UNIVERZITET U SARAJEVU
FAKULTET SPORTA I TJELESNOG ODGOJA S A R A J E V O
Kolegij: Kineziometrija
MJERENJE U BIOMEHANICI (seminarski rad)
MENTOR: Prof. dr Muriz Hadžikadunić
KANDIDAT: Zrna Agačević
Sarajevo, maj 2009.g.
1
SADRŽAJ: 1. UVOD 1.1 Pojam-čime se bavi biomehanika? 1.2 Kratki historijski pregled 1.3 Šta sve čini biomehaniku 1.4 Osnove biomehanike
1 3 5 6
2. GLAVNI DIO 2.1 Mjerenje i mjerne jedinice u biomehanici 2.2 Metode prikupljanja i analize podataka 2.3 Video analiza 2.4 Trodimenzionalna ili 3D optička analiza 2.5 Analogna analiza 2.6 Segmentalna analiza
9 10 11 15 17 19
3. ZAKLJUČAK
24
4. BIBLIOGRAFIJA
26
2
1. UVOD 1.1 Pojam-čime se bavi biomehanika? Biomehanika je termin nastao u prethodnom stoljeću, tačnije 1960-tih, iz potrebe da se definiše nauka o kretanju ljudskog tijela i međusobno povezanim silama koje djeluju na ljudsko tijelo. Sama riječ je složena imenica koja u sebi sadrži prefiks bio- život, živući i korijen mehanika- sila, efekti. Drugim riječima, radi se o zakonima mehanike primjenjenim na živa bića.1 Prema riječima naučnika Herberta Hatze, biomehanika je: „nauka o funkciji i strukturi bioloških sistema koja koristi principe i metode mehanike”. 2 James G. Hay je napisao 1995. godine da je biomehanika: „nauka koja proučava vanjske i unutrašnje sile koje utječu na ljudsko tijelo, kao i efekte prouzrokovane tim silama”.3 Predmet proučavanja biomehanike jesu sva živa bića, pa tako postoji biomehanika koja proučava životinje pa čak i biljke, te biomehanika koja proučava ljude. „Ljudska” biomehanika proučava ljude koji se bave sportom i fizičkim aktivnostima. Međutim, zadnjih godina se provode istraživanja tzv. biomehanike radnog mjesta, gdje se opisuju promjene u držanju ljudskog tijela izazvane pokretima tipičnim za neki posao. Na primjer, kancelarijski posao može prouzrokovati promjene u kičmenom stubu i time izazvati bolove u leđima, dok upravljanje betonskom bušilicom na gradilištu može za posljedicu imati nekontrolisano drhtanje ruku.4 Jedan od glavnih ciljeva biomehanike sporta jeste poboljšanje performanse u vježbanju i sportu. Još jedan bitan cilj jeste prevencija povreda i rehabilitacija. Oba cilja su međusobno povezana, jer naravno da će neozlijeđeni sportaš imati bolji rezultat od ozlijeđenog, tako da će sportaš u isto vrijeme posvetiti pažnju prevenciji povrede kao i poboljšanju performanse. Sportaši postižu bolje rezultate kada poboljšaju tehniku sporta kojim se bave. Primjena biomehanike na poboljšanje tehnike u sportu može ići u dva pravca. Prvi je da profesori i treneri koriste svoje znanje mehanike da ispravljaju svoje učenike ili sportaše prilikom izvođenja sportske tehnike i na taj način poboljšaju rezultate. Drugi je da naučnici ili istraživači otkriju drugačiju i efektivniju tehniku za poboljšanje sportske vještine. Osnovna razlika između ova dva pravca jeste da, u prvom slučaju, profesori i treneri koriste kvalitativne biomehaničke metode analize, dok, u drugom slučaju, naučnici koriste kvantitativne biomehaničke metode analize. Takav pristup omogućava naučnicima da otkriju i istraže nove tehnike koje, zatim, trebaju podijeliti sa trenerima, koji će ih sprovesti u praksi.5 Biomehanika se također može primjeniti i pri poboljšanju dizajna sportske opreme i time uveliko dati doprinos razvoju sportske tehnike. Osim obuće i odjeće koja može pomoći u sprečavanju ozlijeda, tu su i razna sredstva ili „alatke” poput bicikla, teniskog reketa, skija, koplja, palica za golf ili bejzbol, lopte za nogomet, košarku, rukomet, odbojku, itd. 1
McGinnis, Peter Merton: Biomechanics of Sport and Exercise, Human Kinetics, United States of America, 2005. p.3. 2 Tӧzeren, Aydin: Human Body Dynamics: Classical Mechanics and Human Movement, Springer-Verlag, New York, 2000. p.8. 3 Hay, G. James: The Biomechanics of Sports Techniques, Pearson Education, 1995. p.10. 4 http://www.findaphd.com/search/showproject.asp?projectid=5415 5 McGinnis, Peter Merton: Biomechanics of Sport and Exercise, Human Kinetics, United States of America, 2005. p.4.
3
Smatra se da je primjena biomehanike u sprečavanju povreda i u rehabilitaciji od izuzetne važnosti, jer je jako korisna u sportskoj medicini kod prepoznavanja sila koje su uzrokovale povredu, kao i kod sprečavanja ponovnog ozleđivanja, te može definisati tačne vježbe koje će pomoći tokom rehabilitacije.
