Biomehaanika (0)

1. SISSEJUHATUS BIOMEHAANIKASSE
Biomehaanika

• Biomehaanika on teadusharu , mis uurib mehaanilise liikumise nähtusi bioloogilistes süsteemides (kudedes, organites ja organismis)
  
• Biomehaanika on biofüüsika haru
  
• Biomehaanika on bioloogia ja füüsika piiriteadus:
  

-uurimisobjektilt ( elusorganism ja selle struktuurid ) kuulub ta bioloogia valdkonda
-uurimismeetoditelt kuulub aga mehaanika valdkonda
Biomehaanika jaotus

• Inseneri biomehaanika- uurib bioloogiliste objektide ehitusprintsiipide kasutamise võimalusi inimesele vajalike tehniliste vahendite ( robotid , manipulaatorid jt.) valmistamisel
  
• Ergonoomiline biomehaanika- käsitleb tööprotsessi ratsionaliseerimise probleeme
  
• Meditsiiniline biomehaanika- käsitleb proteesiehituse, traumatoloogia, ortopeedia , füsioteraapia jt. Probleem
  
• Inimese liikumise biomehaanika- uurib inimese liikumisaparaadi ja liigutustegevuse biomehaanilis aspekte (tööprotsessis, spordis jne)
  

Liigutustegevuse biomehaaniline analüüs:

• Videokaamera
  
• Kiirkaamera
  
• Infrapunakaamera
  

Inimese liikumisaparaadi üldiseloomustus

• Inimese liikumisaparaadi moodustavad skelett ja skeletilihased
  
• Skelett moodustab liikumisaparaadi pasiivse osa
  
• Lihased moodustavad liikumisaparaadi aktiivse osa
  

Liikumisaparaat kui biomehaaniline süsteem

• Biomehaanikas käsitletakse liikumisaparaati lihtsustatud mudelina- biomehaanilise süsteemina, mille abil saab uurida keha mehaanilise liikumise nähtusi
  
• Inimese liikumisaparaat kui biomehaaniline süsteem koosneb liigeste abil seonduvatest lülidest (kehaosadest), mis moodustavad kinemaatilisi paare ja ahelaid
  
• Lülidele mõjuvad jõud (koormused) põhjustavad sõltuvalt tingimustest kas nende deformatsiooni ja/või liikumise
  
• Liikumisaparaadi „ mootoriks ” on luukangidele kinnituvad lihased, mis panevad lülid liikuma, sooritades mehaanilist tööd
  
• Lihastesse akumuleerunud potensiaalne keemiline energia muutub seejuures liikuvate lülide või inimese poolt liigutavate väliste kehade kineetiliseks energiaks ja/või soojuseks
  

Liikumisaparaadi biomehaanilised mudelid

• Biomehaanikas kasutatakse inimese liikumisaparaadi tegevuse iseloomustamiseks mitmesuguseid mehaanilisi mudeleid, mis käsitlevad keha kui liikuvat lülide (segmentide) süsteemi.
  
• Lüli (segmendi) moodustab kehaosa , mis paikneb kahe naaberliigese vahel või liigese ja lüli distaalse otsa vahel
  
• Igal lülil on pikkus ja mass
  

Enamlevinud biomehaanilistes mudelites eristatakse järgmisi segmente (% kehakaalust):

• Pea koos kaelaga (6,9%)
  
• Kere (ülaosa (16%), keskosa (16,3%), alaosa (11,2%))
  
• Õlavars (2,7%)
  
• Küünarvars (1,6%)
  
• Labakäsi (0,6%)
  
• Reis (14,2%)
  
• Säär (4,3%)
  
• Labajalg (1,4%)
  

Massi jagunemine inimkehas

• Inimese liigutustegevuse biomehaanilisel analüüsil tuleb arvestada massi jagunemisega kehas (keha masside geomeetriaga), kuna sellest sõltuvad nii kogu keha kui ka kehaosade liikumise iseärasused rakendatud jõudude mõjul
  
• Massi jagunemist inimese kehas iseloomustavad järgmised karakteristikud :
  
  • kehamass ja kaal
    
  • kehaosade kaalud
    
  • kehaosade raskuskeskmed
    
  • keha raskuskese
    

Mass

• Aine hulga mõõt
  
• Inertsi mõõt kulgliikumisel
  
• Ühik = kg
  

Kehamass ja kaal

• Inimese kehamass määratakse meditsiiniliste kaaludega
  
• Selle aluseks on seos keha kaalu ja massi vahel: P = m ∙ g
  

Kehaosade kaalud

• Kehaosade kaalud iseloomustavad massi jagunemist kehaosade vahel
  
• Kehaosa kaalu leidmiseks korrutatakse keha kogukaal (kehakaal) vastava kehaosa suhtelise kaaluga
  

Kehaosa raskuskese

• Raskuskese on punkt kehas, mida läbib keha kõikidele osadele mõjuvate raskusjõudude resultant
  
• Kehaosa raskuskese iseloomustab massi jagunemist antud kehaosa piirided
  
• Kehaosa raskuskeskme määramiseks korrutatakse kehaosa pikkus antud kehaosa raskuskeskme raadiusega
  
• Raskuskeskme raadius väljendatakse kehaosa pikkuse suhtarvuna ja iseloomustab raskuskeskme paiknemist antud kehaosa proksimaalse otsa (liigese) suhtes
  
• Kehaosa raskuskese paikneb üldjuhul naaberliigese frontaaltelgi ühendaval sirgel
  

Inimese keha raskuskese (KRK)

