BIOMECANICA

Deformarea corpurilor rigide se poate face prin:ntindere (tractiune)Comprimare (compresiunea)ncovoiere (flexiunea)Forfecare (alunecarea)Torsiune (rasucire)Deformarea este elastic dac este direct proporional cu mrimea forei deformatoare i dispare dup ncetarea aciunii forei. Legea lui Hooke descrie comportarea elastic a corpurilor: F = k l k - constant de elasticitate l marimea deformrii. Conform principiului aciunii i reaciunii, corpul supus deformrii reacioneaz printr-o for elastic (de revenire) egal ca mrime cu fora deformatoare, avnd aceeai direcie dar sens invers acesteia. Corpurile au o limit de elasticitate, peste care deformarea capt o component plastic, corpul nemairevenind la forma iniial dup ncetarea aciunii forei deformatoare. ntre limita de elasticitate i limita de rupere, corpul deformat reacioneaz att prin fore de frecare intern ct i prin fore elastic, deformarea devenind elastoplastic. Materialele prezint la solicitrile mecanice deformatoare o rezisten care este funcie de forma lor, precum i de natura materialului.

Forma de tub a diafizei oaselor lungi confer acestora o rezisten maxim la ncovoiere i torsiune pentru o greutatea minim a esutului osos. Mergnd n profunzime, i substana osoas este alctuit din numeroase tuburi microscopice (canalele lui Havers), permind creterea rezistenei globale a osului. Pereii acestor canale cilindrice coaxiale au n structura lor fibre oblice, cu orientarea opus fa de cilindrii vecini, asigurnd rezistena la eforturi longitudinale. esutul osos este n permanen rennoit, celulele fiind distruse de ctre osteoclaste i reformate de ctre osteoblaste. Acest proces este foarte puternic n primele trei decenii de via, prnd a fi controlat cu precdere de forele ce acioneaz asupra oaselor, obinndu-se orientarea formaiunilor trabeculare de-a lungul traiectoriilor pe care se exercit tensiunea maxim. n epifiza oaselor lungi, supuse unor solicitri mecanice de compresie, substana osoas este organizat sub forma unor lamele numite trabecule, de forma unor ogive cu faa convex spre extremiti.n formarea trabeculelor pe direcii optime intervin mecanisme mecano-electro-chimice. S-a observat c pe osteocite se separ sarcini electrice sub efectul exercitrii unei presiuni mecanice. Acest fenomen se numete efect piezoelectric. Prin urmare, mineralizarea osoas ar fi ghidat de procese ionice legate de metabolismul fosfo-calcic. Acesta constituie un exemplu de combinare a proceselor biofizice i biochimice. Un alt exemplu de aplicare a legilor rezistenei materalelor n organismul uman se observ la substana osoas a craniului care este mai dens de-a lungul anumitor direcii, realizndu-se grinzi de susinere i stlpi de rezisten.

Articulaiile Sunt formaiuni specializate care interconecteaz oasele. Din punct de vedere biofizic intereseaz doar articulaiile sinoviale care au rolul de a permite modificare poziiei relative a segmentelor osoase. Structura unei articulaii sinoviale

Oasele sunt legate ntre ele printr-o capsul fibroas i frecvent prin ligamente. Suprafeele osoase sunt acoperite de un cartilaj. Contactul se realizeaz ntre cartilaje, acestea avnd un coeficient de frecare foarte mic. Cartilajul, neted aparent, are o structur microscopic poroas i o mare elasticitate. Lichidul sinovial dintre cartilaje are rol de lubrifiant. Vscozitatea lichidului sinovial variaz la efort.

Musculatura striat Reprezint un element activ care controleaz deplasarea structurilor osoase i micrile altor structuri. Micrile datorate muchilor se bazeaz pe capacitatea fibrelor musculare de a utiliza energia chimic procurat n procesele metabolice, de a se scurta i de a reveni la dimensiunile iniiale.

Elemente de structur a muchiului striat Muchiul este alctuit din sute de fibre musculare. Fibrele musculare sunt structuri alungite avnd la periferie o membran citoplasmatic numit sarcolem care formeaz numeroase invaginri sub forma unor tubi transversali membranari care ptrund n profunzimea fibrei avnd raporturi strnse de vecintate cu cisternele reticulului sarcoplasmic. n fibra muscular exist un mare numr de nuclee i organite celulare ca mitocondrii, ribozomi etc.

Extremitatea unei fibre musculare (M miofibrile, liniile Z care delimiteaz sarcomerele, TT tubii transversali, SNM sinapsa neuromuscular, S sarcolema, N nucleii)

Fibra muscularEtapele contraciei musculare sunt urmtoarele: excitaia fibrei, cuplajul excitaie contracie,contracia propriu-zis a fibrei.

1. Excitaia fibrei musculare ncepe la nivelul sinapsei neuro-musculare unde moleculele de mediator chimic (acetilcolina) eliberate din terminaia nervoas se fixeaz pe moleculele receptoare din membrana post-sinaptic determinnd deschiderea porilor unor canale cationice. Cationii intr n fibr, interiorul acesteia devine local pozitiv i n felul acesta se produce potenialul de aciune. Acesta se deplaseaz prin sarcolem n lungul fibrei, iar prin membrana tubilor transversali n profunzime.

2. Cuplajul excitaie contracie ncepe cu deschiderea canalelor de calciu din membrana cisternelor terminale, n momentul n care potenialul de aciune trece prin dreptul acestor cisterne. Ionii de Ca++ sunt eliberai din cisterne, iar concentraia lor n sarcoplasm crete de la cca 0,1 mM la 10 mM (100 ori). Troponina fixeaz ionii de Ca i n urma unei modificri conformaionale deplaseaz moleculele de tropomiozin din anurile filamentului subire astfel nct locurile de legare ale actinei cu miozina nu mai sunt mascate, iar contracia propriu-zis putnd astfel ncepe.

3. Contracia include eliberarea energiei chimice necesare i fenomenele mecanice care stau la baza producerii forei, respectiv scurtrii fibrei.

Manifestrile mecanice ale contraciei musculare

Muchiul dezvolt o for de contracie egal i de sens contrar forei creia i se opune. n funcie de mrimea acestei fore muchiul se poate scurta, alungi sau poate pstra aceeai lungime.

Contracie izotonic : muchiul se contract contra unei fore exterioare constante (ridicarea unei greuti). Contracie neizotonic : fora variaz ca mrime ca n cazul ntinderii unui resort. Contracie izometric: contracie n care lungimea muchiului nu se modific, dar tensiunea n el crete. Fora dezvoltat este egal cu cea care trebuie nvins (susinerea unei greuti fr a o ridica, caz n care contracia este i izotonic, fora exterioar fiind contant). Muchiul nu efectueaz lucru mecanic.Contracia tetanic: prin stimulare cu un impuls unic muchiul se contract sub forma unei secuse unice (intervalul ntre stimuli trebuie s fie mai lung dect timpul necesar contraciei i relaxrii); la stimulare repetitiv cu o anumit frecven, peste o limit dat, contraciile individuale fuzioneaz ntr-o contracie unic - contracie tetanic. Frecvena depinde de tipul de muchi (mai mare la muchii rapizi).Alungirea muchiului - dac fora exterioar este mai mare dect valoarea maxim a forei pe care o poate dezvolta muchiul, acesta se alungete cu toate c se contract activ.

Relaia for-lungime Fora generat ntr-o contracie muscular depinde de distana dintre extremitaile sale - deci de lungimea sarcomerelor sale.

Relaia fora-vitez de scurtare (A.V.Hill) Viteza de scurtare a unui muchi depinde de fora exterioar ce trebuie nvins (deci de fora de contracie la un moment dat). Astfel, un obiect uor este ridicat mai rapid, unul mai greu, mai lent. Ecuaia care reprezint acest proces, ecuaia Hill: (F + a)(v + b) = (Fmax + a)bF- fora de contracie, v-viteza de contracie,a,b, -constante (a-dimensiune de for, b de vitez). Fmax - fora maxim dezvoltat de muchi pentru o anumit lungime iniial la care se declaneaz contracia (izometric).

Puterea dezvoltat de muchi: P = Fv = F(Fmax -F)b/(F+a) Puterea este nul pentru F = 0 i F = Fmax (izometric).

