BIOMECHANIKA Mgr. Veronika Málková Mgr. Adam Vajčner BIOMECHANIKA ´Mechanika aplikovaná v biologii ´Fyzika, matematika, fyziologie, aj. ´Struktura a chování pohybového systému – interní x externí interakce ´Systém: ´množina předmětů, dějů, jevů spolu souvisejících přesně definovaným způsobem a vytvářejících jednotný celek. ´systémové části s charakteristickými vlastnostmi → spojením do celku transformace kvality vlastností dle požadavků systému. ´Struktura systému: ´účelné uspořádání prvků, částí nebo složek systému (vztah mezi prvky). ´ ´ BIOMECHANIKA ´ ´Vztahy mezi prvky: ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´Chování systému: ´souhrn funkcí výkonných orgánů (efektorů), kterými systém komunikuje s okolním prostředím (vztah systém – okolí). ´ ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Množina vstupů: X = {X1; X2 ; …. ;Xp} ´Množina výstupů: Y= {Y1; Y2 ; …. ;Yq} ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´Např. vstupy (déšť, vítr, teplota) = nastartování termoregulačních mechanismů a chování, aj. ´Zvedání břemene (info o m, T, povrchu → prostorová a časová sumace ke ↑ svalové síly → zvednutí břemene). ´ ´ S ↓x1 ↓x2 ↓x ↓xp ↓y1 ↓y2 ↓y ↓yq Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´ ´Pohybový systém a okolí: ´Vstupy a výstupy ovlivňovány okolím a současně působí na okolí systému ´ ´ ´ ´ ´ ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´ ´Otevřený systém: ´výměna informací s okolím, ´při pohybu mechanická interakce PS a okolí vykonávaná za určitým záměrem (vnější prostředí x vznik uvnitř systému). ´Uzavřený systém. ´Dynamické chování pohybového systému: určováno v závislosti na plynoucím čase. ´Výstupní veličiny ovlivněny: vstupními parametry, uspořádáním systému v daném momentě a funkčností prvků, tj. stavem systému. ´Katastrofa: výrazná negativní změna v chování pohybového systému vzniklá v důsledku různých vlivů, které se liší velikostí a intenzitou. ´ BIOMECHANIKA ´ ´Teorie chaosu: ´lidské tělo (orgány) nefunguje na podkladě lineárních vzorců klasické mechaniky (složité věci jsou vytvořené z jednoduchých prvků, které lze získat zpětnou analýzou složitých věcí). ´funkce na podkladě nelineární dynamiky = teorie chaosu (vlastnosti orgánu složeného z mnoha buněk nelze automaticky přebírat z vlastností daných buněk). ´nelinearita obsahuje obrovské množství možných vztahů (variabilita) mezi jednoduchými jevy. ´velmi malá změna na úrovni dílčího systému může výrazně ovlivnit celý systém. ´ BIOMECHANIKA ´ ´Základní podsystémy: ´řídící, ´svalový, ´kosterní, ´energetický subsystém. BIOMECHANIKA ´ ´Tělní segmenty: ´rozčlenění těla v závislosti na typu úkonu, ´nejčastěji 14: hlava a krk, trup (horní, střední a spodní), párové segmenty: paže, předloktí, ruka, stehno, bérec, noha. ´ ´ ´ ´ Janura, 2003 Některé pohyby – sjednocení segmentů: vertikální skok – hlava a trup jsou jeden segment. Stejně tak pojem HK, analýza manipulace – ruka až 6 segmentů. BIOMECHANIKA ´ ´Tělní segmenty: ´Relativní hmotnost segmentu: reálné naměřené údaje převedeny na procentuální vyjádření hmotnosti segmentu vzhledem k celkové hmotnosti těla. ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´Radioizotopická metoda: určení hmotnosti segmentů na základě měření velikosti úbytku záření nízké intenzity při jeho průchodu segmentem. Ze získaných hodnot vypočítány koeficienty umožňující výpočet hmotnosti segmentu dle rovnice mi = B0 + B1.x1 + B2.x2 ´ ´ ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´COM (centre of mass, těžiště): bod, ze kterého působí výsledná tíhová síla, jenž vzniká součtem tíhových sil působících na jednotlivé tělní segmenty (analytická metoda) ´změna vzájemné polohy jednotlivých segmentů → změní se také umístění celkového těžiště těla (pro některé polohy leží celkové těžiště dokonce mimo lidské tělo), děje se tak i při chůzi ´těžiště = působiště gravitační