• KRK on punkt kehas, mida läbib keha kõigile osadele mõjuvate raskusjõudude resultant
  
• KRK on kõige üldisemaks massi jagunemist iseloomustavaks näitajaks kehas
  
• Algasendis asub inimese KRK umbes II sakraallüli (S²) kõrgusel lülisambakanalis
  

KRK sõltub:

• Soost- täiskasvanud naisteks paikneb KRK umbes 2% madalamal kui meestel
  
• Vanusest - lastel paikneb KRK kõrgemal kui täiskasvanutel
  
• Kehaasendist- teatud kehaasendite korral paikneb KRK väljaspool keha
  
• Treenitusest- lihaste hüpertroofia põhjustab KRK paiknemises muutusi
  

2. LIIKUMISAPARAADI DEFORMATSIOON
Liikumisaparaadi deformatsioonid

• Elutegevuse käigus mõjuvad inimese liikumisaparaadile pidevalt mitmesugused jõud (koormused), mis põhjustavad luude, lihaste, sidemete ja kõõluste deformatsioone
  
• Deformatsioon- keha kuju ja ruumala muutus rakendatud koormuse mõjul
  

Liikumisaparaadi deformatsioone põhjustavate koormustena võivad toimida:

• Keha ja kehaosade ning väliste kehade raskusjõud
  
• Keha ja kehaosade inertsjõud (liikumisel)
  
• Lihaste kontraktsioonijõud
  
• Toereaktsioonid
  

Deformeeriva käitumise alusel eristatakse:

• Elastset deformatsiooni, kui see kaob pärast koormuse mõju lakkamist
  
• Plastset deformatsiooni, kui see ei kao pärast koormuse mõju lakkamist- tekib jääkdeformatsioon
  
• Kehade elastsus avaldub nende suhteliselt väikeste deformatsioonide korral, suurte koormuste korral järgneb elastsele alati plastne deformatsioon ja lõpuks keha puruneb
  

Staatilised ja dünaamilised koormused

• Staatiliste koormuste väärtus, suund ja rakenduskoht on ajas muutumatud, reeglina on need koormused väikesed ning inimese poolt hästi prognoositavad
  
• Dünaamiliste koormuste väärtus, suund ja rakenduskoht on ajas kiirelt muutuvad, põhjustades inertsijõudusid, mis võivad olla mõnikord väga suured. Dünaamilised koormused on inimese poolt halvasti prognoositavad
  

Deformatsioonide liigid:

• Surve
  

• Tõmme
  
• Paine
  
• Vääne
  
• Põige
  

Survedeformatsioonid

• Tekivad:
  

-raskuste tõstmisel
-tugipinnalt äratõugete kõnnil
-jooksul ja hüpetes –
kõrgustest kukkumisel

• Liikumisaparaadile mõjuvad:
  

-keha raskusjõud
-väliste koormuste kaal
-inertsijõud (liikumisel)
-toereaktsioonid

• Survekoormuste mõjul deformeeruvad:
  

-lülisammas
-jalavõlvid
-tugipinnale lähemal asuvad liigesed - need peavad taluma nii ülakeha survet (raskusjõudu) kui ka liigutustegevusel tekkivat inertsijõudu
Tõmbedeformatsioonid

• Tõmbedeformatsioone esineb sageli:
  

-lihastes
-kõõlustes
- sidemetes

• Venitustest põhjustatud vigastused ( rebendid ) moodustavad spordivigastustest suure osa
  

Paindedeformatsioonid

• Paindedeformatsioonid tekivad neil juhtudel, kui luud talitlevad kangidena
  
• Sel juhul mõjuvad luudele lihaste kontraktsoonijõud, välise koormuse raskusjõud ja inertsjõud (liikumisel) ning liigestele toereaktsioonid
  
• Löögilise iseloomuga koormused, mis kutsuvad esile paindedeformatsioone on luumurdude peamiseks põhjuseks
  

Väändedeformatsioonid

• Tekivad keha ja kehaosade pikitelje suunalistel koormustel, kusjuures mõjuvad inertsijõud (liikumisel) ja toereaktsioonid
  
• Ülemäärased väändekoormused põhjustavad põhiliselt liigeste ja sidemete vigastusi
  

Mis on hea rüht?

• Minimaalne koormus lülisambale ja seda toestavatele sidemetele
  
• Kega segmendid on tasakaalustatud keha raskuskeskme ümber
  
• Keha pikitelg läbib liigeste frontaaltelgi
  

Tasakaalustatud lihasjõud

• Tugevad kõhu- ja seljalihased ning elastsed puusa painutajalihased tagavad vaagna neutraalse asendi ja hea rühi
  

Lihasjõudude mittetasakaalustatus

• Nõrgad kõhulihased ja puusa painutajalihased suurendavad vaagna kallet ettesuunas ja suurendavad nimmelordoosi (koormust nimmelülidel)
  

3. LUUDE, LIIGESTE, SIDEMETE JA KÕÕLUSTE MEHAANILISED OMADUSED

• Mehaanilised omadused ilmnevad mehaaniliste pingutuste toimel ja iseloomustavad kehade võimet taluda neid deformeerivaid koormusi
  
• Luude, liigeste, sidemete ja kõõluste mehaaniliste omaduste uurimine on oluline traumade tekkepõhjuste ja tagajärgede selgitamisel
  

Luude mehaanilised omadused

• Luude põhiliteks mehaanilisteks omadusteks on:
  

