Stabilità: una nuova definizione

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Transcript Stabilità: una nuova definizione

Quale

 

stabilità?

• • Questa   presentazione   contiene   una   selezione   in   forma   didattica   degli   appunti   e   dei   video   raccolti   con   l’obiettivo   di   arrivare   ad   una   definizione   di   stabilità   in   biomeccanica   più   consistente   della   attuale.

  Le   fonti   sono   citate   nelle   diapositive   stesse.

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La

 

Dinamica

 

Inversa

  • È   il   processo   di   derivazione   della   cinetica,   vale   a   dire   delle   forze   e   dei   momenti   di   forza   necessari   a   produrre   cinematica   (movimenti   osservati)   di   un   corpo   con   proprietà   inerziali   note   (massa   e   momento   di   inerzia).

• Il   processo   è   utilizzato   per   calcolare   forze   interne   e   momenti   quando   le   forze   esterne   sono   note   e   la   catena   cinematica   è   aperta.

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Catena   cinematica   e   catena   cinetica

A closed kinetic chain is a movement where the motion of the distal segment is restrained by “considerable external resistance.”

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Derivazione

 

bidimensionale

passo   passo • Le   diapositive   che   seguono   hanno   l’obiettivo   di   chiarire   la   derivazione   delle   equazioni   per   determinare   le   reti   di   forze   in   una   visuale   bidimensionale.

• La   visuale   tridimensionale   segue   le   stesse   procedure.

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Dinamica

 

inversa

Catene   cinematiche,   segmenti   ed   assunti • • • • Prima   di   tutto   dividi   il   corpo   in   catene   cinematiche Dividi   poi   le   catene   cinematiche   in   segmenti.

Assumi   che   ogni   segmento   è   un   “corpo   rigido” Assumi   che   in   ogni   articolazione   la   rotazione   sia   senza   attrito • C’è   molto   altro   da   assumere,   ma   qui   non   è   esposto.

  Vedi   Winter,   a   pagg 108   e   201.

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Biomeccanica   1

Immagino   un   piede,   separato   dal   resto   del   corpo   a   livello   della   tibiotarsica,   che   è   fermo   in   un   ambiente   non   gravitario.

  Il   piede   non   gravitario,   questo   piede,   ha   tutta   una   serie   di   caratteristiche   (p.e.,   il   volume,   la   superficie,   il   colore,   la   forma,    e   così   via)   che   non   riguardano   la   cinetica,   eccetto   il   CoM   (Center   of Mass).

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Biomeccanica   2

S e   questo   piede   riceve   una   spinta   con   forza   x   per   un   tempo   t 1 con   direzione   e   verso   che   passino   dal   CoM   riceverà   una   accelerazione   (II   NL,   seconda   legge   di   Newton),   sin   quando   la   forza   agisce,   pari   a   F/m;   cioè   la   accelerazione   è   pari   alla   forza   diviso   la   massa,   vale   a   dire   forza   per   ogni   unità   di   massa.

       NL) (II   Quando   la   forza   avrà   cessato   di   agire,   il   piede   rimarrà   nello   stato   di   moto   in   quell’istante   raggiunto.

       (I   NL) www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

Biomeccanica   3

Se   invece   la   azione   della   forza   sul   piede   non   gravitario   non   passa   attraverso   il   COM,   ma,   come   nel   disegno   a   fianco,   si   ha   un   braccio   r   ortogonale   alla   direzione   della   forza   dove   immaginiamo   applicata   la   stessa.

  Si   crea   così   un   momento   di   forza   pari   al   prodotto   della   forza   volte   il   braccio   di   leva,   vale   a   dire   la   distanza   ortogonale   fra   COM   e   vettore   di   forza   

M   =   Fr   .

Sinché   la   forza   viene   esercitata   il   piede   sviluppa   una   accelerazione   angolare   pari   alla   variazione   della   velocità   angolare   al   variare   del   tempo   (derivata)   

α  =   rad/s2                    (II   NL)

Quando   la   forza   cessa   di   agire   il   piede   mantiene   la   condizione   di   moto   rotatorio   raggiun ta,   con   una   velocità   angolare  

ω  =   rad/s   

ed   una   quantità   di   moto   angolare   o   momento   angolare   pari   alla   velocità   angolare   per   l’inerzia   angolare,   detta   anche   momento   di   inerzia  

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                               L   =  ω  I                                     (I NL)

Biomeccanica   4

Nel   caso   che   il   COP   si   trovi   sulla   direzione   del   movimento   che   comprenda   il   COM    la   quantità   di   moto   del   PA   si   trasferisce   sul   corpo   urtato   e   si   genera   così   un   vettore   di   reazione   (VR)   uguale   e   contrario   alla   stessa   quantità   di   moto  

(III   NL)

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Biomeccanica   5

In   caso   di   incidenza   diversa   da   90° si   può   scomporre   il   vettore   e   la   corrispondente   forza   di   reazione   RF   in   una   componente   di   scivolamento   (MS)   ed   in   una   componente   normale   al   piano   (MN).

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Biomeccanica   6

Vengo   ora   alla   eventualità   che   il   contatto   fra   il   piede   in   movimento   lineare   uniforme   avvenga   in   un   CoP che   non   si   trova   su   una   direzione   di   spostamento   del   CoM.

