Lærebok i biomekanikk

Wisnes

Lærebok i biomekanikk

Alexander R. Wisnes

Lærebok i biomekanikk

Boken gir en enkel innføring i grunnleggende deler av biomekanikk.

I første del er hovedvekten lagt på å beregne og vurdere de krefter som utvikles av muskler og påvirker ledd under stillinger og beve­ gelser. Til bruk i situasjoner i praksis øves det også i å resonnere og vurdere uten direkte beregning av krefter.

Boken inneholder en rekke oppgaver, både beregninger og resonne­ menter. Fasit for oppgavene finnes bak i boken.

Sener, ligamenter, beinvev og brusk sine mekaniske egenskaper og tilpasning til belastning og overbelastning blir beskrevet i den siste delen.

Boken er skrevet for studenter innen fysioterapi, ergoterapi, leger, ­fysisk aktivitet og idrett. alexander r. wisnes er fysiolog, med idrett i ­ asis. Han arbeider som 1. amanuensis ved Høg­skolen b i Bergen, og i Olympiatoppen. Han har i ­mange år under­vist fysioterapistudenter, manuell terapi, lege­ studenter, trenere og idrettsstudenter i fysiologi, ­bevegelsesvitenskap, treningslære og biomekanikk.

ISBN 978-82-7634-920-7

www.cda.no

Lærebok i biomekanikk Illustrasjoner av Harald Kryvi

Forord

Forord De fleste av studentene på høgskoler og universiteter som studerer helse-, idrett og andre aktivitetsrelaterte fag har bruk for kunnskaper og ferdigheter innen biomekanikk. I disse studiene stilles det krav til forståelse av: • hvordan kroppen virker som mekanisk system • hvordan bevegelser blir til, hvordan de påvirkes av indre og ytre krefter • hvordan ledd, støtte- og bindevevene tilpasser seg belastning og overbelastning • hvordan øvelser skal brukes for å oppnå ønsket effekt Å lære seg biomekanikk baserer seg i en viss grad på grunnleggende kunnskap innen mekanikk, matematikk, anatomi og fysiologi. Jeg har erfart at noen studenter starter på studiet med til dels mangelfull kunnskap spesielt innen grunnleggende fysikk og enkel matematikk. En av årsakene er at videregående skole gjennom mange år har gitt muligheter til at elever kan velge bort fag som gir det ønskede grunnlaget. Resultatet er at noen av studentene er til dels fremmed for den type tankegang og opplever matematikk og fysikk som skremmende og uoverkommelig i starten. Dette er en av grunnene til at denne boken prøver å utforme lærestoffet i biomekanikk så enkelt og engasjerende som mulig. Det er lagt opp til at kravet til matematikkunnskap er minimalt og at det brukes en grafisk løsningsmetode, dvs tegne og måle istedenfor å regne med trigonometri. Eksemplene i boken er i stor grad tatt fra statikk som er den delen av biomekanikken der vi fryser personen i en stilling som det skal beregnes krefter på. Dette forenkler beregningene, men det gjøres samtidig oppmerksom på, at under bevegelser der det foregår store hastighetsendringer på kort tid, vil svaret avvike noe. I første kapittel blir reglene og metodene som skal brukes presentert i tillegg til en enkel innføring i Newton’s lover. Disse metodene og reglene blir deretter anvendt på en rekke eksempler med løsning som inkluderer hofte, rygg, buk, skulder, albu, kne og ankel. I tillegg til

00 103200 GRMAT Lærebok i biomekanikk 130101.indb 9

06.09.13 15:03

Forord

10

00 103200 GRMAT Lærebok i biomekanikk 130101.indb 10

eksemplene er det laget oppgaver til alle kapitlene om de enkelte områdene.

Løsningen til oppgavene finnes i en egen fasitdel bak i boken.

Illustrasjonene er av stor betydning i denne boken. I arbeidet med å lage disse har jeg hatt uvurderlig hjelp av min kollega og venn Harald Kryvi, professor i anatomi og kunstner. Harald har tegnet og jeg har lagt inn akser, tyngdepunkter og krefter. Tegningene er laget på grunnlag av fotografier med levende mennesker, studenter, døtre, medarbeidere og barnebarn. Stor takk til entusiastiske og tålmodige modeller, Annbjørg, Beate, Cathrin, Even, Rikke, Rita, Thomas og Ørjan.

06.09.13 15:03

Hva er biomekanikk?