-tugevus
-elastsus

• Tugevus on materjali võime purunemata taluda koormusi
  

Luude tugevuse näitajad

• Inimese luude tugevus ületab mitmekordselt neile elutegevuse käigus mõjuva koormuse
  
• Pikitelje suunalisel tõmbedeformatsioonil on täsikasvanud inimese reieluu tugevuse piiriks kuni 150N/mm², mis on ligikaudu 30 korda suurem kui telliskivi
  
• Inimese reieluu keskosa talub ilma purunemata pikitelje suunalist survet kuni 45 000 N ja sääreluu kuni 30 000 N
  
• Paindekoormust talub reieluu ilma purunemata kuni 2500 N
  

Liigeste mehaanilised omadused

• Liigesed kujutavad endast mehaanika seisukohalt liugelaagreid, kus tugipindadeks on liigesekõhred ja määrde rolli täidab sünoovia
  
• Liigesepindade tugevuse piir survel on kuni 350 N/cm²
  
• Sünoovia hulk liigeseõõnes
  

-suureneb kehalise treeningu tulemusel
-väheneb vananedes
Kõõluste mehaanilised omadused

• Kõõlus on lihase passiivne osa, mis ühendab lihase aktiivse osa (lihaskõhtu) luude ja pehmete kudedega
  
• Kõõluse abil toimub lihaste kontraktsioonijõu ülekanne luudele
  
• Kõõluse tugevuspiir tõmbel on kuni 625 N/mm²
  

Sidemete mehaanilised omadused

• Sidemed ühendavad luid ja tugevdavad (fikseerivad) liigesekihnu
  
• Sidemete tugevuspiir tõmbel on kuni 420 N/mm²
  

Luukangid
Kang

• Mehaanika seisukohalt talitlevad luud kangidena
  
• Kang on liikumatu tugipunkti või telje ümber pöörelda võiv jäik keha millele rakendub vähemalt kaks jõudu
  
• Kangi elemendid:
  

-pöörlemistelg
-toimejõud
-takistusjõud
-jõuõlg – pöörlemistelje ja jõu mõjusirge vaheline kaugus (ristlõik)
Luukangide puhul on:

• Pöörlemistelgeteks liigeseteljed
  
• Toimejõuks lihaste kontraktsioonijõud
  
• Takistusjõuks raskusjõud ja/või antagonistlihaste pinge
  

Luukangide liigid

• Pöörlemistelje, toime- ja takistusjõu omavaheliste suhete alusel eristatakse kolme liiki luukange:
  

• I liiki kang – tasakaalukang
  
• II liiki kang – jõukang
  
• III liiki kang – kiiruskang
  

Kangi tasakaal ja liikumine

• Kangi tasakaal ja liikumine sõltuvad toime- ning takistusjõu momentide suhetest
  
• Jõumoment on jõu pööravat mõju iseloomustav suurus, mis võrdub jõu F ja jõuüla I korrutisega
  
• M = F ∙ I
  
• Kang on tasakaalus siis, kui toime- ja takistusjõu momendid on võrdsed
  
• Kui ühe jõu moment on suurem teise jõu momendist, siis tekib kangi liikumine (kiirendus) suuremat momenti omava jõu mõjumise suunas
  

Mehaanika kuldreeglid kangi liikumisel

• Kangi, nii nagu igasuguse mehhanismi liikumisel ilmneb mehaanika kuldreegel – tööde võrdsuse seadus: toimejõu töö on võrdne takistusjõu tööga, s.o. sama palju kui võidetakse teepikkuses ja kiiruses , kaotatakse jõus nind vastupidavuses
  

Biokinemaatilised paarid

• Biokinemaatiline paar on kahe kehaosa ühendus liigese abil
  
• Eristatakse kolme liiki biokinemaatilisi paare:
  

• translatsioonipaarid – võimaldavad kulgliikumist piki ühte tasapinda ja on organismis haruldased (alalõualuu)
  
• rotatsioonipaarid – võimaldavad pöörlemist ümber liigesetelgede ja neid on liikumisaparaadis kõige rohkem
  
• kruvipaarid – võimaldavad kruviliikumist ühe liigesetelje suhtes (põlveliiges)
  

Biokinemaatilise paari vabadusastmed

• ruumis vabalt asetseval kehal on 6 liikumisvõimalust (vabadusastet): 3 võimalust kulgliikumiseks mööda ristiasetsevaid tasapindu ( frontaal -, sagitaal - ja horisontaaltasapinda) ja 3 võimalust pöörlemiseks ümber telgede (frontaal-, sagitaal- ja pikitelje)
  

4. SKELETILIHASTE BIOMEHAANIKA
Lihaste mehaanilised omadused

• lihaste deformatsioonil ilmnevad järgmised mehaanilised omadused:
  

• elastus
  
• viskoossus (dempfeeruvus)
  
• roomavus
  
• pingete relaksatsioon
  

Lihaste elastsus ja viskoossus

• Elastsus – pärast deformatsiooni (venitamist) lihase esialgne pikkus taastub
  
• Viskoossus (dempfeeruvus) – lihase deformatsioon toimub suhteliselt aeglaselt, mis ilmneb nii uue pikkuse saavutamisel venitamisel kui ka algpikkuse taastamisel pärast venituskoormuse lõppu
  

Lihaste roomavus ja pingete relaksatsioon

• Roomavus – korduval deformeerimisel (venitamisel) lihas pikeneb, s.o. tekib jääkdeformatsioon (venitsujäägiga seisund)
  
• Pingete relaksatsioon – püsiva deformatsiooni ( venituse ) tingimustes lihasesisene pinge väheneb, s.o. lihas lõtvub
  

