Introduzione alla biomeccanica umana – Forze esterne

Introduzione(edit | edit source)

Il corpo umano è capace di produrre un’ampia varietà di posture e movimenti, permettendoci di spostarci da un luogo all’altro. Questa funzione locomotoria dipende dal sistema muscolo-scheletrico, che sostiene i carichi corporei e determina il movimento dei segmenti corporei..⁽¹⁾ Questa funzione è regolata dai principi della biomeccanica umana.

La biomeccanica è considerata uno dei principi fondamentali nella pratica fisioterapica e costituisce la base per una gestione ottimale delle lesioni o delle condizioni correlate al movimento. Le principali applicazioni della biomeccanica sono: migliorare la performance del movimento, ridurre le limitazioni del movimento e guidare l’intervento nelle lesioni o nelle condizioni correlate al movimento.⁽²⁾

I principi biomeccanici vengono applicati in una serie di ambiti clinici, inclusi gli esercizi terapeutici, come i programmi per il range del movimento e il rinforzo, la formazione ergonomica e la prescrizione di dispositivi ortopedici, come ausili avanzati per la deambulazione..^(3)(4)(5)

Come si risolvono i problemi di biomeccanica?(modifica|modifica sorgente)

La biomeccanica fornisce strumenti per analizzare il movimento umano al fine di migliorarne l’efficacia o diminuire il rischio di lesioni. L’approccio all’analisi del movimento si colloca lungo un continuum tra analisi qualitativa e quantitativa.

L’analisi quantitativa implica la misurazione delle variabili biomeccaniche. Anche movimenti brevi generano migliaia di campioni di dati che devono essere raccolti, scalati ed elaborati numericamente, il che richiede tipicamente un’analisi computerizzata.

Knudson e Morrison definiscono l’analisi qualitativa come l’“osservazione sistematica e il giudizio introspettivo della qualità del movimento umano allo scopo di fornire l’intervento più appropriato per migliorare la performance”.⁽⁶⁾

Terminologia di base della biomeccanica(modifica|modifica sorgente)

La meccanica è la branca della scienza che si occupa delle forze e dei loro effetti. Quando questi principi vengono applicati ai sistemi biologici, il campo è conosciuto come biomeccanica. La biomeccanica umana si concentra specificamente su come le forze agiscono sul sistema muscolo-scheletrico e su come i tessuti corporei rispondono a queste forze.⁽⁷⁾

La biomeccanica può essere divisa in due categorie sulla base dell’origine delle forze coinvolte: biomeccanica esterna e interna.⁽⁸⁾

La biomeccanica esterna descrive le forze provenienti dall’esterno del corpo che agiscono sui segmenti corporei e il loro effetto sul movimento.⁽⁸⁾

La biomeccanica interna descrive le forze generate dai tessuti propri del corpo stesso e il loro effetto sul movimento,⁽⁸⁾ comprese “le forze muscolari e le forze presenti nelle ossa e nelle articolazioni che derivano dalla trasmissione delle forze muscolari attraverso lo scheletro”.⁽⁹⁾

Forze esterne (biomeccanica esterna)(modifica|modifica sorgente)

Domini della meccanica(modifica|modifica sorgente)

Esistono due domini della meccanica (biomeccanica):

• Statica: l’analisi dei corpi a riposo o in movimento uniforme.
• Dinamica: lo studio delle condizioni nelle quali un oggetto si muove.⁽¹⁾

La dinamica può essere ulteriormente suddivisa in cinematica e cinetica.

• La cinetica si occupa del movimento del corpo e delle forze che lo determinano.⁽¹⁾
• La cinematica descrive il movimento del corpo senza considerare le forze che lo determinano.

Variabili cinematiche(modifica|modifica sorgente)

Nella cinematica, ci sono cinque variabili da considerare: il tipo di movimento o spostamento, la sua posizione, direzione, intensità e velocità.⁽¹⁾

1. Tipo di movimento

Il movimento umano è descritto come movimento generale, una combinazione complessa di componenti lineari e angolari.⁽¹⁰⁾ La maggior parte delle volte, il movimento umano viene analizzato come movimento lineare o angolare, poiché questi due tipi di movimento sono considerati movimenti “puri”.

