3 zasada dynamiki Newtona

Transkrypt

1 Siła a Reakcji Podłoża Ground Reaction Force (GRF) 3 zasada dynamiki Newtona Cięż ężar pudełka generuje w podłożu u siłę reakcji, która jest równa r cięż ężarowi co do wartości, ale ma przeciwny zwrot. Q R= - Q R Autor dr inż. S.Winiarski 1

2 Czym jest GRF? Siła a reakcji podłoża (GRF) w chodzie jest siłą odpowiedzi podłoża a na nacisk stopy. Podobnie, jak siłę przyłożyć można pod dowolnym kątem do podłoża, tak i siła reakcji jest wektorem, który może mieć dowolne zorientowanie w przestrzeni. Aby ułatwić analizę, wektor GRF rozkładamy na trzy kartezjańskie składowe: pionową (z), poziomą przednio-tylną (x) i poziomą medio-lateralną (y): R = R + R + X Y R astosowanie Lokomocja (chód, bieg, skoki, chodzenie po schodach,...) ; równowaga i posturografia; podometria (rozkład ciśnienia pod stopą); diagnostyka narządu ruchu (patologie); Autor dr inż. S.Winiarski 2

3 Jak mierzymy GRF? GRF można zmierzyć stosując mierniki tensometryczne (mierniki odkształcenia) siły lub ciśnienia zamontowane w platformie tensometrycznej poprzez wykorzystanie zjawiska elektrooporowego (zmiana wydłużenia przewodnika powoduje zmianę rezystancji elektrycznej). Dzięki umieszczeniu 4 czujników tensometrycznych w narożnikach platformy możliwy jest pomiar trzech składowych siły reakcji. Dzięki specjalistycznemu oprogramowaniu możliwa jest wizualizacja wypadkowego wektora GRF. Tensometr foliowy Platforma tensometryczna R = R + R + R 2 X 2 Y 2 przeciążenie odciążenie Siła a reakcji w chodzie hamowanie propulsja (odepchnięcie) Składowa pionowa reakcja na pionowy nacisk stopy na podłoże lateralnie (+) Pozioma: przednio tylna przy postawieniu pięty pojawia się TYLNA siła reakcji; podczas odepchnięcia palców pojawia się siła reakcji skierowana do PRODU medialnie (-) Pozioma: boczna (medio lateralna) środek ciężkości (oraz jego rzut na płaszczyznę podparcia) przesuwa się lateralnie po stronie kończyny w podporze. Autor dr inż. S.Winiarski 3

4 GRF dla chodu i biegu ależność siły max od prędkości Wielkość siły maksymalnej świadczy o przeciążeniu dolnych stawów Różny typ obuwia Hamill and Knutson (1995) Wizualizacja wektora GRF Chód po schodach C-Motion Trójwymiarowa zależno ność długości wektora GRF od czasu w chodzie wygląda jak skrzydło o motyla Autor dr inż. S.Winiarski 4

5 Laboratorium analizy ruchu Przykład: Szacowanie momentów w sił rozwijanych w stawach podczas chodu Podpór (podwójny) końcowy Płaszczyzna strzałkowa (sagitalna) Siła GRF przechodzi: z przodu stawu skokowego z przodu stawu kolanowego z przodu stawu biodrowego GENERUJE : zginający podeszwowo moment siły w stawie skokowym prostujący mom. siły w st. kolanowym prostujący mom. siły w st. biodrowym ODPOWIEDŹ (reakcja) CIAŁA: aktywność izometryczna m. podeszwowych, które podczas podporu środkowego działały ekscentrycznie; pchnięcie podudzia ku przodowi i w następstwie uniesienie pięty; ekscentryczna aktywność m. prostowników st. biodrowego Autor dr inż. S.Winiarski 5

6 Przykład: Siła a reakcji w wyskoku z zamachem (SVJ) Ciężar Ciała GRF składowa pionowa C F z (N) A linia ciężaru ciała D B Time (s) E ABDCDE Równanie ruchu Wypadkowa siła związana zana z wypadkowym przyspieszeniem OSC (a z ) jest sumą wektorową wektora siły reakcji (F z ) i wektora ciężaru ciała (W): zapis wektorowy: m a = F + W zapis skalarny: m a = F Q stąd: a = F Q m Autor dr inż. S.Winiarski 6

7 Acceleration (m s -2 ) Wyjaśnienie charakterystyki F z = > < W a z = anegative z positive = 0g A C D a = F Q m B Time (s) E ABCDE Praca SIŁA A REAKCJI W WYSKOKU Praca ekscentryczna koncentryczna Faza lotu Siła a reakcji Lądowanie Prędko dkość pionowa OSC Położenie OSC Moc mechaniczna Autor dr inż. S.Winiarski 7

8 Środek nacisku Center of Pressure (CoP) Środek nacisku stopy jest centroidem ( środkiem obszaru ) ) działania ania sił reakcji Centroid trójkąta Czujnik ciśnienia Równowaga Równowaga jest sposobem utrzymywania pionowej pozycji ciała. a. Równowaga idealna: CoP bezpośrednio pokrywa się z CoP Utrata równowagi: CoP przesunięte względem CoP w wyniku zadziałania siły a Odzyskanie równowagi: Przesunięcie CoP na drugą stronę. Powrót do pozycji neutralnej Autor dr inż. S.Winiarski 8

9 Równowaga - stabilogram Podczas swobodnego stania na platformie CoP zmienia swoje położenie na płaszczyźnie podparcia. Położenie rejestrowane może być z częstotliwością 50Hz (co 0,02 sek.) lub 100 Hz (co 0,01 sek.). Im większy promień rozrzutu punktów pomiarowych, tym gorsza równowaga. Autor dr inż. S.Winiarski 9