Lihaste biomehaaniline mudel

• Lihaste mehaaniliste omaduste kirjeldamisel kasutatakse sageli mudelit, kus kombineeruvad kolm komponenti:
  

• kontraktiilne komponent (KK)
  
• järjestikku-elastne komponent (JEK)
  
• paralleelne-elastne komponent (PEK)
  

• Kontaktiilset komponenti kujutatakse mudelis viskoosse vedelikuga täidetud silindrina, milles mootori jõul liigub kolb
  
• Elastseid komponente kujutatakse terasvedrudena, mille väljavenitamiseks on vaja rakendada jõudu
  

Puhkeolekus lihae mehaanika venitusel

• Organismi tingimustes omavad skeletilihased puhkeolekus nõrka pinget (puhkeoleku pinget Fo), kuna nad on mõnevõrra venitatud seisundis (lihase puhkeoleku pikkus lo on suurem kui isoleeritud lihase algpikkus I)
  
• Lihase venitamisel välisjõu poolt tekib lihases elastsusjõud, mis progresseruvalt kasvab
  
• Seejuures elastne pinge tekib eelkõige paralleelse-elastse komponendi struktuurides
  
• Kontraktiilne komponent on puhkeolekus kergelt väljavenitatav
  

Kontrahheerunud lihase mehaanika venitusel

• Kontrahheerunud lihase venitamisel suhteliselt suure välisjõu poolt tekib elastne pinge eelkõige järjestikku-elastse komponendi struktuurides
  
• Analoogiliselt terasvedruga salvestub lihastesse elastse deformatsiooni energia, mis koormusest vabamemisel sooritab mehaanilist tööd ja mille tulemusena suurenevad liikuva kehalüli kiirus, jõud ja võimsus
  

Lihase venituse ja kontraktsiooni tsükkel liigutustegevusel

• Esineb: - kõnnil
  

- jooksmisel
- hüppamisel
Lihaste mehaaniliste omaduste määramine müotonomeetria meetodil

• Müotomeetria on lihaste toonuse (lihaspinge) uurimise meetod, mis põhineb lihaste mehaaniliste (elastsete ja viskoossete) omaduste määramisel
  

Lihaskontraktsiooni biomehaanika
Lihaskontraktsiooni liigid

• Lihaskontraktsioon on lihase mehaaniline reaktsioon erutumisel
  
• Sõltuvalt lihase pikkuse ja lihases tekkiva pinge suhetest eristatakse kolme liiki lihaskontraktsioone:
  

• isotooniline kontraktsioon
  
• isomeetriline kontraktsioon
  
• auksotooniline kontraktsioon
  

Isotooniline kontraktsioon

• Väline koormus puudub ja lihas lüheneb konstantse pingega
  
• Skeletilihased füsioloogilistes tingimustes isotooniliselt ei kontrahheeru
  
• Isotooniliselt kontrahheeruvad isoleeritud ja koormusvabad skeletilihased, samuti keelelihased
  

Isomeetriline kontraktsioon

• Väline koormus võrdub lihases tekkiva pingega ja lihase lühenemist ei toimu
  
• Isomeetriline kontraktsioon esineb kehaasendite ja raskuste hoidmisel kindlas asendis
  

Auksotooniline kontraktsioon

• Muutuvad nii lihase pinge kui ka pikkus
  
• Esineb kaks alaliiki:
  

• kontsentriline kontraktsioon, mille puhul väline koormus on lihases tekkivast pingest väiksem ja lihas lüheneb
  
• ekstsentriline kontraktsioon, mille puhul väline koormus on lihases tekkivast pingest suurem ja lihas pikeneb
  

• Auksootolise kontraktsiooni eriliigiks on isokineetiline kontraktsioon
  

Isokineetiline kontratktsioon

• Lihase pikkuse muutus toimub konstantse kiirusega
  
• Isokineetiline kontraktsioon kutsutakse esile spetsiaalsete seadmetega – isokineetiliste dünamomeetrite – abil ja võib olla nii kontsentriline kui ka ekstsentriline
  

Lihaste kontraktsioonijõudu määravad faktorid

• Lihaste kontraktsioonijõudu iseloomustatakse maksimaalse pingega, mida lihased on võimelised erutumisel arendama
  
• Lihase kontraktsioonijõud sõltub järgmistest teguritest:
  
  • lihaskiudude hulgast lihastes
    
  • lihase pikkusest (liigese nurgast)
    
  • neuraalsetest mõjudest
    
  • lihase füsioloogilisest ristlõikepindalast
    
  • lihase poolt luukangidele avaldatavast mehaanilisest toimest
    

Biokinemaatilise paari vabadusastmete arv

• Biokinemaatilise paari vabadusastmete arv sõltub liigese ehitusest ja liigist
  
• Inimese liigesed ei võimalda normaalselt kulguliikumist ja seetõttu on biokinemaatilise paari suurim vabadusastmete arv kolm
  

Liigeste liigid

• Sõltuvalt pöörlemistelgede arvust võivad biokinemaatilise paari moodustada kas ühe-, kahe- või kolmeteljelised liigesed
  
• Üheteljelised liigesed on ratas-, plokk - ja tiguliiges
  
• Kaheteljelised liigesed on ellipsoid - ja sadulliiges
  
• Kolmeteljelised liigesed on kera- ja lameliiges
  

Liigeste liikuvus

• Biokinemaatilise paari liikumise ulatus sõltub liigeste liikuvusest
  
• Liigeste liikuvust iseloomustatakse pöördenurga suurusega, mis antud liigese korral on võimalik kindlas tasapinnas ja suunas
  