„Dobro, a sad mi nabrojte četiri stvari u kojma je pogriješio”6
„Ljudsko tijelo je mašina čijim pokretima upravlja duša”, napisao je francuski filozof Rene Dekart još u ranom sedamnaestom stoljeću.7 Unutrašnje mehanizme te „mašine” su postepeno istraživali i razjašnjavali renesansni naučnici, koji su se uveliko ugledali na antičke naučnike, pa samim tim se nameće zaključak da su još stari Grci pisali o onome što mi danas zovemo biomehanika. Jedan od najpoznatijih velikana iz perioda prosvjetljenja je Leonardo da Vinci, koji je svojim detaljnim crtežima udario temelje savremene anatomije. Međutim, engleski naučnik Sir Isaac Newton je definisao zakone mehanike i ne sluteći da je time postavio bazu za daljni razvoj studija o ljudskom tijelu i kretanju. 1.2 Kratki historijski pregled Koliko god proizvoljno računanje našeg vremena bilo, i koliko god puta da zakoračimo u novo stoljeće, ne smijemo zaboraviti ljude koji su se usudili istraživati svijet oko sebe i zapisivati svoja otkrića. Bez tih otkrića, načini današnjeg života vjerovatno ne bi bili mogući. Zbog toga je potrebno staviti naglasak na začetnike nauke, u ovom slučaju biomehanike, ljude koji na jedan način čine „rodoslovlje” biomehanike. Još prije 2400 godina grčki filozof Sokrat je kroz svoja učenja govoro da ne možemo spoznati svijet oko sebe dok ne spoznamo sami sebe. Njegov učenik Platon je vjerovao da je matematika žila kucavica svake nauke i time je posijao sjeme mehanike. Smatra se da je Aristotel prvi „biomehaničar”, jer je napisao knjigu „De Motu Animalium” (Kretanje Životinja), u kojoj razmatra životinjske kretnje kao složeni mehanizam.8 Još jedan grčki naučnik, Arhimed, je dao značajan doprinos razvoju fizike i mehanike. „Gubitak težine tijela koje se nalazi u tekućini je jednak težini istisnute tekućine”, je jedan od zakona koje je on postavio i danas je to glavni princip u hidrostatici i aerostatici.
6
McPherson, Moira: Biomechanics 2015 ppt, section 1:1, School of Kinesiology http://www.brianmac.co.uk/biomechanics.htm 8 http://www.asbweb.org/html/history_mission/genealogy/genealogy.htm 7
4
U drugom stoljeću je lični ljekar rimskog cara Marka Aurelija, Galen, napisao monumentalno djelo koje stoljećima neće biti prevaziđeno. „O Funkciji dijelova” (dijelova ljudskog tijela), je knjiga koja je skoro 1400 godina bila glavna knjiga u medicini. Sljedeći naučnik je Leonardo da Vinci, koji je u patnaestom stoljeću analizirao ljudsko tijelo u kontkstu mehanike. Međutim, većina njegovih bilježaka je bila privatna, tako da su njegova istaživanja ostala neobjavljena stotinama godina. Galileo Galiei je dao veliki doprinos nauci i samim time i biomehanici, jer je udario temelj onome što mi danas nazivamo naučni metod. Galileo je prepoznao potrebu da se činjenice kritički istraže te da se uzročno-posljedična veza utvrdi eksperimentom.9 Isak Njutn je jedan od najvažnijih, po njemu se jedinica sile naziva „Njutn” i obilježava se velikim slovom N. Njutn je na osnovu zakona kretanja, koje je postavio još Galileo Galilei, formulisao opće zakone mehanike. Njih dvojica se smatraju osnivačima klasične fizike. Osim zakona u mehanici, Njutn je proučavao i svjetlosne pojave, a uveo je i neke nove oblasti u matematici. Zbog toga se smatra najvećim matematičarem i fizičarem svih vremena. Glavno djelo Isaka Njutna je „Matematički principi prirodne filozofije”, a njegovi zakoni glase: 1. Tijelo ostaje u stanju kretanja ili mirovanja sve dok ga drugo tijelo ili sila ne natjera da to stanje promjeni. 2. Sila je srazmjerna proizvodu mase i ubrzanja, tj sila masi daje ubrzanje. 3. Sile akcije i reakcije imaju jednak pravac i intezitet, a suprotan smjer. Njemački fiziolozi, braća Weber su 1836. godine objavili rezultate svojih istraživačkih radova o osnovnom obliku promjene mjesta u prostoru, o hodanju.10 Oni su koristili mjerenje kao metod ispitivanja. Iako su neki njihovi zaključci bili pogrešni, njima pripada zasluga što su u biomehanička ispitivanja uveli metod objektivnog mjerenja. U drugoj polovini 19. stoljeća francuski ljekari (Marey, Demeni), uvode nove metode u ispitivanje kretanja. Oni su prostudirali tehniku brzog marša, istražujući hod. Ova tehnika je bila primjenjena na kolonijalnim trupama. Prekretnicu u biomehaničkom istraživanju kretanja je odigrao pronalazak fotografije. Tek se poslje ovog epohalnog otkrića mogao zabilježiti ne samo svaki položaj, nego i cijelo kretanje predstavljeno nizom snimljenih prijelaznih položaja. Zaustavljanje kretanja u karakterističnom trenutku nije bilo moguće, jer su sile i dalje djelovale pa se i kretanje nastavilo, tako da ljudsko oko nije bilo sposobno da spazi karakterističan trenutak koji je vremenski trajao prekratko. Zbog toga se i nije mogla dati analiza osnovnih grešaka ili povoljnosti koje su se odvijale u tom trenutku i koje imaju odlučujući ulogu u datom kretanju. Prelazak od foto na filmsko snimanje pripisuje se američkom fotografu, Maybridge-u, koji je pomoću 24 fotoaparata, postavljenim u jedan niz, napravio seriju snimaka jahača na konju u punom trku.
