Biomeccanica e Biomimetica

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1 Corso di Biodesign AA 2010/ Facoltà del Design - Politecnico di Milano 3 anno Disegno Industriale Biomeccanica e Biomimetica Docente: G. Andreoni - Politecnico di Milano

2 Introduzione Biomeccanica: -CONCETTI E DEFINIZIONI dal greco Bios, vita + Meccanica ovvero, etimologicamente, l applicazione delle leggi della meccanica allo studio ed alla descrizione degli organismi viventi. 3 ambiti/discipline/settori Statica Cinematica Dinamica

3 Introduzione: Meccanica Leggi della Meccanica Classica (Isaac Newton, 1687) Primo principio della dinamica (Detto anche principio di inerzia): "In un sistema inerziale, un corpo libero, cioè non sottoposto ad alcuna forza, mantiene il suo stato di moto rettilineo uniforme o di quiete finchè non interviene una forza esterna a variare tale moto".

4 Introduzione: Meccanica Leggi della Meccanica Classica (Isaac Newton, 1687) Secondo Principio della Dinamica: "L'accelerazione di un corpo è direttamente proporzionale alla forza da esso subita". La costante di proporzionalità tra la forza e l'accelerazione è proprio la massa inerziale del corpo. F = m*a

5 Introduzione: Meccanica Leggi della Meccanica Classica (Isaac Newton, 1687) Terzo principio della dinamica (principio di azione e reazione): ad ogni azione corrisponde una reazione, uguale e contraria, agente sulla stessa retta di applicazione

6 Introduzione -CONCETTI E DEFINIZIONI Biomeccanica: applicazione delle leggi della meccanica allo studio ed alla descrizione degli organismi viventi. Statica Cinematica Dinamica Postura : allineamento quasi-statico di distretti corporei nello spazio Movimento : analisi della mobilità e della funzione indipendentem ente dalle cause generatrici (forze) Carichi : analisi dei carichi e degli sforzi agenti sull organismo e delle implicazioni sulla funzione

7 Introduzione -CONCETTI E DEFINIZIONI Biomeccanica: applicazione delle leggi della meccanica allo studio ed alla descrizione degli organismi viventi. Neurologico : lesioni e strategie motorie Anatomico: lesioni e patologie Funzione: analisi e valutazione FES Ausili ortesi e protesi

8 Introduzione Tecnologie -> Dati -> Modelli -> Interpretazione -> Clinica 8 GAMBA ASTRAGALO PIEDE

9 Il LyPhE Laboratory of Physical Ergonomics Analisi quantitativa del movimento con sistemi optoelettronici di motion capture. L analisi è realizzata su un set di variabili cinematiche ovvero parametri del movimento umano (angoli, traiettorie, velocità) calcolate mediante opportuni modelli biomeccanici.

10 L uomo, oggetto di studio REALTA ANATOMICA MOBILITA REALE 206 ossa, 244 GdL 238 Ridondanti MODELLO CINEMATICO DEL CORPO UMANO: 18 segmenti rigidi, 17 articolazioni 41 GdL

11 L uomo, oggetto di studio Organizzazione del Movimento e della Postura Sistema Sensoriale Centri Superiori Centri Spinali Sistema Muscolare Sistema Meccanico Postura e Movimento Organi Tendinei Fusi Muscolari Le ossa sono collegate tra loro mediante articolazioni e legamenti connettivali, che ne consentono movimenti reciproci e conferiscono al corpo una notevole flessibilità e mobilità. Il movimento viene attuato dai muscoli che contraendosi, esercitano un azione di avvicinamento tra due pezzi scheletrici collegati. Il SNC genera e controlla il movimento tramite sensori distribuiti.

