BIOMECHANIKA BIEGU

Bieg charakteryzuje asymetryczne poruszanie nogami, z których tylko połowa może równocześnie dotykać ziemi (u czworonogów 2 nogi, u ludzi 1 noga). W fazie lotu wszystkie nogi wraz z ciałem unoszą się w powietrzu. W biegu czas fazy lotu jest do dwóch razy dłuższy od czasu fazy podporowej. Podczas biegu nie może nastąpić bardzo silne odbicie tylną kończyną bo wówczas wydłuża się faza lotu przy skróconym czasie fazy podporowej (odbicie) – taka forma charakteryzuje skok.

Bieg – jest formą lokomocji charakteryzującą się przemieszczaniem ciała człowieka
w przestrzeni i czasie w wyniku rozwijania sił napędowych kończynami dolnymi
w jednopodporowych występujących po sobie fazach.

Bieg – struktura kinematyczna.

W biegu stosujemy dwie techniki stawiania stopy:

-           technika piętowa,

-           technika śródstopia.

a – faza podparcia,

b – faza lotu,

a1,a2 – faza odbicia,

b1, b2 – podział na wznoszenie i opadanie ciała.

Jedną z form ruchawych gdzie wykorzystujemy bieg ze średnią lub max. V jest sport. Najszybciej biegają sprinterzy którzy osiągają V od 10 do 15 m/s w zależności od dystansu 100 – 200 m. Ze średnią prędkością biegają np. maratończycy (40 km – około 2,10 h) V – 5,5 m/s. Prędkość kobiet i mężczyzn różni się zasadniczo. Okazuje się, że kobiety ustępują mężczyzną pod względem prędkości biegu o około 8-10 % na dystansach 100 do 5000 m i około 15 % na dystansach 10 km i dłuższych.

W biegu (w jednym kroku) wyróżniamy fazę podporu na jednej nodze, fazę lotu, czyli moment gdy obydwie stopy są równocześnie oderwane od podłoża. Fazę podporu można podzielić na faze amortyzacji i odbicia, fazę lotu zaś na wznoszenie i opadanie. Faza amortyzacji zaczyna się z chwilą zetknięcia się stopy z podłożem i trwa do momentu gdy ciało znajduje się w najniższym położeniu. Faza odbicia jest to dalsza część podporu. W tej fazie ma miejsce wznoszenie ogólnego środka ciężkości (OSC) i prostowanie kończyny podporowej w stawie biodrowym, w końcu fazy dochodzi do tyłozgięcia oraz zginania podeszwy stopy. Kolejną fazą całego cyklu nóg jest tylny wymach i po tym zaczyna się faza przedniego wymachu. W tej fazie udo prostuje się w przód wraz ze stawem kolanowym. Wysuwanie stopy w przód pokrywa się z odbiciem drugiej nogi, wzlotem ciała,
a następnie opadaniem. Wykonanie przedniego wymachu jest przygotowaniem
do lądowania na tej nodze i rozpoczęcia następnego cyklu pracy.

Prędkość biegu jest funkcją długości kroku (Lk) i częstotliwości kroku (f)

V = Lk * f

Jeżeli pomnożymy długość kroku (m) przez jego częstotliwość (Hz), to uzyskamy drogę pokonana
w jednej sekundzie czyli prędkość. Prędkość więc wzrasta wraz ze wzrostem długości kroku jak
i wzrostem częstotliwości.

Długość pojedynczego kroku jest sumą drogi jaką pokonuje ciało w opisanych fazach. Składowa długości kroku pokonywana podczas lądowania – amortyzacji podczas pierwszej części fazy podporu (a1) stanowi ok. 1,5 długości pojedynczego kroku. Odcinek ten stosunkowo mało zmienia się z prędkością biegu i jego techniką, pomijając specyfikę pierwszych kroków w biegu sprinterskim. Długość bezwzględna tego odcinka związana jest z długością nóg. W drugiej części podporu (a2), której odpowiada faza odbicia cyklu ruchu nogi, pokonywana jest dłuższa droga. Ten dystans zmienia się wraz z techniką odbicia i prędkością kroku. Przy większej prędkości biegu pochylenie ciała w przód jest większe czyli jest mniejszy kąt między linią ciała a poziomem. Całkowita długość kroku zmienia się wraz z prędkością biegu. Badania amerykańskich biegaczy wykazały, że przeciętna długość kroku wzrosła od ok. 165 cm przy V=5 m/s do ok. 195 cm przy V= 7 m/s. Było to związane miedzy innymi z wysokością ciała i długością nóg. Względna długość kroku dla biegaczy amerykańskich zawiera się we wskaźniku od 0,9 do 1,13 przy V=5m/s i 7m/s. Obliczono, że w biegu bardzo szybkim, np. 100 długość kroku przeciętnie odpowiada iloczynowi wysokości ciała i współczynnika 1,14, który wraz z klasą zawodnika rośnie do 1,26. Najdłuższe kroki zmierzone u bardzo dobrych zawodników wyniosły 237 cm na 246 cm. Przeciętnie krok biegowy w sprincie jest 2,11 razy dłuższy od długości nóg. W badaniach młodych sprinterów radzieckich potwierdzono, że w biegu na krótszych dystansach krok jest dłuższy chociaż może to być również związane z nieco większą wysokością ciała sprinterów niż biegaczy średnio i długo dystansowych. Długość kroku jest więc funkcją długości nóg i prędkości biegu i można wyrazić ją wzorem:

Lk = a log Vx

gdzie:

Lk – długość kroku

Vx – prędkość pozioma biegu

a – współczynnik charakteryzujący krzywą regresji od długości nóg i mieszczący się
w przedziale (2,0–2,5).

Np. zawodnik o krótkich nogach biegnący z prędkością 7m/s będzie miał przeciętną długość kroku ok. 1,70 m. Wydłużenie lub skrócenie kroku będzie odpowiednio świadczyło
o technice, zmęczeniu itd.

Wracając do podziału kroku na fazy, możemy zanalizować ich strukturę czasową. Pierwszy podział może dotyczyć podporu (a) oraz lotu (b). Stwierdza się wyraźne liniowe skrócenie czasu podporu oraz niemal brak zmian czasu lotu w funkcji prędkości biegu. Widzimy więc, że prędkość biegu wzrasta nie tylko dzięki zwiększeniu dynamiki odbicia, ale dzięki technice ruchu. Chodzi przede wszystkim o zmniejszenie oporu w fazie lądowania – amortyzacji, oraz efektywność – w tym kierunku odbicia. Zbyt wysoki lot byłby niekorzystny gdyż spowodowałby wydłużenie czasu lotu, czyli fazy nieefektywnej biernej, w której rola oporu powietrza ma stosunkowo istotne znaczenie.

Pewną specyfiką odznacza się bieg sprinterski. Np. na odcinku przyspieszenia biegu po starcie proporcje t1/tp wynoszą ok. 0,5 by na dystansie zmienić się do wartości 1,5. Oznacza to, że czas podporu skrócił się i stanowi 40% czasu całego cyklu kroku. Istnieje również podstawowa różnica w strukturze czasowej samej fazy podporu między biegiem sprinterskim a długo dystansowy. W tym pierwszym czas lądowania – amortyzacji jest krótszy od czasu odbicia i wyraża się stosunkiem 0,9 lub mniejszym. Natomiast w biegu długo dystansowym proporcje się zmieniają. Wydłuża się czas amortyzacji a skraca się względnie czas odbicia co daje wskaźnik ok. 1,4.

Fotokinemetria

Warunki filmowania pomiarowego.

1.       Do filmowania pomiarowego stosować należy kamery z napędem elektrycznym, wyposażone w obiektywy długoogniskowe (teleobiektywy) zmniejszające błędy perspektywy oraz lustrzankowe układy optyczne.

2.       kamera powinna być ustawiona na masywnym statywie, eliminującym drgania, w dość znacznej odległości od filmowanego obiektu, na wysokości środka geometrycznego ruchu obiektu.

3.       Oś optyczna obiektywu kamery powinna być skierowana prostopadle do głównej płaszczyzny ruchu filmowanego obiektu.

4.       W celu określenia skali pomniejszenia zdjęcia i przyjęcia układu współrzędnych dla ruchu, niezbędne jest filmowanie układu odniesienia, kontrastującego z tłem, umieszczonego w pobliżu lub w płaszczyźnie ruchu obiektu.

5.       Dla ułatwienia odczytu obrazu zarejestrowanego na materiale światłoczułym, wskazane jest wprowadzenie na taśmę filmową informacji identyfikujących (rodzaj obiektu, warunki filmowania; częstotliwość zdjęć, data badań, numer próbny itp.). Niezależnie od zapisu tych danych na poszczególnych kinogramach, niezbędne jest wprowadzenie ich do protokołu dokumentującego program badań.

6.       Dla weryfikacji rzeczywistej ( w danych warunkach temperatury, rodzaju taśmy, zasilania itp.) i nastawionej częstotliwości zdjęć filmowych, wskazane jest filmowanie chronometru lub stosowanie markerów prędkości przesuwu taśmy, np. kaset ze znacznikami czasu, lub t.p.

7.       Ze względu na bezwładność układów elektromechanicznych kamer filmowych, wskazane jest wcześniejsze włączenie kamery, wyprzedzające ruch filmowanego obiektu.

8.       W celu zmniejszenia błędów odczytu współrzędnych analizowanych z filmu punktów wskazane jest, aby badany obiekt był filmowany w obcisłym stroju sportowym, z uprzednio zaznaczonymi na ciele charakterystycznymi punktami, jak np. położenie środków obrotu stawów lub środków mas segmentów ciała.