• Liigeste liikuvus on painduvuse kui kehalise võime aluseks
  

Liigeste liikuvuse liigid

• Eristatakse kolme liiki liigeste liikuvust:
  

• luuline ehk anatoomiline liikuvus
  
• aktiivne liikuvus
  
• passiivne liikuvus
  
• Inimese liigeste aktiivset ja passiivset liikuvust määratakse goniomeetria meetodil
  

Mehaanika seisukohalt tähendab liigeste suurem liikuvus:

• Liigutuste suuremat amplituudi ja seoses sellega ka vastavate kehaosade (koos nendega ka spordivahendite) pikemat liikumisteed
  
• Pikeneb aeg, mille vältelt lihasjõudu rakendatakse
  
• Saavutatakse liigutustegevuse suurema dünaamiline efekt - suurenevad liigutustel avalduv jõuimpulss, kiirus ja võimsus
  

Biokinemaatilised ahelad

• Liigeste abil kehaosade süsteemiks liituvad biokinemaatilised paarid moodustavad biokinemaatilise ahela
  
• Inimese liikumisaparaadis eristatakse avatud ja suletud biokinemaatilisi ahelaid
  

Avatud ja suletud biokinemaatilsied ahelad

• Avatud biokinemaatilise ahela lõpplüli võib vabalt liikuda ja sellise ahela igas liigeses on võimalikud isoleeritud liigutused (liigutused, mis on geomeetriliselt sõltumatud liigutustest teistes liigestes )
  
• Suletud biokinemaatilises ahelas ei ole isoleeritud liigutused võimalikud (liikumine ühes liigeses sõltub liikumisest ahela teistest liigestest)
  
• Suletud biokinemaatilised ahelad, mida ei ole võimalik muuta avatuks on rinnak, roided ja lülisammas
  

Biokinemaatilise ahela vabadusastmed

• Biokinemaatilise ahela vabadusastmete määramisel summeerub seda moodustavate biokinemaatiliste paaride vabadustastmete arv
  
• Näiteks ülajäsemel on kere suhtes 7 vabadusastet: õlaliigeses 3 + küünarliigeses 1 + randmeliigeses 3
  
• Alajäsemel on vaagna suhtes 6 vabadusastet: puusaliigeses 3 + põlveliigeses 1 + ülemises hüppeliigeses 2
  
• Kokku on inimese liikumisaparaadis 244 vabadusastet
  

5. INIMESE LIIGUTUSTEGEVUSE BIOMEHAANILINE ANALÜÜS
Mehaaniline liikumine

• Keha mehaaniliseks liikumiseks nimetatakse antud keha asukohamuutumist ruumis teiste kehade suhtes aja jooksul
  
• Keha mehaanilise liikumise uurimine tähendab asukoha kindlaksmääramist aja jooksul
  
• Et määrata liikuva keha asukohta , peab oskama liikumist matemaatiliselt kirjeldada, s.o. leida mehaanilist liikumist iseloomustavate suuruste vahelist seost
  
• Sama kehtib ka biomehaanikas, kus inimese keha liikumist iseloomustavate suuruste vahelist seost
  
• Sama kehtib ka biomehaanikas, kus inimese keha liikumist iseloostavate suuruste – biomehaaniliste karakteristikute alusel määratakse keha ja selle osade asukoht suvalisel ajahetkel vaadeldavas taustsüsteemis
  

Mehaanilise liikumise iseärasused elusorganismides

• Elusas kehas (organismis) ilmneb mehaaniline liikumine kahel kujul:
  
  • keha ja selle osade liikumisena ruumis
    
  • keha ja selle osade deformatsioonina
    

• Inimese liigutustegevusel toimuv keha ja selle osade mehaaniline liikumine tekib välisjõudude (raskusjõu, hõõrdejõu, toereaktsiooni , elastsusjõu jt.) ning aktiivse sisejõu (lihaste kontraktsioonijõu) koosmõju tulemusena
  
• Elusate kehade liikumise olemuse mõistmiseks on vajalik mitte ainult liikumise mehaanika uurimine vaid ka selle protsessi bioloogilise külje arvestamine , kuna see määrab mehaanilise liikumise muutuste aluseks olevate jõudude toime iseärasused
  
• Samas tuleb, et ei eksisteeri erilisi mehaanikaseadusi, mis kehtivad ainult eluslooduses
  
• Mehaanika üldiste seaduste rakendamisel elusate kehade uurimisel tuleb arvestada ka nende bioloogilisi iseärasusi, eelkõige liikumisaparaadi muutlikkust (vananemise, treeningu, hüpokineesia jms. mõjul)
  

Mehaanilise liikumise liigid

• Mehaanilised liikumised erinevad üksteisest nii ruumisliste (geomeetriliste) kui ka ajaliste tunnuste poolest
  
• Geomeetriliste tunnuste alusel eristatakse:
  
  • kulgliikumist
    
  • pöörlemist
    
  • liitliikumist
    
• Ajaliste tunnuste alusel eristatakse:
  
  • ühtlast liikumist
    
  • mitteühtalst liikumist
    

Kulgliikumine

• Kulgliikumisel ehk translatsioonil jääb keha asukoha muutumise vältel iga kujuteldava sirge kehas iseendaga paralleelseks
  
• Trajektoori kuju järgi eristatakse
  
  • sirgjoonelist liikumist
    
  • ringjoonelist liikumist
    
  • kõverjoonelist liikumist
    

Pöörlemine

• Pöörlemisel ehk rotatsioonil liiguvad kõik keha punktid mööda ringjooni nii, et ringjoonte keskpunktid asuvad ühel sirgel, mida nimetatakse pöörlemisteljeks ning nende joonte tasandid on pöörlemisteljega risti
  
• Pöörlemistelg võib asuda nii keha sees kui ka väljaspool keha
  
• Seoses inimese liikumisaparaadi ehituse iseärasustega (luukandide süsteem) kujutavad kõik kehaosade liikumised endast pöörlemist ümber liigestelgede
  

Liitliikumine

• Liitliikumise ehk keerulise trajektooriga liikumise puhul kulgliikumine ja pöörlemine kombineeruvad
  
• Inimese liigutustegevusel kohtab kulgliikumist ja pöörlemist puhtal kujul harva
  
• Tavaliselt tekib kogu keha kulgliikumise ja kehaosade pöörlemise kombineerumise tulemusena liitliikumine
  
• Liikuva taustkeha ja sellega seotud koordinaadistiku rakendamine võimaldab liitliikumise lahutada kaheks lihtsamaks komponendiks – kulgliikumiseks ja pöörlemiseks nind analüüsida neid eraldi
  

Ühtlane ja mitteühtlane liikumine

• Ühtlasel liikumisel liigub keha muutumatu kiirusega
  
• Mitteühtlased liikumisel keha kiirus muutub, kusjuures eristatakse:
  
  • kiirenevat liikumist (ühtlaselt kiirenev, mitteühtlaselt kiirenev)
    
  • aeglustuvat liikumist (ühtlaselt aeglustuv , mitteühtlaselt aeglustuv)
    
• See kehtib nii kulgliikumise kui ka pöörlemise kohta
  

Biomehaanilised karakteristikud

• Biomehaanilisel analüüsil kasutatavaid füüsikalisi suurusi nimetatakse biomehaanilisteks karakteristikuteks
  
• Nende abil on võimalik kirjeldada keha ja selle osade (lülide) mehaanilist liikumist ruumis ja ajas, samuti keha tasakaalu
  
• Biomehaanilised karakteristikud saadakse kas eksperimentaalselt (mõõtmise teel) või arvutatakse eelnevalt määratud suuruste alusel
  

Biomehaaniliste karakteristikute jaotus

• Biomehaanilised karakteristikud jaotatakse kahte suurde gruppi:
  
  • kinemaatilised karakteristikud
    
  • dünaamilised (kineetilised) karakteristikud
    
• Biomehaanilised karakteristikud esinevad nii skalaarsete kui ka vektoriaalsete suurustena
  

Skalaarid ja vektorid

• Skalaarid on suurused, mida iseloomustab ainult arvväärtus:
  
  • aeg
    
  • mass
    
  • inertsimoment
    
• Vektorid on suurused, mida iseloomustavad peale arvväärtuse (mooduli) ka siht ja suund sel sihil ruumis:
  
  • kiirus
    
  • kiirendus
    
  • jõud
    

Vektorite liitmine

• Vektorite liitmine toimub kahe komponendi korral rööpkülikureegli järgi
  
• Kui vektoreid on rohkem kui kaks, siis toimub nende liitmine hulknurgareegli järgi
  
• Ühe vektrori lahutamine teisest on samaväärne vastassuunalise vektori liitmisega
  

Ravhusvahelise mõõtühikute süsteemis (SI-süsteem) põhiühikud

• Pikkus: meeter (m)
  
• Mass: kilogramm (kg)
  
• Aeg: sekund (s)
  

Inimese liigutusetegevuse biomehaaniline analüüs
Biomehaaniline analüüs

• Biomehaanika uurib inimese liigutustegevusega ja keha tasakaalu säilitamisega seotud küsimusi mehaanika seadustele tuginedes
  
• Eristatakse kahte liiki biomehaanilist analüüsi:
  
  • kvalitatiivne biomehaaniline analüüs – uurimismeetodina kasutatakse vaatlust
    
  • kvantitatiivne biomehaaniline analüüs – kasutatakse eksperimentaalseid uurimismeetodeid
    

Kvantitatiivne biomehaaniline analüüs

• Eristatakse järgmisi kvantitatiivse biomehaanilise analüüsi liike:
  
  • kinemaatiline analüüs
    
  • dünaamiline analüüs
    
  • elektromüograafiline analüüs
    
• Biomehaanilistel uuringutel eristatakse kolme järjestikust etappi:
  

1) biomehaaniliste karakteristikute registreerimine
2) tulemuste statistiline töötlus
3) tulemuste analüüs
Biomehaanilisel analüüsil kasutatavad abstraktsioonid

• Biomehaanikas kasutatakse keha ja selle osade liikumise uurimisel abstraktsioone
  
• Sõltuvalt liikumistingimustest ja püstitatud ülesandest käsitletakse biomehaanikas inimese keha:
  

• punktmassina
  
• jäiga kehana
  
• mehaanilise süsteemina
  

Punktmass

• Punktmass on keha, mille mõõtmed võib antud liikumistingimustes arvestamata jätta
  
• Biomehaanikas võrdsustatakse inimese keha punktmassiga juhul, kui keha nihe liikumisel on palju suurem võrreldes selle mõõtmetega ja kui ei uurita kehaosade vastastikust ümberpaiknemist, samuti keha pöörlemist
  
• Tavaliselt võrdsustatakse sel juhul inimese kogu keha liikumine KRK liikumisega
  
• Kehaosade liikumise uurimisel võrdsustatakse punktmassiga selle kehaosa raskuskese
  

