U N I V E R S I TA’ D E G L I S T U D I D I R O M A T O R V E R G ATA
FA C O LTA’ D I M E D I C I N A E C H I R U R G I A
L A U R E A T R I E N N A L E I N S C I E N Z E M O T O R I E
A A 2 0 11 - 2 0 1 2
I nsegnamento d i
P r o f . s s a M a r i a G u e r r i s i
D o t t . P i e t r o P i c e r n o
I nsegnamento d i
BIOMECCANICA
Programma del corso
MODULO 1: Introduzione alla biomeccanica
MODULO 2: Misura e stima
MODULO 3: Centro di massa
MODULO 4: Analisi del salto verticale
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 2Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
MODULO 5: Analisi del cammino
MODULO 6: Macchine da muscolazione
Modulo 6
Macchine da muscolazione
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 3Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Macchine da muscolazione
Macchine semplici
Si definisce macchina semplice un organo meccanico assimilabile al un corpo
rigido vincolato ad un punto o ad un asse, capace di equilibrare o vincere, mediante
forze motrici, forze resistenti esterne. Non richiedono l’uso di un motore.
Tutto ciò che mi procura un vantaggio per equilibrareequilibrare
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 4Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
P = R
bP = bR
potenza (P) resistenza (R)
braccio di P
(bP)braccio di R
(bR)
fulcro (F)
Macchine semplici
Si definisce macchina semplice un organo meccanico assimilabile al un corpo
rigido vincolato ad un punto o ad un asse, capace di equilibrare o vincere, mediante
forze motrici, forze resistenti esterne. Non richiedono l’uso di un motore.
Tutto ciò che mi procura un vantaggio per equilibrareequilibrare o vincerevincere una resistenza, è
una macchina.
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 5Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
una macchina.
potenza (P) resistenza (R)
braccio di P
(bP)braccio di R
(bR)
fulcro (F)
P = R
bP > bR
Leve
• asta rigida indeformabile
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 6Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Leve
• asta rigida indeformabile
• ruota attorno ad un fulcro
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 7Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
fulcro (F)
Leve
• asta rigida indeformabile
• ruota attorno ad un fulcro
• potenza (forza attiva, quella da applicare)
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 8Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
potenza (P)
fulcro (F)
Leve
• asta rigida indeformabile
• ruota attorno ad un fulcro
• potenza (forza attiva, quella da applicare)
• resistenza (forza passiva, quella da vincere)
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 9Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
potenza (P) resistenza (R)
fulcro (F)
Leve
• asta rigida indeformabile
• ruota attorno ad un fulcro
• potenza (forza attiva, quella da applicare)
• resistenza (forza passiva, quella da vincere)
• braccio (distanza che intercorre tra fulcro e punto di applicazione della
potenza - resistenza e determina la vantaggiosità della leva)
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 10Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
potenza (P) resistenza (R)
braccio di P
(bP)braccio di R
(bR)
fulcro (F)
potenza - resistenza e determina la vantaggiosità della leva)
Classif icazione (caso di equi l ibr io)
• l’equilibrio è garantito da P•bP = R•bR
• vantaggio: V = (P•bP)/(R•bR)
• indifferente: V=1
• vantaggiosa: V>1 (ci vuole una piccola potenza per equilibrare una grande resistenza)
• svantaggiosa: V<1
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 11Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Classif icazione (caso di equi l ibr io)
leva di 1° genere:
• fulcro tra la potenza e la resistenza
• può essere indifferente, vantaggiosa o svantaggiosa
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 12Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
potenza (P) resistenza (R)
fulcro (F)
Classif icazione (caso di equi l ibr io)
leva di 2° genere:
• resistenza tra il fulcro e la potenza
• sempre vantaggiosa
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 13Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
potenza (P)
resistenza (R)
fulcro (F)
Classif icazione (caso di equi l ibr io)
leva di 3° genere:
• potenza tra la fulcro e resistenza
• sempre svantaggiosa
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 14Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
potenza (P)
resistenza (R)
fulcro (F)
P = R
Carrucola (o puleggia) f issa
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 15Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
bP = bR
Carrucola (o puleggia) f issa
• cambia solo direzione alla forza (bP = bR)
• tiro 10cm, e il carico si solleva di 10cm
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 16Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Carrucola (o puleggia) mobile
• bP = 2bR
(applico meta della forza per
equilibrare una resistenza)
• P ha verso opposto di R
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 17Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Carrucola composta
il carico è ancorato ad una carrucola mobile
• cambio verso di P con una carrucola fissa
• 1 carrucola fissa + 1 carrucola mobile = paranco semplice
• demoltiplica la forza da applicare (il braccio di P è il doppio del braccio di R)
• moltiplica lo spostamento da compiere in fase di tiraggio
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 18Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
il suo peso è ripartito tra i due parti di corda
un capo è ancorato al muro (lo regge il muro)
l’altro capo passa da una carrucola fissa
(potenza)
Carrucola composta
• cambio verso di P con una carrucola fissa
• 1 carrucola fissa + 1 carrucola mobile = paranco semplice
• demoltiplica la forza da applicare (il braccio di P è il doppio del braccio di R)
• moltiplica lo spostamento da compiere in fase di tiraggio
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 19Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Paranchi mult ipl i
Conservazione dell’energia
Il lavoro meccanico da compiere è lo stesso (devo sollevare di 10cm il carico), ma se
voglio ridurre la forza applicata devo aumentare in maniera proporzionale lo
spostamento (tiraggio).
