Biomekanikk

Den Biomekanikk (fra gammelgresk βίος 'liv' og μηχανική τέχνη , mekanikk ) er en tverrfaglig vitenskap som den bevegelsesapparatet av biologiske systemer og produsert med ham flytter bruke begreper, metoder og lover mekanikk , anatomi og fysiologi beskriver forsket og dømt . I denne forstand er biomekanikk et underområde av bevegelsesvitenskap og idrettsvitenskap .

Biomekanikk bygger på kunnskap om fysikk, matematikk, kjemi, biologi, anatomi , fysiologi og nevrofysiologi . Et bredt spekter av bevegelser undersøkes, med utgangspunkt i grunnleggende forskning (for eksempel å skape en muskelsammentrekning) på menneskets gangart , fra enkle bevegelser fra en arbeider til komplekse bevegelser i konkurransesport. En rekke metoder brukes, for eksempel forskjellige typer kraftmåling, filmatiske prosesser som bevegelsesfangst , måling av muskelaktivitet ( elektromyografi ) og datasimulering. Bruksområder er, i tillegg til konkurransedyktig, populær, helsesport og helsefremmende handling, rehabilitering med underområdene ortopedi og nevrofysiologi eller testing av sportsutstyr.

historie

Selv i gamle tider var noen forskere opptatt av biomekanikk. Aristoteles observerte atleterne gjorde langhopp på de olympiske leker og fant ut at de fortsatte å hoppe med manualer i hendene. Fra da av behandlet han også sammenhengen mellom fysikk og levende gjenstander. I sitt arbeid De motu Animalium, for eksempel, undersøkte han den bevegelse av dyr.

I løpet av renessansen undersøkte blant annet Leonardo da Vinci og Andreas Vesalius funksjonelle aspekter av bevegelsesapparatet. Da Vincis studie av kroppsforhold , Vitruvian Man, dateres tilbake til 1490 . Da Vinci ønsket også å bli kjent med "menneskets innside" nøyaktig, for hvilket formål han sies å ha dissekert mer enn 30 lik. Han prøvde også å bygge en flygende maskin for mennesker og tenkte derfor på hvordan muskelstyrken til mennesker kan brukes optimalt. Han fant ut at den effektive kraften kan økes ved hjelp av en spakmekanisme . Fysikeren og matematikeren Giovanni Alfonso Borelli utviklet mekaniske modellhensyn for den statiske balansen og bevegelsene til mennesker og dyr, med tanke på de aktive og passive egenskapene til musklene . I sin bok De motu animalium , publisert posthumt i Roma i 1680 , forklarer han de fysiologiske prosessene i den levende organismen i henhold til lovene om statikk og hydraulikk ved å sammenligne menneskekroppen med en enkel maskin . Han prøvde å finne tyngdepunktet til menneskekroppen så presist som mulig. Borelli viste stor interesse for sammenhengen mellom muskelforkortelse og innsats, så vel som den optimale angrepsvinkelen til styrken.

Basert på funnene til fysikerne Isaac Newton og Galileo Galilei, så vel som matematikerne Joseph-Louis Lagrange , Bernoulli , Leonhard Euler og Young , ble de mekaniske modellene og metodene som grunnlag for dagens biomekanikk raffinert i det 18. og 19. århundre. I 1836 publiserte brødrene Wilhelm og Eduard Weber en detaljert studie av menneskelig vandring under tittelen Mechanics of Human Walking Tools .

Studien av det menneskelige tyngdepunktet ble videreført av Braune og Fischer rundt 1890 , som begge gjorde banebrytende arbeid innen biomekanikk. De undersøkte hvor tyngdepunktet til en tysk infanterist med utstyr var. Den vitenskapelige betydningen av hennes arbeid lå i inkluderingen av fysikk og matematikk i fysiologien til det menneskelige muskel- og skjelettsystemet, spesielt i analysen av menneskets gangart. De spilte også en viktig rolle i utviklingen av moderne biofysikk .

Den engelske fotografen Eadweard Muybridge gjorde et betydelig skritt i kinematikkens historie med sine kvalitative undersøkelser. I 1872 ble han ansatt av Leland Stanford for å bestemme den eksakte benposisjonen til en galopperende hest. Med dette grunnla han seriefotografering med komplekse strukturer, bestående av 12, 24 og til slutt 36 påfølgende kameraer . For første gang ble det gitt synlige bevis for at alle fire ben av en galopperende hest er midlertidig i luften. I serien hans av travere og galopp berørte hestene individuelle trekkledninger som var strukket over veddeløpsbanen , som kort åpnet de elektrisk drevne høyhastighetsskodderne på kameraene plassert ved siden av hverandre . I 1879 oppfant Muybridge zoopraxiscope for presentasjonen av sine serieopptak, som syntetiserte bevegelsen fordelt på individuelle bilder som ligner på en film . I 1881 publiserte Muybridge sin berømte fotoserie under tittelen The attitudes of animals in motion i form av albumpapirutskrifter . Ved hjelp av samme teknikk var han den første som undersøkte menneskelige bevegelser som løping , hekk , stående langhopp eller trappetrinn.

I 1876 Étienne-Jules Marey brukes til kapillær elektro utviklet fire år tidligere av Gabriel Lippmann å registrere elektriske aktiviteten i hjertet . Dette var en viktig milepæl i historien om elektrokardiografi . Rundt 1880 utviklet han kronofotografi for å rekonstruere bevegelsessekvenser, tredimensjonale rekonstruksjoner var også mulig. Han brukte roterende fotografiske plater i et pistollignende kamera (1882), lysfølsomme papirstrimler eller celluloid (1888) og til slutt projeksjonsenheter (1893) og et 35 mm kamera (1899). Hans spørsmål knyttet til bevegelse av dyr (inkludert insekter , fugleflukt , hester og katter) og kroppsbevegelser. Marey så på kronofotografi som den perfekte anvendelsen av den grafiske metoden .

Den tyske kirurgen Julius Wolff rapporterte om innbyrdes forhold mellom form og funksjon av de enkelte vevene i organismen. Basert på observasjoner gjort i løpet av hans mange år som kirurg , postulerte han Wolffs lov (originaltittel 1892: Law of Transformation of Bones ), som beskriver forholdet mellom beingeometri og mekanisk påvirkning på beinet . For dette formål var han i nær kontakt med ledende forskere på sin tid. Karl Culmann , Wilhelm Roux , Christian Otto Mohr og Albert Hoffa støttet ham i å tolke og evaluere forskningen hans . Med sitt arbeid introduserte han mekanikk og dermed fysiske faktorer i evolusjonær biologi . Han så på arbeidet sitt som en utvidelse av Charles Darwins evolusjonsteori . Hans funn om at bein tilpasser seg endrede mekaniske forhold brukes i muskel- og skjelettforskning, ortopedi , traumakirurgi , rehabilitering , mechano og cellebiologi samt vevsteknikk .

I 1922 ble Archibald Vivian Hill tildelt den Nobelprisen i medisin for sitt arbeid med utvikling av varme i muskelsammentrekninger . Han utførte Borellis tilnærming og demonstrerte at frekvensen av muskelforkortelse avhenger av mekanisk stress . Den nåværende vitenskapelige status er det kryss-bro syklus med den glidende filament teorien ved Hugh Esmor Huxley og Andrew Fielding Huxley .

Begrepet biomekanikk som et selvstendig emne utviklet seg ikke før på 1960-tallet. I august 1967 fant den første internasjonale vitenskapelige konferansen for biomekanikk med 150 representanter fra 24 land sted i Zürich . Fra da av møttes biomekanikken annethvert år for sine internasjonale konferanser. I 1973 ble International Society of Biomechanics (ISB) grunnlagt på konferansen ved Penn State University (USA). På den tiden var sportsbiomekanikk i fokus for interessen. Det har imidlertid endret seg siden den gang. I dag behandler biomekanikk hovedsakelig spørsmål knyttet til gjenoppretting av folks bevegelser etter skader eller bevegelsesforstyrrelser forårsaket av sykdom (for eksempel etter hjerneslag) - rehabilitering . Men biomekanikk spiller også en viktig rolle på det juridiske feltet, for eksempel når omstendighetene til en ulykke må avklares. Samlet sett har fagområdet utvidet seg mye. Så spørsmål om bevegelseskontroll fra nervesystemet spiller også en viktig rolle i dag. European Society for Biomechanics (ESB) ble grunnlagt i 1979. Konferansene (siden 1980) finner sted hvert annet år, i hvert tilfelle i årene ISB ikke møtes. Hennes hovedfag er områder fra ortopedi. Det tyske samfunnet for biomekanikk (DGfB) ble grunnlagt i 1997 som en ideell forening i Ulm. Dens første styreleder var Lutz Claes. Kongressene har funnet sted hvert annet år siden 1999.

Grunnleggende

Biomekanikk som en subdisiplin av bevegelsesvitenskap , biofysikk, teknisk mekanikk og ergonomi beskriver, undersøker og evaluerer menneskelige bevegelser og muskuloskeletale systemet i biologiske systemer ved å bruke begrepene, metodene og lovene til mekanikken. I biomekanikken til sport som en underdisiplin av idrettsvitenskap , er menneskekroppen, dens bevegelsesområde og bevegelse gjenstand for vitenskapelig undersøkelse. I spesielle tilfeller er ikke-levende bevegelsesbærere inkludert i analysen, for eksempel sportsutstyr , ortopediske hjelpemidler eller arbeidsutstyr . Ved hjelp av biomekaniske målemetoder blir bevegelsen fordelt på plassering , tid , hastighet , vinkel og styrkeegenskaper. Her er målemetoder som kraftmålinger, bevegelsesfangst eller elektromyografi brukt.

I lang tid var fokuset på det ytre aspektet av bevegelse. Hovedmålet var å utvikle en teori for formulering av tverrsports biomekaniske prinsipper som prinsippet om optimal akselerasjonsvei eller prinsippet om den opprinnelige kraften. Et annet mål var å modellere mennesker som driver med sport med hensyn til motorisk atferd , kroppsstruktur og identifisering av ytelsesbestemmende parametere. I mellomtiden blir det indre aspektet av bevegelse i økende grad undersøkt, for eksempel bioelektriske muskler og refleksaktiviteter eller menneskelige kropps materielle egenskaper. Biomekanikk samhandler således med andre disipliner som nevrofysiologi, fysiologi eller anatomi.

For en stund nå har biomekanikk også blitt forstått som en del av teknisk mekanikk, da belastningen på levende strukturer og for eksempel maskindeler viser visse likheter. De optimalisering strategier trær og bein av virveldyr tjene som en modell for utforming av høy- styrkekomponenter . Det er ikke lenger et spørsmål om tvist om bein blir utsatt for bøyning eller rent trykk : analysen av de resulterende kreftene til lange rørformede bein viser at beinakselen er utsatt for betydelige bøyemomenter . Du må overføre både trykk- og strekkrefter . Effekten av denne generelt ugunstige formen for stress reduseres i muskuloskeletalsystemet av passive og aktive spenningsbelter (f.eks. Iliotibialtarmkanal ).

Forskningsområder

Oppgaven til biomekanikk er å jobbe med spørsmål om bevegelse og kroppsholdning og bevegelsesapparat innenfor rammen av tverrfaglige forskningsmetoder. I sportsbiomekanikk blir spørsmål innen konkurranse-, populær- og helseidretter samt innen ortopedi besvart og grunnleggende forskning utført. I forskning skilles det generelt mellom ytelsesbiomekanikk, antropometrisk biomekanikk og forebyggende biomekanikk. Biomekanikk omhandler et bredt og til dels svært komplekst forskningsområde, som hovedsakelig utføres av spesialiserte forskere.

For konkurransedyktige idrettsutøvere handler det om å rette opp eventuelle feiljusteringer i leddene eller lignende tekniske mangler med en mest presis undersøkelse av bevegelsen og dermed optimalisere akselerasjonsveien, for eksempel. Et annet anvendelsesområde for dynamikk og kinematikk er rehabilitering. Det er for eksempel gangopptak til terapien som brukes, eller for optimal funksjonell skade løpesko-analyse for feiljustering av ankelleddene .

Bruksområder inkluderer:

• Ytelse biomekanikk
  • Teknologianalyse, teknologikontroll
  • Optimalisering av teknologi
  • Tilstandsanalyse , tilstandskontroll
  • Optimalisering av bevegelsessekvenser
  • objektiv og kvantitativ beskrivelse og forklaring av atletiske bevegelsesteknikker
• Antropometrisk biomekanikk
  • Færdighetsdiagnostikk , ytelsesprognose
• Forebyggende biomekanikk
  • Stressanalyse , stressdesign
  • helsemessige effekter av fysisk aktivitet
• Gang- og løpsanalyser av mennesker og dyr
• Datasimulering av bevegelser
• Utvikling av implantater , ortoser og proteser
• rehabilitering
• Posturografi
• ergonomi
• Allometri
• Test av gymnastikkutstyr

Måter å se på ting på

Det er forskjellige biomekaniske tilnærminger som fanger fysiske størrelser direkte eller indirekte . Det skilles mellom elektroniske , mekaniske og optiske metoder, så vel som teoretisk modellering, i målemetodene . Metoder fra mekanikk, antropometri, medisin og datasimuleringer brukes.

mekanikk

Strukturering av mekanikken fra de involverte kreftene
mekanikk                                             Kinematikk Bevegelseslover uten krefter   Dynamisk effekt av krefter                                             Statics Forces i likevekt mellom hvilende kropper   Kinetiske krefter endrer bevegelsestilstanden

Mekanikken kan deles inn i kinematikk og dynamikk. Dynamikken går inn i årsaken til bevegelser og undersøker dermed kreftene som bevegelsen er basert på. I motsetning til dette handler kinematikken om utseendet til bevegelser, dvs. endringer i plasseringen av legemer eller kroppspunkter over tid, med kroppsdimensjoner og angrepskrefter som ikke blir tatt i betraktning.

kinematikk

Kinematikk er studiet av bevegelse av punkter og kropper i rommet , beskrevet i form av posisjon , hastighet og akselerasjon, uten å ta i betraktning årsakene til bevegelsen (krefter). Verdiene for posisjon, hastighet og akselerasjon i tilfelle av en lineær bevegelse (oversettelse) tilsvarer verdiene for rotasjonsvinkel , vinkelhastighet og vinkelakselerasjon i tilfelle av en rotasjonsbevegelse ( rotasjon ) . Posisjonen til et punkt bestemmes av tre koordinater i et tredimensjonalt rom.

I flerkroppssystemer er undersøkelsen av romlige mekanismer gjenstand for kinematikk. Disse mekanismene består ofte av ledd og forbindelser. Kinematiske metoder (se direkte kinematikk ) brukes til å bestemme antall frihetsgrader og til å beregne posisjon, hastighet og akselerasjon av alle legemer.

For å kunne beskrive en bevegelse, må det alltid etableres en referanse til miljøet. Det er et absolutt og et relativt koordinatsystem . Det som måles er banen som kroppen dekker når den endrer plassering (bevegelse) og tiden det tar å dekke denne banen. Ytterligere egenskaper som hastighet og akselerasjon, og vinkelhastighet og vinkelakselerasjon i tilfelle rotasjoner, kan utledes fra disse to størrelsene. Tradisjonelt bestemmes tidskomponenten med en direkte tidsmåling . Hjelpemidler som stoppeklokker , lysbarrierer og kontaktmatter brukes til dette . Den romlige komponenten blir registrert ved hjelp av mekaniske og elektroniske målebånd . Den brukes til å bestemme posisjoner eller avstander dekket. Disse størrelsene kan bestemmes indirekte ved å differensiere og integrere kraft-tidskurven.

I kinematikk i dag hovedsakelig avbildning av bevegelsesAnalyse brukes. Disse skiller seg ut i et komplett og ufullstendig bilde av bevegelsene. Bevegelsen kan reproduseres fullt ut av et videokameraopptak . Blant de ufullstendige målemetoder som innbefatter LED -Lichtspurmarker, infrarød - reflekterende markører , ultralyd og magnetisk felt .

dynamikk

Dynamikk undersøker forholdet mellom bevegelser og kreftene som forårsaker dem. Den eksterne biomekanikken er begrenset til kreftene som eksisterer mellom mennesker og miljø. Dette er reaksjonskreftene som forekommer i kroppens periferi , dvs. kraften som utøves av de enkelte musklene.

Dynamikken er videre delt inn i statikken, som omhandler styrkebalansen i ikke-akselererte kropper, og kinetikken, som registrerer forholdet mellom bevegelser og krefter.

Statikk

Med statikk er årsakskreftene i likevekt slik at det ikke er noen bevegelse. For at en kropp i ro eller beveger seg uten akselerasjon skal forbli i ro (eller bevege seg uten akselerasjon), må summen av alle krefter og dreiemomenter som virker på denne kroppen være null. Det er likevektstilstanden til statikk. Med kunnskap om kreftene og øyeblikkene som virker på den, kan reaksjonskreftene og de indre kreftene og øyeblikkene i kroppen bestemmes.

Statikken er blant annet opptatt av kraftsenteret og tyngdepunktet, friksjonen , arbeidsbegrepet , gjennomsnittlig størrelsesbestemmelse , deformasjonsberegningen og stabilitet . Server grafiske og beregningsmessige metoder for å løse problemene. I tillegg til de klassiske analysemetodene blir den numeriske endelige elementmetoden i økende grad brukt .

kinetikk

Kinetikk håndterer kreftene som fører til endringer i plassering eller rotasjon. Den beskriver endringen i bevegelsesmengdene (avstand, tid, hastighet og akselerasjon) under påvirkning av krefter i rommet. I kinetikk skilles det mellom translasjonsbevegelse og rotasjonsbevegelse. Tilnærmingen til å forstå de dynamiske egenskapene i biomekanikk er et resultat av de klassiske newtonske lovene (treghetsprinsipp, handlingsprinsipp, samhandlingsprinsipp).

Ved hjelp av kinetikkteoremene kan bevegelsesligningen til et system settes opp som en funksjon av en fritt valgbar koordinat. Viktige teoremer for kinetikk er loven om tyngdepunktet eller loven om bevaring av bevegelses , lov av kraft , lov av energisparing og lov av arbeidet . Kunnskap om de ytre kreftene er forutsetningen for å bestemme de indre kreftene. Forskjellige tekniske hjelpemidler brukes til å kvantitativt registrere kreftene som oppstår. Felles for alle målemetoder er imidlertid at kraften registreres som en funksjon av tid (kraft-tid-diagram). Resultatet er dynamogrammer.

Antropometri

Antropometri er studiet for å bestemme og å anvende dimensjoner av menneskekroppen . Mens det er relativt enkelt å måle kroppen, er det vanskeligere å bestemme lemens delvise tyngdepunkt. Disse dataene ble tidligere innhentet ved å undersøke lik . I dag kan vevets tetthet bestemmes ved hjelp av computertomografi .

Modellering

Menneskekroppen og dens bevegelser er ekstremt komplekse . Modellering brukes ofte for å redusere disse og dermed gjøre forbindelser tydeligere og mer forståelige.

Opprettelsen av en modell abstraherer fra virkeligheten , fordi den i nesten alle tilfeller er for kompleks til å bli avbildet presist. Det er heller ikke ment å kartlegge virkeligheten helt eller fullstendig, men bare å presentere en klar forenkling eller individuelle delaspekter som man ønsker å undersøke og forstå bedre.

Gyldigheten til modeller bør alltid kontrolleres mot virkeligheten (de reelle målte verdiene fra de tilsvarende observerte prosessene).

Modeller i forskjellige former brukes i biomekanikk.