9
http://www.asbweb.org/html/history_mission/genealogy/genealogy.htm Opavski, Pavle: Osnovi Biomehanike, Naučna knjiga, Beograd, 1976.
10
5
1.3 Šta sve čini biomehaniku
MEHANIKA
Mehanika krutog tijela
Statika
Mehanika deformabilnog tijela
Fluidna mehanika
Relativistička mehanika
Kvantna mehanika
Dinamika
Kinematika
Kinetika
Fig. 1. Iz ove podjele mehanike može se primjetiti da svaka grana mehanike najbolje odgovara i opisuje specifičnosti našeg fizičkog svijeta.11
Mehanika je kvantitativna nauka pa je samim time i biomehanika kvantitativna nauka, drugim riječima, mnogi aspekti biomehanike se mogu izraziti numeričkim vrijednostima. Mehanika krutog tijela najviše odgovara kod objašnjavanja većine ljudskih kretnji te se koncepti te grane najviše koriste u sportskoj biomehanici. Ova grana mehanike ima za svoj predmet istraživanja objekte za koje se pretpostavlja da su savršeno kruti, odnosno da se ne deformišu savijanjem, istezanjem ili pritiskom. Ljudsko tijelo se analizira u segmentima koji se tretiraju kao kruta tijela povezana zglobovima. U stvarnosti, segmenti ljudskog tijela se deformišu zbog djelovanja sila na njih. Takve deformacije su uglavnom veoma malene i ne utječu bitno na udove i na tijelo, pa se zbog toga ljudsko tijelo može posmatrati kao sistem povezanih krutih dijelova. Međutim, 11
McPherson, Moira: Biomechanics 2015 ppt, section 1:1, School of Kinesiology
6
česte deformacije i stalno vraćanje povrede mogu dovesti do deformacije tkiva, a to čini jedan dio mehanike deformabilnog tijela.12 Mehanika krutog tijela se dijeli na statiku, koja proučava objekte u mirovanju ili objekte koji se kreću konstantnom brzinom, i dinamiku koja proučava objekte koji mijenjaju ubrzanje. Kinematika i kinetika su dvije grane dinamike, a osnovna razlika među njma jeste da kinematika opisuje kretanje a da ne uzima djelujuće sile u obzir, dok kinetika uz kretanje proučava i djelujuće sile. Određeni broj sportskih disciplina uključuje vodenu površinu pa se koriste i koncepti fluidne mehanike. Principi fluidne mehanike se mogu primjeniti i na analize efikasnosti i aerodinamičnosti sportske lopte, jer zbog razlike u materijalima i veličini dolazi i do razlike u trenju.13 1.4 Osnove biomehanike Čovjek posjeduje jedinstvenu sposobnost da stoji uspravljen i da se opire sili teže. Za tu sposobnost zaslužni su skeletni mišići, koji djeluju na skelet poput poluga pri pokretu i dizanju tereta. Poluga je kruta struktura koja se rotira oko fiksne tačke, koja se zove uporište poluge. U ljudskom tijelu je svaka dugačka kost poluga, a zglob koji se nastavlja na tu kost je uporište. Princip poluge je razjasnio Arhimed u trećem stoljeću prije nove ere. Poluge mogu promijeniti smjer djelujuće sile, jačinu sile, kao i brzinu pokreta na koji djeluje neka sila. Fig.1.2. prikazuje tri različita tipa poluga u ljudskom tijelu: a) Kada uporište leži između djelujuće sile i otpora, onda su pravac i brzina izmijenjeni, kao i snaga sile koje djeluje na otpor. Uporište je mjesto na kojem se prvi kralježak, atlas, spaja sa lubanjom. b) Ova vrsta poluge povećava jačinu sile na uštrb brzine i daljine. Uporište je u liniji nožnog članka i metatarzalnih kostiju. Težina stopala djeluje kao otpor i zato stopalo može podići mnogo veću težinu u odnosu na rastezljivu silu. c) Tokom kontrakcije biceps povlači podlakticu, a uporište čini lakat, dok je otpor u šaci.
Fig.1.2.14
Fig.1.3. pokazuje tri ravni i tri ose ljudskog tijela.15 12
McGinnis, Peter Merton: Biomechanics of Sport and Exercise, Human Kinetics, United States of America, 2005. p. 12. 13 Fichtelman, John, The Fluid Mechanics abstract, Freshmen learning Center, Florida, 2000. 14 Tӧzeren, Aydin: Human Body Dynamics: Classical Mechanics and Human Movement, Springer-Verlag, New York, 2000. p. 2. 15 Tӧzeren, Aydin: Human Body Dynamics: Classical Mechanics and Human Movement, Springer-Verlag, New York, 2000. p.4.
7
Tri ravni su: sagitalna ili bočna, frontalna ili čeona, i vodoravna ili horizontalna. Tri ose su: X1 čeona ili frontalna, X2 uzdužna ili vertikalna i X3 dubinska ili sagitalna. Odnosno: Frontalna ravan-sagitalna osa Horizontalna ravan-vertikalna osa Sagitalna ravan-frontalna osa Fig. 1.3.