Lucrul mecanic efectuat de muchi

L = F d

Muchi de form cilindricLmax= FmaxCmaxFmax= kSC max= k1lL max= kS k1lL max= K2v

Lucrul mecanic efectuat de muchi depinde direct de volumul muchiului

Presiunea piciorului pe sol Reprezint unul dintre cele mai importante elemente ale dinamicii locomoiei; ea poate fi nregistrat cu ajutorul dinamografului. Presiunea se definete ca fiind fora exercitat pe unitatea de suprafa: p = F / SUnitatea de msur a presiunii n S.I. este N/m2. (Presiunea are i alte uniti de msur tolerate cum ar fi 1Pa = 1N/m2, 1 atm ~ 10 5N/m2, 1 torr = 1 mmHg, 760 mmHg = 105 N/m2.) Aceast presiune nu este egal numai cu cea provenit din greutatea corpului, ea cuprinde i efortul destinat mpingerii corpului nainte. nainte de a prsi solul pentru a porni nainte, fiecare picior exercit o presiune mai puternic dect n sprijinul unilateral. Lucrul mecanic efectuat n timpul mersului este datorat aciunii musculare care produce oscilaiile verticale ale corpului, deplasrile orizontale (nfrngerea frecrilor) i micarea membrelor inferioare oscilante. Muchiul face un lucru mecanic pozitiv pentru mrirea vitezei i un lucru mecanic negativ pentru micorarea sau anularea acesteia.

Efectele biologice ale unor factori fizici Presiuni hidrostatice mari Datorit incompresibilitii lor, esuturile vii rezist la presiuni hidrostatice foarte mari (exist via chiar i la adncimi unde presiunea atinge 1000 atm). S-a constatat experimental c la presiuni de ordinul sutelor de atmosfere au loc, n funcie de tipul esutului, urmtoarele fenomene: diviziunea celular este blocat, fora i viteza contraciei musculare scad, excitabilitatea nervoas crete, pn la autoexcitabilitate. Gravitaia. Sunt cunoscute fenomenele de geotropism negativ (tulpinile plantelor cresc n sus) i geotropism pozitiv (rdcinile cresc n jos). Ramurile de ordinul I ale arborilor cresc oblic fa de vertical, manifestnd plageotropism, iar ramurile de ordin 2 i 3 sunt ageotrope. Mecanismul geotropismului este bazat pe dependena de forele gravitaionale a eliberrii unui hormon de cretere care se numete auxin. n navele cosmice i n staiile orbitale, fora centripet gravitaional este anulat de fora centrifug, imprimat de micarea de revoluie i se instaleaz starea de imponderabilitate. Cosmonautul trebuie s se adapteze acestei stri pe diferite planuri, n special n ceea ce privete circulaia sangvin, funcia aparatului locomotor pentru evitarea unor fenomene de atrofie muscular i de decalcifiere osoas.

Acceleraiile. Fora centrifug poate fi responsabil pentru anumite traumatisme. n zborurile curbilinii, fora centrifug induce o greutate aparent a pilotului numit greutate multipl de cteva ori mai mare dect greutatea sa real (cele dou fore se compun vectorial). Experiena arat c un pilot poate suporta n direcia picioare-cap o for centrifug de 3g, n direcia cap-picioare 5g, n direcia spate-piept, pn la 15g. (De exemplu, ntr-un avion cu o vitez de 600 km/h, care execut un loop-ing cu raza de 500m, aviatorul este supus unei fore centrifuge de 5g). n aceste condiii apare fenomenul de pierdere temporar a vederii n hipotensiunea cerebral, aa numitul vl negru, sau, dimpotriv, apariia aa-numitului vl rou, la acumularea sngelui n extremitatea cefalic. Fenomenele acestea sunt datorate dezechilibrului din aparatul circulator. Fora centrifug ndreapt sngele ctre picioare, iar celelalte regiuni ale organismului nu mai sunt irigate suficient pentru o vreme. La redresarea avionului, fenomenele au loc n sens invers i aviatorul revine la starea normal. Antrenamentul duce la acomodarea organismului prin apariia reflexelor de adaptare prin compensare cardiac etc.

Centrul de greutate al corpului uman Greutatea unui corp poate fi definit ca rezultanta forelor gravitaionale exercitate asupra corpului de ctre toate celelalte corpuri din univers. Punctul de aplicaie al greutii se numete centrul de greutate (CG) al corpului.n cazul corpurilor omogene i de form geometric regulat, centrul de greutate coincide cu centrul geometric al corpului.

CG al corpului uman se afl la intersectia a trei plane reciproc perpendiculare.Poziii anormale ale corpului uman - pozia momentan datorat purtrii unei greuti verticala CG se deplaseaz, i, ca urmare, omul trebuie s i schimbe poziia pn ce aceast vertical trece din nou prin poligonul de sprijin; - atitudini patologice datorate flexiei sau extensiei anormale a diferitelor segmente; - poziii vicioase datorate modificrilor scheletului, care rezist foarte bine la un efort de scurt durat, dar nu i la cele mai ndelungate i se deformeaz sub influena contraciilor musculare anormale de lung durat;