UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI URBINO

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI URBINO Carlo Bo Dipartimento di Scienze Biomolecolari Corso di Laurea in Scienze Motorie, Sportive e della Salute A.A. 2012/13 BIOMECCANICA Prof.ssa M. G. TRISOLINO

2 BIO-MECCANICA MICRO-MECCANICA MACRO-MECCANICA studio strutturale e funzionale delle singole unità motorie analisi cinematica e dinamica dei rapporti e delle forze, esogene ed endogene, che interagiscono nel movimento in toto

3 La biomeccanica studia i movimenti meccanico-fisiologici degli animali ed in particolare dell uomo L uomo compie tutti i suoi movimenti per mezzo del sistema locomotore

4 Il sistema locomotore può essere considerato come un insieme di motori (muscoli striati) capaci di trasformare energia chimica in meccanica compiendo lavoro su di una macchina (sistema delle leve ossee) che utilizza tale lavoro per promuovere il moto del corpo o di sue parti rispetto all ambiente esterno. G. A. Cavagna

5 L apparato muscolo-scheletrico L apparato locomotore dell uomo, costituito dai muscoli, dallo scheletro, dalle articolazioni e dai tendini, è il sistema biologico deputato a resistere alla forza di gravità e a produrre movimento Biomeccanica sportiva 2003

6 L apparato muscolo-scheletrico La muscolatura scheletrica, la cui contrazione dipende dal controllo cosciente, grazie alla capacità di trasformare l energia chimica in lavoro meccanico e calore, rappresenta il motore del sistema. Biomeccanica sportiva 2003

7 L apparato muscolo-scheletrico Il muscolo, sotto l aspetto meccanico è caratterizzato da elevata potenza relativa (rapporto peso/potenza) ed è capace di esprimere forze per unità di superficie muscolare dell ordine di 5-8 kg/cm 2. La forza massimale che ciascun muscolo è in grado di generare non è costante, poiché dipende anche dal suo grado di accorciamento. Biomeccanica sportiva 2003

8 L apparato muscolo-scheletrico Se sottoposti a sforzi sistematici, i muscoli danno luogo a fenomeni di adattamento agli stimoli esterni che, dal semplice miglioramento del tono muscolare (es. fitness) producono uno stato di ipertrofia muscolare con aumento considerevole della forza (es. body building e pesistica) in tutte le espressioni (forza massima, esplosiva, resistente, ecc.) Biomeccanica sportiva 2003

9 L apparato muscolo-scheletrico Alti livelli di forza massima, costituiscono un requisito essenziale posto alla base dell allenamento di qualunque altra manifestazione della forza muscolare. Biomeccanica sportiva 2003

10 L apparato muscolo-scheletrico I muscoli ricoprono pressoché interamente la superficie scheletrica alla quale prevalentemente si inseriscono, contribuendo largamente a determinare, insieme allo scheletro, la forma del corpo Biomeccanica sportiva 2003

11 L apparato muscolo-scheletrico I muscoli presenti nel nostro organismo sono circa cinquecento, quasi tutti pari e simmetrici. Biomeccanica sportiva 2003

12 Si distinguono in muscoli delle regioni assiali e muscoli delle regioni appendicolari. L apparato muscolo-scheletrico I muscoli delle regioni assiali comprendono: dorso, testa, collo, torace addome. Biomeccanica sportiva 2003

13 L apparato muscolo-scheletrico Muscoli delle regioni appendicolari si distinguono in: muscoli degli arti superiori spalla, braccio, avambraccio, mano muscoli degli arti inferiori anca, coscia, Gamba, Piede. Biomeccanica sportiva 2003

14 I tendini, costituiti da tessuto fibroso a fasci paralleli, hanno il compito di trasferire le forze muscolari alle ossa in determinati punti di inserzione L apparato muscolo-scheletrico Biomeccanica sportiva 2003

15 L apparato muscolo-scheletrico Lo scheletro, con funzione principale di sostegno, effettua continui cambiamenti nel corso della vita: cambiamenti di forma, percentuale dei costituenti, proprietà meccaniche; per effetto del costante rimodellamento osseo. Il fenomeno è favorito dall esercizio fisico.

16 L apparato muscolo-scheletrico È noto, infatti che una persona che si sottoponga ad intensa attività muscolare, non solo aumenta la massa e la forza dei propri muscoli, ma irrobustisce anche le ossa in risposta alle maggiori sollecitazioni cui sono sottoposte.

