I n s e g n a m e n t o d i BIOMECCANICA

A A 2 0 1 3-2014 U N I V E R S I TA D E G L I S T U D I DI R O M A T O R V E R G ATA F A C O LTA DI 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 I n s e g n a m e n t o d i BIOMECCANICA P i e t r o P i c e r n o, P h D

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 5: Analisi del cammino MODULO 6: Macchine da muscolazione Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 2

Modulo 6 Macchine da muscolazione Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 3

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 equilibrare potenza (P) fulcro (F) resistenza (R) P = R bp = br braccio di P (bp) braccio di R (br) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 4

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 equilibrare o vincere una resistenza, è una macchina. potenza (P) fulcro (F) resistenza (R) P = R bp > br braccio di P (bp) braccio di R (br) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 5

Leve asta rigida indeformabile Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 6

Leve asta rigida indeformabile ruota attorno ad un fulcro fulcro (F) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 7

Leve asta rigida indeformabile ruota attorno ad un fulcro potenza (forza attiva, quella da applicare) potenza (P) fulcro (F) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 8

Leve asta rigida indeformabile ruota attorno ad un fulcro potenza (forza attiva, quella da applicare) resistenza (forza passiva, quella da vincere) potenza (P) fulcro (F) resistenza (R) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 9

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) potenza (P) fulcro (F) resistenza (R) braccio di P (bp) braccio di R (br) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 10

Classificazione (caso di equilibrio) 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. 11

Classificazione (caso di equilibrio) leva di 1 genere: fulcro tra la potenza e la resistenza può essere indifferente, vantaggiosa o svantaggiosa potenza (P) fulcro (F) resistenza (R) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 12

Classificazione (caso di equilibrio) leva di 2 genere: resistenza tra il fulcro e la potenza sempre vantaggiosa fulcro (F) resistenza (R) potenza (P) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 13

Classificazione (caso di equilibrio) leva di 3 genere: potenza tra la fulcro e resistenza sempre svantaggiosa fulcro (F) resistenza (R) potenza (P) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 14

Occhio alla schiena! Il braccio della forza peso del carico esterno (L) è molto più grande del braccio della forza dei muscoli estensori della colonna, quindi questi devono sforzarsi molto di più. La soluzione è cercare il più possibile di iminuire L e/o non far lavorare gli estensori della colonna bensi quelli del ginocchio! Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 15

Momenti di vita quotidiana (anche questa è pesistica!) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 16

Carrucola (o puleggia) fissa P = R bp = br Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 17

Carrucola (o puleggia) fissa cambia solo direzione alla forza (bp = br) tiro 10cm, e il carico si solleva di 10cm Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 18

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. 19

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 il carico è ancorato ad una carrucola mobile il suo peso è ripartito tra le due parti di corda un capo è ancorato al muro (lo regge il muro) l altro capo passa da una carrucola fissa (potenza) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 20

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. 21

Paranchi multipli 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: P = R/2 n dove n = numero paranchi semplici (fonte: Wikipedia) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 22

Camme la forma ellittica permette di avere 3 tipi di vantaggi (rapporto tra bp e br): Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 25

Perché le camme? Il braccio della forza muscolare (distanza tra fulcro e retta di azione della forza, rispetto alla quale il braccio è sempre perpendicolare) 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. 26

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. 27

Sistemi per lo sviluppo 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. 28

Macchine a resistenza costante sono le comuni macchine da muscolazione iso = costante, inerzia = resistenza ISOTONICHE ATTENZIONE La resistenza è costante, ma non la tensione muscolare, o anche, la forza esterna impressa al carico (bilanciere o pacco pesi) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 29

Misure di forze (isoinerziale) Cella di carico per la misura della forza di trazione c a v o forza c a v o Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 30

Misure di forze (isoinerziale) Accelerometro sul pacco pesi Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 31

Macchine a resistenza costante Se sollevo 100 kg su di un bilanciere durante uno squat, non vuol dire che sto applicando sul bilanciere una forza pari a 1000 N (100 kg * 9.81 m/s^2) Questa affermazione è vera solo se il bilanciere è fermo oppure se lo sto sollevando a velocità costante, il che equivale a dire senza accelerazione esterna, quindi l unica accelerazione che agisce sul bilanciere è quella di gravità In modalità isoinerziale è molto difficile sollevare un carico a velocità costante, vediamo perché.. Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 32

Forza [N] Misure di forze (isoinerziale) 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) 200 Forza pacco pesi Forza di trazione 100 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Cinematica tempo del ginocchio [s] P T ] 120 100 80 60 40 20 estensione [ 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 tempo [s] Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 33

Stima della 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. 34

Resistenza variabile e adattiva resistenza variabile resistenza adattiva Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 35

Resistenza adattiva Al variare dell angolo articolare varia il braccio di leva che può essere vantaggioso o svantaggioso per la forza muscolare; quando è svantaggioso il muscolo deve esprimere più forza, che quindi cambia durante il movimento e questo provoca differente velocità angolare di rotazione del segmento mosso da quel muscolo; dato che non si può agire né sulla tensione muscolare, nè sul braccio della forza muscolare, né tanto meno sul carico esterno (un alternativa sarebbe infatti un carico che varia la massa al variare dell angolo articolare), la macchina isocinetica agisce sulla velocità angolare che viene mantenuta costante imprimendo maggiore resistenza al movimento quando la leva muscolare è vantaggiosa (e il muscolo perciò muoverebbe il braccio della macchina più velocemente della velocità impostata) mentre è piccola viceversa. La tensione (forza) muscolare risulta (quasi) costante. Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 36

Misure di forza: isocinetica ( @ 1 2 0 d e g /s ) Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 37

Resistenza adattiva vantaggi: - tensione muscolare uguale per tutto l arco del movimento svantaggi*: - regime di contrazione differente rispetto a ciò che avviene nei movimenti naturali che, al contrario, non sono mai a velocità angolare costante *Bosco 2000 Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 38

Metodo isocinetico vantaggi: - tensione muscolare uguale per tutto l arco del movimento M O F I O α 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 Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 39

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 I vantaggi delle camme come effettuare misure di forza in modalità isoinerziale i "vantaggi" dell'isocinetica Modulo 6 Macchine da muscolazione - pag. 40