Metoder for beregning av krefter i kroppen 1.1

Kapittel 1

KAPITTEL 1

Hva er biomekanikk?

Biomekanikk er et fagfelt der kunnskap fra fysikk (mekanikk), anatomi og fysiologi brukes for å: • beskrive kroppens bevegelser • beregne krefter som oppstår under, og virker inn på stillinger og bevegelser • kjenne til vevenes egenskaper og tilpasning

Figur

Biomekanikk Bevegelser og stillinger

Vevsbiomekanikk, vevs egenskaper Kinetikk

Kinematikk

Dynamikk

Statikk

Flerdimensjonalt system

Plant system

Figur 1.0 Flowdiagram.

Kinematikk er den delen av biomekanikken der kroppens bevegelser beskrives uten å beskrive kreftene som forårsaker bevegelsene (Figur 1.0).

Kinetikk ser kroppens bevegelser i sammenheng med de krefter som virker på og i kroppen.

I kinetikken kan vi beregne og vurdere krefter under bevegelse, dynamikk eller når kroppen er i ro, statikk.

I beskrivelsen av statikk mener vi med «kroppen er i ro» at hastighetsend­ ringer er null, og at det ikke skjer noen rotasjon. I denne grunnboken velger vi å forenkle og holde oss til statikken. Beregningene vil derfor bli enklere og overkommelige for en nybegynner i biomekanikkfaget.

00 103200 GRMAT Lærebok i biomekanikk 130101.indb 11

06.09.13 15:03

Kapittel 1

12

I dynamikken vil bl.a. hastighetsendringer (akselerasjon) og treghet være vesentlige faktorer som må tas med i beregningene.

Noen av de viktigste forskjellene mellom statikk og dynamikk er: 1. I dynamikken er ikke kravene fra statikken om likevekt til stede (at sum­ men av krefter og dreiemomenter =0). Tvert i mot er det mangelen på like­ vekt som skaper bevegelsen.

2. Istedenfor å fryse bevegelsen og gjøre biomekaniske beregninger for en stilling, vil man i dynamikken søke å beregne og beskrive kinematikk og kinetikk gjennom hele bevegelsen (eller syklusen). Dette gjelder mange ulike dynamiske metoder, som f. eks. kamerabaserte, akselerometrimetode og dynamometre som Biodex/Cybex.

3. Et viktig poeng er at statisk analyse kan bli mer og mer feil når bevegel­ seshastigheten øker (som innen idrett). Hvis man fryser golferens beve­ gelse i det køllen treffer ballen, vil man antakelig få besynderlige svar. Det samme gjelder alle kastøvelsene i friidrett og når man hogger ved. En lang ytre momentarm tillater en lang akselerasjonsfase som gir høy hastighet og kraft der det teller. I statikken blir den ytre kraften mindre jo lengre vektarm man har pga kravet om likevekt, så her vil statikken og dynamik­ ken ha ulike premisser og gi ulike konklusjoner.Vi gjør i noen eksempler oppmerksom på at dersom stillingene vi beskriver, hadde vært deler av bevegelser, ville resultatet av beregningene vært noe forskjellig fra de rent statiske stillingene. Er bevegelsene langsomme, er det relativt liten forskjell mellom statikk og dynamikk.

Få bevegelser foregår bare i ett plan. Vi velger ut hovedplanet som bevegelsen foregår i, kaller det for betraktningsplan og beregner krefter i dette planet.

Dette er forenkling nummer to.

I statikken studeres krefters addisjon og oppdeling, beregning av dreie­ moment i tillegg til vilkårene for statisk likevekt.

Vi bruker en grafisk metode for å beregne krefters størrelse og retning. Ved å tegne kreftene som piler med størrelse og retning (vektorer) kan vi unngå en del matematikk (trigonometri) som for noen studenter er ukjent lærestoff.

Den grafiske metoden vil ikke redusere nøyaktigheten i beregningene når vi sammenligner med bruk av trigonometri. Redskapene vi trenger, er tegneark, spiss blyant, god linjal og et vinkelmål.

I vevsbiomekanikken beskrives vevenes (knokkel, brusk, sener, ligamenter, nervevev og muskel) mekaniske egenskaper, reaksjoner på belastning og til­ pasning til økt eller redusert belastning (bruk) over tid. I denne boken har vi valgt å konsentrere oss om knokkel, brusk, ligamenter og sener.