17 L apparato muscolo-scheletrico Nonostante l apparente staticità, il tessuto osseo è in continuo rinnovamento attraverso incessanti meccanismi di riassorbimento e neosintesi di tessuto che si svolgono nell intero arco di vita. La funzione dell osso, oltre che statica, è anche metabolica, partecipando il tessuto osseo al metabolismo calcio-fosforo.

18 L apparato muscolo-scheletrico L apparato scheletrico è costituito da ossa, cartilagini, articolazioni. Il numero delle ossa, a sviluppo completo, dopo il 25 anno di età, è di poco superiore a 200. Il tessuto osseo viene detto: compatto se le lamelle ossee che lo costituiscono sono stipate parallelamente formando strutture compatte e molto regolari, spugnoso se le stesse sono disposte formando trabecole irregolari, delimitanti un labirinto di spazi intercomunicanti, detti midollari.

19 Nel tessuto osseo si riconoscono: L apparato muscolo-scheletrico le cellule e una matrice intercellulare, organica e inorganica. Alla matrice organica, fibre collagene soprattutto, l osso deve la sua resistenza alla trazione e alla compressione, mentre i costituenti inorganici sono responsabili della sua durezza e rigidità.

20 L apparato muscolo-scheletrico Nonostante tali caratteristiche, l osso è molto leggero e questo binomio tra massima resistenza e minor peso è dovuto alla sua composizione chimica e alla sua mirabile architettura interna Nell osso spugnoso, le lamelle sono orientate in modo da formare archi di resistenza alle pressioni, secondo un principio di miglior sfruttamento del materiale.

21 Human Anatomy & Physiology, Marieb, 1995

22 L apparato muscolo-scheletrico Le articolazioni costituiscono le giunture tra i segmenti dello scheletro e ne permettono la connessione stabile.. Regolano inoltre direzione ed ampiezza dei movimenti agendo come elementi passivi sotto l azione della muscolatura striata volontaria

23 L apparato muscolo-scheletrico La cartilagine articolare costituisce la superficie di contatto tra i capi articolari. Essa è più spessa nelle articolazioni sottoposte a maggior carico e nei punti ove vige maggior attrito. La cartilagine articolare si caratterizza per le sue elevate proprietà meccaniche di resistenza ed elasticità.

24 L apparato muscolo-scheletrico La capsula articolare costituisce un involucro ermeticamente chiuso intorno alla cavità articolare.

25 Si distinguono in essa due strati: L apparato muscolo-scheletrico uno esterno costituito da tessuto connettivo compatto, che in alcune zone si irrobustisce notevolmente così da costituire strutture tendiniformi dette legamenti.

26 L apparato muscolo-scheletrico I legamenti contribuiscono alla stabilità della articolazione grazie alla loro elevata resistenza alla trazione. I legamenti possono essere indipendenti dalla capsula fibrosa e trovarsi: sia all interno della cavità articolare (legamenti intrarticolari), sia all esterno della capsula, per collegare tratti scheletrici tra loro distanti;

27 L apparato muscolo-scheletrico uno interno, detto membrana sinoviale, costituita da tessuto connettivo denso, che produce il liquido sinoviale, il quale umetta e lubrifica le superfici articolari, rendendo possibili movimenti accompagnati da attriti interni molto ridotti.

28 Considerazioni sul movimento dello scheletro Funzioni meccaniche del sistema scheletrico: Sostegno e protezione Sistema di leve per il movimento

29 Materiali dell osso Materiale % peso funzione primaria Carbonato di calcio Fosfato di calcio Collagene ~ 60-70% ~ 5-10% rigidità e resistenza alla compressione flessibilità e resistenza alla trazione Acqua ~ 25-30% Resistenza

30 Tipi di tessuto osseo Tessuto pseudonimo Struttura Porosità * Resistenza Compatto corticale tubi vuoti (colonne) 5-30% alta Spugnoso Spongioso Trabecolare Lattice struttura 30-90% Bassa Entrambi i tipi di tessuto osseo si trovano in tutte le ossa. E la proporzione relativa tra l uno e l altro che determina la resistenza e la rigidità (flessibilità) di un singolo osso. * I valori rappresentano la % di tessuto non mineralizzato. Con l'aumento della porosità, la quantità di sali di calcio diminuisce. In altri testi, i valori di porosità riflettono la quantità di"spazio morto", o lo spazio non occupato da tessuto osseo

