Transcript Ανθρώπινη Βιολογική Μηχανικη Κινηματική και Κινητική Δρ. Παναγιώτης Τσακλής Αναπληρωτής Καθηγητής BIO Ζώντες οργανισμοί MECHANICS Κλάδος της Φυσικής Περιγραφή και αιτιολόγηση της κίνησης ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΘΕΣΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ ΓΩΝΙΑΚΗ ΘΕΣΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ ΚΙΝΗΣΙΟΛΟΓΙΑ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΑΝΑΤΟΜΙΚΗ ΓΩΝΙΑΚΗ ΡΟΠΗ Γιατί να σπουδάσουμε Βιομηχανική?  Για να καταλάβουμε.

Ανθρώπινη
Βιολογική Μηχανικη
Κινηματική και Κινητική
Δρ. Παναγιώτης Τσακλής
Αναπληρωτής Καθηγητής
BIO
Ζώντες οργανισμοί
MECHANICS
Κλάδος της Φυσικής
Περιγραφή και αιτιολόγηση
της κίνησης
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗΣ ΚΙΝΗΣΗΣ
ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗ
ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ
ΓΡΑΜΜΙΚΗ
ΘΕΣΗ
ΤΑΧΥΤΗΤΑ
ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ
ΓΩΝΙΑΚΗ
ΘΕΣΗ
ΤΑΧΥΤΗΤΑ
ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ
ΚΙΝΗΣΙΟΛΟΓΙΑ
ΚΙΝΗΤΙΚΗ
ΓΡΑΜΜΙΚΗ
ΔΥΝΑΜΗ
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ
ΑΝΑΤΟΜΙΚΗ
ΓΩΝΙΑΚΗ
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
Χαρακτ/κα Αδράνειας
Εξωτερικές Δυνάμεις
Εσωτερικές Δυνάμεις
Χαρακτ/κα Χώρου
Χαρακτ/κα Δύναμης
Εξωτερικών/Εσωτερικών
Χαρακτ/κα Χρόνου
Χαρακτ/κα Ενέργειας
Χαρ/κα Χώρου/Χρόνου
Αλληλεπίδραση
Επίπεδα / Αξονες Κίνησης???
Κινητικές Αλυσίδες
?
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?

Βιομηχανική των σπόρ
 Βελτιώνει
την αθλητική απόδοση, μειώνει τους
αθλητικούς τραυματισμούς
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?

Επαγγελματική βιομηχανική
 Εργονομικοί
και ανθρώπινοι
παράγοντες
 μείωση των επαγγελματικών
παθήσεων - κακώσεων
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
x1
x2
Μετά την ανάλυση frame-by-frame analysis, συλλέγεται
μία ομάδα δεδομένων, για παράδειγμα:
Time
X-position
Y-position
40.0
1.3
5.5
48.0
1.6
5.8
50.0
1.8
6.5
200.0
2.2
7.2
208.0
2.6
7.8
210.0
2.8
8.5
212.0
3.4
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.
μετατόπιση (μονάδες)
Γράφοντας τις ‘x’ συντεταγμένες σε σχέση με το χρόνο.
Μας δίνει δεδομένα ταχύτητας – χρόνου
displaceme nt
= velocity m/sec
time
*
*
*
*
*
y
x
*
χρόνος (μονάδες)
y
slope 
x
Το γράφημα της ταχύτητας ως προς τα δεδομένα του χρόνου
Μας δίνει δεδομένα χρόνου – επιτάχυνσης
ταχύτητα (μονάδες)
velocity
time
= acceleration m/sec2
*
*
*
*
*
*
x
y
y
slope 
x
Χρόνος (μονάδες)
Ενέργεια
της κίνησης
Energy
Ενέργεια της Κίνησης



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.
W  fd
Οι μονάδες είναι τα joules
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
1
2
K .E.  mV
2
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
Καθώς η μάζα πέφτει
χάνει δυναμική ενέργεια,
αλλά επιταχύνει...
Έτσι λοιπόν η κινητική
ενέργεια αυξάνει.
Δ.E.
K.E.
But the TOTAL energy in the system remains constant!!!
V
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 μπροςπίσω, η ολική ενέργεια διατηρείται,
αλλά εναλλάσσεται μεταξύ Δ.E. και
K.E.
1
Energy  mgh  mV
2
Principle of Conservation of Energy
2