12 Il corpo umano 12 Analogie anatomo-meccaniche Ossa Articolazioni Muscoli Tendini Legamenti Fusi musc. e Organi tendinei Cervello e midollo spinale Nervi Leve e aste Cerniere e giunzioni Motori Funi e cavi Vincoli Sensori Programmatore/controllore Sistema di trasmissione delle informazioni

13 Il corpo umano Il Sistema Motorio Cenni di Anatomia e Fisiologia

14 Il corpo umano: il sistema scheletrico La struttura di sostegno Lo scheletro Lo scheletro umano costituisce la struttura portante del corpo, ed è formata dall'insieme delle ossa, variamente unite tra di loro da formazioni più o meno mobili che prendono il nome di articolazioni. Lo scheletro ha le funzioni di - sostegno: - consente il movimento del corpo tramite le contrazioni muscolari - protezione degli organi vitali e delle altre parti molli - produce le cellule del sangue (emopoiesi) - è un'importante riserva di sostanze minerali di vario genere. Lo scheletro del soggetto adulto è formato da 206/214 ossa circa (si può avere una vertebra in più e molte ossa del piede sono in numero variabile, inoltre durante lo sviluppo le ossa cambiano di numero, evolvendosi e diminuendo dopo i 45 anni.

15 Il corpo umano: il sistema scheletrico La struttura di sostegno Lo scheletro Lo scheletro è formato da due segmenti: - lo scheletro assile: cranio, vertebre, gabbia toracica, sterno; - lo scheletro appendicolare: arti superiori e inferiori; Le connessioni tra scheletro assile e appendicolare prendono il nome di "cinture": cintura scapolare: formata da clavicola e scapola; cintura pelvica: formata dall'osso dell'anca e dall'osso sacro.

16 Il corpo umano: il sistema scheletrico

17 Il corpo umano: il sistema scheletrico Il componente Le ossa Un osso è costituito da una superficie esterna compatta, molto dura e resistente, e da un interno che è spugnoso contenente tessuto molle detto midollo. La parte superficiale dura è formata da un materiale composito di cristalli di idrossiapatite (un minerale di calcio) annegati in una matrice di cartilagine: questa parte non è un insieme omogeneo e compatto, ma è organizzata in una serie di tubuli e lamine di materiale osseo (osteoni) che contengono internamente cellule e linfa. Nonostante siano in parte costituite da minerali, le ossa sono organi a tutti gli effetti: la loro parte minerale viene costantemente rinnovata da due tipi di cellule al loro interno, gli osteoclasti che distruggono l'idrossiapatite e gli osteoblasti che invece generano nuovi cristalli per rimpiazzare i vecchi (processo di rimaneggiamento osseo). Nel midollo delle ossa trovano inoltre posto le cellule staminali del sangue, necessarie per l'emopoiesi, ossia la creazione di nuovi globuli rossi e globuli bianchi.

18 Il corpo umano: il sistema scheletrico Epifisi Prossimale Metafisi Diafisi Epifisi distale Cartilagine articolare Linea epifiseale Osso spugnoso Osso compatto Canale midollare (midollo giallo) Midollo giallo Osso compatto Periostio Fibre di Sharpey Arterie Osso spugnoso Osso compatto Cartilagine articolare Ialina Endostio

19 Il corpo umano: il sistema scheletrico Il componente Le ossa

20 Il corpo umano: il sistema scheletrico Il componente Le ossa Esternamente, le ossa hanno una superficie liscia e sono ricoperte da una membrana, il periostio: nei punti in cui questa si articola con altre ossa il periostio scompare lasciando il posto a uno strato di cartilagine protettiva e altre strutture (capsula sinoviale, dischi intervertebrali ecc.). Il periostio si interrompe anche nei punti di inserzione della muscolatura, in cui la superficie dell'osso si fa ruvida e irregolare per favorire l'adesione delle fibre dei tendini

21 Il corpo umano: il sistema scheletrico Il componente Le ossa In base alla loro morfologia, possono essere distinte in cinque tipi principali: - ossa lunghe (femore, omero), composte da un corpo o diafisi e due estremità dette epifisi. All interno della diafisi, vi è una cavità detta cavità diafisaria occupata interamente da midollo osseo o tessuto emopoietico. Le pareti della cavità sono costituite da tessuto osseo compatto. Le epifisi sono costituite da tessuto osseo spugnoso, reso più resistente da trabecole ossee. - ossa corte (carpali del polso, vertebre), forma più o meno cuboide, costituite da tessuto osseo spugnoso circondato da uno strato sottile di tessuto osseo compatto; non contengono perciò midollo osseo - ossa piatte (scapola), costituite da uno strato di tessuto spugnoso frapposto tra 2 lamine di tessuto compatto - ossa irregolari, di forma irregolare (sfenoide ed etmoide del cranio) - ossa sesamoidi, nei tendini, favoriscono meccanica del movimento (rotula).