Fysiske (fysiske) modeller

Enkle former for modellering i biomekanikk er miniatyriserte materialreplikater av menneskekroppen eller av enheter der effekten av krefter som virker på dem kan demonstreres. Et eksempel på dette er tremodellen til en horisontal gymnast , som består av armer , torso og ben . Gummi og kabler gjør at lemmer kan bevege seg i denne modellen. B. Få utført kant- og vippebevegelser . En annen anvendelse er aerodynamiske eller hydrodynamiske undersøkelser. For eksempel kan vindtunneltester utføres med nedskalerte modeller av sportsutstyr og idrettsutøvere (f.eks. Bobslede , hopphoppere , motorsyklister ) for å optimalisere strømningsmotstanden .

Abstrakte modeller

Abstrakte modeller: Abstrakte modeller representerer systemer ved hjelp av grafiske representasjoner, for eksempel flytskjemaer (for eksempel for å beskrive en kompleks bevegelsessekvens) samt symboler og ligninger. Med deres hjelp kan parallelle og / eller sekvensielle prosesser representeres spesielt godt. Her er innsikt som skal brukes i mekanikk, anatomi og fysiologi, ligninger for å skape bildet av en sak. Et eksempel på en slik modell er den skrå kast, som kan brukes til å beregne den parabel av den kulestøt , lengdehopp eller høydehopp . Det kan også uttales om innflytelsen fra forskjellige innledende forhold og optimaliseringsalternativer (f.eks. Beregning av optimal startvinkel ).

Vitenskapelige modeller

Vitenskapelige modeller er teoretisk (abstrakt) skjematisering og forenkling av representasjoner av et objekt eller et objektområde, der individuelle elementer og deres funksjoner blir tydeliggjort. De viktigste påvirkningsfaktorene skal identifiseres som er viktige for prosessen som for tiden undersøkes. Matematiske ligninger brukes ofte til dette .

Matematiske modeller

I matematiske modeller uttrykkes størrelsene som skal observeres og / eller bestemmes ved hjelp av matematiske symboler . I tillegg til deres klarhet er fordelen med disse modellene muligheten til å bruke variabler som symboler. Disse kan ikke bare beskrive tilstander (statisk), men også utvikling (dynamisk) av prosesser . Dette gjør at resultater, for eksempel slutttilstander eller påvirkninger fra ekstreme situasjoner, kan observeres og bestemmes. Det skal bemerkes at det er to forskjellige tilnærminger for å beregne de menneskelige kroppens dynamiske egenskaper i biomekanikk. Den ene er basert på den såkalte massepunktsmodellen . Kroppen blir sett på som konsentrert i sitt massesenter. Massedistribusjonen av kroppen spiller ingen rolle. Med den andre er hele kroppen med dens undersegmenter, som også betyr med sine treghetsegenskaper, inkludert i beregningen. Dette fører til en mye høyere beregningsinnsats.

I biomekanikk handler det ofte om beregning av krefter. Det brukes såkalte direkte-dynamiske eller invers-dynamiske modeller.

Med direkte-dynamiske modeller kan måles på grunn av krefter som virker på kroppen, og kinematiske data fra kroppen (som skal representeres av de sammenkoblede undersegmentene) beregner bevegelse og simuleres.

Når det gjelder inverse dynamiske modeller, antas en fullstendig kinematisk beskrivelse av en modelllegeme og dens underlegemer. Den kan deretter brukes til å bestemme størrelser som ikke kan måles, for eksempel krefter og dreiemomenter. På denne måten er det ofte mulig å for eksempel utføre stressanalyser på ledd eller muskler som ikke tillater direkte kraftmåling fordi de er lokalisert i kroppen, eller bare med stor innsats (som f.eks. ved Julius Wolff Institute of the Charité i Berlin) er mulig.

Datamodeller

I dag er de fleste teoretiske modeller designet på datamaskinen. disse modellene kan deretter enkelt vises grafisk, for eksempel enheter, maskiner (statiske) eller stikkfigurer som beveger seg (dynamisk). Representasjonen av datamodeller er basert på ligningene til de matematiske modellene.

Disse modellene fører ofte til simuleringer av prosessene som vises

Antropometriske modeller

I antropometri er modeller av bevegelsesapparatet av sentral betydning. I tillegg til størrelsen på lemmene, er den geometriske formen på leddflatene og musklens forløp, modeller for massefordeling, for eksempel for å bestemme tyngdepunktet (CSP), også viktig.

For å beskrive menneskets massegeometri kan enkle geometriske former brukes avhengig av applikasjonen (for eksempel modeller i henhold til Hanavan eller Saziorski) eller 3D-modeller som genereres ved hjelp av kroppsskannere. Sistnevnte brukes blant annet i industrien for å studere ergonomien til nye produkter. Selv virtuelle kollisjonstester finner i økende grad applikasjoner.