síly tělesa, těžnice = přímka procházející těžištěm Obsah obrázku muž, vsedě, voda, stůl Popis byl vytvořen automaticky https://is.muni.cz/do/1451/e-learning/kineziologie/elportal/pages/segmenty_teziste.html BIOMECHANIKA ´Těžiště těla: ´v základní anatomické poloze těla = těžiště ve výši S2 – S3 cca 4 – 6 cm před přední plochou obratlových těl (ne obecné pravidlo, umístění se odvíjí od tělesných proporcí a ani v klidu není stálé = mění se působením životních pochodů v organismu), ´u mužů díky rozdílné anatomické ve srovnání se ženami zpravidla posunuto o 1 – 2 % výš, ´těžiště jednotlivých segmentů: segment nahrazován geometrickým modelem (komolý kužel, válec, koule) = homogenní rozložení hmoty, ´těžiště leží na ose daných modelů (úsečka s krajními body ve středech kloubů ohraničujících segment), ´bérec, noha a ruka: těžiště dělí segment v poměru 2:3 (menší část u proximálního konce), nadloktí, předloktí a stehno 4:5, segment nohy dán hlezenním kloubem, špičkou a patou = těžiště v těžišti trojúhelníku s vrcholy v daných bodech. BIOMECHANIKA Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Steinerova věta: osa neprochází těžištěm segmentu těla: ´ Jp = Jo+m.p2 ´(Jo – moment setrvačnosti vzhledem k ose o procházející těžištěm segmentu, m – hmotnost segmentu, p – vzdálenost od osy procházející těžištěm a osy k ní rovnoběžné, ke které vztahujeme moment setrvačnosti) ´Kinematické řetězce: sledujeme pouze změny v poloze řetězců. ´Kinetické řetězce: sledujeme navíc i síly, které změny způsobují. ´Biokinematická dvojice: vazba mezi dvěma sousednímu segmenty. ´Biokinematický řetězec: doplnění dvojice o další segment. ´Biokinematická smyčka: segmenty tvořící mnohoúhelník, jeho jsou vrcholy kinematické dvojice. BIOMECHANIKA ´Biokinematický řetězec: ´otevřený: bez smyčky, ´uzavřený: alespoň jedna smyčka, ´smíšený: smyčka + otevřený řetězec, ´jednoduchý: na každém segmentu jedna nebo dvě biokinematické dvojice, ´složený: alespoň jeden segment tvořen více než dvěma biokinematickými dvojicemi. ´biomechanismus: UKŘ + k jednomu jeho členu se vztahuje pohyb těla nebo se kterým je tělo v kontaktu. Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Mechanické vlastnosti tkání: ´Tuhost: odolnost proti zatížení, ´Pevnost: odolnost proti porušení, ´ BIOMECHANIKA ´Mechanické vlastnosti tkání: ´viskoelasticita, ´nehomogenita, ´anizotropie (materiály vykazují v různém směru zatěžování různé chování), ´adaptabilita. ´Mechanická impedance: odolnost materiálů proti mechanickému silovému působení: ´hmotnost – energie se akumuluje, ´elasticita – energie se akumuluje, ´plasticita – disipace energie (přeměna mechanické energie na jiný druh energie), ´viskozita – disipace energie. BIOMECHANIKA ´Mechanické vlastnosti tkání: ´Kvantitativní vyjádření: ´Elasticity: tuhost (Youngův modul pružnosti) [E] = MPa ´E = 𝝈/𝜺, 𝝈 – napětí (𝝈 = F/S), 𝜺 – relativní deformace materiálu (𝜺 = l- lo /lo) ´Čím větší modul pružnosti, tím menší deformace ´Viskozita: součinitel kinematické vazkosti ´Plasticita: součinitel tření ´ ´ ´ ´ BIOMECHANIKA ´Struktura kosti: ´Základní kostní hmota a kostní buňky ´organická složka matrix – 35% (kolagen, nekolagenní proteiny, kostní buňky), dodává kosti pružnost ´anorganická složka matrix – 65% (minerální soli), dodává kosti tvrdost ´Periost: ´kryje povrch kosti (výjimkou kloubní plochy pokryté chrupavkou a nebo místa úponu svalu či kloubního pouzdra) ´2 vrstvy: ´zevní fibrózní (longitudinálně uspořádané svazky vaziva) ´vnitřní kambiová (vazivové buňky, nepravidelná vazivová vlákna – část do kosti ve formě Sharpeyových vláken; cévy – do kosti Volkmannovými kanálky, tam anastomózují, dále se větví na systém jemných cév a probíhají v Haversových kanálcích; nervová vlákna – z periostu do kosti Haversovými kanálky) ´ BIOMECHANIKA ´Endost: tenká vnitřní vrstva preosteoblastů + malé množství vazivové tkáně. ´Kostní tkáň: ´Vláknitá – vzájemně propojené trámce, mezi nimi kostní buňky ´tvorba ve vývojovém období, nachází se v oblasti úponů vazů a šlach, v lebečních švech, v pouzdře nitroušního labyrintu ´v prvním roce života nahrazována postupně lamelózní kostí ´Lamelózní: ´Haversovy lamely – tvoří koncentrické vrstvy, v jejich středu longitudinálně probíhají Haversovy kanálky s cévami a nervy = Haversův systém = osteon (základní strukturální stavební jednotka kompaktní kosti), mezi sousedními systémy malé lakuny s osteocyty ´intersticiální lamely – zbytky Haversových systémů, kolem kterých se vytvořily nové Haversovy lamely, vyplňují prostor mezi osteony ´ BIOMECHANIKA ´ ´Lamelózní: ´substantia spongiosa: z trámců (trabekul) uspořádaných do prostorové struktury tvarem odpovídající působení mechanických sil na kost ´v koncové části dlouhých kostí, diploe kostí klenby lební, krátké kosti ´substantia compacta: kalcifikovaná z celých 80%, fce mechanická a ochranná ´těla dlouhých kostí, povrch koncových částí dlouhých kostí, povrch krátkých kostí, lamina externa et interna kostí klenby lební https://www.kme.zcu.cz/kmet/bio/ksstavba.php https://www.wikiskripta.eu/w/Endost BIOMECHANIKA ´Kostní buňky: ´osteoblasty (nevyvinuté kostní buňky): jednojaderné buňky vzniklé z mezenchymálních kmenových buněk; syntéza a mineralizace mezibuněčné hmoty ´osteocyty (vyvinuté kostní buňky): osteoblasty začleněné do nově vytvořené mezibuněčné hmoty a později uzavřeny mineralizovanou kostí; syntéza a obnova mezibuněčné hmoty, mechanoreceptory (čidla tlaku a tahu) ´osteoklasty: velké mnohojaderné buňky; hlavní funkce je resorpce kostní hmoty BIOMECHANIKA ´Kostní architektonika: uspořádání průběhu trámců spongiózy v kosti ´uspořádání trámců odpovídá působení silokřivek, v jejichž směrech je kost namáhaná; systémy trámců probíhajících v určitých směrem se nazývají kostní trajektorie ´vnitřní síly (svalová kontrakce) x vnější síly (tíhová síla) ´mechanická zátěž → mohutnější trámce; nezatížené trámce → ztenčování a odbourávání ´namáhání kosti: tah, tlak, ohyb, smyk, krut, kombinované, cyklické Hájek a kol., 2018 BIOMECHANIKA ´Tah: zúžení a prodloužení kosti, max. účinek v rovině kolmé na směr působení síly ´Tlak: zkrácení a rozšíření kosti, max. účinek v rovině kolmé na směr působení síly ´Ohyb: kombinace tahu a tlaku působících na různých stranách kosti: ´2 mechanismy: ´3-bodový ohyb ´4-bodový ohyb ´ BIOMECHANIKA ´Smyk: síla působí kolmo na povrch kosti, posun částí proti sobě při poranění ´Krut: rotační pohyb kolem podélné osy, diagonální zlomenina pod úhlem 45 st. ´Odolnost zatížení větší při působení tahu a tlaku! BIOMECHANIKA ´B – mez trvalé deformace, umístěná na přechodu elastických (vratné změny) a plastických (zachování deformace) deformací. ´B‘ – velikost zátěže na jednotku plochy způsobující nevratné deformace kosti. ´C – mezní bod, ve kterém dochází k poškození kosti. ´C‘ – mez pevnosti. ´Obsah plochy pod křivkou (míra zátěže, velikost deformace, velikost uložené energie) = pevnost materiálu. Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Sklon křivky v elastické oblasti = hodnota tuhosti (míra schopnosti odolávat deformaci). ´Tga - modul pružnosti ´Hookovo rozpětí – oblast křivky s lineárním vztahem mezi zátěží a deformací. ´Hookův zákon: s = E.e (s normálové napětí, E modul pružnosti, e relativní deformace) = pružná deformace materiálu působením zevní síly. ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Wolffův zákon: zevní tvar, vnitřní struktura i funkční zatížení kosti jsou ve vzájemné harmonii. Při jakékoliv změně dochází k přestavbě kosti, jejímž cílem je dosažení původního stavu rovnováhy. ´Osteogenní stimul: dynamická intermitentní zátěž generovaná tahem svalů, gravitace. ´Úroveň pohybové aktivity, věk, zdravotní stav, výživa. ´Osteoporóza. ´ • BIOMECHANIKA ´Šlachy: přenos svalové síly na kost/chrupavku. ´Vazy: stabilizace kloubu, v krajních situacích vymezují pohyblivost kloubního spojení. ´70% voda, 30% pevná složka (z toho ¾ kolagen), ´1. elastinová vlákna: pružná deformace až 150%, menší mez pevnosti (3 MPa). Překročení protažení nad danou mez: nevratná deformace a ztráta pružnosti. ´2. kolagenní vlákna: základní stavební jednotka, větší pevnost a tuhost (zatížení 150 MPa), protažení pouze 10%. ´Ne vždy výše dané zastoupení (vazivo spojující meziobratlové oblouky větší množství elastické složky – skoro ¾). ´ • BIOMECHANIKA ´Uspořádání kolagenních vláken: ´Šlachy: kolagenní vlákna paralelně. ´Vazy: neuspořádaná struktura (závisí na fci vazu). ´Odolnost v tahu, menší odolnost v tlaku a smyku. ´Větší obsah elastinu + rozdíl v uspořádání vláken kolagenu: menší pevnost, větší křehkost vazu. ´Šlachy: jeden směr dominantní, který určuje působení tahové síly svalu. ´Pevnost šlachy v tahu 2x větší než daného svalu. ´ BIOMECHANIKA ´Viskoelasticita – základní vlastnost šlach a vazů. ´Viskózní tekutina: zabraňuje okamžité deformaci (narozdíl od pouze elastických látek). ´Creep (tečení): pozvolné protahování materiálu v čase při konstantní zátěži ® asymptomatická deformace materiálu až do okamžiku zastavení deformace (pozn. efektivnější pomalejší provedení pohybu do konečné polohy a následná výdrž při konstantním napětí v rámci progrese flexibility) ´Napěťová relaxace: pokles napětí po jeho počátečním nárůstu při konstantní délce. Viskózní tekutina: působení formou pístu Janura, 2003 Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Chrupavka: pojivová tkáň složená z chondrocytů + základní hmoty (vláknitá složka = pružnost a pevnost, proteoglykany) ´bezcévná, nemá inervaci; ´perichondrium: vazivový obal tvořící pouzdro chrupavky (obsahuje cévy a drobné nervy), zpevňuje chrupavku, ´typy: hyalinní (krytí kloubních ploch), vazivová, elastická ´hyalinní: přenos tlaku z kosti na kost = zajištění pružného kontaktu (snížen tření, rovnoměrné rozložení působící síly, tlumení nárazů). ´síť kolagenních vláken (několik vrstev): ´povrchová (rovnoběžně s povrchem), ´hlubší (náhodné uspořádání), ´ ´ ´ Viskózní tekutina: působení formou pístu Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´vrstva různě široká, ´síť vláken tenčí než u vazivových vláken, architektonika odpovídá zatížení chrupavky, ´60% voda, 80% v okolí povrchu chrupavky (směrem do hloubky klesá), ´porézní, permeabilní tkáň, ´anizotropní, nehomogenní, fyziologické zatížení v tlaku, ´mez pevnosti v tahu cca 5% pevnosti kosti, ´pružnost závislá na obsahu vody, permeabilitě a tloušťce vrstvy chrupavky, ´při zatížení kloubu dochází k pružné deformaci chrupavky a vytlačení tekutiny do kloubní štěrbiny; při odlehčení proudí tekutina zpět do chrupavky. ´ ´ ´ Viskózní tekutina: působení formou pístu BIOMECHANIKA ´Konstantní zátěž (tlak) neznamená konstantní deformaci, deformace zvyšována v čase s postupným vytlačováním tekutiny do okamžiku jejího úplného vytlačení. ´Napěťová relaxace: tlak na počátku způsobí náhlý nárůst zatížení chrupavky, postupem času zatížení konstantní díky zvětšení plochy (deformace). ´ ´ Janura, 2003 Viskózní tekutina: působení formou pístu BIOMECHANIKA ´velmi nízká úroveň látkové výměny a anaerobní typ metabolismu → poraněná chrupavka v kloubní dutině poměrně dlouho přežívá (zvláště v mladším věku) a může i pomalu růst, zároveň důvody špatného hojení chrupavky (větší defekty nereparabilní) ´v dětství: opotřebení chrupavky kompenzováno mírným růstem ´dospělosti: •chrupavka neroste, buněk ubývá → opotřebení částečné, kompenzováno po určitou dobu zmnožením amorfní mezibuněčné hmoty •změna složení amorfní hmoty → u starších osob ztráta viskozity mezibuněčné hmoty + snížení schopnosti chrupavky vázat vodu → snížení chrupavky, obnažení vazivových vláken povrchových vrstev a jejich vystavení přímému mechanickému tlaku kloubních ploch → iniciální proces artrózy ´ Viskózní tekutina: působení formou pístu BIOMECHANIKA ´Kloubní spojení: ´Typy: ´víceosé: kulový volný/omezený ´dvouosé: elipsovitý, sedlový ´jednoosé: válcový, kladkový ´plochý ´tuhý ´ ´ Viskózní tekutina: působení formou pístu BIOMECHANIKA ´Kloubní spojení: ´Pohyby v kloubu: ´kombinace lineárního a úhlového pohybu, úhlový je dominantnější. ´úhlový pohyb: všechny body na segmentu se pohybují po dráze, která je součástí kružnice (velikost dráhy vyjádřena velikostí úhlu) ´translační pohyb: všechny body pohybujícího se segmentu urazí stejnou dráhu ´hlavní pohyby v kulovitém kloubu: FLX/EXT, ADBK/ADDK, ROT ´cirkumdukce: FLX/EXT+ABDK/ADDK ´ ´ Viskózní tekutina: působení formou pístu Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Kloubní spojení: ´Pohyby v synoviálním kloubu: ´rotace: nemění se místo kontaktu ´klouzání: pohyb kloubních povrchů proti sobě ´valení: osa otáčení v místě kontaktu ploch ´ ´ Janura, 2003 Viskózní tekutina: působení formou pístu BIOMECHANIKA ´Discus et meniscus articularis: ´ - útvary z vazivové chrupavky mezi kloubními konci kostí, které na své periferii přechází do vaziva kloubního pouzdra ´ - discus: plná stejně tlustá destička rozdělující vnitřní prostor kloubu na 2 štěrbiny ´ - menis cus: tvar srpu, na okrajích vysoký a směrem ke středu kloubní plochy se snižuje, neodděluje artikulující kloubní plochy úplně •Fce: ´ 1. vyrovnávají inkongruenci kloubních ploch (femur – tibie) ´ 2. zvyšují pohybové možnosti kloubu ´ 3. shock absorber (pružná deformace při zatížení kloubu a pohlcení části energie) ´ 4. zabránění turbulence ´ BIOMECHANIKA ´Svalový systém: ´40 – 45% hmotnosti těla (55% DKK a 30% HKK) ´Produkce síly při zkrácení svalu ´Vlastnosti: ´iritabilita, ´konduktivita, ´kontraktibilita, ´adaptabilita. ´Redundance: větší počet svalů pro provedení pohybu než by bylo z mechanického hlediska nutné (počet stupňů volnosti) – stabilita, koordinace, stubstituce fce poškozeného svalu, aj. ´Agonista, antagonista, synergista, stabilizační svaly, neutralizační svaly BIOMECHANIKA ´Kosterní svaly: ´ - svalové vlákno: mnohojaderná cylindrická buňka •Vlákna dlouhá 1 – 40 mm •Buňka obklopena sarkolemou (T-tubuly pro rychlejší přenos AP dovnitř buněk) •Sarkoplazmatické retikulum (skladování Ca2+ iontů) •Kontraktilní aparát: myofibrily v sarkoplazmě tvořené aktinem a myosinem •Myosin II: dvě kulovité hlavy + dlouhý ocas; těžké a lehké řetězce ´ ´ ´ Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky https://docplayer.cz/8770680-Premena-chemicke-energie-v-mechanickou.html BIOMECHANIKA •Myosin II: •hlavy – oblast vázající aktin + oblast katalyzující hydrolýzu ATP •Aktinové vlákno: •2 řetězce aktinu, troponin, tropomyosin •Tropomyosin – kryje aktivní místa na aktinu •Troponin: T – váže se na tropomyosin, ´ I – vázán na aktin, ´ C – vazebná místa pro Ca2+ ´ ´ Ganong, 2005 BIOMECHANIKA ´Pruhování: •A – proužek (anizotropní): překrývají se myozinová a aktinová vlákna •I – proužek (izotropní): pouze aktinová vlákna •H – zóna: místo, kde jsou přítomna pouze myozinová vlákna (součástí A – proužku a rozdělena M – linií ) •M – linie: ukotvují myozinová filamenta v jejich středu •Z – linie: ukotvena aktinová filamenta, rozděluje I – proužek •Sarkomera: funkční jednotka svalu, úsek mezi 2 Z – liniemi ´ Obsah obrázku voda Popis byl vytvořen automaticky Ganong, 2005 Obsah obrázku snímek obrazovky Popis byl vytvořen automaticky Ganong, 2005 Ganong, 2005 BIOMECHANIKA ´Vazivo ve svalu: •Endomyzium: obaluje jednotlivá svalová ´ vlákna, •Perimysium: obklopuje svazky svalových ´ vláken, •Epimysium: vazivový obal na povrchu svalu, •zpevňuje sval a vymezuje rozsah jeho pohyblivosti, •pružnost vaziva udržována rytmickým protahováním; inaktivace → zkrácení (omezení síly svalu a zhoršení cirkulace). ´ Obsah obrázku deštník Popis byl vytvořen automaticky https://cs.wikipedia.org/wiki/Perimysium BIOMECHANIKA ´Nervosvalový přenos na kosterním svalu: •Spojení mezi nervovým vláknem a svalovou buňkou kosterního svalu tvoří modifikovaná synapse, tzv. nervosvalová ploténka. •Distální část axonu ztrácí myelinovou pochvu (kryta jen Schwannovými bb.) a dochází k tzv. terminálnímu větvení (počet tenkých vláken dán velikostí motorické jednotky) s acetylcholinem (mediátor). Každá konečná větévka vytváří kontakt s jedním sv. vláknem. •Zakončení se zanoří do membrány svalové buňky; pod zakončením membrána svalové buňky zvlněna a tvoří tzv. palisády. •Prostor mezi nervem a zesílenou membránou svalové buňky srovnatelný se synaptickou štěrbinou. ´ Ganong, 2005 BIOMECHANIKA ´Svalová kontrakce: •Při průchodu vzruchu dojde k vyplavení acetylcholinu z váčků v presynaptické membráně do synaptické štěrbiny → vazba na nikotinové acetylcholinové receptory na vrcholech palisád postsynaptické membrány → zvýšení vodivosti membrány pro Na+ ionty a vtékání Na+ iontů dovnitř buňky → depolarizace membrány na spouštěcí úroveň a vznik AP svalové buňky. •AP se šíří po celé buňce a T-tubuly je odváděn k hlubším strukturám → aktivace sarkoplazmatického retikula → vylití Ca2+ iontů do sarkoplazmy a jejich navázání na troponin C → změna konfigurace troponinového komplexu → zanoření tropomyosinu mezi vlákna aktinu a odkrytí vazebných míst pro myosinové hlavy. BIOMECHANIKA •Po navázání hlavy myosinu na aktin → vznik příčných můstků mezi aktinem a myosinem + hydrolýza ATP navázaném na myosinové hlavě→ ohnutí myozinového krku a umožnění klouzání tenkých vláken po silných (myosinové vlákno aktivně přitahuje dvě aktinová vlákna) → přiblížení Z-liní, zkrácení sarkomery = svalový stah. •Po cca 1 sekundě Ca2+ ionty pumpovány zpět do sarkoplazmatického retikula pomocí Ca2+ - Mg2+ ATPázy → uvolnění vazby mezi Ca2+ a troponinem C + navázání nové molekuly ATP na hlavu mosinu → přerušení vazby mezi aktinem a myosinem → svalová relaxace. •Inhibice přenosu Ca2+ do retikula → svalová kontraktura Rokyta, 2008 BIOMECHANIKA ´Motorická jednotka (MJ) – základní funkční a strukturální prvek motoriky •motoneuron + jím inervovaná svalová vákna •pracovní cyklus motorické jednotky („vše nebo nic“): ´ 1. aktivní stav (vše) – zkrácení svalu ´ 2. klidový stav (nic) – normální délka svalu ´Typy vláken kosterního svalu (Dylevský, 2021): motoneuron určuje typ svalového vlákna: ´1. Vlákna I. typu (SO – slow oxidative, slow-twitch fibres) •Tenká, méně myofibril, hodně mitochondrií, oxidační enzymy, velké množství myoglobinu. •Bohatě kapilarizovaná. •Enzymaticky vybavená k pomalejší, tonické kontrakci. •Vhodná pro vytrvalostní, protrahovanou činnost. ´ ´ ´ BIOMECHANIKA ´2. Vlákna II. typu (FOG - fast oxidative IIA & glycolytic IIB, IIx, fast-twitch fibres) •Objemnější, více myofibril, méně mitochondrií, střední až malé množství kapilár. •Podskupina IIA – rychlá oxidativní vlákna: zátěž střední intenzity. •Podskupina IIB – rychlá glykolytické vlákna: zátěž maximální intenzity. •Vhodná pro rychlé kontrakce prováděné velkou silou po krátkou dobu. ´ ´3. Přechodná vlákna, nediferencovaná (typ III) •Potenciální zdroj předchozích typů vláken ´ ´Maximální svalová kontrakce: zapojení rychlých i pomalých vláken, rychlá poskytují více kontraktilní síly. ´ BIOMECHANIKA ´Velikost motorické jednotky: velikost motoneuronu + počet svalových vláken jím inervovaných •každý sval obsahuje určitý počet MJ. ´Dle kontraktilní schopnosti: •1. rychlé, unavitelné (FF, fast fatiguable), •2. rychlé, únavě odolné (FT, fast resistant), •3. odolné proti únavě (S, slow) – menší motoneurony, méně svalových vláken, silnější axony, které vedou vzruchy pomaleji než ty FF. ´Většina svalů obsahuje všechny typy MJ, ale v různém poměrovém zastoupení. ´ ´ BIOMECHANIKA ´Nábor MJ: •prostorová sumace: •postupné zapojování motorických jednotek dle požadavků na velikost svalové síly (Adrian-Bronckův zákon) = asynchronní aktivace → plynulý nárůst svalové síly!!! •Hennemanovo pravidlo: zapojení MJ dle velikosti od nejmenších po největší •nově napojená MJ zůstává aktivní do doby poklesu svalové síly. Inaktivace probíhá v opačném pořadí než nábor. Nelze tímto dosáhnout maximálního momentu síly (k tomu nutná časová sumace). •časová sumace: •zvýšení frekvence vzruchů směrem k aktivovaným MJ (synchronní aktivace) → krátkodobé zvýšení síly na úroveň maxima za cenu rychlého nástupu únavy. Stoupne velikost okamžitého silového momentu; současně klesá plynulost kontrakce (možný až sakadovaný pohyb). •zvyšování frekvence podnětů → častější vyplavování vápníku do cytoplazmy, vázne rychlost jeho čerpání zpět do sarkoplazmatického retikula → vysoká koncentrace v plazmě → vazba vápníku na troponin C → zvětšení počtu odhalených vazebných míst na aktinu pro myozin → vznik více vazeb mezi vlákny → síla stahu roste. ´ ´ Vznik superpozice a sumace u kosterního svalu. Vznik vlnitého a hladkého tetanického stahu. https://is.muni.cz/do/rect/el/estud/lf/js21/fyziologie/web/pages/28_sumace_kosterniho_svalu.html BIOMECHANIKA ´ ´ Úroveň svalového napětí Způsob gradace 10– 30% Nárůst frekvence vzruchů 2– 30Hz u malého počtu MJ. 30 – 70% Nárůst počtu zapojených MJ. 70 – 100% Zvýšení frekvence vzruchů u zapojených MJ. Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Aktivace svalu (svalová kontrakce) dle Véleho (2006): •Anizometrická – délka svalu se mění, ale vnitřní napětí zůstává zachované. •Koncentrická aktivace: zkrácení svalu a zvětšení objemu svalového bříška → pohyb prováděný stálou rychlostí i akcelerace pohybu = pozitivní práce •Excentrická aktivace: sval se prodlužuje (protahuje), svalové úpony se vzdalují → pohyb decelerační (brzdící) (negativní práce) •Izometrická aktivace – není generován pohyb a délka svalu se nemění (vzdálenost začátku a úponu se nemění). • ´ BIOMECHANIKA ´Hillův tříprvkový model: ´k vyjádření činnosti svalu při různých typech kontrakce ´KE (kontraktilní element = aktin a myosin): udává silově-rychlostní možnosti svalu ´SEE (sériový elastický element = šlacha): fce pružiny, přenos mechanické energie produkované KE na okolní prvky, při pohybech s rychlým střídáním kontrakce rozhodujícím činitelem ukládání E. ´PEE (paralelní elastický element = vazivové struktury svalu – epimysium, perimysium, sarkolema….): jeho vliv na velikost síly narůstá při zvětšení délky svalu, zdrojem sil působících proti protažení pasivního svalu ® zabránění přetržení svalu při nedostatečné aktivitě KE v rámci nadměrného působení zevních sil. ´Izometrická kontrakce: prodloužení SEE a zkrácení KE = zachování konstantní délky svalu. Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Protahovací – zkracovací cyklus svalu (SSC) ´zevní energie způsobující protažení elastických elementů uložena ve svalech ve formě deformační energie ® lze ji využít při následném zkrácení svalu. ´při střídání excentrie/koncentrie slouží ke zrychlení pohybu části těla, která se využívá v odrazových a odhodových fázích pohybu. ´plyometrická cvičení ´W = òFdl ´W – práce nutná na protažení svalu ´F – síla natahující šlachu ´dl – změna délky šlachy ´ ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Mechanické vlastnosti svalu: ´Pevnost svalu v tahu v klidu: 0,26 - 0,90 MPa ´Pomalé protažení pasivního svalu ® vlivem kontraktilního elementu a sarkomery vzniká odpor proti tomuto protažení = tuhost svalu. ´Pro aktivní sval větší než pro sval bez inervace. ´Nevratné změny až po protažení o 40 – 50% klidové délky svalu (poté pozorujeme 8 – 15% protažení tkáně. ´Přetržení svalu = po změně klidové délky svalu na 1,5 – 2x ´Pevnost maximálně kontrahovaného svalu: různá pro různé svaly, průměrně 1,25 MPa. ´ BIOMECHANIKA ´Velikost svalové síly a parametry svalu •Svalová síla a délka sarkomery •Síla aktuální kontrakce dána počtem aktin-myosinových můstků. •Maximální síla svalového vlákna = při jeho klidové délce (délka sarkomery 2 – 2,5 𝜇m) PROČ? Vytvoření maximálního množství příčných můstků. •Protažení = pokles počtu příčných můstků, filamenta se oddalují a síla se blíží nule. •Zmenšení délky sarkomery pod 2 𝜇m = aktinová filamenta se blíží k M linii ➝ ubývá funkčních můstků. Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Velikost svalové síly a parametry svalu •Velikost síly a rychlost kontrakce •Dynamická kapacita svalu. •S rostoucí rychlostí kontrakce se zmenšuje velikost vyvíjené síly. •Velikost síly a doba kontrakce •Izometrická svalová kontrakce: první fáze – rychlé zvětšení svalové síly, poté pozvolný nárůst. Další fáze – setrvalý stav nebo dokonce pokles svalové síly v čase. Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Velikost svalové síly a parametry svalu •Velikost zátěže a rychlost kontrakce •Malá zátěž: koncentrická kontrakce nejrychlejší. •↑ zátěž = ↓ rychlosti •Zátěž = max. síla ➝ rychlost nulová •Další ↑ zátěž ➝ přeměna izometrické kontrakce na excentrickou ➝ rychlost kontrakce se opět zvyšuje. • Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Mechanická triáda: základní struktura umožňující interakci pohybového systému a okolí •sval (generátor tahové síly), •mezilehlý prvek (přenos svalové síly na segment), •segment (zajištění kontaktu s vnějším prostředím). ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Princip pohybu: •Zkrácení svalu umístěného mezi dvěma segmenty ⟶ pohyb méně stabilizovaného segmentu. •Stabilizace segmentů hlavně svalově, vliv ale také hmotnost segmentu. •Nedostatečná stabilizace segmentu ⟶ omezení provedení pohybu. • Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Rozklad tahové (šlachové) síly svalu •FROT – rotační (tangenciální) složka: vlastní rotace segmentu, kolmý směr na segment. •FNOR – normálová (stabilizační) složka: v ose segmentu, průchod středem (bodem otáčení) daného kloubu. ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Rozklad tahové (šlachové) síly svalu •FNOR – normálová (stabilizační) složka: v ose segmentu, průchod středem (bodem otáčení) daného kloubu. CAVE! Ne vždy! Může být i destabilizační složka. ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Moment svalové síly •Velikost otáčivého účinku síly •M = F x r •F – síla, r – vzdálenost vektoru síly od okamžitého středu otáčení •Rameno síly: •Fyzické: vzdálenostonu šlachy daného svalu od středu otáčení •Geometrické: rFSVA = r‘FSVA . sin𝛼 ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Páka prvního druhu: •bod otáčení je mezi působícími silami. • ´ ´ ´ ´Páka druhého druhu (páka síly): •vektor tíhové síly mezi bodem otáčení a vektorem šlachové síly (pohyb v MTTF skloubení) •tíhová síla blíže k bodu otáčení: rG < rŠLA ⟶ FŠLA < G •působící tíhovou sílu překonáváme silou, která je menší, lze tedy ´ přemístit větší hmotnost po menší dráze. ´ ´ ´ ´ Janura, 2003 Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Páka třetího druhu (páka rychlosti): •vektor šlachové síly mezi bodem otáčení a vektorem tíhové síly, •např. m. biceps brachii: tíhová síla působí v těžišti segmentu, bodem otáčení je střed loketního kloubu, •velikost ramen: rG > rŠLA , FŠLA > G •typický pro dlouhé kosti, při svalové kontrakci koná distální část segmentu pohyb o velkém rozsahu, body na konci se pohybují velkou rychlostí. ´ ´ ´ ´ ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´Páka třetího druhu (páka rychlosti): •změna podmínek mění typ páky, •bez působení břemene = páka II. typu, •s břemenem = páka III. typu. ´ ´ ´ ´ ´ Janura, 2003 BIOMECHANIKA ´JANURA, M. Úvod do biomechaniky pohybového systému člověka. 1. vyd. Olomouc: UP, 2003. 84 s. ISBN. 802 440 6446. ´HÁJEK, P. a kol. Biomechanika člověka. 1. vyd. Praha: Grada, 2018. 208 s. ISBN 978 802 710 3676. •