Dva osnovna zadatka biomehanike jesu da se odrede sile ako je poznato kretanje i obrnuto, da se odredi kretanje ako su poznate sile. Fig. 1.4 pokazuje jedan segment ljudskog tijela obilježen markerima. Kada ljudsko tjelo analiziramo poput krutog tijela, tada je udaljenost od tačke A do tačke B konstantna. Prema tome pretpostavka je da se linije AB, BC i CD koje čine trougao, ne mjenjaju u dužini. Markeri se stavljaju na mjesta sa najmanje mekog tkiva. Pozicija svakog markera se mjeri aparaturom za praćenje i analizu pokreta, a izražava se kroz koordinate u koordinatnom sistemu. Fig. 1.416
Kao i svaka sila, i sila mišića može da se posmatra kao uzrok koji je u stanju da promijeni stanje mirovanja ili stanje kretanja nekog tijela. U statici je sila vektorska veličina pa se prema tome i mišićna sila posmatra kao vektor. Na fig. 1.5 vidimo vektore u odnosu na markere, odnosno segmentalni koordinatni sistem. Fig 1.517
Sile koje djeluju na tijelo dijelimo na aktivne i pasivne. Sile koje regulišu kretanje tijela dijelimo na unutrašnje i vanjske. Unutrašnje sile: • mišićna sila, 16 17
http://www.laboratorium.dist.unige.it/~piero/Teaching/Gait http://www.laboratorium.dist.unige.it/~piero/Teaching/Gait
8
• • • • •
sila koštane interakcije, sila zglobnog trenja, sila abdonimalnog pritiska, sila zatezanja zglobnih stabilizatora, sila zatezanja mekih tkiva.
Vanjske sile: • gravitaciona sila, • sila inercije, • centifugalna sila, • sila reakcije podloge, • sile trenja. Fig. 1.6 Globalni koordinatni sistem ili vanjski, anatomski (zglobovi), i tehnički (markeri)18
Fig. 1.4. Anatomske oznake koje opisuju pokrete različitih dijelova tijela: a) abdukcija i adukcija, b) rotacija i c) fleksija i ekstenzija19
Ljudsko kretanje se dijeli na više načina. Sa aspekta mehanike sva kretanja možemo posmatrati kao translatorna kretanja i rotaciona kretanja. Međutim, osnovna podjela kretanja je na osnovne pokrete i složene pokrete a za biomehaniku su najzanimljivija ciklična i aciklična kretnja.
18
http://www.laboratorium.dist.unige.it/~piero/Teaching/Gait Tӧzeren, Aydin: Human Body Dynamics: Classical Mechanics and Human Movement, Springer-Verlag, New York, 2000. p.5. 19
9
Fig. 1.5. Glavne grupe mišića u ljudskom tijelu
2. GLAVNI DIO 2.1. Mjerenje i mjerne jedinice u biomehanici Nauka koje se bavi metodama mjerenja, prije svega metodama mjerenja fizičkih veličina naziva se metrologija. Metrologija se bavi i razvojem i izradom mjernih sredstava i obradom i analizom izmjerenih rezultata. Biomehanika spada u oblast naučne metrologije, oblasti koja objedinjuje razvojni i naučno-istraživački rad, kao i mjerenje najveće tačnosti i preciznosti u metrološkim labaratorijama. Međunarodni sistem fizičkih velična i jedinica, SI ( franc. Le Système International d'Unités), je ustanovljen 1960. godine. Međutim, prije njega su postojali, a postoje i danas, različiti mjerni sistemi, a najpoznatiji su stari MKS (metar-kilogram-sekunda), CGS (centimetargram-sekunda) i američki sitem. SI sistem se razvio iz MKS sistma. Mjerna jedinica je određena veličina, usvojena dogovorom, koja se koristi za kvantitativno izražavanje veličina iste dimenzije. Oznaka mjerne jedinice je dogovoreni simbol kojim se označava mjerna jedinica. Vrijednost veličine je veličina izražena brojnom vrijednošću i odgovarajućom jedinicom.
Dužina Vrijeme Masa Brzina Ubrzanje Sila Rad Energija Snaga Fig. 2. Osnovne mjerne jedinice u mehanici prikazane kroz tri sistema, SI, CGS, američki sistem.20
Prva od osnovnih veičina koju trebamo mjeriti jeste dužina. Dužina (L) opisuje prostor u kojem se kretanje dešava, a mjerna jedinica za dužinu je metar. U sportovima poput skoka u dalj ili u vis, dužina je mjera uspjeha. Dužina je veoma bitna kada razmatramo antropometriju sportaša, na primjer visina može biti od presudne važnosti kod košarkaša. Vrijeme (T) je veličina koja je u većini sportova veoma bitna, jer sam vremenski okvir spada u pravila. Vrijeme i prostor su dvije osnovne dimenzije presudne za kretanje. Prostor u kojem će se pokret desiti i vrijeme. 20
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/imgmec/uni4.gif
10
Brzina i ubrzanje su izvedeni iz vremena i dužine i izražavaju se kao dužina kroz vrijeme. Sila (F) je jedan od najelementarnijih pojmova u fizici. To je vektorska veličina (određena je pravcem, smjerom i iznosom) kojom se opisuje međudjelovanje tijela i njegove okoline i kojom se objašnjavaju uzroci kretanja. Kontaktne - kako im i samo ime govori, rezultat su fizičkog dodira dva tijela. Djelovanje neke kontaktne sile se prenosi mijenjanjem međumolekulskih razmaka u strukturi tvari. Postoji više vrsta kontaktnih sila: • aktivne - npr. sila kojom reket udara tenisku lopticu, • reaktivne - npr. sila kojom podloga djeluje na tijela koja se na njoj nalaze, • vanjske - sve kontaktne sile koje na neki sustav djeluju izvana, • unutarnje - sile međudjelovanja elemenata unutar nekog sustava, npr. naprezanje u materijalu. Masa i inercija su usko povezane jer je masa zapravo mjera inercije, a težina je mjera sile gravitacije koja djeluje na neko tijelo. Masa (m) iskazuje tromost (inerciju, ustrajnost) kojom se tijelo odupire promjeni gibanja te se naziva i troma masa. Težina je, dakle, sila i mjeri se jedinicom njutn (N). Međutim, u svakodnevnom se govoru pod izrazom „težina” često misli na masu, koja se iskazuje jedinicom kilogram (kg). Govoriti o težini kada je riječ o masi gruba je zabuna. Energija se često definira kao fizikalna veličina koja iskazuje sposobnost tijela ili sustava da obavlja rad. Energija se javlja u tri oblika: kao kinetička energija (energija gibanja), potencijalna energija (energija koja je posljedica međudjelovanja i ovisi o položaju tijela prema drugim tijelima) te energija mirovanja, koju posjeduje svako tijelo koje ima masu. Kinetička energija tijela je sposobnost tijela da može izvršiti rad zbog toga što ima određenu brzinu. Teorem o radu i kinetičkoj energiji: rad koji izvrši sila na tijelo jednak je promjeni kinetičke energije tijela. Snaga je po definiciji izvršeni rad u jedinici vremena ili promjena energije u jedinici vremena. 