  Il   CoP diviene   il   perno   di   una   rotazione   creata   da   un   momento   di   forza   (Fr).

  Precisando   meglio,   si   ha   una   scomposizione   del   vettore   F   in   due   componenti   (FMomento e   FGround).

  Il   momento   di   forza   è   dato   dal   prodotto   di   FM   volte   r   (FMr).

  A   livello   del   CoP FG   provoca   una   reazione   F1G.

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Biomeccanica   7

Ora   il   piede   non   gravitario   arriva   ad   urtare   un   piano   in   un   punto   (CoP)   mentre   si   muove   di   moto   rotatorio   omogeneo.

  Il   CoM   si   assume   come   centro   di   rotazione   .

La   quantità   di   moto   angolare   o   momento   angolare   è   pari   alla   velocità   angolare   per   l’inerzia   angolare,   detta   anche   momento   di   inerzia.

L   =  ω  I Questa   energia   che   si   esercita   sul   CoP genera   una   forza   F   cui   corrisponde   una   reazione   F’che   ferma   la   rotazione.

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Biomeccanica   8

Ora   invece   il   piede   non   gravitario   arriva   ad   urtare   il   piano   mentre   si   muove   di   moto   combinato,   rotatorio   e   lineare   insieme.

La   traslazione   può   avvenire   in   una   direzione   che   passa   per   il   CoM   e   per   il   CoP,   oppure   no.

  Qui   passa   per   il   CoM.

Si   ha   dunque   una   combinazione   di   quanto   nelle   condizioni   precedenti   ed   una   somma   della   quantità   di   moto   (in   blu)   e   del   momento   angolare   (in   rosso),   a   livello   del   CoP.

  La   direzione   del   momento   angolare   l’ho   disegnata   tangenziale   al   cerchio   di   rotazione,   mentre   la   quantità   di   moto   parallela   alla   direzione   della   traslazione.

  I   vettori   delle   due   forze   si   sommano   ed il   CoM   procede   con   un   moto   rotatorio,   in   verso   antiorario,   che   fa   perno   sul   CoP dove   pure   si   esercita   una   spinta   in   con   verso   opposto   a   quello   della   somma   di   cui   sopra.

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Biomeccanica   9

Passando   ora   ad   un   piede   in   ambiente   gravitario   si   aggiunge   la   forza   peso   (in   rosso),   vale   a   dire   il   prodotto   della   inerzia   per   la   accelerazione   di   gravità.

Per   la    III   NL   (terza   legge   di   Newton)   alla   forza   peso   corrisponde   un   vettore   di   reazione   (in   blu)   di   valore   uguale   con   la   stessa   direzione   ma   verso   opposto.

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Biomeccanica   10

Ad   un   piede   che   sta   cadendo   viene   aggiunto   il   vettore   peso   al   centro   di   massa   nel   free   body   diagram.

  Il   centro   di   gravità   del   piede   è   identificato,   in   una   rappresentazione   a   due   dimensioni,   dalle   coordinate   x   e   y.

In   marrone   il   vettore   della   forza   peso   (m*g) http://www.health.uottaw

a.ca/biomech/courses/ap a4311/invdyn.pdf

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Biomeccanica    11

Immaginiamo   ora   il   piede   gravitario   che   cade   verticale   sul   piano,   diritto   sul   CoP:   non   vi   sarà   solo   la   forza   peso   a   cedere   energia   nell’impatto,   ma   anche    la   quantità   di   moto   raggiunta   al   momento   dell’impatto   (Q   =   vm).

  Con   che   velocità?

  Immagino   che   la   velocità   sia   pari   al   prodotto   della   accelerazione   per   il   tempo   di   caduta.

   Sì,   è   così.

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Biomeccanica   12

Ora   immaginiamo   il   piede   cadere   non   su   un   CoP   che   si   trovi   sulla   verticale   del   CoM,   ma,   come   nel   passo,   sul   tallone   e   provenendo   dal   quadrante   alto   a   sinistra.

  Il   piede   dunque   non   cade   solo   in   grazia   della   accelerazione   di   gravità   (vale   a   dire   con   vettore   y,   dall’alto   in   basso),   ma   anche   per   una   velocità   con   vettore   da   sin   a   dx,   cioè   x.

  Ciò   si   può   simbolizzare   sul   CoM   come   un   sistema   vettoriale   x/y,   con   una   sua   somma:   ne   sarà   la   risultante   con    cui   la   cinetica   dovrà   fare   i   conti.

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Biomeccanica   13

La   somma   sarà   individuata   da   una   coppia   di   coordinate   cartesiane   (x 1 ,y 1 che   coincidono   con   il   CoM   (le   chiamiamo   prossimali)   e   x 2 ,y 2   che   coincidono   con   il   vertice   del   verso(le   chiamiamo   distali)).

  Il   vettore   di   carico   CoM ‐ vertice lo   immaginiamo   trasferito   a   livello   del   CoP,   dove   si   genera   un   vettore   di   reazione  

(   III   NL   )

.

  Il   quanto   di   trasferimento   è   dato   dalla   proiezione   del   vettore   somma   sulla   linea   CoM ‐ CoP.

  Al   contempo   il   CoP diviene   il   fulcro   di   una   rotazione   negativa  

(in   senso   orario)

.

