praca o pomiarze sil w statyce_iin.pdf

(535 KB) Pobierz
123435744 UNPDF
MODELOWANIE INśYNIERSKIE
ISSN 1896771X
OCENA SPRAWNOŚCI FIZYCZNEJ STUDENTÓW
Z WYKORZYSTANIEM MATEMATYCZNEGO MODELU KOŃCZYNY
DOLNEJ CZŁOWIEKA
A GATA G UZIK R OBERT M ICHNIK J ACEK J URKOJĆ
Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska, Gliwice
email: Agata.Guzik@polsl.pl, Robert.Michnik@polsl.pl, Jacek.Jurkojc@polsl.pl
K RZYSZTOF C ZAPLA
Ośrodek Sportu Politechniki Śląskiej
email:Krzysztof.Czapla@polsl.pl
Streszczenie. W pracy zaprezentowano wyniki pomiarów doświadczalnych,
przeprowadzonych dla grupy studentów Politechniki Śląskiej w Gliwicach.
Podczas badań doświadczalnych mierzone były momenty sił mięśniowych
prostowników i zginaczy stawu kolanowego podczas skurczu izometrycznego.
Badania modelowe umoŜliwiły wyznaczenie wartości sił mięśniowych.
1. WSTĘP
Celem badań wykonywanych przez dwa ośrodki: Katedrę Mechaniki Stosowanej i Ośrodek
Sportu Politechniki Śląskiej, jest określenie stopnia sprawności fizycznej studentów
Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Badania te mają umoŜliwić obiektywne stwierdzenie, jaki
wpływ mają zajęcia wychowania fizycznego na sprawność studentów (szczególnie tych,
którzy oprócz obowiązkowych zajęć nie starają się sami amatorsko uprawiać jakiejś
dyscypliny sportu).
2. BADANIA DOŚWIADCZALNE I MODELOWE
2.1. Pomiary maksymalnych momentów sił mięśni kończyn dolnych w warunkach
statycznych
Przeprowadzone badania polegały na pomiarze momentu sił mięśniowych prostowników
i zginaczy stawu kolanowego w warunkach skurczu izometrycznego. Pomiary wykonano na
stanowisku pomiarowym do ćwiczeń oporowych (rys.1) znajdującym się w Ośrodku Sportu
Politechniki Śląskiej.
Podczas przeprowadzania pomiarów przyjęto następujące załoŜenia [1, 2, 4]:
• oś obrotu stawu pokrywała się z osią obrotu głowicy pomiarowej,
• udo było unieruchomione,
• pomiar wykonywany był w płaszczyźnie strzałkowej,
36, s. 343348, Gliwice 2008
344
A. G UZIK , R. M ICHNIK , J. J URKOJĆ , K. C ZAPLA
• pomiary wykonano dla kątów 15°, 30° i 45° dla zginaczy stawu kolanowego oraz 45°, 60°
i 75° dla prostowników stawu kolanowego. Dla tych kątów wartości momentów sił
mięśniowych uzyskują największe wartości. Do dalszej analizy brano pod uwagę
maksymalne momenty sił mięśniowych.
Rys. 1. Stanowisko pomiarowe
2.2. Model kończyny dolnej
Model kończyny dolnej składa się z dwóch brył sztywnych modelujących udo i podudzie
[3]. Segmenty połączone są ze sobą za pomocą pary kinematycznej V klasy, reprezentującej
staw kolanowy. W modelu uwzględniono pięć grup mięśni działających w obrębie stawu
kolanowego (rys.2).
Rys. 2. Model fizyczny kończyny dolnej
z uwzględnionymi mięśniami
Rys. 3. Rozkład sił działających na
podudzie
ZałoŜono, Ŝe siły generowane przez mięśnie oddziałują na odpowiednie człony siłą
o zmiennej wartości i kierunku, który wynika z aktualnego połoŜenia ich punktów zaczepu,
zgodnie z modelem Hilla. ZałoŜono, Ŝe siły mięśniowe zginaczy stawu kolanowego działają
wzdłuŜ prostych linii łączących przyczepy końcowe i początkowe mięśni, podczas gdy siły
mięśniowe prostowników działają na rzepkę, natomiast siła o kierunku działania
równoległym do więzadła rzepkowego na podudzie (rys. 3).
123435744.048.png
O CENA S PRAWNOŚCI F IZYCZNEJ S TUDENTÓW Z W YKORZYSTANIEM M ATEMATYCZNEGO …345
Zagadnienie identyfikacji sił poszczególnych mięśni zginaczy i prostowników stawu
kolanowego zostało rozwiązane przy wykorzystaniu metod optymalizacyjnych. Funkcja celu
została sformułowana następująco:
∑ =
n
min
F
2
(1)
i
1
gdzie.: F i – wartości sił mięśniowych.