2.2 Metode prikupljanja i analize podataka Svako istraživanje u biomehanici zahtjeva upotrebu tehnologije. Međutim, svako mjerenje ima svoju proceduru, tako da, dok se koristimo se tehnologijom, treba imati na umu nekoliko važnih stvari poput: poznavanja mjernih instrumenata i aparature, prednosti i nedostataka jednog mjernog sistema u poređenju sa drugim, pravilno tumačenje dobivenih rezultata, pravilna primjena, itd.21 Prijašnje metode mjerenja i analize u biomehanici su razdvajale kinetička mjerenja, kinematička mjerenja, elektromiografiju, itd. Međutim, razvoj digitalne, analogne tehnologije i tehnologije uopće, je omogućio razne kombinacije mjerenja. Najčešće se kombinuju različiti mjerni instrumenti i metode, pa na primjer u toku jednog mjerenja možemo koristiti video kamere, platformu, markere i digitalne aparate. Prvobitne optičke metode su bile dio tzv. fotogrametrije u koju su spadale biostereometrija, hologrametrija, rendgenski snimci, itd. Dakle, ta prva moderna mjerenja su se oslanjala na svjetlost i sjene, a najpoznatija metoda iz prošlog stoljeća jeste Moirova topografija koja za 21
http://extra.shu.ac.uk/cpd/detail.php?cpd_id=343
11
rezultat linije i konture tijela poput reljefa.22
daje
Fig. 2.1 Neke od osnovnih komponenti koje laboratorij za biomehanička istraživanja treba imati.23
Postoji više načina prikupljanja i analize podataka: 1. Video analiza: a) dvodimenzionalna ili 2D b) trodimenzionalna ili 3D c) digitalna 2. 3D optička analiza: a) 3D u kontroliranim uvjetima b) Sistem od 2-12 kamera i infracrvenog svjetla 3. Analogna analiza: a) platforme b) EMG aparati c) integrirani podaci sa video ili 3D optičkom analizom 4. Segmentalna analiza: a) elektromiografija b) goniometri c) izokinetičke sprave
22 23
Shelton, J.C., Optical Measurement Methods in Biomechanics, Chapman & Hall, London, 1997. p. 45. http://www.me.toronto.edu/labs/cvdl/bioelasticity.html
12
Prije odabira metode prikupljanja i analize podataka potrebno je prepoznati i tačno procijeniti šta se želi mjeriti, i zbog čega a zatim pravilno odabrati vrstu analize. Za upravljanje aparaturom je potrebna stručna osoba. Dakle, potrebna je detaljna priprema prije observacije, kao i detaljna procjena i dijagnoza nakon observacije. Zadnja na redu je intervncija, gdje se stavlja naglasak na sveukupni proces observacije. 2.3 Video analiza
Fig 2.2 Primjer kombinovane metode biomehaničkog mjerenja: kamere, platforme i markeri.24
Fig 2.3 Video analiza skoka u dalj25 24 25
http://hpc.ecu.edu.au/biomechanics.htm ftp://ftp.ncsu.edu/pub/ncsu/beichner/RB/VideoEffect.pdf
13
Jedna od najvećih prednosti analize jeste snimak može pogledati i pustiti usporen, tako najmanji može uočiti. 2.4 i 2.5
video da se ponovo da se i detalj Na fig vidimo
komparativnu analizu profesionalca i rekreativca. Razlike u izvođenju udarca su jasno vidljive.
Fig. 2.4 Video analiza zamaha u golfu26
26
www.foreonfour.com/ videoAnalysis.htm
14
Fig. 2.5 Uporedna video analiza, jasno se vidi gdje je napravljena greška
Fig. 2.6 sekvenca zapisa, kvadrat u ovom slučaju to glavom
nastala od video pokazuje grešku, je previše pokreta Fig 2.7 Skijaški
slalom27
Video analiza se najčešće koristi kod razlaganja neke sportske tehnike na dijelove, tako da se elementi koji izgledaju komplikovano mogu zapravo vrlo jednostavno prikazati i lakše shvatiti kada su 27
http;//www.foreonfour.com/ videoAnalysis.html
15
razloženi na dijelove. Sportaši mogu na brz i jednostavan način shvatiti šta se od njih traži, gdje griješe i šta trebaju
poboljšati.Ova vrsta analize je odličan izbor ako želimo analizirati pokrete koji se izvode velikom brzinom. Međutim, prije samog početka mjerenja treba odlučiti da li je potrebna dvodimenzionalna ili trodimenzionalna video analiza. Dvodimenzionalna ili 2D analiza je jednostavnija i jeftinija jer je potrebno manje kamera. Također je jednostavnija za digitalizaciju i prenos pokreta iz video koordinatnog sistema na koordinatni sistem u stvarnosti. Dvodimenzionalnom analizom ne možemo dobiti uvid u dubinu ali ipak možemo preračunati i prebaciti podatke iz koordinatnog sistema dobivene 2D analizom u koordinatni sistem 3D sistema.28 Prostih pokreta dijelova čovječijeg aparata za kretanje nema mnogo ali su zato kombinacije prostih pokreta mnogobrojne. Taj broj se izrazito povećava ukoliko se isti pokreti izvode različitim brzinama, uz različita mišićna naprezanja i u raznim spoljnim uslovima. Za svako složeno kretanje postoji određen polazni položaj, naizgled vrlo jednostavan. Pošto često od polaznog položaja zavisi hoće li biti kretanje koje slijedi izvršeno na najbolji način, neophodno je svaki polazni položaj podvrgnuti biomehaničkoj analizi. I prilikom analize polaznih položaja uzimaju se u obzir individualne odlike organizma koji treba da izvrši određeno kretanje.