  Si   crea   così   un   momento   di   forza   pari   al   prodotto   della   forza   volte   il   braccio   di   leva,   vale   a   dire   la   distanza   ortogonale   fra   CoM   e   vettore   di   forza.

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Vettore   iniziale www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

I   momenti   esterni   reattivi   corrispondono   al   prodotto   del   modulo   della   risultante   delle   forze   di   reazione   del   terreno   per   la   distanza   tra   la   linea   d'azione   della   risultante   stessa   ed   il   centro   di   rotazione   dell'articolazione.

Vettore di reazione al terreno CoM, Centro di Massa Gran trocantere Interlinea del ginocchio Interlinea della caviglia CoP ,Centro di pressione P. Crenna,

LA VALUTAZIONE STRUM ENTALE DEL CAM M INO NEL BAM BINO. In E. Fedrizzi, I disordini dello sviluppo motorio. Piccin Ed. 2 ° edizione, 2009

Biomeccanica    14

Un   piede   come   fosse   durante   la   fase   di   spinta   sul   terreno.

Viene   rappresentato   il   vettore   peso   sul   CoM   nel   free   body   diagram ed   il   vettore   della   forza   di   reazione   al   terreno   sul   CoP.

  (La   differente   inclinazione   fra i     due   è   data   dalla   quantità   di   moto  

x

) Si   riconosce   la   rappresentazione   del   piede   durante   la   fase   di   spinta   per   la   presenza   di   una   componente    X   nella   F ground.

Viene   aggiunto   il   centro di   pressione   ed   il   vettore   della   forza     di   reazione   al   terreno.

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                              x

Biomeccanica   15

Vengono

 

aggiunti

 

i

 

vettori

 

di

 

forza

 

del

 

tricipite

 

surale

 

e

 

del

 

tibiale

 

anteriore

 

nei

 

loro

 

punti

 

di

 

applicazione.

http://www.health.uottawa.ca/bi omech/courses/apa4311/invdyn.

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Biomeccanica   16

Si   aggiungono   i   vettori   di   forza   osso   su   osso,   le   forze   legamentose   (altrimenti   dette   forze   vincolari,   anche   loro   stabilizzative)   ed   il   momento   di   forza   articolare   (angolare)   (M=I  ).

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Biomeccanica   17

Qui   si   sostituisce   ciascuna   forza   muscolare    con   la   forza   equivalente   ed   i   momenti   liberi   di   forza.

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Biomeccanica   18

Si   sommano   tutte   le   forze   che   agiscono   a   livello   della   caviglia   e   tutti i     momenti   di   forza   in   modo   da   ottenere   la   rete   delle   forze   e   dei   momenti   di   forza   a   livello   della   caviglia.

M ankle

k

caviglia.

:   coppia   di   momenti   alla   http://www.health.uottawa.ca/ biomech/courses/apa4311/inv dyn.pdf

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Biomeccanica   19

Le

 

equazioni

 

sono indeterminate.

 

Troppe

 

incognite

 

=

  Nelle   due   dimensioni   vi   sono   tre   equazioni   di   moto,   ma   vi   sono   più   di   tre   forze   non   conosciute   (due   o   più   muscoli   per   articolazioni,   numerosi   legamenti,   pelle,   capsula   articolare,   forze   osso   a   osso).

troppo

 

poche

 

equazioni

Per   questo   le   equazioni   di   moto   sono   indeterminate   e   non    possono   essere   risolte.

  Nelle   tre   dimensioni   vi   sono   sei   equazioni,   ma   molto   più   che   sei   incognite.

•                              

Biomeccanica   20

Ciò   viene   chiamato   la   rete   di   forza   (F x ,   F y )   e   la   rete   di   momenti   di   forza   (M Z )   per   2D   o   (F x ,   F y ,   F z )   e   (M x ,   M y ,   M z )   per   3D.

  La soluzione consiste nel ridurre il numero di incognite a tre per 2 dimensioni (o 6 per 3D) Esempio: in una condizione statica una persona sta eretta su un piede sopra una pedana di forza. La forza di reazione al terreno Ry1 agisce 4 cm davanti alla caviglia.

Rx1 e Rx2 sono = a 0 dato che il corpo è fermo.

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                              Vedi Winter, esempio 5.1 modificato.

Biomeccanica   21

La   freccia   rossa   verso   il   basso,   R y2 ,   è   la   forza   peso   totale   meno   il   peso   del   I versi in alto di y e verso destra di x indicano valori positivi. Ry1 è il peso corporeo, vale a dire m di 60 kg . g (9,8) = 588 N. La massa del piede è piede   e   genera   un   di 0.9 kg. Calcolare le forze di rea momento   perché   vi   è   un   zione articolari e la rete di momenti braccio,   di   6   cm,   rispetto   al   muscolari a livello della caviglia.

CoM   del   piede.

  Lo   stesso   la   forza   di   reazione   prossimale,   quella   del   peso   totale,   R y1,   che   rispetto   al   CoM   del   piede genera   un   momento   perché   vi   è   un   braccio,   di   2   www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                              cm.

