.2 2.6 2.8 3.4 5.5 5.8 6.5 7.2 7.8 8.5 8.6

Τι κάνουμε με αυτά τα δεδομένα ? Αν υποθέσουμε πως ενδιαφερόμαστε μόνο για τις αλλαγές κατά την οριζόντια κίνηση, τότε θα εξετάσουμε τις ‘x’ συντεταγμένες, και θα καθορίσουμε πως αλλάζουν σε σχέση με το χρόνο Στο εργαστήριο της κινητικής ανάλυσης, θα κοιτάξουμε και τις δύο κινήσεις κάθετες και οριζόντιες, και για το λόγο αυτό θα χρησιμοποιήσουμε και τις δύο συντεταγμένες ‘x’ και ‘y’. Το πρώτο βήμα στην ανάλυση ενός δεδομένου είναι να ορίσουμε στο γράφημα την ‘x’ συντεταγμένη σαν το στοιχείο δράσης του χρόνου.

Γράφοντας τις ‘x’ συντεταγμένες σε σχέση με το χρόνο. Μας δίνει δεδομένα ταχύτητας – χρόνου μετατόπιση (μονάδες) * = velocity m/sec * *  y *  x * * χρόνος (μονάδες)

Το γράφημα της ταχύτητας ως προς τα δεδομένα του χρόνου Μας δίνει δεδομένα χρόνου – επιτάχυνσης ταχύτητα (μονάδες) * = acceleration m/sec2 * *  y *  x * * Χρόνος (μονάδες)

Energy Ενέργεια της κίνησης

Ενέργεια της Κίνησης περπάτημα Κτύπημα μπάλας Βολή στο baseball Οι μυς παράγουν κίνηση. Οι δυνάμεις κινούν τους ίδιους τους μυς, ή αντικείμενα. Παραδείγματα: περπάτημα Κτύπημα μπάλας Βολή στο baseball

Εργο Όταν ασκείται μία δύναμη (f) μετακινώντας ένα αντικείμενο σε κάποια απόσταση (d), παράγεται έργο (W) στο αντικείμενο. Οι μονάδες είναι τα joules

Παραγόμενο έργο πάνω στη μπάλα = μυϊκή δύναμη x το μήκος του πήχη 1. Εργο και Ενέργεια Οταν παράγεις «έργο» σε ένα αντικείμενο, αλλάζεις την Ενέργεια του συστήματος Παράδειγμα: baseball Οι μυς του πήχη εφαρμόζουν μία δύναμη στη μπάλα που κρατιέται στο χέρι. Η δύναμη ωθεί τη μπάλα για μία απόσταση περίπου όση το μήκος του πήχη Παραγόμενο έργο πάνω στη μπάλα = μυϊκή δύναμη x το μήκος του πήχη Οταν απελευθερώνεται η μπάλα, κινείται και αυτό μας δίνει έναν τύπο Ενέργειας

2. Εργο και Ενέργεια Η ενέργεια της κίνησης καλείται Κινητική Ενέργεια Μονάδες είναι τα joules Οπου m είναι η μάζα ενός αντικειμένου (kg) και V η ταχύτητα του αντικειμένου (m/s).

3. Εργο και Ενέργεια Αλλον τύπο ενέργειας που θα εξετάσουμε είναι η ενέργεια η προερχόμενη από το ύψος (ή τη θέση), και ονομάζεται Δυναμική Ενέργεια: Δ.E. = mgh Μονάδες σε Joules Οπου m είναι η μάζα του αντικειμένου (kg), g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας, και h είναι το ύψος (m) του αντικειμένου.

Παράδειγμα – το εκκρεμές Οι μυς ανυψώνουν τη μάζα, Και παράγουν Εργο σε αυτήν. W = f d (or h) h W = mgh mgh ??? W = mgh = Δ.E. Οι μυς δίνουν στη μάζα μία δυναμική ενέργεια. mg

Το εκκρεμές σε κίνηση Η μάζα τώρα έχει μία αρχική δυναμική ενέργεια, mgh. Τί γίνεται όταν αφεθεί να πέσει? Καθώς πέφτει χάνει τη δυναμική ενέργεια, διότι το ‘h’ μειώνεται στο μηδέν Τι γίνεται με την ενέργεια του συστήματος?

Το εκκρεμές πέφτει Δ.E. K.E. Καθώς η μάζα πέφτει χάνει δυναμική ενέργεια, αλλά επιταχύνει... Έτσι λοιπόν η κινητική ενέργεια αυξάνει. Δ.E. K.E. V But the TOTAL energy in the system remains constant!!!

Περίληψη Το έργο παράγεται σε μία μάζα (από τους μυς). Αυτό εφαρμόζει ενέργεια στο σύστημα. Στο υψηλότερο σημείο, όλη η ενέργεια είναι Δυναμική Καθώς το εκκρεμές πηγαίνει μπρος- πίσω, η ολική ενέργεια διατηρείται, αλλά εναλλάσσεται μεταξύ Δ.E. και K.E. Principle of Conservation of Energy