2.4 3D optička analiza
28
http://www.ndigital.com/lifesciences/biomechanicsresearch.php
16
Fig. 2.7 Sistem kamera postavljenih u krug tzv. Kružni tok kamera29
Fig 2.8 Digitalna oprema tzv. akvizicija signala kojeg šalje video kamera30
Trodimenzionalna ili 3D analiza je jedna od najskupljih ali i najboljih. Najčešće se koristi sistem od dvanaest (pa i više) kamera, koje mogu biti poredane u liniji jedna do druge ili mogu biti postavljene u krug. Prednost postavljanja kamera u krug jeste da možemo snimiti pokret iz svih uglova. Ova vrsta analize je pogodna za snimanje brzih i kompleksnih kretnji. Postavljanem većeg broja referentnih tačaka na tijelo (markera) dobija se kompletnija slika pokreta, tako da je 3D analiza najpogodnija za mjerenje kinematičkih signala.
29 30
http://www.kin.hs.iastate.edu/research/labs/biomechanics_lab_files/camera_ring.jpg http://flickr.com/photos/acroamatic/488288465/
17
Fig 2.9 Prikaz 16 segmenata pri izvođenju karate udarca
Fig 2.10 Primjer laboratorije sa infracrvenim kamerama31
Fig. 2.11 Oprema potebna za optičku analizu32
2.5 Analogna analiza 31 32
http;//www.foreonfour.com/ videoAnalysis.html http://www.codamotion.com/ergonomics-advantages-and-capabilities.html
18
Fig. 2.12 Platforme33
Fig. 2.13 Prikaz analogne analize, u istom trenutku vidimo segmente, EMG signal i signale sa platformi34
Analogna analiza je veoma interesantna jer u isto vrijeme možemo mjeriti kinematiku, djelujuće sile i elektromiografske signale. Analogna anliza sinhronizuje te elemente u 33 34
http://www.kistler.com/US_en-us/61_Biomechanics_Diagnostics/Sports-and-performance-diagnostics.html http://www.ndigital.com/lifesciences/biomechanicsresearch.php
19
vremenu i prostoru. Međutim, ova analiza je jako osjetljiva i podložna greškama pri mjerenju. Malo odstupanje od koordinatnog sistema platforme ili drugog instrumenta dovodi do velikih grešaka u kalkulaciji jačine sila.
Fig 2.14 Oprema: platforma, kabal za povezivanje, mjerač, laptop35
U analognoj analizi se najčešće koriste platforme koje se mogu ugraditi u teren ili stazu. Platforma funkcioniše tako što mjeri silu koja djeluje na nju tj. hod, trčanje, skok itd. Uz platformu se koriste i markeri koji na jednostavan način šalju signale o pojedinim segmentima ili o čitavom tijelu, u zavisnosti od istraživanja. Aparatura potrebna za analognu analizu spada među jeftiniju. Mjerenje na ovaj način ne mora nužno biti u laboratoriji, već se oprema može namontirati i na vanjskom terenu. Takav način rada dozvoljava određenu dozu kreativnosti.
Fig. 2.15 Hod sa teretom preko platforme sa markerima36 Fig 2.16 posebno dizajnirana pokretna traka
2.6 Segmentalna analiza
35
36
http://www.kistler.com/US_en-us/61_Biomechanics_Diagnostics/Sports-and-performance-diagnostics.html http://www.balancephysio.com/whatwedo/134/biomechanical-assessments
20
Za segmentalnu analizu su potrebni markeri i kamere, tako da je ova vrsta analize među najjednostavnijima. Segmentalna analiza koristi razne markere poput goniometara i torzometara te elektrode koje su bitne za elektromiografiju. Moguće je upotrebom platforme kombinovati analognu i segmentalnu analizu. Segmentalnom analizom se najčešće analizira ljudski hod, tako da se poseban naglasak stavlja na donje ekstremitete i donji dio leđa i abdomen. Segmentalna analiza je jako zastupljena u atletici, upravo zbog lakoće i jednostavnosti dobivanja podataka o radu nogu. Ova analiza se koristi i kod rehabilitacije, jer može pronaći najbrži način ka oporavku od povrede.
Fig 2.17 Oprema za segmentalnu analizu37
U svakodnevnom životu jedan čovjek ustane i sjedne bezbroj puta i ne razmišljajući o tome. Dok je u sjedećem položaju, ljudsko tijelo se umara, a na žalost današnji način života uvjetuje razne situacije u kojima čovjek najviše vremena provede sjdeći.