22 Il corpo umano: il sistema scheletrico Il componente Le ossa Osso Compatto Trabecolare o Lamellare Porzione esterna delle ossa lunghe Osso solido, privo di spazi tranne quelli per le cellule, ed i loro processi, ed i vasi sanguigni Braccia e gambe Osso Spugnoso o Trabecolare Solitamente parte più interna delle ossa. Molti spazi tra le specole (o trabecole) dell'osso. Midollo all'interno degli spazi. Rosso, ematopoietico Giallo, grasso Colonna vertebrale, costole, mascella, polso.

23 Il corpo umano: il sistema scheletrico Il componente Le ossa Lacuna Osteociti Canale di Havers Canale centrale per vasi sanguigni, etc Canalicoli Processi degli Osteociti Lamelle Cerchi concentrici originati dalla deposizione apposizionale dell osso. Morfologia dell osso compatto

24 Il corpo umano: il sistema scheletrico Il componente Le ossa Midollo Trabecole Morfologia dell osso spugnoso

25 Il corpo umano: il sistema scheletrico Il componente Le ossa Osso compatto vs. spugnoso l osso spugnoso è presente dove le forze vengono applicate da varie direzioni l osso compatto è molto resistente alla compressione in senso longitudinale ma una pressione laterale può provocare fratture

26 Il corpo umano: il sistema scheletrico Il componente Le ossa osso spugnoso L osso spugnoso è costituito da sottili trabecole o spicole disposte in modo apparentemente disordinato, che delimitano cavità intercomunicanti; Osso compatto tali spazi sono riempiti dal midollo emopoietico; le trabecole sono costituite da lamelle ossee non organizzate in osteoni ben definiti

27 Il corpo umano: il sistema scheletrico I giunti Le articolazioni Le articolazioni costituiscono il sistema di connessione tra due o più segmenti ossei. Le articolazioni hanno la funzione di unire le terminazioni ossee tra di loro garantendo uno o più gradi di libertà. Tale funzione deve garantire anche che lo scheletro possa espletare la sua funzione di sostegno e protezione. Le articolazioni hanno anche il compito di parte passiva nella mobilità dell'organismo.

28 Il corpo umano: il sistema scheletrico 28 I giunti Le articolazioni In base al grado di mobilità che permettono le superfici di contatto, le articolazioni vengono classificate come : -DIARTROSI, articolazioni mobili, possono avere diversa forma ed effettuare diversi movimenti: - ANFIARTROSI, articolazioni semimobili, sono generalmente costituite da superfici ossee pianeggianti o quasi, con l'interposizione di un disco cartilagineo (es.: tra le vertebre). Consentono piccoli movimenti in tutti i sensi. - SINARTROSI, immobili, non hanno una vera e propria meccanica articolare. A seconda se tra le due ossa è interposto tessuto cartilagineo oppure tessuto connettivale semplice si dividono in sicondrosi e in suture (es.: tra le ossa del cranio).

29 Il corpo umano: il sistema scheletrico 29 I giunti Le articolazioni LE ARTICOLAZIONI DEL CORPO UMANO sono: Articolazioni del busto: - articolazioni del capo (occipito-atlantoidea ed atlantoepistrofea); - articolazioni della colonna vertebrale (intervertebrali); - articolazioni vertebro-costali; - articolazioni costo-sternali. Articolazioni degli arti superiori: - complesso articolare della spalla (sterno-clavicolare, acromio-clavicolare e scapolo-omerale); - articolazione del gomito (omero-radio-ulnare superiore); - articolazione del polso (radio-carpica e radio-ulnare inferiore); - articolazioni della mano. Articolazioni degli arti inferiori: - articolazione dell'anca (coxo-femorale); - articolazione del ginocchio (femoro-rotuleo-tibiale); - articolazione della caviglia (tibio-tarsica e peroneotibiale inferiore); - articolazioni del piede.