31 Tipi di ossa Tipo Struttura Funzioni Esempi Lunghe Più lungo che largo, uno spesso strato di osso compatto circonda cavità del midollo; l'estremità è composta da uno strato sottile di osso compatto rivestito all interno da osso Supporto, leve e collegamenti che permettono il movimento Clavicola, omero, radio, ulna, femore, tibia, perone, metatarsi, metacarpi, falangi spugnoso Corte Osso spugnoso ricoperto di sottile strato di osso compatto assorbimento shock, trasmissione forza Carpo, tarso Piatte Due strati di osso compatto con osso spugnoso e del midollo in mezzo - pensare osso sandwich" Proteggere organi interni, fornisce ampie superfici per l inserzione del muscolo Costole, ileo, sterno, scapola, cranio Irregolari Osso spugnoso con sottile osso compatto all'esterno, ciascuno ha una forma e una funzione specializzata Sostenere il peso, dissipare i carichi, proteggere il midollo spinale e il cervello, fornire i siti per l inserzione del muscolo Cranio, ossa del bacino, vertebre Sesamoidi Osso corto inglobato in un tendine o capsula articolare Modificare l'angolo di inserzione di un muscolo

32 Legge di Wolff "Ogni cambiamento di forma e funzione di un osso o solamente della sua funzione è seguito da alcune modifiche definitive nella sua architettura interna, e altrettanto precisa alterazione secondaria nella loro conformazione esterna, in conformità con le leggi matematiche. " (Wolff JD: La legge di trasformazione delle ossa,berlino, 1892, Hirschwald.)

33 Legge di Wolff "La forma di un osso è data, dalla posizione o dallo spostamento degli elementi ossei nella direzione delle forze funzionali e l accrescimento o la riduzione della loro massa rispecchia la quantità delle forze funzionali. "

34 Legge di Wolff L osso ha la capacità di rimodellarsi, alterando le sue, dimensioni forma e struttura, per rispondere alle sollecitazioni meccaniche alle quali è sottoposto. (Buckwalter et al., 1995, Journal of Bone and Joint Surgery, 77A, ).

35 Conseguenze della legge di Wolff Attività fisica Le ossa richiedono sollecitazioni meccaniche e di forza, al fine di crescere. L'attività fisica è importante per sviluppare e mantenere l'integrità delle ossa e la forza. Le ossa devono essere stimolate quotidianamente per mantenerle in salute.

36 Conseguenze della legge di Wolff Volo spaziale Inattività Significativa perdita di massa ossea in tempi brevi. La perdita ossea comincia a verificarsi subito dopo aver lasciato la gravità. Effetti: Ossa meno rigide Diminuzione della lunghezza delle ossa Diminuzione nella sezione trasversale di osso corticale Rallentamento della formazione ossea Riposo a letto Effetti simili al volo spaziale.

37 Capacità di carico dell osso Basic Biomechanics of the Musculoskeletal System Nordin & Frankel, 2001

38 Le forze esterne che agiscono sul corpo impongono carichi che influenzano le strutture interne del corpo. Sang-Kuy Han a2012,

39 La tensione Le forze esterne che agiscono sul corpo sono contrastate da forze interne e causano deformazioni del corpo. L'entità della deformazione prodotta dipende dalla tensione causata dalle forze e dal materiale caricato

40 La tensione La tensione meccanica è la forza interna divisa per l area della sezione trasversa della superficie su cui agisce questa forza interna. La tensione può variare all interno di un oggetto ed è associata ad una specifica superficie interna. Le tre principali tensioni sono: la trazione, la compressione il taglio.

41 tensione Matematicamente, la tensione è rappresentata dalla lettera greca σ (sigma) ed è definita come: dove σ è la tensione F è la forza interna A è l area a sezione trasversale della superficie interna La forza è misurata in Newton, e l area è misurata in unità di lunghezza al quadrato (m 2 ), per cui l unità di misura della tensione è N/m 2, è un unità derivata, anche chiamata Pascal, l abbreviazione è Pa.

42 La trazione Lo stress di trazione è lo stress assiale o perpendicolare che si verifica sul piano di analisi come risultato di una forza o di un carico che tende ad allontanare le molecole che tengono unito l'oggetto su quel piano. Agisce perpendicolarmente o normalmente al piano d'analisi e perciò è chiamato stress normale o stress assiale.

43 La trazione In molte strutture anatomiche (le ossa, i muscoli, i tendini ed i legamenti) che si estendono prevalentemente in una dimensione piuttosto che nelle altre due, la tensione è analizzata soprattutto nei piani d'analisi che tagliano la struttura perpendicolarmente alla sua dimensione più lunga. Gli stress che agiscono perpendicolarmente ai piani di analisi, quindi lungo l'asse maggiore della struttura, sono chiamati stress assiali, perpendicolari o longitudinali esempio di caricamento assiale, cioè una situazione di caricamento nella quale le forze agiscono nella direzione dell'asse maggiore dell'osso..