• l movimento lineare (o movimento traslatorio o traslazionale) si verifica quando tutte le parti del corpo si muovono nella stessa direzione e alla stessa velocità. Se questo avviene lungo una linea retta, viene definito movimento lineare o rettilineo. Se avviene lungo una traiettoria curva, viene chiamato movimento curvilineo.^{(10) (9)}
• Il movimento angolare è la rotazione attorno a una linea centrale immaginaria conosciuta come asse di rotazione.⁽¹⁰⁾

Il movimento lineare puro è raro nel movimento umano.. Durante la deambulazione, la corsa e il nuoto, l’orientamento dei segmenti corporei l’uno rispetto all’altro cambia continuamente.⁽⁹⁾ Brevi momenti di movimento lineare quasi puro possono verificarsi in attività come il pattinaggio e il salto con gli sci.⁽⁹⁾

Il movimento di un corpo multisegmentario come il corpo umano, che implica un movimento lineare e angolare simultaneo, viene solitamente definito movimento generale.⁽⁹⁾ Nella pratica, la maggior parte dei movimenti dell’intero corpo viene descritta come movimento generale.

• Quando una persona cammina, la testa e il tronco si muovono in modo abbastanza lineare, mentre le braccia e le gambe si muovono simultaneamente con movimenti lineari e angolari mentre il corpo trasla in avanti.
• Durante il ciclismo, la testa, il tronco e le braccia si muovono in modo relativamente lineare, mentre le gambe si muovono simultaneamente con movimenti lineari e angolari.

⁽¹¹⁾

2. Ampiezza del movimento

L’ampiezza del movimento angolare può essere misurata in radianti o gradi usando un goniometro. Per il movimento lineare, la grandezza viene misurata dalla distanza lineare percorsa. Questa può essere valutata con strumenti di valutazione come il 6-minute walk test.⁽¹⁰⁾

3. Velocità del movimento(modifica|modifica sorgente)

La velocità del movimento viene misurata come rapidità o velocità. Un cambiamento nella velocità è conosciuto come accelerazione.⁽¹⁾

4. Posizione del movimento articolare nello spazio(modifica|modifica sorgente)

Il movimento articolare viene comunemente descritto utilizzando piani e assi anatomici. Un piano è una superficie piana immaginaria che attraversa il corpo. Un asse è una linea immaginaria attorno alla quale ruota un segmento del corpo.⁽¹⁾ Ci sono tre piani di movimento nel corpo:

• Il piano sagittale, con un asse medio-laterale (trasversale);
• Il piano frontale (coronale), con un asse antero-posteriore;
• Il piano trasversale, con un asse longitudinale.⁽¹⁾⁽⁷⁾

5. Direzione del movimento(modifica|modifica sorgente)

La direzione del movimento descrive come avviene il movimento lungo il piano e l’asse.⁽¹⁾

• Nel piano sagittale, il movimento che riduce l’angolo articolare è la flessione; quello che lo aumenta è l’estensione.⁽⁷⁾ Anche la flessione dorsale e la flessione plantare avvengono in questo piano. I movimenti agli estremi del range di movimento sono spesso preceduti dal prefisso “iper-” (ad esempio, iperestensione).
• Nel piano frontale, il movimento che si allontana dalla linea mediana è l’abduzione, mentre quello che si avvicina ad essa è l’adduzione. Anche l’eversione e l’inversione avvengono nel piano frontale.
• I movimenti più comuni nel piano trasversale comprendono la rotazione interna ed esterna e la pronazione e supinazione.⁽¹⁰⁾

Vengono utilizzati ulteriori termini direzionali per descrivere la posizione di un segmento corporeo rispetto alla posizione anatomica:

• Superiore si riferisce a una posizione verso la testa; inferiore verso i piedi.
• Anteriore si riferisce alla parte anteriore del corpo; posteriore alla parte posteriore.
• Mediale si riferisce a una posizione verso la linea mediana; laterale lontano da essa.⁽⁷⁾

Catena cinetica(modifica|modifica sorgente)

La catena cinetica (detta anche catena cinematica) descrive il modo in cui le articolazioni e i segmenti sono collegati tra loro. Una catena cinetica può essere aperta o chiusa.

1. In una catena cinetica aperta (OKC), un’articolazione può muoversi indipendentemente dalle altre articolazioni della catena.^(1)(12)
2. In una catena cinetica chiusa (CKC), il movimento di un’articolazione determina il movimento delle altre articolazioni della catena.

La distinzione tra catene cinetiche aperte e chiuse è clinicamente rilevante quando si pianificano esercizi con carico e senza carico del peso corporeo e quando si prendono di mira una o più articolazioni.⁽¹⁾

Le catene cinetiche dell’arto superiore e inferiore implicano una sequenza di movimento integrata che, quando compromessa, può portare a dolore e/o lesioni.^{(12)(13) (14)}

Per esempio, problemi a livello dell’articolazione gleno-omerale possono essere causati da problemi nei collegamenti precedenti della catena cinetica, come il cingolo scapolare e il tronco.^(14)(15)(16) Nella gestione di una disfunzione della spalla, i professionisti clinici dovrebbero quindi mirare a ripristinare tutti i deficit della catena cinetica, compresi quelli della colonna toracica e della scapola.^(17)(18)(19)

Le forze nel movimento umano(modifica|modifica sorgente)

La forza è un modo semplice per rappresentare il carico in biomeccanica e può essere definita come l’azione di un oggetto su un altro.⁽²⁰⁾ La forza può essere esterna o interna.

• Le forze esterne sono spinte o trazioni esercitate sul corpo da fonti esterne ad esso.
• Le forze interne sono generate dal corpo stesso e agiscono sulle strutture del corpo stesso.^(21)(22)

Le forze possono modificare la forma e lo stato di movimento di un oggetto. Sono caratterizzate dalla loro grandezza, direzione e punto di applicazione, che insieme determinano l’effetto della forza su un oggetto.⁽²¹⁾ Quando più forze agiscono su un oggetto, possono essere risolte in un’unica forza “risultante” che ha lo stesso effetto di tutte le altre forze che agiscono insieme. Questo processo è conosciuto come composizione delle forze.⁽²¹⁾

Esistono tre regole principali delle forze:⁽²¹⁾

1. Una forza che agisce su un segmento deve provenire da qualcosa.
2. Qualsiasi cosa che entra in contatto con un segmento deve creare una forza su quel segmento.
3. Si considera che la gravità abbia un effetto di forza su tutti gli oggetti.

Leggi del moto di Newton(modifica|modifica sorgente)

Le leggi di Newton descrivono la relazione tra forza e movimento.

1. Prima legge del moto di Newton (Legge dell’inerzia)

L’inerzia è la resistenza di un corpo ai cambiamenti del suo stato di movimento. La prima legge afferma che un oggetto rimarrà a riposo o in movimento uniforme a meno che non agisca su di esso una forza netta non equilibrata. Maggiore è la massa di un oggetto, maggiore è la forza necessaria per muoverlo.⁽²¹⁾ Ciò significa che è necessario un cambiamento nella forza risultante per creare un cambiamento nel movimento.⁽²³⁾

Esempi:

• Spostare in carrozzina una persona con una maggiore massa corporea richiede più forza rispetto a spostare una persona più leggera.⁽²¹⁾
• Quando un calciatore calcia un pallone, il calcio modifica la forza risultante sul pallone, facendolo muovere.⁽²³⁾
• Un passeggero in un’auto si muove alla stessa velocità dell’auto. Se l’auto frena improvvisamente e il passeggero non indossa la cintura di sicurezza, continuerà a muoversi in avanti alla velocità originale dell’auto.⁽²³⁾
• Per sollevare un oggetto pesante, una persona deve produrre una forza verso l’alto maggiore del peso dell’oggetto, altrimenti esso non si muoverà.⁽²³⁾

La prima legge è inoltre alla base dell’analisi statica, un metodo ingegneristico per analizzare forze e momenti quando gli oggetti interagiscono.⁽²⁰⁾ In biomeccanica, questa viene applicata per stimare le forze muscolari sconosciute e le forze di reazione articolare nel sistema muscolo-scheletrico.

2. Seconda legge del moto di Newton (Principio impulso–quantità di moto)

La seconda legge di Newton afferma che una forza netta che agisce su un oggetto modificherà la sua quantità di moto, facendolo accelerare o decelerare.⁽²⁰⁾ Questo principio ha ampie applicazioni nello sport, dove la performance dipende spesso da quanta forza può essere applicata e per quanto tempo. Per esempio, nel lancio del peso, l’attenzione è rivolta all’applicazione della forza per una durata maggiore al fine di massimizzare la distanza.⁽²³⁾

3. Terza legge di Newton (Azione-Reazione)

La terza legge di Newton afferma che per ogni azione esiste una reazione uguale e contraria. Per esempio, un atleta può correre più velocemente su una superficie di cemento che sulla sabbia, perché la superficie rigida restituisce maggiori forze di reazione al suolo per spingere il corpo in avanti.⁽²⁰⁾

Forza di contatto(modifica|modifica sorgente)

Le forze di contatto si verificano quando due oggetti sono fisicamente a contatto tra loro. Le forze tra di essi possono essere risolte in due componenti.

• Forza normale: la forza è perpendicolare alla superficie di contatto.
• Attrito: la forza agisce parallelamente alla superficie di contatto.