00 103200 GRMAT Lærebok i biomekanikk 130101.indb 12

06.09.13 15:03

13

Hva er biomekanikk? Metoder for beregning av krefter i kroppen

1.2

Kraft og Newtons lover som grunnlag for beregning av krefter 1.2.1 Kraft

De fleste har en intuitiv forståelse av hva en kraft er, men når man skal forklare med ord, er det litt vanskeligere. En vanlig måte å uttrykke det på er at kraft er en fysisk størrelse som kan forandre legemenes bevegelse (akselerasjon, eller retardasjon), eller deformere dem. Kraft kan beskrives som et drag eller et skyv på et legeme. Tyngdekraften trekker på alle legemer, og muskelkrefter vil alltid virke med et drag på de knoklene de er festet til (Figur 1.1a og c). Eksempler på en kraft som virker som skyv (Figur 1.1b), er når vi gir manuell motstand i en treningsøvelse, hendene våre vil komprimere den delen av kroppen vi har kontakt med og eventuelt bevege den.

Figur albufl men. knee trekk en lik sjons

Kraft er en fysisk størrelse som kan forandre legemers bevegelse eller deformere dem.

Kan beskrives som et skyv eller drag på et legeme.

a)

b)

c)

Figur 1.1a, b, c a) Muskelkraften i albufleksorene trekker på underarmen. b) Testeren gir motstand mot kneekstensjon. c) Tyngdekraften trekker på kroppen, og det oppstår en like stor, men motsatt rettet reaksjonskraft fra gulvet.

Kraft er en vektor og har både størrelse og retning.

Kraft er en vektor, dvs. at den har både størrelse og retning, og dens virkning er avhengig av begge deler. Om vi skyver på en bok som ligger på bordet rett fra

00 103200 GRMAT Lærebok i biomekanikk 130101.indb 13

06.09.13 15:04

Kapittel 1

ot en e stor skjel­ som ftvek­ enne lspissi som kkete kaftet, skelig .

14

siden, eller om vi skyver med samme kraft rett ovenfra, har den svært forskjel­ lig virkning. Den manuelle motstanden vi gir i en treningsøvelse, får forskjellig virkning dersom vi lar den få en retning som går langs leggen eller armen eller vinkelrett på leggen eller armen (Figur 1.2).

Kraftvektoren symboliseres vanligvis som en pil, der pilens lengde er pro­ porsjonal med kraftens størrelse, pilskaftet angir virkningslinjen, pilspissen angir kraftens retning, og pilens basis angir kraftens angrepspunkt. Linjen som kraften virker langs, kalles for dens virkelinje (Figur 1.3).

Virkelinje Kraftvektor

Virkelinje Figur 1.2 Vi gir motstand mot en abduksjon av venstre arm. Like stor kraft, på samme sted, men i forskjellig retning, A og B. Personen som skal gjøre abduksjonen, vil kjenne det mye lettere når kraften er som i A.

Figur 1.3 Symbolet på en kraftvektor. Pilens lengde, retning og pilspiss symboliserer kraften. Den prikkete linjen som er tegnet langs pilskaftet, kan forlenges så langt som ønskelig og kalles for kraftens virkelinje.

Virkelinjen fortsetter i begge ender av vektoren, og vi kan tenke oss den eller tegne den så langt vi har bruk for i beregningen av krefter.

1.3

Gravitasjonsloven og Newtons 1., 2. og 3. lover

Newtons lover er grunnleggende kunnskap når vi skal beregne de krefter som kroppen vår utsettes for. Vi skal i dette kapitlet presentere lovene og vise med noen eksempler hvordan de kan anvendes.

Newton er for mange mest kjent som han som lå under et epletre en høstdag og spekulerte på hva slags kraft som kunne holde månen i dens bane rundt jor­ den (Figur 1.4). Et eple falt ned, og dermed kom han på ideen at kraften som får eplet til å falle, er den samme som den som holder månen i en bane rundt jorden.

skraft nen i trifu­ rdens

Figur 1.4 Jordens tiltrekningskraft er den kraften som holder månen i en konstant bane rundt jorden.

Sentrifugalkraften er motkraften til jordens tiltrekningskraft.

00 103200 GRMAT Lærebok i biomekanikk 130101.indb 14

Gravitasjonsloven: Alle legemer tiltrekker hverandre.

Tiltrekningskraften er avhengig av massen og avstanden mellom legemene.

Masse måles i kg og avhenger av størrelse og antall partikler i legemet.

Tyngdekraften er den kraft som jordens masse trekker med på et legeme.

06.09.13 15:04