Biomeccanica   22:   INVERSE   PENDULUM 1)  

F x =   ma x R x1 +   R x2 =   ma x =   0    2)   R y2 +   R y1 – mg   =   ma y R y2 +   588   N   – (0.9

  *   9.8

  )    =   0   Ry2   =  ‐ 579.2

  N 3)  

M   =   I

 

M 2 – R y1 *   0.02

  – R y2 *   0.06

  =   0     M 2 =   588   *   0.02

  +   ( ‐ 579.2

  *   0.06)   =  ‐ 22.99

  N*m

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Biomeccanica   23

In   questo   esempio   viene   evidenziato   il   primo   contatto   con   il   terreno   di   un   insieme   gamba ‐ piede.

Nella   immagine   evidenzio   la   forza   di   reazione   al   terreno   come   coordinate   x,y,   a   livello   di   terreno,   di   caviglia   e   di   ginocchio.

  Vengono   anche   evidenziate   le   reti   dei   momenti   di   forza   a   livello   della   articolazione   terreno   piede   (M pt )   e   della   caviglia   (M gp ).

  g:   gamba;   p:   prossimale/piede.

O:   centro   di   massa   del   segmento.

Vedi Winter, fig. 5.5 modificata www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

Biomeccanica   24

Immaginiamo   ora   due   segmenti,   il   piede   e   la   gamba,   solo   loro,   fermi,   allineati   in   posizione   anatomica   corretta,   in   ambiente   gravitario,   appoggiati   cioè   su   di   un   piano:   Ciascuno   ha   una   massa   ed   un   CoM,   ciascuno   di   loro   ha   una   superficie,   il   che   è   ininfluente   rispetto   a   quanto   ci   interessa,   ma   ha   anche   una   lunghezza   e   soprattutto   una   distribuzione   della   massa   attorno   al   CoM,   distribuzione   che   influenza   l’inerzia   rotatoria   e,   perciostesso,   le   forze   in   gioco   (cfr    momento   di   inerzia).

  Ciascun   segmento   ha   un   suo   peso   ed   una   sua   base   di   appoggio,   idealizzata   nel   CoP.

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Biomeccanica   25

L’insieme   dei   segmenti   può   essere   immaginato   come   un   unico   corpo   rigido.

  In   tal   caso   il   CoM   diviene   unico   ed   il   CoP lo   stesso.

  Ma   cosa   avviene   durante   la   attività?

  Per   esempio,   il   cammino?

 

È   corretto   ipotizzare   che,   quanto   più   contratta   (come   in   cocontrazione)   è   la   muscolatura,   tanto   più   l’insieme   dei   segmenti   funzioni   come   un   corpo   unico,   con,   tendenzialmente,   un   unico   CoM   ed   un   unico   CoP.

Nell’esempio   precedente   la   proiezione   del   CoM   della   gamba,   il   CoP,   non   cade   fuori   dalla   base   di   appoggio   della   caviglia;   la   colonna   dei   due   segmenti,   rigidi,   rimane   in   piedi,   come   un   tutore   Multilivello   coscia   gamba   piede   ben   www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                              costruito.

Biomeccanica   12   ter

In   questo   terzo   esempio   però   immagino   che   l’insieme,   non   rigido,   ma   articolato,   di   soli   gamba   e   piede   impatti   il   terreno   con   una   velocità   v.

  Piede   e   gamba   hanno   il   loro   CoM   e   la   loro   massa  

m p m g

.

I     due   segmenti   avranno   peso   rispettivamente   il   piede   di  

m p g

e   la   gamba   di  

m g g

.

  Ma   l’insieme   ha   anche   ed   una   velocità  

v x.

 

che   darà   ai   segmenti   una  

quantità   di   moto

per   il   piede   di  

Q p = m p .

  v p

e   per   la   gamba  

Q g = m g .

  v g

Con   la   composizione   dei   vettori   e   la   III   NL   troviamo   la   componente   di   reazione   al   terreno.

  Nel   disegno   è   evidenziato   anche   il  

Centro   di   Rotazione  

della   tibio tarsica,   al   cui   livello   si   manifesteranno i     momenti   di   rotazione.

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Biomeccanica   26

Per   meglio   visualizzare   e   comprendere   l’insieme   delle   forze,   delle   accelerazioni   e   dei   momenti   che   agiscono   sull’insieme   dei   segmenti   conviene   rappresentarli   come   free   body   diagram.

Oltre   alla   massa   ed   alla   velocità   dei   segmenti,   conosciamo   dalla   analisi   cinematica *   la   accelerazione   lineare   del   CoM   del   segmenti:   ax,   ay *   l’angolo   dei   segmenti   sul   piano   del   movimento:    *   la   accelerazione   angolare   dei   segmenti   sul   piano   del   movimento:    www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

Biomeccanica   14

Conosciamo   anche   (immagine   a   lato)   le   forze   di   reazione   al   terreno   distali   (R xpd e   R ypd per   il   piede,   R xgd e R ygd per   la   gamba)   le   reti   di   momenti   muscolari   a   livello   distale     (del   piede   e   della   gamba).

Nella   immagine   evidenzio   la   forza   di   reazione   al   terreno   come   coordinate   x,y,   a   livello   di   terreno,   di   caviglia   e   di   ginocchio.

  Vengono   anche   evidenziate   le   reti   dei   momenti   di   forza   a   livello   della   articolazione   terreno   piede   (M pt )   e   della   caviglia   (M gp ).

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Biomeccanica   27

Altro   esempio:   in   una   condizione   statica   una   persona   sta   eretta   su   una   pedana   di   forza.

  La   forza   di   reazione   al   terreno   è   trovata   agire   4   cm   davanti   alla   caviglia.

  Per   convenzione   la   forza   di   reazione   Ry1   agisce   verso   l’alto.

  Mostriamo   anche   la   forza   di   reazione   orizzontale   Rx 1 agire   nella   direzione   positiva   (verso   destra).

  Se   questa   forza   agisse   verso   sinistra   dovremmo   registrarla   con   un   numero   negativo.

  La   massa   del   soggetto   è   di   60   kg,   quella   del   piede   0.9.

  Segue   esempio   (paragrafo   5.1,   fig 5.6)   di   Winter,   adattato.

    www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

Biomeccanica   28

La   freccia   rossa   verso   il   basso,   R y2 è   la peso   totale   meno   il   peso   del   piede   e     forza   genera   un   momento   perché   vi   è   un   braccio,   di   6   cm,   rispetto   al   CoM   del   piede   che,   in   questa   condizione   statica,   è   il   fulcro.

  Lo   stesso   la   forza   di   reazione   prossimale,   quella   del   peso   totale,   R y1,   che   rispetto   al   CoM   genera   un   momento   perché   vi   è   un   braccio,   di   2   cm.

 è   l’angolo   del   segmento   sul   piano   di   movimento.

  Vedi   la   prossima.

  Sapendo   che   il   peso   totale   è   di   60   kg   e   quello   del   piede   di   0.9

  kg,   calcoliamo,   mediante   le   equazioni   di   moto,   la   forza   R y  ed   il   momento   M 2 .

 

1) SF x =   m ax R x2 +   R x1 =   m ax =   0

 

2)       SF y R y2 +   R y1 =   m ay – mg   =   0 R y2 +   60   x   9,8   – 0,9   x   9,8   =   0 R y2   =  ‐ 588   +   8,82   =  ‐ 579,18   N 3) SM   =   I q a M 2 – R y1   x   0,02   – R y2   x   0,06   =   0 M 2 =   588   x   0,02   +   ( ‐ 579,18   x   0,06)   =   ‐ 22,98   Nm

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Biomeccanica   29 Mostra   ora   il   completo   diagramma   a   corpo   libero   del   piede.

M ankle

k

=   coppia momenti   alla     di   caviglia www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

Biomeccanica   30 Mostra   la   posizione   dei   vettori,   il   raggio    della   caviglia   e   quello   del   terreno

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Biomeccanica   31 Le   tre   equazioni   di   moto   per   il   piede   (II a legge   di   Newton   ) 1)  Σ 

F x =   ma x : F x(ankle) +   F x(ground)   =   ma x(foot)

http://www.health.uottawa.ca/bi omech/courses/apa4311/invdyn.

pdf

2)  Σ 

Fy =   may: F y(ankle) ma y(foot) +   F y(ground)   – mg   =  

3)  Σ 

M z =   I  α : M z(ankle) +   [r ankle × F ankle ] z

+   [

r ground (foot) × F ground ] z =   I foot α 

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Biomeccanica   32 Le   tre   equazioni   di   moto   per   il   piede   (II a legge   di   Newton)

*   Il   momento   di   una   forza   è   definito   come   il   prodotto   vettoriale   (x)   di   un    vettore   di   posizione(r)   e   della   sua   forza   (F).

  Vale   a   dire:  

M=r*F M z =[r*F]=r x F y ‐ r Y F x

*  

r caviglia =(x caviglia ‐ x piede ,y caviglia ‐ y piede )

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   1

Anche   nelle   trattazioni   più   recenti   ed   esaurienti   il   Concezione   di   stabilità   è   presentato   in   termini   molto   tradizionali   ed   apparentemente   intuitivi.

La   distanza verticale o   altezza del   centro di   gravità influenza   la   stabilità geometrica del   corpo .

  Quando   la   posizione   del   centro   di   gravità   è   alta   è   più   facile   muovere   al   di   là   della   base   di   appoggio   che   nelle   posture   con   un   basso   centro   di   gravità.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   2

La   distanza orizzontale del   bordo della   base   di   appoggio rispetto al   centro di   gravità (proiezione del   centro di   gravità)   determina quanto facilmente il   peso   può essere spostato per  

destabilizzare

la   persona.

La   postura   del   corpo   durante   la   stazione   o   durante   il   movimento   determina   la   posizione   del   centro   di   gravità   relativa   alla   base   di   appoggio.

Dato che la gravità è la maggior forza esterna contro cui il corpo si muove, la posizione orizzontale e verticale del centro di gravità relativa alla base di appoggio è cruciale nel determinare il rapporto fra stabilità e mobilità di una postura.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   3

I   fattori biomeccanici che possono variare per   modificare il   rapporto fra stabilità e   mobilità sono la   base   di   appoggio e   la   posizione ed   il   movimento   del   centro di   gravità relativo alla base   di   appoggio. La   base   di   appoggio è   l’area bidimensionale formata dai segmenti di   sostegno o   aree del   corpo.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   4

Il   controllo della   stabilità e   la   capacità di   muoversi è   comunemente chiamato equilibrio.