La comprensione delle forze di contatto è essenziale in applicazioni come la progettazione delle calzature sportive, dove le proprietà di attrito sono progettate per migliorare le forze di reazione al suolo.⁽⁷⁾

Momento della forza o momento meccanico (torque)(modifica|modifica sorgente)

Il momento della forza, o momento meccanico (torque), è una forza che fa ruotare un oggetto. È il prodotto della forza per la distanza perpendicolare dalla linea d’azione della forza all’asse di rotazione. Questo concetto è clinicamente rilevante perché momenti di forza adeguati sono necessari affinché i muscoli funzionino efficacemente durante il carico. Per esempio, la rotula aumenta il braccio del momento del quadricipite attorno all’asse di rotazione del ginocchio, migliorando l’efficienza dell’estensione del ginocchio durante il carico.⁽⁷⁾

Macchine semplici(modifica|modifica sorgente)

Una macchina converte l’energia da una forma a un’altra compiendo lavoro (cioè generando movimento).⁽⁷⁾ Il sistema muscolo-scheletrico è un insieme di macchine semplici che lavorano insieme per sostenere i carichi e generare movimento.

Esistono tre macchine semplici nel sistema muscoloscheletrico umano: la leva, la ruota e asse e la puleggia. Queste svolgono tre funzioni: amplificare la forza, amplificare il movimento e cambiare la direzione della forza applicata. Tuttavia, la maggior parte delle macchine semplici nel sistema muscolo-scheletrico è progettata per amplificare il movimento piuttosto che la forza.⁽⁷⁾

Sistema a leva(modifica|modifica sorgente)

Quando un muscolo sviluppa tensione, tira sull’osso per sostenere un carico o muovere un segmento corporeo contro una resistenza.⁽⁷⁾⁽⁸⁾ Il muscolo e l’osso funzionano meccanicamente come una leva.

• Una leva è qualsiasi segmento rigido che ruota attorno a un fulcro.
• Un fulcro è un punto di supporto, o asse, attorno al quale ruota una leva.
• Un sistema a leva esiste quando due forze producono momenti opposti.
• La forza di sforzo (EF) è la forza che produce il momento risultante.
• La forza di resistenza (RF) è la forza che crea il momento opposto.

Le leve sono classificate come di primo, secondo o terzo genere, in base alla disposizione del fulcro, dello sforzo e della resistenza. Le leve di terzo genere sono le più comuni nel corpo umano, perché i muscoli generalmente si inseriscono vicino all’articolazione. Ciò pone lo sforzo tra il fulcro e la resistenza.(25) Questa disposizione favorisce la velocità e il range di movimento a scapito della forza.^(7)(26)

Ruota e asse(modifica|modifica sorgente)

Nel sistema muscolo-scheletrico, le disposizioni di ruota e asse amplificano sia la forza sia il movimento. Un esempio è la rotazione mediale e laterale a livello dell’articolazione della spalla. Lo stesso concetto viene applicato nella progettazione delle carrozzine e nella propulsione manuale.^(27)(28)(29)

Puleggia(edit | edit source)

La puleggia anatomica è una forma modificata di ruota e asse. La sua funzione principale è reindirizzare una forza per rendere un compito più facile. Nel movimento umano, il “compito” consiste nel ruotare un segmento corporeo. Le pulegge anatomiche raggiungono questo obiettivo deviando la linea d’azione del muscolo lontano dall’asse articolare, aumentando così il vantaggio meccanico del muscolo. Il vantaggio meccanico (MA) è una misura dell’efficienza meccanica di una leva e riflette la relazione tra la forza di sforzo e la forza di resistenza.⁽⁷⁾⁽⁸⁾

Esistono quattro classi di pulegge anatomiche che possono essere di interesse per i fisioterapisti:⁽⁷⁾

• Classe I: una struttura esterna agisce come una puleggia per migliorare l’azione muscolare. Per esempio, la rotula agisce come una puleggia per migliorare la funzione del quadricipite.
• Classe II: la puleggia è formata da osso, cartilagine e tendine. Per esempio, il malleolo laterale del perone agisce come una puleggia per il muscolo peroneo lungo.
• Classe III: un’articolazione agisce come una puleggia. Per esempio, gli epicondili femorali forniscono al tendine del gracile un angolo di inserzione favorevole sulla tibia.
• Classe IV: un muscolo agisce come una puleggia.

Conclusione(edit | edit source)

I concetti cinetici e cinematici discussi in questa pagina sono fondamentali per comprendere il movimento umano e gli effetti della forza sui segmenti corporei. Quando si progettano dispositivi di supporto e adattivi, è importante considerare i principi biomeccanici della forza, dell’attrito e delle macchine semplici per garantire che il dispositivo favorisca o migliori il movimento umano.

Citazioni(edit | edit source)