30 Il corpo umano: il sistema scheletrico I giunti Le articolazioni Sinartrosi Sinostosi Movimento nullo, tessuto che unisce l articolazione è osso (cranio dell adulto). Sincondrosi Movimento scarso, tessuto è cartilagine (prime costole dello sterno). Sindesmosi Movimento limitato, tessuto è connettivo denso (sinfisi pubica).

31 Il corpo umano: il sistema scheletrico I giunti Le articolazioni Diartrosi Maggior parte delle articolazioni. Capi articolari sempre ricoperti da Cartilagine Ialina. Capsula articolare: Strato fibroso, esterno di connettivo denso, continuo con periostio. Strato sinoviale, cellulare interno, ricopre le superfici non cartilaginee. Detto anche membrana sinoviale.

32 Il corpo umano: il sistema scheletrico 32 I giunti Le articolazioni Classificazione delle Articolazioni Diartrosi - Trocleo-artrosi, una gola concava (troclea) entro la quale si inserisce un una faccia convessa a forma di rocchetto (es.: tra la troclea omerale e l'ulna). Consente movimenti di flessione ed estensione. - Trocoide, un cilindro osseo avvolto da un anello fibroso che scorre su una superficie leggermente cava (es.: tra il capitello del radio e l'ulna; tra l'atlante l'epistrofeo). Consente movimenti di pronazione e di supinazione. - A sella, due superfici aventi ognuna due curvature, una concava e l'altra convessa (es.: tra il carpo ed metacarpo del pollice; tra lo sterno e la clavicola). Consente movimenti di flessione, estensione, abduzione e adduzione. - Condilo-artrosi, una sporgenza convessa allargata (ovoidale) entro una superficie concava anch'essa allargata (es.: tra il radio e il carpo; tra il metacarpo e le falangi; l'articolazione del ginocchio). Consente movimenti di flessione, estensione, abduzione e adduzione. - Enartrosi, superficie sferica (testa) entro una cavità (es.: l'articolazione dell'anca; tra la scapola e l'omero). Consente movimenti di flessione, estensione, abduzione, adduzione, rotazione esterna e rotazione interna.

33 Il corpo umano: il sistema scheletrico 33 I giunti Le articolazioni

34 Il corpo umano: il sistema scheletrico 34 I giunti Le articolazioni Principali tipi di diartrosi: 1 artrodia; 2 enartrosi; 3 condilartrosi; 4 articolazione a sella; 5 ginglimo laterale o trocoide; 6 ginglimo angolare o troclea

35 Il corpo umano: il sistema scheletrico I giunti Le articolazioni Anfiartrosi I dischi intervertebrali sono paragonabili a cuscinetti incompressibili che impediscono l'urto tra i corpi vertebrali adiacenti. Essi sono costituiti da un anello fibroso, l'anulus (A), che racchiude il nucleo polposo (N) ed è compreso tra due piastre cartilaginee intimamente addossate rispettivamente al corpo vertebrale soprastante e sottostante. L'anulus è costituito da una serie di lamine circolari concentriche costituite da collagene opportunamente orientate. Il nucleo polposo è composto da cartilagine fibrosa molle, è ricco d acqua nella quale è disperso del collagene sotto forma di fibrille fini non orientate.

36 Il corpo umano: il sistema scheletrico I giunti Le articolazioni Anfiartrosi Il nucleo polposo è chiuso in uno spazio a perfetta tenuta e si comporta come una sfera liquida. Si può pertanto approssimativamente considerare che il nucleo si comporti come una biglia interposta tra due piani. Questo tipo di articolazione consente tre tipi di movimento: inclinazione: sul piano sagittale: quando si effettua una flessione o una estensione, sul piano frontale: flessione laterale, rotazione di uno dei piatti vertebrali rispetto all'altro taglio di un piatto sull'altro, con l'intermezzo della sfera. Sommando il movimento di numerose articolazioni di questo tipo si possono ottenere movimenti di grande ampiezza.