  Il   Principio   di   Equilibrio suggerisce che le   posture    che favoriscono la   mobilità sopra la   stabilità hanno una minore base   di   appoggio,   con   centro di   gravità non   troppo vicino alla base   di   appoggio.

Sul piano   meccanico,   stabilità e   mobilità sarebbero,   in   base   a   questo modello,   inversamente correlate.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   5

E’   importante esaminare il  

paradosso meccanico del   rapporto fra stabilità e   mobilità

. É   evidente che una postura ottimale dipende dalla

giusta

dose   di   stabilità e   mobilità in   rapporto al   movimento   che interessa.

  Non   è   però sempre un   compito semplice,   dato che la   stabilità e   la   mobilità sono inversamente proporzionali.

Le posture altamente stabili permettono infatti di resistere ai cambiamenti di posizione, mentre l’inizio del movimento (mobilità) è facilitato dalla adozione di una postura meno stabile.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   6

Taluni movimenti costituiscono delle   eccezioni rispetto ad   una stretta applicazione del   Principio   di   Equilibrio,   in   ragione dell’alto livello di   abilità implicato o   per   l’interazione di   altri fattori biomeccanici.

 

Nelle abilità ben apprese come   il   cammino,   l’equilibrio è   mantenuto agevolmente senza attenzione consapevole su   di   una stretta base   di   appoggio.

I   ginnasti   possono   mantenere   l’equilibrio   su   di   una   piccolissima   base   di   appoggio,   il   che   risulta   da   considerevole   abilità   ed   allenamento.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   7

Ma

 

è

 

proprio

 

così

 

?

Durante   il   cammino   la   proiezione   del   CoM   non   entra   mai   nella   base   di   appoggio.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   8 Ma   che   principio   è   un   principio   che   ora   c’è,   ora   no,   ora   funziona,   ora   no,   in   alcuni   casi   è   applicabile   in   altri   no?

  Si   direbbe   che   il   Principle of Balance   funzioni   sino   a   che   la   persona   è   ferma.

  Appena   la   persona   si   muove,   anzi,   appena   prima   ancora,   non   vale   più   e   sembra   funzionare   l’opposto.

Una   volta   di   più   si   direbbe   che   la   matrice   concettuale   di   questa   teorizzazione   sia   quella   del   corpo   fermo,   ingessato.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   8   bis

Durante   il   cammino,   o   la   corsa,   nella   fase   in   cui   l’appoggio   avviene   su   di   un   piede   solo,   la   proiezione   del   CoM   è   ampiamente   fuori   dalla   base   di   appoggio.

  Ciò   significa   che   il   cammino   o   la   corsa   non   hanno   stabilità?

Qui   la    proiezione   del   CoM   segue   la   base   di   appoggio.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   9

Qui   la   proiezione   del   CoM   precede   la   base   di   appoggio.

È   Indispensabile   cercare    invece   una   definizione   di   stabilità   che   permetta   di   interpretare   tutto   lo   sviluppo   del   controllo   motorio,   dalla   vita   fetale   alla   corsa,   al   salto   e   così   via.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità

The   base of   support   can   vary   from   one   foot   (running)   to   a   four ‐ point   support  

(football), and   it   is   essential   that   the   COM   remain   within   that   base   of   support   or   move safely   between   the   two   feet   if   it   lies   (si trova)   temporarily   outside   the   base   of   support   (as   it   does   in   running   and   during   the   single ‐ support   phase   of   walking)

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   10

Si   è   tentati   di   dire   che   la   concezione   di   stabilità   come   rapporto   geometrico   fra   centro   di   massa   e   base   di   appoggio   abbia   come   unico   pregio   il   fatto   di   essere   intuitiva.

  Ma   è   proprio   così?

  C’è   un   sostanzioso  

isomorfismo

tra   come   funzionano   le   cose   e   questa   concezione   di   stabilità?

  Oppure   siamo   tanto   abituati   ad   utilizzarla   che   è   divenuto  

un   automatismo   mentale

?

Insomma,   la   Concezione   geometrica   di   stabilità non   ci   dice   quasi   nulla   di   consistente    sul   movimento   del   corpo.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   12

Dove   è   la   proiezione   verso   la   base   di   appoggio   del   CoM   in   questi   frangenti?

Compiamo   un   esperimento   immaginativo:   immaginiamo   cioè   che   Bolt,   una   volta   alzato   dai   blocchi,   in   occasione   del   primo   appoggio   sinistro   carichi   su   un   piano   inclinato,   proditoriamente   celato   nottetempo   sotto   la   superficie   della   pista,   di   una   quindicina   di   gradi   dall’alto   in   basso,   dall’interno   verso   l’esterno .