44 La trazione Quando un oggetto o materiale è caricato assialmente in trazione, l'oggetto tende a deformarsi, allungandosi o estendendosi nella direzione dei carichi esterni.

45 La compressione La compressione o stress di compressione è lo stress assiale che si ha quando un carico tende a spingere o schiacciare le molecole di un materiale più facendole avvicinare sul piano d'analisi. Durante un piegamento sulle braccia, le forze spingono su ciascuna estremità dell'omero, ed esso è caricato assialmente in compressione

46 La compressione Quando un oggetto è caricato assialmente in compressione, tende a deformarsi accorciandosi nella direzione di queste forze esterne

47 Il taglio Il terzo dei tre principali stress è il taglio. La compressione e la trazione sono stress assiali che agiscono perpendicolarmente al piano di analisi e sono il risultato delle forze che agiscono perpendicolarmente a questo piano. Lo stress di taglio è invece uno stress trasversale che agisce parallelamente al piano di analisi ed è il risultato delle forze che agiscono parallelamente a questo piano. Queste forze tendono a far scivolare le molecole dell'oggetto le une sulle altre

48 Il taglio Lo stress di taglio è uguale alla forza agente sul piano di analisi (parallela al piano d'analisi) divisa per l'area della sezione trasversale dell'oggetto sul piano di analisi, cioè: dove τ è lo stress di taglio o sforzo di taglio F è la forza di taglio A è l'area della sezione trasversale sul piano d'analisi

49 Gli stress assiali (trazione e compressione) sono rappresentati dal simbolo σ (sigma), mentre la tensione trasversale (taglio) è rappresentata dal simbolo, τ (tau). Nel corpo umano, i carichi di taglio producono vesciche della pelle e i grandi carichi di taglio agenti sulle estremità delle ossa possono produrre slogature delle articolazioni o fratture delle ossa. un carico di taglio anche produce la deformazione dell'oggetto, ma invece di allungarlo o schiacciarlo, lo deforma, flettendolo e spezzandolo.

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51 Le tre principali tensioni sono: la trazione la compressione il taglio

52 I carichi meccanici Le forze esterne agenti su un oggetto impongono su questo un carico meccanico. L'entità, la direzione e la localizzazione delle forze esterne agenti su un oggetto, così come la forma dell'oggetto stesso, definiscono il tipo di carico imposto. Negli esempi precedenti sono stati descritti semplici carichi di trazione, di compressione o di taglio, in cui le forze esterne agivano lungo lo stesso asse (carico uniassiale), il piano di analisi era scelto perpendicolarmente all'asse maggiore dell'oggetto caricato, e gli sforzi presenti sul piano di analisi erano di un solo tipo.

53 La flessione Semplici carichi uniassiali producono solo un tipo di sforzo, che è uniforme nei vari punti del piano di analisi. La maggior parte delle situazioni di carico, però, non sono così semplici, perché sul piano di analisi si hanno tensioni multiple, oppure lo sforzo può variare da un punto all'altro.

54 Gli elementi della struttura primaria del corpo umano sono le ossa lunghe. Le travi usate nella costruzione di edifici sono progettate per specifiche situazioni di carico con forze agenti per fletterle in un piano specifico. Le ossa lunghe devono invece affrontare un'ampia varietà di situazioni di carico con forze che agiscono per fletterle in molte differenti direzioni. Perciò, le sezioni trasversali delle ossa lunghe non sono rettangolari come le travi. Esse sono più come tubi, a sezioni trasversali circolari, più dense all esterno, dove si verifica la tensione maggiore, e meno dense vicino l'asse centrale (o neutrale), dove si verifica la tensione minore.

55 La torsione Un carico di torsione è un tipo di carico che produce sforzi diversi da quelli uniassiali. Si verifica quando una coppia di forze agisce su due punti contrapposti dell'oggetto in un piano perpendicolare all asse maggiore.

56 Carichi combinati I muscoli, i tendini e i legamenti si comportano come corde o cavi ed effettivamente sopportano solo un tipo di carico: una trazione uni-assiale. Le ossa e la cartilagine, invece, possono essere caricate in una varietà di modi, dai carichi di trazione uni-assiale, di compressione, di taglio semplice, che producono una tensione uniforme, a carichi di flessione e di torsione, che producono esempi di tensione più complessi Questo tipo di carico è chiamato carico combinato.

57 L analisi delle tensioni prodotte da carichi combinati è complessa, ma si può avere una semplificazione analizzando le diverse configurazioni fondamentali. Gli sforzi prodotti da ciascuna di queste configurazioni di carico sono poi sommati per determinare le tensioni effettive prodotte dal carico combinato.

58 La deformazione Gli oggetti si deformano quando sono sottoposti a forze esterne. Queste deformazioni possono essere grandi o piccole, a seconda della natura del materiale e delle tensioni coinvolte. La deformazione è la quantificazione della deformazione di un materiale

59 La deformazione lineare Quando il carico di un oggetto produce uno sforzo di trazione o uno sforzo di compressione nell'oggetto, si hanno variazioni nella lunghezza dell'oggetto. Questa deformazione può essere misurata in termini assoluti o relativi.

60 La deformazione Le deformazioni assolute descrivono la variazione della lunghezza dell'oggetto come risultato del carico (per esempio, l'elastico si è allungato di 10 cm o il disco intervertebrale si è compresso di 2 mm). Le deformazioni relative sono date dal rapporto tra la variazione della lunghezza (la differenza tra la lunghezza non deformata e la lunghezza deformata) e la lunghezza originaria (la lunghezza non deformata). Questa misura della deformazione relativa è chiamata deformazione lineare.

61 Matematicamente, la deformazione lineare è definita come dove è la deformazione lineare l è la lunghezza finale l 0 è la lunghezza originale, non deformata l-l 0 è la variazione della lunghezza

62 La deformazione La deformazione lineare si verifica come risultato variazione della lunghezza dell'oggetto di una Di solito, la deformazione è riportata come una percentuale, cosa che sembra avere più senso. In questo caso, il rapporto è moltiplicato per 100 per avere la deformazione percentuale La maggior parte dei materiali biologici non sono così elastici come la molla, e le lesioni o le rotture si verificano deformazioni per percentuale molto minore del 100%.

63 La deformazione di taglio La deformazione di taglio avviene a seguito di una variazione dell'orientamento delle molecole adiacenti come conseguenza del fatto che queste molecole scivolano le une sulle altre.

64 La deformazione di taglio è misurata come segue. Immagina una retta perpendicolare al piano di analisi che passa attraverso l'oggetto nel punto che interessa e un'altra retta all'interno del piano d'analisi nella direzione che interessa. Queste due rette sono perpendicolari tra loro e formano quindi un angolo retto. Quando è applicato all'oggetto un carico di taglio, questo angolo si deforma. La variazione dell'angolo (θ teta) è la misura della deformazione di taglio nella direzione che interessa. La deformazione di taglio è abbreviata con la lettera greca λ (lambda) ed è misurata in radianti.

65 Il rapporto di Poisson Considera una palla di gomma caricata in compressione. Il diametro della palla si accorcia nella direzione del carico di compressione, ma cosa possiamo dire sul diametro nella direzione laterale? Quando la palla di gomma è compressa, essa si allarga nella direzione laterale. Questo è chiamato effetto di Poisson. Esiste un rapporto specifico tra la deformazione nella direzione assiale e la deformazione nella direzione trasversale per ciascun tipo di materiale. Questa rapporto è chiamato rapporto di Poisson. I valori del rapporto di Poisson possono oscillare tra un minimo di 0,1 ed un massimo 0,5, ma per la maggior parte dei materiali sono fra 0,25 e 0,35.

66 Il comportamento dei dischi intervertebrali fornisce un buon esempio dell'effetto di Poisson. Durante il giorno, i dischi intervertebrali sono caricati in compressione (a meno che non sei steso tutto il giorno). Questo carico di compressione accorcia la dimensione verticale dei dischi, ma lateralmente i dischi si gonfiano all'esterno. Sotto carichi di compressione estremamente grandi, un disco può sporgere eccessivamente e rompersi.

67 Le proprietà meccaniche dei materiali: il rapporto tensione-deformazione Quanta tensione intervertebrale può sopportare un disco prima di rompersi? Quanto può flettersi un osso? Quanta energia può assorbire un legamento prima di rompersi? Quanto si può allungare un tendine prima che l'allungamento divenga permanente? La relazione fra la tensione e la deformazione in un materiale ci può aiutare a spiegare il comportamento di un materiale sotto un carico

68 Il comportamento elastico Consideriamo un elastico. Più lo allunghi, più è grande la forza con cui devi tirare. l'elastico è stato allungato da un carico uni-assiale, lo sforzo e la deformazione dell'elastico sono uniformi.