Fig. 2.18 Pet faza pokreta koje napravi tijelo od sjedeće pozicije do stajanja
37
http://www.kaunasatc.lt/images/foto/Biomechanics3.jpg
21
Fig. 2.18 Oprema za segmentalnu analizu, svijetleći markeri, tri kamere i računar.38
Fig. 2.19 Segmentana analiza spada među najlakše provodljive analize.
Fig. 2.20 čovjek-šibica je najjednostavniji prikaz povezanosti segmenata ljudskog tijela.39
38
http://www.vicon.com/applications/biomechanical.htm
39
http://www.ndigital.com/lifesciences/biomechanicsresearch.php
22
Fig 2.21 Analiza sila koje djeluju na ruke i noge dok je tijelo u sjedećem položaju, evidentno je da gravitaciona sila djeluje najjače na stopala.
Fig. 2.22 Različiti položaji nogu prilikom sjedenja. Markeri bilježe svaku promjenu u mišićima.
Elektromiografija je tehnika snimanja promjena u električnom potencijalu mišića, dok je mišić u kontrakciji koju izaziva nervni impuls. Elektromiografija je jedina objektivna metoda procjene mišićne aktivnosti. Ova metoda dozvoljava biomehaničarima da prate promjene u mišićne aktivnosti tokom treninga ili tokom izvođenja karakteristične tehnike. Danas postoje i elektrode koje se prekrivaju vodootpornim trakama, koje proouštaju električni signal, pa tako je elektromiografija pogodna za izučavanje promjena koje se dešavaju u vodi. Međutim, kod ove vrste analize treba obratiti pažnju na unutrašje faktore koji utječu na samo mjerenje, a to su fiziološki i anatomski faktori.40 Za razliku od unutrašnjih faktora, vanjski faktori se, poput postavljanja elektroda itd, mogu kontrolisati.
40
Bartlett, Roger: Introduction to Sports Biomechanics, Routledge, USA & Canada, 2007. p. 259.
23
Fig. 2. 23 Elektrode za mjerenje mišićne aktivnosti pod vodom
Fig 2.24 Goniometri
Goniometri su instrumenti koji mjere određeni ugao kretanja odnosno pokretljivost zglobova ekstremiteta, pa se zato najviše koriste kod mjerenja sila u šakama i stopalima, jer prate sve promjene koje se dešavaju i u mišićima i u zglobovima. Goniometri su posebno pogodni za ramena, kukove i vrat. Izokinetičku kontrakciju mišića karakteriše konstantna brzina kontrakcije, te mišić razvija snagu jednako tokom cijelog pokreta. Izokinetička oprema je jako skupa, ali je najbolja kada je u pitanju razvijanje mišićne snage. Takva oprema se koristi prilikom fizikanih tretmana, i važno je napomenuti da se izokinetička kontrakcija ne javlja u mišićima bez upotrebe izokinetičkog dinamometra.41 Izokinetička oprema je najbolji način mjerenja sila kojima sportista djeluje na okolinu.
41
http://www.pt.ntu.edu.tw/hmchai/Kinesiology/KINmotion/Musculature.htm
24
Fig 2.25
Fig 2.26
Na fig. 2.25 i fig. 2.26 vidimo primjer izokinetičke opreme, u ovom slučaju radi se o mjerenju sila donjih ekstremiteta.42
Fig 2.27 pojednostavljena šema kako radi izokinetička sprava.43
42
http://www.laboratorium.dist.unige.it/~piero/Teaching/Gait http://www.me.toronto.edu/labs/cvdl/bioelasticity.html
43
25
3. ZAKLJUČAK Mehanika posmatra tijelo svakog živog bića kao i ostala materijalna tijela koja podliježu utjecaju svih sila koje vladaju u sredini, u kojoj se to tijelo nalazi. Kako se radi o uslovima kretanja ili mirovanja živog organizma, odnosno tijela koje poseduje vlastitu pokretačku sposobnost, neophodno je uzeti u obzir i one elemente koji predstavljaju osnovnu karakteristiku žive prirode. Potreba da se ispituju zakoni relativnog kretanja i mirovanja živih organizama uslovila je formiranje jedne nove nauke, koja svojim sadržajem sjedinjuje mehaniku i anatomiju, i koja je našla svoj izraz pod pojmom biomehanika. Analiza uslova kretanja ili mirovanja živih tijela je daleko složenija, nego analiza uslova kretanja odnosno mirovanja neživih tijela. Ova analiza je tim složenija, što je aparat za kretanje aktuelnog živog organizma složeniji. Aparat za kretanje složenog živog organizma se može predstaviti kao sistem poluga. Svaka poluga u određenom sistemu ima svoje mijesto i određenu ulogu. Dio aprata za kretanje, koji se mehanički može tretirati kao poluga, ne može proizvoljno da se premjesti u datom sistemu poluga, niti može da se produži ili skrati, ni da se ojača ili oslabi. Time se bilo koji pokret u tom sistemu usložnjava. Svaki pokret živog organizma se još više usložnjava i činjenicom da u osnovi kretanje sistema izazivaju sile mišića, tzv. unutrašnje sile, koje u raznim smerovima dejstvuju različitim intenzitetom, čiji se intenzitet ne može proizvoljno povećavati i koje su vezane za određeni deo tela tako da se ne mogu proizvoljno premeštati. Na osnovu navedenog se može zaključiti da se najkorisniji pokret može odrediti tek ako se poznaje materijal, odnosno aparat za kretanje, pa se na tako specifičan sistem primjene zakoni mehanike. Organska potreba za kretanjem, toliko karakteristična za živa bića, najčešće se izražava u dinamičkoj manifestaciji pokreta. Moglo bi se reći da potreba za kretanjem nije vezana samo za čovečiju svest, tj. da se