37 Il corpo umano: il sistema scheletrico 37 I giunti Le articolazioni In genere le superfici articolari concordano e combaciano in tutta la loro estensione. Quando esse sono disarmoniche, le cartilagini articolari non vengono in contatto in tutti i loro punti. I menischi sono formazioni fibrocartilaginee che costituiscono spessori interposti tra le superfici articolari. Essi permettono il reciproco scarico gravitazionale dei capi articolari; ottenendo cosí una piú vantaggiosa distribuzione delle sollecitazioni meccaniche con una minore usura.

38 Il corpo umano: il sistema muscolare Il sistema motore L apparato muscolare Il sistema muscolare è l'insieme di tessuti che permette la locomozione del soggetto e lo scorrimento di sostanze organiche (sangue e cibo). Si distinguono due tipologie di muscoli: muscoli volontari, che permettono il movimento del soggetto detti anche muscoli scheletrici. muscoli involontari, che vengono detti anche muscoli viscerali perché si trovano a ricoprire gran parte delle pareti degli organi interni, come nel tratto digestivo, nella vescica, nei dotti, nelle arterie. Fa eccezione il muscolo cardiaco, di natura involontaria ma di struttura striata. Dal punto di vista della funzione motoria è possibile distinguere muscoli deputati alla statica, in particolare i muscoli della parte posteriore del corpo, e deputati alla dinamica, rappresentati grossomodo dai muscoli della parte anteriore.

39 Il corpo umano: il sistema muscolare Il sistema motore Il Muscolo Il Muscolo è l elemento base. Ciascun muscolo è formato da fasci di cellule di forma allungata (fibre muscolari), innervati dal sistema nervoso somatico o dal sistema nervoso autonomo. Il primo è responsabile di contrazioni di tipo volontario, mentre il secondo di contrazioni involontarie. Per tale motivo, i muscoli vengono distinti in volontari, o scheletrici, e involontari.

40 Il corpo umano: il sistema muscolare 40 Il sistema motore Il Muscolo

41 Il corpo umano: il sistema muscolare 41 Il sistema motore Il Muscolo La contrazione di un muscolo scheletrico ha inizio quando il segnale elettrico, proveniente dai motoneuroni del sistema nervoso centrale arriva ai bottoni sinaptici liberando l acetilcolina che agisce sui recettori presenti nella placca neuro muscolare determinando il potenziale d azione. Il potenziale d'azione si propaga lungo il sarcolemma (ovvero la membrana cellulare del muscolo scheletrico) e attiva dei fenomeni elettrochimici che alla fine producono l effetto seguente: con una reazione di fosforilazione, l ATP diventa ADP liberando un gruppo fosfato che si lega alla testa di miosina, la quale sfrutta tale energia per saltare dal suo loco, e andare ad occupare il sito di attacco nel filamento sottile, lasciato libero dalla tropomiosina. Durante lo scorrimento le teste di miosina si legano a quelle di actina con una precisa angolazione di 45. Possiamo suddividere la contrazione e il rilassamento muscolare in tre fasi principali, ovvero la contrazione, il rilassamento ed infine la fase latente, fase che segue lo stimolo, ma nella quale non c è risposta. Il tono muscolare non è dato da una gradualità di funzionamento, ma dal numero di fibre muscolari che entrano in azione.

42 Il corpo umano: il sistema locomotore 42 Il sistema locomotore Il corpo come sistema di leve Una leva è una macchina semplice, un dispositivo costruito dall'uomo per vincere mediante una forza, detta motrice, un'altra forza detta resistente. Le leve obbediscono ad un principio fisico semplice: il sistema è in equilibrio se la risultante dei momenti delle due forze è nulla. M OMENTO = F ORZA x b raccio Se la risultante dei momenti deve essere nulla (affinché il sistema si trovi in equilibrio) allora: M FORZA IN ENTRATA = M FORZA IN USCITA F x b = F' x b'

43 Il corpo umano: il sistema locomotore 43 Leva di prima specie: il fulcro si trova tra la forza motrice e la forza resistente. A sua volta la leva di primo tipo può essere vantaggiosa se la forza motrice è più distante dal fulcro della forza resistente oppure, nel caso contrario, svantaggiosa.