9.       W celu zapewnienia wymaganej ostrości obrazu oraz dobrej rozdzielności faz i mikrofaz filmowanego ruchu, wskazany jest dobór odpowiedniej (wysokiej) częstotliwości zdjęć, zależnej również od jasności obiektu oraz czułości stosowanej taśmy filmowej.

10.  W trakcie filmowania, podobnie jak i podczas projekcji obrazu punktów pomiarowych, nie należy regulować ostrości obrazu, powodującej zmianę skali zdjęć.

Fotokinematyka – jest to metoda rejestracji i analizy ruchu. Rejestracja dokonujemy przy pomocy tradycyjnej kinomatografii biomechanicznej szybkoobrotowej lub wideofilmowania oraz przy pomocy optoelektronicznych technik.

Fotokinematykę dzielimy na fotometrię (stroboskopia migawkowa, stroboskopia błyskowa) i kinemtrię.

Metody fotometryczne – polegają na rejestracji położenia obiektu na tym samym materiale świtłoczułym poprzez wielokrotne naświetlenie:

-          kinematografia biomechaniczna – metoda filmowej rejestracji ruchu obiektów oraz metoda analizy ruchu,

-          kinematografia szybkoobrotowa – metoda filmowej rejestracji ruchu obiektów z duża częstotliwością zdjęć,

-          optoelektronika pomiarowa – metoda elektronicznego i optycznego przetwarzania, przekazywania pomiaru i analizy sygnałów świetlnych wykorzystując fizyczne procesy przetwarzania światła zachodzące w kamerach optoelektronicznych, umożliwia poprzez sprzężone z komputerem dokonywanie analiz i pomiarów ruchu w czasie rzeczywistym.

Kamera Video.

Część zdjęciowa składa się z obiektywu zmiennoogniskowego i płytki usianej małymi sensorami CCD. Zadaniem sensorów CCD jest zamiana światła, pochodzącego od obiektu zdjęcia i docierającego do niego poprzez obiektyw, na sygnały elektryczne. Powierzchnia płytki składa się z setek tysięcy fotokomórek, każda z tych komórek wytwarza sygnał elektryczny o intensywności proporcjonalnej do intensywności padającego na nią światła. W ten sposób fotokomórki wytwarzają jakby elektroniczna mapę odpowiadającą zmianą światła i cieni- mapa ta to nic innego jak obraz obiektu znajdującego się przed obiektywem. Impulsy elektryczne wytwarzane przez CCD są doprowadzane do części rejestrującej kamery. Jej zasadniczym elementem jest cylinder, na którym znajduje się do 4 głowic rejestrujących – po powierzchni tego cylindra przesuwa się napięta taśma. Głowice zapisują na taśmie sygnały pochodzące od CCD, to jest ich funkcja rejestrująca. Głowice również odczytują z taśmy sygnały uprzednio na niej zarejestrowane – to stanowi ich funkcję przegrywającą. W tej części kamery następuje również rejestracja dźwięku – sygnał dzwiękowy pochodzi jednak od mikrofonu, nie od sensorów CCD.

Analizator filmu – sprzęt niezbędny do przeglądania uzyskiwanych materiałów, pozwala na szybkie określenie współrzędnych analizowanych punktów co w przypadku braku dostepu do komputera jest niemożliwe, stąd nazwa system półautomatyczny, gdy użyjemy komputera wówczas dane zarejestrowane na taśmie perforowej wprowadzamy do komputera, a tam po ich odczytaniu dokonuje wszystkich obliczeń związanych z kinematyczną i dynamiczną analizą ruchów człowieka.

Przy kamerach 16mm częstotliwość standardowa to 16 klatek na sekundę.

Kinogram – zbiór klatek filmowych z zarejestrowanym sekwencyjnie przebiegiem ruchu.

Kamery optoelektryczne

Kamera ta sczytuje współrzędne markerów (diody) umieszczonych na zawodniku. Sczytuje ich współrzędne i wczytuje je do komputera.

Zastosowanie  - badania rehabilitacyjne, neurologiczne, sport, ergonomia.

Obliczanie podstawowych wielkości kinematycznych.

F – ile klatek na sek.

α – pomniejszenie np. 1 : 5 – pięć razy mniejsze

β – odstęp czasowy – np. 2 (obliczamy co drugą klatkę)

DANE

F = 200

α = 1 : 5

β = 2

kr = 0,5

WZORY

d’ –odejmujemy
      co drugą klatkę,

Vx – d’ * kr,

x – oddalanie się
      w fazie poprzecznej.

V = d’ * kr (m * s-1)

F * α

Β * 1000

kr =                        (s-1)

a = d’’ * ka (m * s-2)

F2 * α

Β2 * 1000

ka =                        (s-2)

OPTYKA

Soczewka – ciało przezroczyste ograniczone z 2 stron 2 powierzchniami kulistymi lub jedną kulista, jedna płaską.

...