čovek kreće samo onda kada to želi. Ponavljanjem pokreta poboljšava se motorika, što se dalje korelativno odražava na svijest, a poboljšano stanje svijesti u tom smislu omogućava usvajanje navika na još složenija kretanja. Da bi početnik mogao formirati navike na određeno složeno kretanje, on mora to kretanje razložiti na dijelove. Ti dijelovi kretanja su tzv. „organske cjeline” koje nisu isti prostorni dijelovi ili vremenski periodi, nego predstavljaju gotovo samostalno kretanje, sa svojim početkom, trajanjem i završetkom. Da bi se jedno složeno kretanje moglo savladati, često je potrebno obučavati ga analitičkim metodom. Da bi se mogli formirati određeni stepeni u metodu obučavanja potrebno je jedno kretanje ne proizvoljno „isprekdati” nego razložiti na organske cjeline, što se može izvršiti poznavanjem primenjene mehanike na ljudski aparat za kretanje, poznavanjem biomehanike. Također se na bazi poznavanja biomehanike može konstruisati za datu psihofizičku konstituciju najracionalnije složeno kretanje za izvršavanje posebnog zadatka, bez obzira da li je zadatak iz oblasti fizičkog vaspitanja, proizvodnog rada, vojno-odbrambene oblasti, u uslovima bestežinskog stanja i sl.44 Iz navedenih razloga bilo bi pogrešno odvajati teoretičare od metodičara. Naime, svaki metodičar bi pokazao vrlo loše rezultate u praksi ukoliko svoja uputstva ne bi zasnivao na poznavanju biomehaničkih zakonitosti. To je razlog što je za nastavnika fizičkog vaspitanja u školama neophodno poznavanje biomehanike. Nastavnik tjelesnog vaspitanja, koji ne poznaje biomehaničke zakonitosti, ne može da utječe na pravilan razvoj aparata za kretanje ljudskog, naročito dječijeg, organizma u smislu poboljšanja stanja aparata za kretanje. Poznavanjem biomehaničkih zakonitosti uvek se mogu odrediti uzroci 44
Opavski, Pavle: Osnovi Biomehanike, Naučna knjiga, Beograd, 1976.
26
nastajanja određenog deformiteta, a isto tako i odrediti put ka indiciranim pokretima za korekturu. Modernizacijom proizvodnje postavljaju se zahtjevi da se za najkraće vreme, sa najmanjim utroškom energije bude što produktivniji. Osnovni uslov da bi se to postiglo predstavljaju moderne konstrukcije mašina koje su jače, rade brže i nepogrešivo u odnosu na čoveka. Ipak je u proizvodnji čovek ostao najznačajniji faktor. Čovek je taj koji upravlja, čiji pokreti postaju sve složeniji što su mašine kojima upravlja složenije. Iako u dobu brzog razvoja informatike, novih tehnologija, u proizvodnji se pomno studiraju svi pokreti koje treba da izvrši čovek prilikom upravljanja mašinama, pomno se studira razmeštaj komandnih elemenata kako bi se njima lakše i određenim redosljedom upravljalo itd. I u tom domenu može biomehanika da da svoj doprinos. Biomehanika je u današnjem svijetu našla široku primjenu. Od istraživanja granica ljudskog krteanja pa do rehabilitacije, biomehanika je pravi primjer interdisciplinarne nauke.
4. BIBLIOGRAFIJA 27
Knjige: 1.
2. 3. 4.
5. 6. 7. 8.
McGinnis, Peter Merton: Biomechanics of Sport and Exercise, Human Kinetics, United States of America, 2005. Tӧzeren, Aydin: Human Body Dynamics: Classical Mechanics and Human Movement, Springer-Verlag, New York, 2000. Hay, G. James: The Biomechanics of Sports Techniques, Pearson Education, 1995. McPherson, Moira: Biomechanics 2015 ppt, section 1:1, School of Kinesiology Fichtelman, John, The Fluid Mechanics abstract, Freshmen learning Center, Florida, 2000. Shelton, J.C.: Optical Measurement Methods in Biomechanics, Chapman & Hall, London, 1997. Bartlett, Roger: Introduction to Sports Biomechanics, Routledge, USA & Canada, 2007. Opavski, Pavle: Osnovi Biomehanike, Naučna knjiga, Beograd, 1976.
Internet: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.
http://www.brianmac.co.uk/biomechanics.htm http://www.asbweb.org/html/history_mission/genealogy/genealogy.htm http://www.asbweb.org/html/history_mission/genealogy/genealogy.htm http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/imgmec/uni4.gif http://flickr.com/photos/acroamatic/488288465/ http://www.balancephysio.com/whatwedo/134/biomechanical-assessments http://hpc.ecu.edu.au/biomechanics.htm http://www.vicon.com/applications/biomechanical.html http://www.kistler.com/US_en-us/61_Biomechanics_Diagnostics/Sports-andperformance-diagnostics.html http://www.kin.hs.iastate.edu/research/labs/biomechanics_lab_files/camera_ring.jpg http://www.kaunasatc.lt http://www.africaninspace.com/home/gallery/science/11.shtml http://www.soe.uoguelph.ca/webfiles/mleuniss/Biomechanics/biomechanics_page_3.h tm http://www.laboratorium.dist.unige.it/~piero/Teaching/Gait http://www.me.toronto.edu/labs/cvdl/bioelasticity.html http;//www.foreonfour.com/ videoAnalysis.html http://www.ndigital.com/lifesciences/biomechanicsresearch.php http://www.codamotion.com/ergonomics-advantages-and-capabilities.html http://www.pt.ntu.edu.tw/hmchai/Kinesiology/KINmotion/Musculature.htm
28