44 Il corpo umano: il sistema locomotore 44 Leva di seconda specie: il fulcro si trova dalla stessa parte della forza motrice e della forza resistente, allo stesso tempo occorre che la forza motrice sia più distante dal fulcro rispetto alla resistente. Si deduce quindi che le leve di secondo tipo sono sempre vantaggiose. Vantaggio statico e Vantaggio dinamico. Si ha un vantaggio statico, quando impiegando una minore forza motrice si può vincere una maggiore forza resistente (leva vantaggiosa), in questo caso però la velocità e l'ampiezza del movimento sono piccole, si ha quindi uno svantaggio dinamico. Automaticamente uno svantaggio statico (leva svantaggiosa) permette una maggiore velocità e ampiezza di movimento, cioè un vantaggio dinamico.

45 Il corpo umano: il sistema locomotore 45 Leva di terza specie (tipo): il fulcro si trova dalla stessa parte della forza motrice e della forza resistente, e allo stesso tempo occorre che la forza motrice sia più vicina al fulcro rispetto alla resistente. Si deduce quindi che le leve di terzo tipo sono sempre svantaggiose. Essendo più corto il braccio di leva, la forza sviluppata dal muscolo bicipite deve essere di gran lunga superiore rispetto alla forza peso della palla che si tiene sulla mano. Questo tipo di leva, permette però una grande ampiezza e rapidità di movimento.

46 Il corpo umano: il sistema nervoso Il sistema di Comando Il Sistema Nervoso

47 Il corpo umano: il sistema nervoso Applicazioni: ortesi e SEF Sistema visivo, uditivo, vestibolare, tattile,... Centri superiori Centri spinali Attuatori muscolari Sistema scheletrico Movimenti Fusi muscolari Organi del Golgi Forze esterne

48 Il corpo umano: il sistema nervoso Applicazioni: ortesi e SEF Internal cable Thumb switch connector 4 ch stimulator Electrodes cable Spiral cable thigh cuff electrodes

49 Il corpo umano: il movimento Convenzioni e Terminologie del Movimento

50 Il corpo umano: il movimento Movimenti nel piano sagittale

51 Il corpo umano: il movimento Movimenti nel piano frontale

52 Il corpo umano: il movimento Movimenti nel piano coronale

53 Il corpo umano: il movimento Movimenti di prono - supinazione

54 La natura sorgente di idee 54 Biomimetica Il concetto Biomimicry (from bios, meaning life, and mimesis, meaning to imitate) is a new discipline that studies nature s best ideas and then imitates these designs and processes to solve human problems. I think of it as innovation inspired by nature.

55 La natura sorgente di idee 55 Biomimetica Il concetto Life has been performing design experiments on Earth s R&D lab for 3.8 billion years. What s flourishing on the planet today are the best ideas---those that perform well in context, while economizing on energy and materials. Whatever your company s design challenge, the odds are high that one or more of the world s 30 million creatures has not only faced the same challenge, but has evolved effective strategies to solve it.

56 La natura sorgente di idee 56 Biomimetica La definizione Processo di astrazione dalla natura al design Ipotesi fondativa: L evoluzione garantisce che il design usato in natura funziona Miliardi di anni di evoluzione, di tentativi e continui miglioramenti (trial and error) che si offrono alla cultura del progetto come un enorme bagaglio di soluzioni progettuali a cui ispirarsi. Problema associato: Processo induttivo-deduttivo per capire la funzione che la struttura svolge in natura e come applicarla nel tuo problema Criticità/Potenzialità: La struttura spesso di funzioni ne ha molte

57 La natura sorgente di idee 57 Biomimetica Esempi La nascita della biomimetica si può datare al 1948, quando il chimico svizzero George de Mestral inventò il velcro: accorgendosi che i pallini spinosi di nappole che si attaccavano ai suoi pantaloni e al pelo del suo cane terminavano con dei piccoli gancetti, pensò di sfruttare lo stesso sistema e nacque così il sistema di aggancio ad uncino che ha trovato moltissime applicazioni nella vita quotidiana, dalle chiusure lampo, alle tute spaziali e agli stivali progettati dalla NASA per i suoi astronauti.

58 La natura sorgente di idee 58 Biomimetica Esempi La Concept Car Bionic di Mercedes si ispira a una creatura marina che vive a latitudini tropicali: l Ostracion Cubicus. Più noto come pesce scatola, nonostante le sue forme insolite è estremamente aerodinamico e riesce a muoversi consumando una quantità minima di energia. È inoltre in grado di sopportare pressioni elevate, grazie ad una corazza esterna costituita da piastre ossee di forma esagonale, che gli consentono di uscire indenne da collisioni con la barriera corallina. Nel movimento libero il suo corpo ha un coefficiente di penetrazione aerodinamica di 0,06! Queste caratteristiche sono ideali per un automobile che intende conseguire livelli di efficienza energetica straordinari, senza rinunciare alla sicurezza dei passeggeri..

59 La natura sorgente di idee 59 Biomimetica Esempi La foglia di loto ha una superficie autopulente e idrorepellente, grazie a delle micro e nanostrutture oleose che in unione con l acqua, formano delle gocce che rotolando eliminano la polvere. Questa vernice è impermeabile e resistente alle macchie e soprattutto autopulente e quindi estremamente utile per rivestimenti esterni. Le piante di loto hanno delle superfici super-idrofobiche. Di conseguenza, anche una lieve inclinazione della foglia, dovuta al peso dell acqua, le fa scivolare via. La superficie della foglia rimane asciutta anche durante un forte temporale. Il rotolamento delle goccioline su piccole particelle di sporco ne favorisce l asportazione, sicché le foglie del loto sono autopulenti. Foglie di Nelumbo Nucifera subito dopo la caduta di goccioline di liquido colorato ed alcuni secondi dopo

60 La natura sorgente di idee 60 Biomimetica Il concetto Il tessuto del nuovo costume Fastskin Speedo è stato sviluppato osservando la struttura della pelle di squalo. La pelle di squalo è formata da squame dette denticles o dentelli dermici, che grazie alla loro forma, struttura e disposizione, riducono la resistenza dell acqua, consentendone un fluire più rapido e quindi una maggiore velocità.

61 Il corpo umano: sorgente di idee 61 Biomimetica Il concetto Meccanismo di apertura e chiusura delle pigne Tessuti a diversi gradi di traspirabilità per abbigliamento

62 La natura sorgente di idee 62 Biomimetica Esempi Le setae del geco Insetti, ragni e lucertole hanno sviluppato un abilità unica di attaccarsi o staccarsi dalle superfici su comando. Tale capacità è attribuibile a micro/nanostrutture riscontrate sui cuscinetti di adesione di queste creature. Sebbene la forma e la dimensione di queste strutture vari da creatura a creatura, in tutti i casi i cuscinetti sono ricoperti da peli, chiamati setae. All aumentare della dimensione (massa) della creatura, decresce il raggio degli elementi di adesione terminali ed aumenta la densità di questi elementi. Il geco è l animale più grande a disporre di questo sistema di adesione a secco e per questo motivo ha rappresentato il principale oggetto della ricerca scientifica.

63 La natura sorgente di idee 63 Biomimetica Il concetto Struttura delle setae del geco Le zampe dei gechi arborei rappresentano forse la maggiore richiesta al mondo di applicazione adesiva; essi sono in grado di attaccare e staccare le loro zampe adesive nell arco di millisecondi mentre sfrecciano su superfici verticali e soffitti senza ricorrere ad alcuna secrezione. Le setae del geco si presentano in serie uniformi di tappetini lamellari sovrapposti ad una densità di 14,400 mm²; ciascuna seta misura circa 110µm di lunghezza e 5µm di diametro con ramificazioni all estremità in spatulae. Quest ultime sono steli con una terminazione sottile approssimatamene triangolare, in cui il vertice lega la spatula al suo stelo. Le spatulae misurano circa 200 nm in lunghezza e larghezza all estremità, con uno spessore decrescente da 30 nm alla base fino a 10 nm all estremità.

64 La natura sorgente di idee 64 Biomimetica Esempi

65 La natura sorgente di idee 65 Biomimetica Esempi L adesione avviene quando le spatulae si appiattiscono contro un substrato, e le loro interazioni cumulative di van der Waals spatolasubstrato generano forze capaci di supportare diverse volte il peso del corpo dell animale, considerato che la totalità di 6,5 milioni di setae di un gecko tokay di 50 g che sfrutta appieno le capacità adesive potrebbe teoricamente generare 1300 N di forze di taglio sufficienti a supportare 133 kg.

66 La natura sorgente di idee 66 Biomimetica Esempi Gecko - textiles Gecko - tapes

67 Il corpo umano: sorgente di idee 67 Lampada Tizio by Artemide, Design R. Sapper

68 Il corpo umano: sorgente di idee 68 Lampada L-2 by Luxo

69 69 Richiami ed esempi applicativi

70 Richiami STATICA: UN CORPO RIGIDO SI TROVA IN CONDIZIONI STATICHE SE SONO SODDISFATTE LE CONDIZIONI DI ECQUILIBRIO ALLA TRASLAZIONE E ALLA ROTAZIONE -F ext -M ext C.N.S. EQUILIBRIO: Σ F=0 Σ M=0 -mg IL CG DEL CORPO UMANO NON E UN PUNTO FISSO, MA DIPENDE DALLA CONFIGURAZIONE DEI SEGMENTI CHE LO COMPONGONO -R -M IN PARTICOLARE M G +F EXT = R e M EXT = M

71 Richiami DINAMICA: DINAMICA DIRETTA: ANALISI MECCANICA DI UN SISTEMA IN CUI SI CONOSCONO LE FORZE E SI VUOLE DETERMINARE IL MOVIMENTO. FORZE MOVIMENTO DINAMICA INVERSA: ANALISI MECCANICA DI UN SISTEMA IN CUI SI CONOSCE IL MOVIMENTO E SI VOGLIONO DETERMINARE LE FORZE. MOVIMENTO FORZE IL LEGAME TRA MOVIMENTO E FORZE E FORMALIZZATO DA SISTEMI DI EQUAZIONI Σ F = ma Σ M = dt/dt = I ω 0

72 Richiami Per ricavare le misure dei segmenti articolari si fa uso di tabelle antropometriche: Tabella di Zatsiorsky Peso del soggetto Peso del singolo segmento Lunghezza di ogni arto Posizione del baricentro

73 Richiami

74 Esercitazione Esercizio Un sistema di tre aste vincolate tra loro è orientato nello spazio come da figura: calcolare la posizione del baricentro (x,y,z) del sistema sapendo che le aste rappresentano l arto inferiore di un soggetto di 80 Kg. Si ipotizzi che: AB= segmento coscia BC= segmento gamba CD= segmento piede Y coordinate (cm): A=(10,80,25) B=(45,50,15) C=(20,10,20) D=(40,0,15) m AB = *m TOT m BC = *m TOT m CD = *m TOT Z A C B D X

75 Esercitazione CENTRO DI GRAVITÀ: da un punto di vista operativo il CG si calcola A y A(A x,a y,a z ) z C B x B(B x,b y,b z ) C(C x,c y,c z ) CG x =(A x m A +B x m B +C x m C )/(m A +m B +m C ) CG y =(A y m A +B y m B +C y m C )/(m A +m B +m C ) CG x =(A z m A +B z m B +C z m C )/(m A +m B +m C ) Il problema si generalizza ovviamente in caso di n particelle Questa formula è valida anche nel caso il corpo rigido sia rappresentabile come una singola particella.

76 Esercitazione Soluzione esercizio m AB = *80= kg m BC = *80=3.464 kg m CD = *80= kg G AB ((10+45)/2,(80+50)/2,(25+15)/2)=(27.5,65,20) G BC (32.5,30,17.5) G CD (30,5,17.5) Z Y A C G(28.78,53.08,19.27) B D X G x =(11.132* * *30)/( )= =( )/ =28.78 G y =(11.132* * *5)/( )= =( )/ =53.08 G Z =(11.132* * *17.5)/( )= =( )/ =19.27