vantaggio del paranco:
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 20Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
(fonte: Wikipedia)
vantaggio del paranco:
P = R/2•n
dove
n = numero paranchi
semplici
Paranchi mult ipl i
Conservazione dell’energia
Il lavoro meccanico da compiere è lo stesso (devo sollevare di 10cm il carico), ma se
voglio ridurre la forza applicata devo aumentare in maniera proporzionale lo
spostamento (tiraggio).
vantaggio del paranco:
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 21Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
(fonte: Wikipedia)
vantaggio del paranco:
P = R/2•n
dove
n = numero paranchi
semplici
Camme
• la forma ellittica permette di avere 3 tipi di
vantaggi (rapporto tra bP e bR):
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 22Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Camme
La camme mi da vantaggio in quei gradi di
movimento dove il braccio della forza muscolare
è estremamente svantaggioso (ad esempio
l’inizio della trazione alla lat machine)
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 23Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Sistemi per lo svi luppo di forza muscolare
1. macchine a resistenza costante (isoinerziali)
2. macchine a resistenza variabile (camme)
3. macchine a resistenza adattiva (isocinetica)
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 24Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Misure di forze ( isoinerziale)
Cella di carico per la misura della forza di trazione
forza
c
a
v
o
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 25Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
c
a
v
o
Misure di forze ( isoinerziale)
Accelerometro sul pacco pesi
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 26Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
• P = forza peso
• T = forza di trazione
• Non è mai vero che P = T a causa di attriti, paranchi e inerzia del carico
(caso dinamico)
Misure di forze ( isoinerziale)
200
Fo
rza
[N
]
Forza pacco pesi Forza di trazione
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 27Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
P
T
0
100
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Fo
rza
[N
]
tempo [s]
0
20
40
60
80
100
120
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
este
nsio
ne
[°]
tempo [s]
Cinematica del ginocchio
Stima del la forza muscolare
Il braccio della forza muscolare varia al variare del’angolo articolare, quindi il suo
“vantaggio” dipende dall’angolo, se ne deduce che la forza muscolare, mentre si
solleva un carico costante (isoinerziale) non è mai costante!!
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 28Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
Resistenza variabi le e adatt iva
resistenza variabile
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 29Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
resistenza adattiva
vantaggi:
- tensione muscolare uguale per tutto
l’arco del movimento
Metodo isocinet ico
∑
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 30Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
αIMO
O
F =∑
L’accelerazione angolare, che
normalmente varia al variare dell’angolo
articolare, è mantenuto a zero in quanto
la velocità angolare del gesto è tenuta
costante durante tutto l’arco di movimento
elettromeccanicamente
vantaggi:
- tensione muscolare uguale per tutto
l’arco del movimento
svantaggi*:
Metodo isocinet ico
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 31Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
svantaggi*:
- regime di contrazione differente rispetto a ciò che avviene nei
movimenti naturali che, al contrario, non sono mai a velocità
angolare costante
- richiede che il paziente sviluppi almeno il 60% della
sua forza massima
*Bosco 2000
Modulo 6: apprendimento
Dopo questa lezione dovreste saper descrivere:
• cos'è una macchina semplice e perchè viene usata
• come vengono classificate le leve
• come vengono classificate le carrucole
• i vantaggi del paranco
Modulo 6 – Macchine da muscolazione - pag. 32Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi
• i vantaggi del paranco
• I vantaggi delle camme
• come effettuare misure di forza in modalità isoinerziale
• i "vantaggi" dell'isocinetica