Zadanie optymalizacyjne zostało rozwiązane przy wykorzystaniu dodatkowych równań
wynikających z funkcjonowania układu mięśniowego oraz fizjologii mięśni:
∑ =
n
M
=
r
i F
(2)
i
i
1
0 <
< i
u
1
(3)
gdzie: M – wypadkowy moment sił mięśniowych działających na staw kolanowy
wyznaczony na stanowisku pomiarowym, r i – ramiona sił mięśniowych, u i pobudzenie sił
mięśniowych. Podczas obliczeń wykorzystano model typu Hilla. ZałoŜono, Ŝe siła mięśniowa
składa się z elementu pasywnego i aktywnego [1, 2].
F =uF A +F B
(4)
gdzie: F – składowa aktywna siły mięśniowej, F – składowa pasywna siły mięśniowej.
Składowa pasywna zaleŜy od długości mięśnia, natomiast składowa aktywna od przekroju
fizjologicznego mięśnia, długości mięśnia i jego pobudzenia.
3. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH I MODELOWYCH
Badania doświadczalne przeprowadzono na grupie 216 studentów Politechniki Śląskiej (70
kobiet i 146 męŜczyzn), którzy uczestniczyli w obowiązkowych zajęciach z wychowania
fizycznego i nie uprawiali wyczynowo sportu.
Tabela.1. Dane badanych osób
Liczba
badanych
Wiek [lata]
Wysokość
ciała [cm]
Masa [kg] BMI
Studentki 70
20 167,06±6,48 58,47±9,14 20,89±2,55
Studenci 146
20 180,36±5,97 75,12±10,08 23,10±2,98
Badane osoby podzielono na dwie grupy ze względu na płeć: studenci i studentki. Dla
kaŜdej grupy wyznaczono wartości średnie maksymalnych momentów sił mięśniowych
działających w obrębie stawu kolanowego podczas skurczu izometrycznego, a takŜe wartości
sił mięśniowych zginaczy i prostowników stawu kolanowego, które zostały wyznaczone w
procesie identyfikacji. Następnie dokonano analizy porównawczej z uwzględnieniem
podziału na płeć.
Wyniki badań doświadczalnych i modelowych przedstawiono na wykresach kolumnowych
(rys. 4, rys. 5).
123435744.049.png
346 A. G UZIK , R. M ICHNIK , J. J URKOJĆ , K. C ZAPLA
3.1. Wartości średnie maksymalnych momentów sił mięśni zginaczy i prostowników
stawu kolanowego
zginanie w stawie kolanowym
120
100
80
60
40
20
studenci
0
15
studentki
30
kąt [deg]
45
Rys. 4. Uśrednione wartości maksymalnych momentów sił mięśniowych
zginaczy stawu kolanowego
prostowanie w stawie kolanowym
250
200
150
100
50
studenci
0
45
studentki
60
kąt [deg]
75
Rys. 5. Uśrednione wartości maksymalnych momentów sił mięśniowych
prostowników stawu kolanowego
123435744.050.png 123435744.051.png 123435744.001.png 123435744.002.png 123435744.003.png 123435744.004.png 123435744.005.png 123435744.006.png 123435744.007.png 123435744.008.png 123435744.009.png 123435744.010.png
O CENA S PRAWNOŚCI F IZYCZNEJ S TUDENTÓW Z W YKORZYSTANIEM M ATEMATYCZNEGO …347
3.2. Wartości sił mięśniowych zginaczy i prostowników stawu kolanowego
wartości sił mięśniowych zginaczy stawu kolanowego
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
45
GAS studentki
GAS studenci
BFs studentki
BFs studenci
BFl studentki
BFl studenci
kąt [deg]
15
Rys. 6. Wartości sił mięśniowych zginaczy stawu kolanowego
(GAS –gastrocnemius, BFs – Biceps Femoris caput breve, BFl Biceps Femoris caput
longum)
wartości sił mięśniowych prostowników stawu kolanowego
6000
5000
4000
3000
2000
75
VAS studentki
VAS studenci
RF studentki
RF studenci
1000
0
60
kąt [deg]
45
VAS
studentki
VAS
studenci
RF
studentki
RF
studenci
Rys. 7. Wartości sił mięśniowych prostowników stawu kolanowego
(VAS – Vastus Femoris, RF – Rectus Femoris)
0
30
123435744.011.png 123435744.012.png 123435744.013.png 123435744.014.png 123435744.015.png 123435744.016.png 123435744.017.png 123435744.018.png 123435744.019.png 123435744.020.png 123435744.021.png 123435744.022.png 123435744.023.png 123435744.024.png 123435744.025.png 123435744.026.png 123435744.027.png 123435744.028.png 123435744.029.png 123435744.030.png 123435744.031.png 123435744.032.png 123435744.033.png 123435744.034.png 123435744.035.png 123435744.036.png 123435744.037.png 123435744.038.png 123435744.039.png 123435744.040.png 123435744.041.png 123435744.042.png 123435744.043.png 123435744.044.png 123435744.045.png 123435744.046.png 123435744.047.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin