Funzione: Stabilità e Ammortizzazione del Carico (PDF)

# Funzione: stabilità e ammortizzamento del carico ## Caratteristica geometrica - Alternanza di curvature La divisione della colonna in 3 curve diverse riguarda la presenza del carico critico. Il carico di punta è una sollecitazione di compressione applicata alla testa di un'asta, ad esempio un pila...

# Funzione: stabilità e ammortizzamento del carico ## Caratteristica geometrica - Alternanza di curvature La divisione della colonna in 3 curve diverse riguarda la presenza del carico critico. Il carico di punta è una sollecitazione di compressione applicata alla testa di un'asta, ad esempio un pilastro o trave incastrata ad un estremo ed incernierata nell'altro caratterizzati da notevole snellezza (rapporto tra lunghezza fratto diametro). ## Le curve rachidee La presenza delle curve aumenta la resistenza del rachide alle sollecitazioni di compressione assiale R = N² + 1 con R = resistenza, N= numero di curve 3 curve mobili del rachide = resistenza 10 volte maggiore rispetto ad una colonna rettilinea ### FUNZIONI DEL RACHIDE: DISTRIBUZIONE DEI CARICHI (NECESSITÀ DI 3 CURVE) Come si ottengono le 3 curve principali nel rachide? Le vertebre sono diverse ed è diversa l'altezza dei dischi: cervicali e lombari maggiore altezza anteriore, toracici maggiore altezza posteriore nel piano sagittale (determinazione delle curve fisiologiche del rachide) # 4. Il sistema muscolare I muscoli sono gli attuatori del movimento, ovvero sono quella parte del corpo che genere le forze che permettono ai diversi distretti di muoversi. Muscoli scheletrici: muscoli striati. Tipi di muscoli in base al movimento generato: Flessori, estensori, abdo-adduttori, rotatori ecc. ## L'analisi della funzione muscolare mediante modelli muscoloscheletrici dinamici Un modello muscoloscheletrico è fondamentalmente un insieme di relazioni matematiche tra le variabili cinematiche descrittive del movimento del sistema scheletrico e le variabili che caratterizzano le condizioni di funzionamento dei vari muscoli (lunghezza, velocità di variazione di lunghezza, bracci di leva). I muscoli lavorano come delle funi, se li vincolo ai due lati e tiro la fune posso analizzare che tipo di movimento svolge il muscolo. L'operazione di modellizzazione è molto complessa perché i muscoli che intervengono durante il movimento di ogni articolazione sono moltissimi e con funzioni molto diverse tra loro. In generale però per schematizzare un muscolo si utilizza il modello di un attuatore, che applica una forza in un certo punto e lungo una direzione prefissata, che può però variare nel tempo; il punto di inserzione del muscolo in cui viene applicata la forza è molto importante ai fini del corretto movimento. # Problema dinamico diretto I vari tipi di forze, comprese quelle muscolari, generano dei movimenti risultanti dall'azione controllata di singoli muscoli o di gruppi muscolari e servono per comprendere meglio il funzionamento del sistema muscolare Combinando il modello muscoloscheletrico, che riproduce la posizione dei muscoli e quindi anche la direzione delle forze sviluppate, con i modelli dinamici, che riproducono le caratteristiche inerziali del sistema, si possono analizzare i movimenti risultanti dall'azione controllata di singoli muscoli o di gruppi muscolari e comprenderne meglio il funzionamento. Si parla di problema dinamico diretto quando a partire dalle condizioni dinamiche applicate al corpo, quindi conoscendo il sistema di forze che viene applicato al corpo (comprese quelle muscolari), si vuole risalire alle caratteristiche cinematiche risultatini, ovvero alle caratteristiche del movimento che risulta dall'azione controllata di singoli muscoli o di gruppi muscolari per comprenderne meglio il funzionamento. ## Simulazione azione muscolare Posso modellizzare la forza muscolare secondo 3 possibilità: 1. considero muscolo che generi una forza costante 2. la forza dipenda dalla lunghezza del muscolo, supponendo in questo modo che il livello di attività sia costante (è noto che a parità di attivazione il muscolo genera forze diverse a seconda della lunghezza a cui si trova a lavorare) 3. andamento temporale derivante da varie considerazioni, tra cui per esempio l'analisi dei tracciati elettromiografici di casi reali. ### Produzione di una forza dipendente dalla lunghezza In prima approssimazione si può schematizzare il muscolo con una molla con una lunghezza iniziale lo e una costante elastica k. ## Esempio: modello del muscolo brachiale Si consideri l'arto superiore modellizzato in Figura, sul quale agiscono il muscolo bicipite brachiale (muscolo biarticolare, flessore di gomito e flessore-abduttore di spalla) e il muscolo brachiale anteriore (muscolo monoarticolare, flessore di gomito). # Struttura (schematica) di un sarcomero al varie della distanza tra i dischi Z A) Il sarcomero ad una lunghezza generica, alla quale tutte le teste di miosina possono attaccarsi al filamento di actina B) Lunghezza del sarcomero prossima alla massima, oltre alla quale non esiste sovrapposizione tra filamenti di actina e di miosina; C) Lunghezza prossima alla minima, corrispondente alla lunghezza dei filamenti di miosina ## Dipendenza forza-velocità nel sarcomero La forza totale generata dai sarcomeri, ovvero la forza generata dai ponti di actina-miosina in presa, dipende dalla velocità con cui scorrono i filamenti del sarcomero. # Il twitch di forza Le fibre iniziano a contrarsi quando ricevono un segnale elettrico, detto potenziale d'azione, da parte del sistema nervoso. Si dice che la generazione del segnale di contrazione è un fenomeno elettrochimico-meccanico, perché ha origine da un segnale elettrico, vengono poi rilasciate sostanze chimiche che regolano la contrazione e infine ha origine un'azione meccanica. ## Tipi di fibre muscolari A seconda del sistema energetico utilizzato e della velocità con cui l'energia viene resa disponibile al sarcomero posso classificare diversi tipi di fibre. OSSERVARE NEI GRAFICI I DIVERSI VALORI DELLA FORZA E DEL TEMPO IMPIEGATO # Struttura globale del muscolo scheletrico - caratteristiche geometriche - La parte centrale del muscolo è detto ventre muscolare, il quale presenta dei punti di inserzione sulle articolazioni e sulle ossa, grazie ai quali la forza generata dai muscoli viene trasmessa allo scheletro per permettere il movimento. ## Proprietà contrattili del muscolo = f (massa, lunghezza totale fibre e sarcomeri, angolo pennazione) In verde sono i punti dii inserzione e le frecce indicano la direzione della forza generata. Le fibre del muscolo pennato sono inclinate di angolo θ . # Dipendenza del grafico forza-velocità dal tipo di muscolo La curva forza-velocità che caratterizza un muscolo dipende dalle caratteristiche geometriche del muscolo, in particolare dalla sua Physiological Cross Section Area: ## Dipendenza del momento dal braccio di leva La capacità del muscolo di generare un certo momento dipende fortemente dal braccio di leva, ovvero dalla geometria che lo caratterizza, in particolare di come si inserisce rispetto alla struttura circostante. # Tendine Il muscolo genera una forza che non si trasmette direttamente allo scheletro, ma prima passa per il tendine (= punto di collegamento tra muscolo e parte scheletrica). ### Proprietà meccaniche del tendine Per valutare le proprietà meccaniche dei muscoli dobbiamo necessariamente valutare anche quelle delle strutture adiacenti che collaborano con i muscoli. In particolare possiamo affermare che in termini di sforzo sui tendini agisce una sollecitazione di circa 1 GPa, sulle ossa di 20 GPa, mentre sui muscoli uno sforzo intermedio di 200 kPa. ## Fenomeno di isteresi (componenti viscose) del tendine Il tendine inoltre ha delle proprietà meccaniche particolari perché non trasmette le sollecitazioni in modo diretto tra le ossa e i muscoli, ma presenta delle caratteristiche viscose che si manifestano con delle aree di isteresi presenti nelle curve sforzo-deformazione; ciò significa che il tendine presenta un comportamento diverso a seconda che il carico venga applicato o tolto dal tendine. ## La forza muscolare – comportamento sperimentale Se si misura la FORZA in condizioni isometriche di un muscolo in funzione della lunghezza, muscolo sotto stimolazione elettrica. Al di sotto di determinate lunghezze non genero forza (interferenza filamenti actina e miosina). In corrispondenza di lunghezza ottimale genero la forza massima. La curva sperimentale invece di avere andamento simile alla curva forza-lunghezza del sarcomero, dopo la lunghezza massima la curva scende, ma poi torna a salire. Massimo relativo (FA-Max) in corrispondenza di Lo (lunghezza ottimale). # Modelli reologici del muscolo In condizioni isometriche, il modello che rappresenta il comportamento del muscolo si compone di: * Generatore di forza rappresenta la componente contrattile attiva (scorrimento filamenti actina + miosina) * elemento che rappresenta elasticità elementi in parallelo che è dovuto alla componente passiva. # Equilibrio delle forze (formule non richieste all'esame) F = Kp*X1 + Ks*(X1 - X 2) (equilibrio delle forze nel nodo 1) Bp*dX2/dt = Ks * (X1 - X 2) (equilibrio delle forze nel nodo 2)