Målemetoder

Kraftmåling

Forutsetningen for kraftmålinger er deformasjoner av måleinstrumenter forårsaket av krefter. Disse kan ofte spores tilbake til Hookes lov , som beskriver den faste elastiske oppførselen til faste stoffer , hvis elastiske deformasjon er omtrent proporsjonal med den påførte belastningen (lineær-elastisk oppførsel). Fra dette kan den underliggende kraften beregnes ut fra en eksisterende deformasjon.

Måling av krefter er mulig mekanisk, men i dag gjøres det generelt elektronisk. En av de første enhetene for å måle kraft var fjærbalansen , som imidlertid viste seg å være uegnet. En ulempe var de lange deformasjonsstiene, som sterkt forvrengte bevegelsen fra et dynamisk og kinematisk synspunkt. De har også en veldig lav naturlig frekvens , noe som påvirker responssignalet negativt. Sensorer med god kraft er preget av høy stivhet (lave deformasjonsveier) og høy naturlig frekvens. På grunn av disse nødvendige egenskapene har kraftmåling med strekkmålere og piezoelementer hersket i biomekanikk .

Strekkmålere

Her brukes såkalte strekkmerker som deformeres når de strekkes av en ytre kraft. Den resulterende endringen i tverrsnitt av den elektrisk ledende ledningen har en proporsjonal effekt på motstanden innen visse grenser . Motstanden økes for strømmen som strømmer under målingen . En stor fordel er at målestripene er små og kan settes inn i for eksempel patella eller akillessenen . Problemene med denne typen målinger består hovedsakelig i den mekaniske konstruksjonen av måleoppsettet med flerdimensjonale krefter og i presis bestemmelse av hovedaksen.

Piezoelektrisk sensor

De piezo-element gjør bruk av den piezoelektriske effekt, der små krystaller som er laget av kvarts er presset sammen. Den molekylære gitterstrukturen forskyves til det ytre trykket på en slik måte at krystallene reagerer med endringer i elektrisk ladning på overflaten. Denne endringen i ladning endres proporsjonalt (ca. 99,5%) til den innkommende kraften. Måleplattformene, som bruker denne piezoelektriske effekten, består av en understell og en utskiftbar dekkplate. Fire 3-komponent kraftgivere er installert mellom disse to delene under høy forspenning.

Tving platene

Kraftplater er grunnlaget for å bestemme reaksjonsstyrker og dreiemomenter på gulvet mens du står, går / løper og andre atletiske bevegelser. Dette betyr at globale eksterne krefter kan måles for forskjellige formål. Mobile kraftplater kan plasseres variabelt i gulvet og muliggjør et bredt spekter av bruksområder. Kraftplater brukes ofte i forbindelse med knebøy , motbevegelseshopp eller fallhopp .

Elektromyografi

Elektromyografi er en eksperimentell teknikk som er dedikert til opprettelse, registrering og analyse av den elektriske aktiveringstilstanden til muskelen og innerveringsadferden . Myoelektriske signaler genereres av fysiologiske endringer i tilstanden til muskelfibermembranen . Fokus for overflateelektromyografi (OEMG eller SEMG, i motsetning til nålelektromyografi) er på anskaffelse og analyse av frivillig muskelaktivering i funksjonelle bevegelser, posturale aktiviteter eller terapi og treningsøvelser.

Motion capture

Komplekse dynamiske bevegelser kan registreres ved hjelp av bevegelsesopptaksprosesser og analyseres i 3D på datamaskinen. Små, reflekterende markeringer plasseres på mennesker eller gjenstander og oppdages av flere infrarøde kameraer med en frekvens på opptil 240 Hz og en oppløsning på mindre enn 1 mm. Med denne informasjonen er det endelig mulig å for eksempel bestemme leddvinkelprofiler mens du løper eller hopper (kinematikk). Eksterne krefter kan bestemmes synkront ved hjelp av kraftplater (kinetikk). Disse kan konverteres til leddene ved hjelp av antropometriske kroppsmodeller (invers dynamikk) for å bestemme for eksempel leddbelastninger. Det er også mulig å måle muskelaktivitet (elektromyografi) og dermed komme med uttalelser om muskelleddkontrollen. Integrasjonen av de tre metodene kinematikk, kinetikk og elektromyografi muliggjør innsikt i ledd- og bevegelseskontroll under svært dynamiske bevegelser.

Ved bruk av en passende kalibrering blir opptakene videre behandlet med programvare som Simi Motion eller Vicon . Dette gjør det mulig å vise kronologisk progresjon av refleksmarkørkoordinater og leddvinkler samt deres hastigheter og akselerasjoner. I tillegg kan kinematikken til kroppens tyngdepunkt beregnes ved hjelp av en standardisert massefordelingsmodell (f.eks. Hanavan-modellen) eller ved å legge inn individuelle data om massefordelingen.

Datastyrt tredemølle

Med datastyrte tredemøller kan beltets hastighet reguleres via eksterne utløsersignaler . På grunn av denne tekniske enheten og den spesielle akselerasjonsytelsen til tredemøllen, er det for eksempel mulig å påføre akselererende eller stoppende forstyrrende stimuli mens du står, går eller løper. For eksempel kan tripping-situasjoner simuleres og analyseres.