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   13

E’ cambiata la geometria della base di appoggio? No. È cambiata la proiezione del CoM rispetto alla base? Certo che no. È cambiato il vettore di reazione al terreno rispetto alla previsione? Eccome. La conseguenza, è facile immaginarlo, sarebbe una pericolosa caduta. Probabilmente è questo, in qualche misura, il meccanismo attraverso cui si realizzano molti traumatismi muscolo tendinei, sportivi e no.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   14

È   invece   possibile   descrivere,   in   una   prospettiva   intersegmentale,   il   rapporto   fra   stabilità   e   mobilità   in   termini   differenti: un buon grado di stabilizzazione (= contenimento della Inerzia, dei momenti di inerzia o di forza

in eccesso

) di alcuni segmenti permette la mobilità (liberazione dell’inerzia e dei momenti di inerzia) di altri.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   15

In   questa   diapositiva   una   rappresentazione   già   intersegmentale   di   vettori,   inerzie   e   momenti.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   17

Una   rappresentazione   ancora   più   complessa:   il   Free   Body   Diagram www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

Critica   del   Concezione   corrente   di   stabilità   18

x Relazione   fra   CoP   e   CoM   1 z Durante   il   cammino   la   proiezione   del   CoM   non   entra   mai   nella   base   di   appoggio.

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CoP,   CoM   e   aggiustamenti   posturali.

1)  

CoP X ‐ CoM X =  ‐ I S CoM X /Wh

Inverse   Pendulum

La   1)   ci   dice   che   Il   valore   X   del   CoP   meno   il   valore   X   del   CoM   è   uguale   a   meno   [(   il   momento   di   inerzia   sul   piano   sagittale   volte   la   accelerazione   in   avanti   del   CoM   )   volte   (l’inverso   del   peso,   escluso   il   piede,   volte   l’altezza   del   CoM   rispetto   alla   caviglia)].

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CoP,   CoM   e   aggiustamenti   posturali.

1)  

CoP X ‐ 2)   CoP X ‐ CoM X =  ‐ CoM X +    I S I S CoM X /Wh CoM X /Wh =   0

Inverse   Pendulum

La   2)   ci   dice   che   quanto   maggiore   è   il   peso   e/o   quanto   maggiore   la   altezza   del   CoM   tanto   minore   è   la   differenza   del   braccio   di   leva   necessaria   (a   parità   di   forza   muscolare,   cioè   momenti   interni)   per   mantenere   l’equilibrio   (=   0)

.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   19

Movimenti   x   di   CoP   e   CoM www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   20 La   relazione   tra   CoP   e   CoM   all’inizio   del   passo

A   partire   dalla   stazione   eretta   ferma   ( ‐ 69%   del   ciclo   del   passo   iniziale),   il   CoP   si   muove   posteriormente   e   lateralmente   in   direzione   dell’arto   che   oscilla,   raggiungendo   la   posizione   di   rilasciamento   a  ‐ 20   del   ciclo   del   passo,   poi   muovendosi   rapidamente   in   direzione   del   piede   di   appoggio,   per   raggiungerlo   al   momento   del   distacco   dell’alluce   (RTO)   (destro).

  Le   frecce   che   partono    dal   CoP   per   il   CoM   son   vettori   che   mostrano   l’accelerazione   del   CoM   come   previsto   dal   modello   di   pendolo   inverso   (equazione   1)).

  Manca   la   componente   y,   la   più   rilevante   per   la   stabilità.

.

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Critica   della   concezione   corrente   di   stabilità   21

Prima   del   punto   64%,   nel   doppio   appoggio,   la   traiettoria   del   COP   si   era   mossa   rapidamente   in   avanti,   dal   piede   sinistro   al   piede   destro   (   periodo   56 ‐ 64%).

  Durante   questo   periodo   di   doppio    appoggio,   il   COP   si   sposta   rapidamente   in   avanti   in   modo   che   i   vettori   COP ‐ COM   (indicati   come   frecce)   mostrano   una   rapida   decelerazione   del   COM.

  Poi,   durante   l’appoggio   del   piede   destro   (64 ‐ 100%),   l’   attività   dei   flessori   plantari    di   destra   aumenta   improvvisamente,   causando    lo   spostamento   in   avanti   del   COP   con   aumento   del   vettore   di   decelerazione   COP ‐ COM    e,   a   partire   dal    100%,   la   velocità   di   avanzamento   del   COM   viene   ridotta   di   circa   il   70%.

L’aver   trascurato   la   dimensione   y   non   permette   neppure   di   affrontare   il   tema   della   stabilità.

La   relazione   tra   CoP   e   CoM   alla   fine   del   passo

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La

 

Scuola

 

di

 

Atene:

 

guardare

 

altrove

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Lavori

 

in

 

corso

Ogni attenzione va portata sullo sviluppo temporale della relazione tra CoP e CoM

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Free body Diagram Questo   è   il   logico   punto   di   arrivo   di   quanto   prima:   Momenti,   prossimali/distali,   Sommatorie,   prossimali/distali,   forza   di   gravità,   CoM,   CoP.

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Equazioni   di   moto

Equazioni   tridimensionali   di   moto   di   Newton   per   un   segmento Equazioni   tridimensionali   di   moto   di   Euler per   un   segmento www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

• Nelle   diapositive   che   seguono   si   concentra   la   attenzione   sulle   forze   lineari   e   sui   momenti    solo   a   livello   di   CoM   e   CoP,   mentre   in   realtà   ogni   segmento   corporeo   ha   le   proprie   stabilità   e   la   propria   mobilità.

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Vettori   di   reazione   al   terreno,   CoM   e   CoP.