69 lla curva tra sforzo e deformazione mostrata in figura 9.16 è un esempio della curva relativa a un materiale inearmente elastico. La gomma è elastica che è il contrario di plastica. Essa si allunga sotto un carico di trazione, ma ritorna alla sua forma originaria quando il carico è rimosso

70 Questa proprietà è chiamata elasticità. La gomma è linearmente elastica perché, quando lo sforzo aumenta, la deformazione aumenta di una quantità proporzionale. Il rapporto tra sforzo e deformazione (che è mostrato graficamente dalla pendenza della retta) è chiamato modulo elastico di un materiale. Matematicamente, questo valore, che è anche chiamato modulo di Young o modulo di elasticità (modulo di compressibilità per la compressione o modulo di taglio per il taglio) è definito come dove E è il modulo di elasticità σ è la variazione della tensione ε è la variazione della deformazione

71 Il rapporto tra tensione e deformazione, che è mostrato graficamente dalla pendenza della curva sforzo-deformazione, è chiamato modulo di elasticità di un materiale

72 Il comportamento plastico Il comportamento di un materiale sotto un carico può cambiare quando il carico aumenta. Sotto piccoli carichi, l'oggetto può essere elastico; se il carico è rimosso, l'oggetto ritorna alla sua forma e dimensioni originarie. Ma se il carico supera una certa misura, può verificarsi una deformazione permanente dell'oggetto. Questo è chiamato comportamento plastico.

73 Il punto sulla curva tensione-deformazione in cui lo sforzo ulteriore causa una deformazione permanente è chiamato punto (o carico) di snervamento o limite di elasticità. Esso coincide spesso con il limite di proporzionalità, cioè la fine dell'intervallo lineare di elasticità della curva. Al di sotto di questo carico, il materiale si comporta elasticamente, e al di sopra di questo carico esso si comporta plasticamente. La maggior parte dei materiali presenta comportamenti sia elastici che plastici

74 La resistenza dei materiali e il guasto meccanico Meccanicamente, la resistenza di un materiale ha a che fare con la tensione massima (o deformazione) che il materiale è capace di sopportare prima di rompersi. La parola chiave in questo caso è rottura

75 La tensione nel limite elastico di una curva sforzo-deformazione di un materiale è il carico di snervamento del materiale. Sebbene non avvenga alcuna rottura del materiale, le tensioni oltre il carico di snervamento producono cambiamenti permanenti nelle dimensioni e nella forma del materiale. Oltre questo punto, il materiale si rompe (fails), ed è incapace di recuperare la sua forma. Una forte tensione dei legamenti della caviglia possono causare un allungamento permanente, e quindi una lassità di questi legamenti.

76 Il carico ultimo resistenza massima di un materiale è lo sforzo massimo che il materiale è capace di sopportare. Questo è rappresentato dalla tensione corrispondente al punto più alto sulla curva tensione-deformazione. Se la funzione che ci interessa è la capacità del materiale di sopportare grandi carichi, il carico ultimo resistenza massima determina quanto carico può essere sopportato e rappresenta la misura della resistenza del materiale.

77 La rottura o carico di rottura di un materiale è lo sforzo in corrispondenza del quale si verifica la rottura. Failure in questo senso letteralmente significa spaccatura o rottura. Il carico di rottura è rappresentato dallo sforzo corrispondente al punto finale della curva tensione-deformazione. Il carico di rottura spesso coincide con il carico ultimo.

78 Le proprietà meccaniche del sistema muscolo scheletrico Il tessuto muscolare ed il tessuto connettivo formano le unità strutturali del sistema muscolo-scheletrico. I tessuti connettivi specifici più importanti per la struttura del sistema muscolo-scheletrico sono: le ossa, le cartilagini, i legamenti e i tendini. I muscoli possono essere immaginati come gli elementi attivi del sistema muscolo-scheletrico, mentre gli altri tessuti connettivi sono gli elementi passivi.

79 Tutti i tessuti connettivi sono composti da cellule viventi e da componenti extracellulari consistenti in collagene, elastina, sostanza fondamentale, minerali e acqua. Le proprietà meccaniche dei vari tessuti sono determinate sia dalla percentuale di questi componenti e sia dalla loro composizione.

80 Le molecole di collagene si allineano insieme per formare le fibrille di collagene, che si legano insieme per formare le fibre di collagene. Il collagene è perciò molto rigido (con deformazione di rottura fra l'8% e il 10%) e ha un'alta resistenza alla trazione. Il collagene, però, non è in grado di resistere alla compressione a causa della sua lunghezza. Esso si deforma e si comporta come una corda.

81 Anche l elastina è fibrosa, ma contrariamente al collagene, è flessibile e molto estensibile (con una deformazioni di rottura alta fino al 160%). La sostanza di base è costituita da carboidrati e proteine che, combinati con l'acqua, formano una matrice simile al gel per le fibre di collagene e di elastina

82 La composizione dei tessuti connettivi (e della maggior parte dei tessuti biologici) fa sì che essi siano anisotropi, al contrario di molti materiali sintetici, che sono isotropi. I materiali isotropi hanno le stesse proprietà meccaniche in tutte le direzioni. I materiali anisotropi hanno differenti proprietà meccaniche a seconda della direzione del carico. Per esempio, il carico ultimo di trazione di un tendine è molto alto se il carico di trazione è nella direzione delle fibre del tendine, ma il suo carico ultimo di trazione è basso se il carico di trazione è perpendicolare a queste fibre

83 L'età e l'attività influenzano le proprietà meccaniche di tutti i tessuti connettivi. Le resistenze delle ossa, della cartilagine, dei tendini e dei legamenti aumentano con cicli irregolari di carico e non carico. Di solito, il fatto che questa resistenza aumenti è dovuto ad un aumento della misura della sezione trasversale del tessuto, ma possono aumentare anche la rigidità e il carico ultimo di questi tessuti, perciò l'aumento della resistenza non dipende solo da questa misura

84 Non si conosce con esattezza né la soglia dei carichi né il numero di cicli di carico richiesti per stimolare questi aumenti di resistenza. L'inattività e l'immobilizzazione, però, danno luogo ad una diminuzione della resistenza di questi tessuti e ad un accorciamento dei legamenti e dei tendini.

85 Tutti questi tessuti connettivi mostrano un aumento del carico ultimo con l'età fino al terzo decennio di vita, dopo il quale la resistenza diminuisce. Con l'aumentare dell'età le ossa diventano più fragili e meno dure, mentre i tendini e i legamenti divengono meno rigidi.

86 Le ossa Le ossa sopportano quasi tutti i carichi di compressione sostenuti dal corpo, e sono anche capaci di resistere a grandi carichi di taglio e di trazione. Sono composte dal 30% al 35% di collagene, dell'1% al 2% di sostanza di base, il 45% di minerali, e circa il 20% di acqua. L'osso è il materiale più duro e più rigido del sistema muscolo-scheletrico.

87 La curva sforzo-deformazione per un osso corticale in un osso lungo caricato assialmente. L'osso corticale o osso compatto è quello che si trova negli strati esterni densi e duri dell'osso. La L'osso zona elastica spugnoso della è curva l osso sforzo-deformazione meno denso e non è del poroso, tutto e lineare, si trova ma si all'interno presente una dell'osso deflessione. corticale I valori vicino del alle modulo estremità di elasticità delle ossa per lunghe l osso, perciò, hanno un errore intrinseco, ad essi associato. Nella zona di elasticità della curva, il carico è ancora in grado di aumentare oltre il limite di elasticità. I valori del modulo di elasticità, del carico di snervamento, del carico ultimo, del carico di rottura e della deformazioni di rottura dell'osso corticale variano da osso ad osso, così come da punto a punto su un singolo osso.

88 Un altro fattore che influenza la resistenza meccanica e la rigidità dell'osso è la velocità di caricamento. L'osso è più forte e più rigido se un carico è applicato velocemente, ma è più debole e meno rigido se un carico è applicato lentamente. Le ossa sono più resistenti alla compressione e più deboli al taglio un carico applicato lentamente su una articolazione può dar luogo ad una frattura da avulsione (il legamento tira l osso fuori dal suo sito di attacco), mentre lo stesso carico applicato rapidamente sull'articolazione può rompere il legamento.

89 La cartilagine Ci sono 3 differenti tipi di cartilagine: cartilagine ialina, cartilagine fibrosa cartilagine elastica La cartilagine è in grado di sopportare carichi di compressione, di trazione e di taglio. Per quanto riguarda la composizione, la cartilagine ialina è formata dal 10% al 30% di collagene, dal 3% al 10% di sostanza di base e dal 60% all'80% di acqua

90 La cartilagine articolare caricata trasmette sotto uno i sforzo carichi costante di compressione di compressione da osso ad osso non produce nelle articolazioni. una corrispondente deformazione costante. La deformazione aumenta col tempo mentre il fluido fuoriesce dalla cartilagine, finché non si raggiunge un punto in cui cessa la fuoriuscita del liquido. Questo aumento della deformazione sotto una tensione costante è chiamato creep (scorrimento). La velocità di strisciamento (scorrimento) indica con quale velocità la cartilagine raggiunge una deformazione costante. La velocità di strisciamento dipende dall'intensità della tensione di compressione, dallo spessore della cartilagine articolare e dalla permeabilità della cartilagine. Per la cartilagine articolare umana il tempo che essa impiega per raggiungere una deformazione costante può variare tra 4 e 16 ore.