Ankelplattform

Ved hjelp av en ankelvridende plattform er det mulig å simulere vridningsbevegelser i ankelen og dermed undersøke mekanismene for supinasjonstraumer i ankelen. Dette måleoppsettet brukes også for eksempel i funksjonell evaluering av ankelortoser. Med dette eksperimentelle apparatet kan plutselige sidebevegelser av normalisert styrke utløses via en fjærmekanisme . Plattformen består av en bevegelig klaff, hvis akse tillater både inversjon og plantar fleksjonbevegelser . Denne konstruksjonen muliggjør isolert observasjon av de enkelte bevegelseskomponentene (inversjon, plantar fleksjon, rotasjon , translasjon), som forekommer i typisk supinasjonstraume i ankelen. Vippebevegelsen til en tidligere innstilt hellingsvinkel kan utløses via en elektromagnet . Denne bevegelsen analyseres av et elektrogoniometer og en akselerasjonssensor på apparatet. Ved å feste et toakset gonimeter til motivets ankel, måles plantarbøyning og inversjon direkte på ankelen under simuleringen av et supinasjonstraume. I tillegg kan muskelaktiviteten under bevegelse bestemmes ved hjelp av elektromyografi.

Andre målemetoder

Andre målemetoder brukes også i biomekanikk, for eksempel:

• Lastecelle
• Kraftgivere
• Ohmmeter
• Hall-sensor
• Kapasitive målemetoder
• Måling av trykkfordeling
• Goniometer (vinkelmåling)
• Akselerometer
• Datahanske

Biomekanikk innen trafikksikkerhet

I aktiv sikkerhet fokuserer biomekanikk på dynamometriske og ergometriske aspekter og deres påvirkningsfaktorer. Den mekaniske motstandsdyktigheten til den levende kroppen eller kroppsdelene håndteres av biomekanikken for passiv sikkerhet og brukes i utformingen av kjøretøyer og deres sikkerhetsrelevante innretninger for å unngå overdreven fysisk belastning og tilhørende skader på menneskekroppen.

I sammenheng med trafikkulykker spiller biomekaniske rapporter en stadig viktigere rolle. Den føderale høyesterett holdt i Sveits:

Den føderale høyesterett bestemte selv i en erstatningssak som, som her, var basert på en tvist om årsaken til symptomene som indikerte et livmorhalsskader etter en bakkollisjon og hvor diagnosen piskesmell og dens konsekvenser ikke ble sikkerhetskopiert Ved å ta i betraktning resultatene av en biomekanisk rapport for å fastslå den naturlige kausaliteten, er det implisitt tillatt.

utdanning

Siden biomekanikk har både vitenskapelig og teknisk innhold, er bachelorgraden mulig som en Bachelor of Science (B.Sc.) eller som en Bachelor of Engineering (B.Eng.). Etter bachelorgrad eller vitnemål kan det gjennomføres en mastergrad med ulike spesialiseringsalternativer. I Tyskland og andre tysktalende land ( A , CH ) er det mulig å studere biomekanikk ved universitetshøgskoler (FH), universiteter (UNI) og tekniske universiteter (TU) . På den ene siden er det muligheten for å komme inn i biomekanikk gjennom en ingeniørgrad i medisinsk teknologi eller biomedisinsk teknologi . Videre er feltet biomekanikk også mulig gjennom grenen av ortopedi eller idrettsvitenskap. En grad i maskinteknikk gir også muligheten til å utdype seg innen biomekanikk.

litteratur

• David A. Winter: Biomekanikk og motorisk kontroll av menneskelig bevegelse . 4. utgave. J Wiley, New York 2009, ISBN 978-0-470-39818-0 . 
• D. Wick (red.): Biomekanikk i sport . 2. utgave. Spitta, Balingen 2009, ISBN 978-3-938509-59-3 . 
• Benno Kummer: Biomekanikk . Dt. Doctors-Verlag, Köln 2004, ISBN 3-7691-1192-3 . 
• Steven Vogel: Comparative Biomechanics . New Age International, New Delhi 2006.
• Sigrid Thaller, Leopold Mathelitsch: Hva kan en idrettsutøver gjøre? Styrke, ytelse og energi i muskelen . I: Physics in our time , 37 (2), 2006, s. 86-89, ISSN  0031-9252
• Veronika R. Meyer, Marcel Halbeisen: Hvorfor er det ingen hjul i naturen ? I: Biology in our time , 36 (2), 2006, s. 120-123, ISSN  0045-205X
• Claus Mattheck : Design i naturen . Rombach, Freiburg im Breisgau 1997, ISBN 3-7930-9150-3 . 
• Klaus Roth, Klaus Willimczik : Movement Science . Rowohlt Verlag, Reinbek bei Hamburg 1999, ISBN 978-3-499-18679-0 . 
• Georg Kassat : Biomekanikk for ikke-biomekanikk . Fitness-Contur-Verlag, Bünde 1993, ISBN 3-928148-06-0 . 
• Klaus Wunderlich, Wolfgang Gloede: Naturen som en konstruktør . Utgave Leipzig 1977.

weblenker

• Bevegelsesteori - materialer for det videregående kurset i sport
• German Society for Biomechanics V. , DGfB
• European Society of Biomechanics , ESB
• American Society of Biomechanics , ASB
• International Society of Biomechanics , ISB

Individuelle bevis

1. ^ Karl Ernst Georges: Omfattende latin-tysk kortfattet ordbok . Hannover 1913, bind 1, kol 832. (Gjengitt i Darmstadt 1998).
2. ^ ^{A b} Rainer Ballreich og Wolfgang Baumann. Med samarbeid fra Rüdiger Preiss: Fundamentals of the biomechanics of sport: problems, metoder, models . Enke, Stuttgart 1988, ISBN 3-432-96681-4 . 
3. ^ ^{A b} Robert Prohl, Peter Röthig: Bewegungslehre: Kursbuch Sport . 8. utgave. Limpert, Wiebelsheim 2007, ISBN 978-3-7853-1733-4 , pp. 17 . 
4. ↑ ^{a b c d} David A. Winter: Biomekanikk og motorisk kontroll av menneskelig bevegelse . Wiley, J, New York, NY 2009, ISBN 978-0-470-39818-0 , pp. 1 . 
5. ↑ On the Motion of Animals / Aristoteles (engelsk oversettelse) . Hentet 22. september 2012.
6. ↑ ^{a b c d e f} Jürgen Perl (Red.): Modellering i idrettsvitenskap . Hofmann, Schorndorf 2002, ISBN 3-7780-1821-3 . 
7. ↑ De motu animalium . Hentet 22. september 2012.
8. ↑ Mekanikk for menneskelige gangverktøy . Hentet 22. september 2012.
9. ^ Elektrokardiografihistorie ( Memento fra 11. juni 2009 i Internet Archive ) Supplerende materiale til forelesningen av privatlektor JM Davis, Universitetet i München
10. ↑ Etienne-Jules Marey: La station physiologique de Paris (1). I: La nature: revue des sciences et de leurs applications aux arts et à l'industrie , vol. XXXI 1894, s. 804, basert på: Bibliothèque numérique Medic
11. ^ Nobelprisen i fysiologi eller medisin 1922 . Nobelprize.org. Hentet 24. september 2012.
12. ↑ Alfred Petermann: Sportlexikon . Bok og tid, Köln 1969, s. 84 . 
13. ↑ ^{a b c} Forelesningsforelesning Biomekanikk i bevegelsesapparatet av Ludwig Schweizer fra SS 08 ved Universitetet i Freiburg, Institutt for idretts- og idrettsvitenskap.
14. ↑ Rainer Wollny: Movement Science: En lærebok i 12 leksjoner. 2. utgave. Meyer & Meyer, Aachen 2010, ISBN 978-3-89899-183-4 , s. 30-32.
15. ↑ Volker Scheid, Robert Prohl (red.): Bevegelsesteori . Limpert, Wiebelsheim 2007, ISBN 978-3-7853-1733-4 . 
16. ↑ ^{a b c d e f} Klaus Roth, Klaus Willimczik: Exercise Science . Rowohlt-Taschenbuch-Verlag, Reinbek nær Hamburg 1999, ISBN 3-499-18679-9 . 
17. ^ David A. Dainty, Robert W. Norman: Standardisering av biomekanisk testing i sport . Human Kinetics Publishers, Champaign, IL 1987, ISBN 0-87322-074-9 . 
18. ↑ Eberhard Loosch: Generell bevegelsesteori . Limpert, Wiebelsheim 1999, ISBN 3-8252-2100-8 . 
19. ^ E. Churchill: Sampling and Data Gathering Strategies for Future USAF Anthropometry Webb Associates . I: A / F Aerospace Medical Res , 2-76, AMRL-TR-74-102
20. ^ David A. Winter: Biomekanikk og motorisk kontroll av menneskelig bevegelse . 4. utgave. J Wiley, New York 2009, s.76.
21. ↑ ^{a b c d e} Biomechanical Methods - Institute for Sport and Sport Science Uni Freiburg ( Memento fra 17. mars 2015 i Internet Archive ). Hentet 22. september 2012.
22. ^ Simi Motion . Hentet 24. september 2012.
23. ^ Bevegelsesfangstsystemer fra Vicon . Hentet 24. september 2012.
24. ↑ så også Max Berger: Ulykkesanalyse og biomekanikk - Legal Evidence Significance . I: SJZ , 102/2006 s. 25 ff., S. 31
25. ↑ Bühler: Bevisstandard og evaluering av bevis i rettsuttalelser - med tanke på den nyeste doktrinen og rettsvitenskapen . I: Jusletter , 21. juni 2010, s. 17
26. ↑ dom fra forbundsretten 4A_494 / 2009 f av 17. november 2009 E. 2.2. Og E. 2.9
27. ↑ dom fra forbundsretten 4A_540 / 2010 av 8. februar 2011