CoM GRF CoP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

Free   body   diagram del   passo   1

Ciclo

 

del

 

passo

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Free   body   diagram del   passo   3

Forza   peso   e   forza   d’inerzia   (NB:   la   lunghezza   dei   vettori    è   solo   indicativa   del   modulo   reale) CoM ma

Nel   modello,   bidimensionale,   sono   considerati   il   centro   di   massa   (CoM)   ed i     centri   di   pressione   anteriore   e   posteriore   (CoPA e   CoPP).

  Il   modello   evidenzia   la   forza   di   gravità   mg   e   la   forza   di   inerzia   ma.

mg CoPP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                              CoPA

Free   body   diagram del   passo   4

Somma:  

mg   +   ma   è   la   somma   vettoriale   delle   due   forze,   il   vettore  

CoM

di   carico.

mg+ma CoPP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                              CoPA

Free   body   diagram del   passo   5

Scomposizione CoM

Il   vettore   di   carico   deve   essere   scomposto   in   una   porzione   anteriore   ed    in   una   posteriore.

CoPP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                              CoPA

Free   body   diagram del   passo   6

Vettori   di   reazione   al   terreno,   CoM   e   CoPS CoM GRF CoP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                             

Free   body   diagram del   passo   7

Forze   di   reazione   al   terreno CoM

Alle   componenti   anteriore   e   posteriore   corrispondono   due   forze   di   reazione   al   terreno,   una   FgroundA ed   una   FgroundP.

  Gli   angoli  

 

sono   compresi   tra   la   e direzione   della   Fground e   la     linea   CoP ‐ CoM.

 CoPP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                               CoPA

Free   body   diagram del   passo   8

Scomposizione   delle   forze   di   reazione   al   terreno CoM

Le   due   Fground sono   scomponibili   in   una   diretta   verso   il   CoM   ed   una   davanti,   e   l’altra   dietro   al   CoM

 CoPP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                               CoPA

Free   body   diagram del   passo   9

• Sommatoria   delle   forze  CoM

I   due   vettori   che   agiscono   direttamente   sul   CoM   vengono   sommati

 

F (CoM)x,y (Cos

)=   ma (CoM)x,y   (Cos

)= kg   mt(Cos

)/s 2 (CoM)x,y  

Dove   m   è   la   massa,   a   è   la   accelerazione   x,y   del   CoM   e  



è   l’angolo   compreso   tra  

Fground e   verticale.

 

CoPP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                               CoPA

Free   body   diagram del   passo   10

• Forze   e   bracci.

CoM

Fra   il   Com e   la   direzione   delle   Fground,   anteriore   e   posteriore   possiamo   immaginare   dei   bracci   (in   azzurro).

 

 CoPP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                               CoPA

Free   body   diagram del   passo   11  

• Momenti   e   somma CoM

Si   generano   così   dei   momenti   di   forza   a    livello   del   CoM   oltre   che   a   livello   dei   CoP.

2)  

M x,y(CoM)   =   kg   (1 ‐ Cos

)   m 2 (brCoM ‐ fgroundA)   / s 2 +   kg   (1 ‐ Cos

)   m 2 (brCoM ‐ fgroundP)   / s 2 Dove   M   sono   i   momenti,   I   il   momento   di   inerzia   del   CoM,  



la   accelerazione   angolare   dello   stesso.

1 ‐ Cos

e   1 ‐ Cos

sono   i   coefficienti   di   correzione   dei   vettori   di   reazione   al   terreno.

  Br   i   bracci.

CoPP  www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                               CoPA

L,   5   anni   e   7   mesi,   emiparesi   destra,   indossa   il   Multilivello:   Flexum o   non   flexum?

  Questo   è   il   problema.

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Free   body   diagram del   passo   13:   knee moment

• Forze   /Momenti:   osserva   la   relazione   fra   momenti   ed   allineamento   delle   ginocchia    CoM Dx Sin   CoPP www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                              CoPA

Gait free   body   diagram 14:   forces and   moments of the   CoM

Equazioni   di   moto   del   CoM  CoM  

F (CoM)x,y (Cos

)=   ma (CoM)x,y   (Cos

)= kg   mt(Cos

)/s 2 (CoM)x,y  



M x,y(CoM)   =    kg   (1 ‐ Cos

)   m 2 (brCoM ‐ fgroundA)   / s 2 m 2 (brCoM ‐ fgroundP)   / s 2 +   kg   (1 ‐ Cos

)

CoPP

 

 www.ri a bilitazioneinfantile.eu

                               CoPA

Gait free   body   diagram 15:   forces and   moments of the   CoM Quanto   più   vicino   a   1   è   il   Cos   dell’angolo  

(verticale ‐ Fground)   tanto   maggiore   è   la   stabilità   lineare   del   CoM   e   tanto   maggiore   la   forza   necessaria   per   modificarla.

 CoM

Quanto   più   la   somma   dei   momenti   del   CoM   è   vicina   a   0,   tanto   maggiore   è   la   sua   stabilità   rotatoria   e   tanto   maggiore   la   forza   necessaria   per   modificarla.

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                              CONCLUSIONI  

Collaborazione   fra   ricerca   ed   industria

• Le   ortesi,   di   qualunque   genere,   sono   oggi   pensate   secondo   il   modello   di   stabilità   tradizionale.

  • Se   iniziassimo   a   pensarle   secondo   quanto   appena   esposto?

• Il   Multilivello   è   già   così.

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