91 Può esserci solo una piccola area di contatto tra le superfici in una condizione senza carico. Quando è applicato il carico, questa piccola area di contatto è compressa e il fluido è spremuto verso altre aree della cartilagine, che allora si espandono e toccano la superficie di altra cartilagine per sopportare una parte del carico. Questo aumento dell'area di contatto dà luogo ad una diminuzione o ad un allentamento della tensione nel punto di contatto iniziale.

92 Il modulo di elasticità della cartilagine articolare è molto più piccolo del modulo di elasticità dell'osso, ma la cartilagine articolare trasmette i carichi di compressione da un osso all'altro. La differenza nella rigidità di questi materiali si giustifica con un leggero effetto di smorzamento della cartilagine articolare. Ma poiché la cartilagine articolare è molto sottile, questo effetto di assorbimento dello shock è limitato.

93 I tendini e i legamenti I tendini e i legamenti sono simili in composizione e struttura, Per quanto riguarda la loro composizione,i tendini ed i legamenti sono formati circa per il 70% da acqua, per il 25% di collagene e per il 5% di sostanza di base ed elastina. I legamenti hanno più elastina dei tendini. Oltre all acqua, il componente primario di tendini e legamenti è il collagene, ma ciò è vero anche per la cartilagine. La differenza principale fra cartilagine e tendini o legamenti sta nella diversa disposizione delle fibre di collagene

94 I gruppi delle fibre di collagene nei tendini sono legati insieme in parallelo (nel tendine) o in fasci quasi paralleli (nel legamento), fasci che si trovano lungo l asse funzionale del tendine. La disposizione parallela produce una struttura che è molto rigida ed ha elevata resistenza alla trazione, ma ha poca resistenza alla compressione o al taglio. La leggera differenza nella sistemazione dei fasci delle fibre di collagene ed il là quantità leggermente maggiore di elastina nei legamenti li rendono meno rigidi e leggermente più deboli dei tendini.

95 disposizione delle fibre nei tendini e nei legamenti Poiché le fibre di collagene dei legamenti non sono così ben allineate come quelle dei tendini, i legamenti possono sopportare maggiori carichi non-assiali Le fibre di collagene hanno un apparenza ondulata o pieghettata. Queste pieghe o ondulazioni nelle fibre di collagene possono spiegare il comportamento diverso dei legamenti e dei tendini sotto carichi di trazione uniassiali e la diversità delle curve sforzo-deformazione che ne derivano

96 La curva sforzo-deformazione per un tendine è mostrata nel grafico. Le curve sforzo-deformazione di trazione del legamento e della cartilagine hanno forme simili a quelle dei tendini. La prima parte di questa curva è chiamata zona di punta e corrisponde al raddrizzamento delle pieghe del collagene. Oltre la zona di punta, il comportamento è sostanzialmente lineare; un aumento della tensione dà luogo ad un aumento proporzionale della deformazione.

97 La reazione di strisciamento (scivolamento) di questi tessuti è rilevante negli esercizi di allungamento (stretching). Gli esercizi di allungamento sono efficaci per aumentare la flessibilità di tendini e legamenti se sono fatti lentamente e poi si mantiene questa posizione, tenendo i tessuti coinvolti sotto uno sforzo costante. Le deformazioni dei tendini e dei legamenti,e quindi le loro lunghezze, aumenteranno lentamente. Se l allungamento è fatto molto rapidamente, usando movimenti ritmati e vivaci, la deformazione nei tendini e nei legamenti non è ampia,e la variazione delle loro lunghezze non è significativa.

98 I muscoli La rigidità del muscolo varia in funzione del numero di elementi di contrazione attiva La zona di punta di questa curva è più lunga a causa della rigidità veramente bassa degli elementi contrattili passivi. La rigidità aumenta quando i filamenti contrattili non si sovrappongono più e il tessuto connettivo comincia a deformarsi. La deformazione di rottura del muscolo è molto più grande a causa della capacità dei filamenti contrattili di scorrere l'uno sull'altro quando la lunghezza del muscolo aumenta del 50%.

99 Solo dopo che il muscolo si è allungato di tanto, il tessuto connettivo comincerà ad essere deformato. La deformazione totale che questo tessuto può sopportare è simile a quella del tendine o del legamento: cioè può variare dall'8% al 15%. La deformazione di rottura per il muscolo è perciò 50% + 8%-15%, con una deformazione totale che va dal 58% al 65%. Il carico ultimo è molto più debole di quello del tendine, poiché una sezione trasversale include soprattutto gli elementi contrattili del muscolo (che sono composti da filamenti contrattili non legati l'uno all'altro nello stato passivo).