Jäik keha

• Jäigaks kehaks nimetatakse keha, mille deformatsioonid võib antud liikumistingimustes jätta arvesse võtmata
  
• Biomehaanikas võrdsustatakse inimese keha jäiga kehaga juhul, kui võib jätta arvetsamata tema lülide (kehaosade) nihked ja kudede deformatsioonid ning kui on oluline arvestada ainult keha mõõtmeid
  
• Jäik keha säilitab alati oma geomeetrilise kuju
  
• Jäiga kehana vaadeldakse inimese keha sageli pöörlemise uurimisel püsivas asendis, samuti keha tasakalu uurimisel
  

Mehaaniline süsteem

• Keha vaadeldakse mehaanilise süsteemina juhul, kui on vaja arvestada selle üksikute materiaalsete punktide (osade) omavahelise ümberpaiknemisega ruumis
  
• Mehaanilise süsteemi igal osal on mõõtmed ja mass
  
• Biomehaanikas vaadeldakse inimese keha mehaanilise süsteemina, kui on oluline uurida kehaosade liikumise iseärasusi ja nende omavahelisi suhteid
  

Liigutustegevuse kinemaatiline analüüs

• Kinemaatilne analüüs seisneb liigutustegevuse välise pildi uurimises
  
• Selgitatakse, millistest liigutustest ja liikumisfaasidest üks või teine motoorne tegevus koosneb ning millises järjekorras liigutusi sooritatakse
  
• Põhineb liigutustegevuse kinemaatiliste ( ruumiliste , ajaliste ja ajalis-ruumiliste) karakteristikute registreerimisel
  

Sporditehnika kinemaatiline analüüs

• Võimaldab võrrelda ühe spordiala erinevaid tehnikavariante
  
• Võimaldab võrrelda erinevate sportlaste tehnika iseärasusi
  
• Võimaldab selgitada tehnikavigu
  
• Erilist osa etendab spordialadel, kus hinnatakse liigutuste esteetilisust , artistlikkust ( sport - ja ilusvõimlemine, vettehüpped, iluuisutamine jt.)
  
• Ka teistel spordialadel (tsüklilised alad, spordmängud, raskejõustik, suusahüpped jt.) võimaldab hinnata tehnikate efektiivsust ja ratsionaalsust
  

Liigutustegevuse kinemaatiline analüüs meditsiinis võimaldab hinnata:

• Patsientide motoorse puude suurust ja iseärasusi (täpsustada diagnoosi)
  
• Rakendatud ravivõtete efektiivsust nii kliinilises meditsiinis (neuroloogias, traumatoloogias) kui ka taastusravis (füsioteraapias)
  
• Proteeside kasutamise efektriivsus
  

Liigutustegevuse kinemaatilisel analüüsil kasutatavad põhilised uurimismeetodid :

• Filmi- ja videotehnika
  
• Aktselerograafia
  
• Goniograafia
  

Liigutustegevuse dünaamiline (kineetiline) analüüs

• Dünaamiline (kineetiline) analüüs seisneb liikumise tekke ja selle põhjuste selgitamises rakendatud jõudude mõjul, samuti liigutustegevuse energeetiliste aspektide ja tasakaalutingimuste uurimises
  
• Põhineb liigutustegevuse dünaamiliste (inertsiaalsete, jõu- ja energeetiliste) karakteristikute registreerimisel
  

Liigutustegevuse dünaamiline analüüs võimaldab hinnata

• Lihaste kontraktsioonijõu ja välisjõudude rakendamise efektiivsust liigutustegevuse erinevates faasides
  
• Energeetilisi kulutusi liigutustegevustel
  
• Mehaanilist ökonoomsust liigutustegevusel
  

Liigutustegevuse dünaamilisel analüüsil kasutatavad põhilised uurimismeetodid:

• Dünamomeetria ja dünamograafia
  
• Ergomeetria
  

Liigutustegevuse elektromüograafiline analüüs

• Elektromüograafiline analüüs seisneb töötavate lihaste topograafia määramises liigutustegevustel ja kehaasendite säilitamisel
  
• Elektromüogrammi (EMG) järgi on võimalik määrata lihaste aktvieerumise lõpp- ja algmomendid, samuti nende aktiivsuse kestust ja taset
  
• Määratakse, millised lihased ja mis järjekorras osalevad liigutustegevuse sooritamisel või kehaasendite säilitamisel, milline on nende aktiivsuse (erutuse) tase
  
• Sageli kombineeritakse EMG meetodit teiste biomehaaniliste uurimismeetoditega (dünamograafia, goniograadia, aktseleograafia jt.)
  

6. LIIGUTUSTEGEVUSE KINEMAATILISED KARAKTERISTIKUD
Kinemaatilised karakteristikud

• Kinemaatika on mehaanika haru, mis käsitleb kehade liikumise geomeetrilisi aspekte, arvestamata nende massi ja kehadele mõjuvaid jõude
  
• Kinemaatilised karakteristikud võimaldavad:
  

• kirjeldada kvantitatiivselt liikumise välist, silmaga nähtavat osa
  
• määrata inimese keha ja selle osade asukohta ruumis
  
• määrata keha orientatsiooni ja poosi suvalisel ajahetkel
  
• uurida liikumise ruumilis ja ajalisi aspekte
  

Kinemaatiliste karakteristikute jaotus:

• Ruumilised karakteristikud
  
• Ajalised karakteristikud
  
• Ruumilis-ajalised karakteristikud
  

Ruumilised karakteristikud on:

• Koorodinaadid
  
• Trajektoor
  
• Nihe
  

Koordinaadid

• Koordinadid on arvud, mis määravad vaadeldava objekti asukoha ruumis taustsüsteemi suhtes
  
• Keha või punktmassi asukohta võib määrata ainult mingi teise keha – taustkeha suhtes
  
• Taustkeha, sellega seotud koordinaadistik ja aja arvutamiseks valitud alghetk moodustavad taustsüsteemi, mille suhtes liikumist vaadeldakse
  

Taustsüsteem

• Taustsüsteem on vaadeldavas süsteemis liikumatu ja seda saab põhimõtteliselt valida vabalt, sõltumata keha mõõtmetest
  
• Inimese liikumise biomehaanikas, kus uuritakse põhiliselt inimese keha ja tema poolt kasutatud vahendite (spordivahendite, proteeside jt.) liikumist, valitakse taustkehaks Maa või sellega tihedalt seotud kehad (jooksu- või kõnnirada, saali seinad, võimlemisriistad jms.)
  
• Sellised Maaga seotud taustsüsteeme, mille suhtes kehtivad Newtoni seadused, nimetatakse inertsiaalsüsteemideks
  
• Kui taustkeha on valitud, seotakse selle mingi punktiga koordinadistik ja keha iga vaadeldava punkti asukoht määratakse koordinaatidega
  
• Biomehaanikas kasutatakse põhiliselt rist - ja polaarkoordinadistikku
  

Koordinaadistik

• Keha asukoha määramisel, samuti lihtsa kulgliikumise või pöörlemise uurimisel kasutatakse liikumatut koordinaadistikku
  
• Keha orientatsiooni või poosi, samuti liitliikumise uurimisel kasutatakse kombineeritult nii ühte liikumatut kui ühte või mitut liikuvat koordinaadistikku
  
• Keha asukoht iseloomustab, millises osas asub inimene antud momendil
  
• Keha orientatsioon peegeldab keha asendit liikumatu koordinaadistiku suhtes ( horisontaalselt , vertikaalselt, pea alaspidi)
  
• Keha poos iseloomustab kehaosade asendit üksteise suhtes
  
• Et uurida keha punktide liikumist nende asukohtade võrdluse teel ruumis, on vaja määrata järgmised näitajad:
  

• taustkeha
  
• tausta suund
  
• tausta algus
  
• taustühikud
  

Taustkeha

• Inimese keha või spordivahendite liikumise uurimisel on taustkehaks tavaliselt maapind
  
• Üksikute kehaosade liikumise uurimisel ümber liigesetelgede on taustkehadeks naaberkehaosad
  

Tausta suund ja algus

• Kulgliikumise uurimisel liikumatus ristkoordinaadistikus valitakse tausta suund maapinna suhtes koordinaatide alguspunktist 0 mööda kolme telge järgmiselt:
  

x – teljel mööda horisontaali – edasi (+), tagasi (-)
y – teljel mööda vertikaali – üles (+), alla (-)
z – teljel ristisuunas – paremale (+) vasakule (-)

• Tausta alguseks võib siin olla vabalt valitud punkt, millega seotakse koordinaatide alguspunkt
  
• Keha pöörlemise uurimisel ümber mingi telje valitakse tausta suund vaatleja suhtes kas kellaosuti suunas (+) või sellele vastassuunas (-)
  
• Tausta alguseks võib siin olla näiteks raadius, mis ühendab liikuvat punkti pöörlemisteljega
  

Taustühikud on:

• Kulgliikumise uurimisel teepikkuse ühikud (m, cm, mm)
  
• Pöörlemise uurimisel pöördenurga ühikud (rad, nurgakraad)
  

Inimese liigutustegevuse biomehaanilistel uuringutel on oluline määrata keha:

• Algasukoht
  
• Lõppasukoht
  
• Rida liikumisega kaasnevaid vahepealseid asukohti
  

Trajektoor

• Trajektoor ehk läbitud tee joon, mida mööda keha (punktmass) tegelikult liigub
  
• Trajektooril määratakse järgmised näitajad:
  

• teepikkus
  
• joonkõverus
  
• orientatsioon
  
• Teepikkus on trajektoorilõigu pikkus, mille keha vaadeldava ajavahemiku jooksul läbib
  
• Keha (punktmassi) sirgjoonelisel liikumisel ühtib teepikkus / nihkega ∆s
  
• Kõverjoonelisel liikumisel on punktmassi trajektoori pikkus seoses joonkõverustega nihkest alati suurem, võrdudes elementaarnihete moodulite summaga
  
• Joonkõverus näitab, milline on punktmassi liikumise kuju ruumis
  
• Igal joonel on igas punktis kindel kõverus
  
• Antud punktis võib igat joone elementi vaadelda kui ringjoone kaart
  
• Trajektoori orientatsiooni määratakse sirgjoonelise liikumisel punkti alg- a lõppasukohtade koordinaatide järgi ning kõverjoonelisel liikumisel nende kahe punkti ja kolmanda punkti, mis ei asu nendega ühel joonel, koordinaatide järgi
  

Nihe

• Nihkeks nimetatakse suunatud sirglõiku, mis ühendab punktmassi (keha) algasukohta lõppasukohaga
  
• Kulgliikumisel arvutatakse punktmassi nihe ∆s algasukoha ja lõppasukoha koordinaatide vahena ∆s = s2 – s1 (kus s1 on punktmassi alguskoha ja s2 lõppasukoha koordinaat)
  
• Nihke ühikuks SI-süsteemis on meeter (m)