Biomechanica van het menselijk lichaam: theorie en oefeningen
Afkortingen en symbolen
Symbolen Eenheid Definitie / omschrijving
p m Positie Positie lichaam weergegeven door plaatsvector p (x,y,z) t.o.v.
globale assenstelsel
D m Afstand (verplaatsing) Verschil tussen eindpositie en beginpositie van lichaam tijdens een
beweging
s m Afgelegde weg Totale afstand die wordt afgelegd over een traject
v m/s Snelheid Verandering in positie ifv tijd
Gemiddelde of ogenblikkelijke
a m/s² Versnelling Verandering in snelheid ifv tijd
Θ of α Rad (°) Hoek/hoekverplaatsing
ω Rad/s Hoeksnelheid / Hoekverplaatsing ifv de tijd
angulaire snelheid
ɑ Rad/s² Hoekversnelling / Verandering in hoeksnelheid ifv de tijd
angulaire versnelling
F N Kracht Vector, gekenmerkt door aangrijpingspunt, richting en zin.
Kracht veroorzaakt lineaire versnelling van het lichaam
Fz N Zwaartekracht Kracht uitgeoefend op lichaam wanneer die zich in zwaarteveld
van aarde bevindt
Fw N Wrijvingskracht Kracht ontstaat als 2 opp langs elkaar wrijven. F w = tegengesteld
aan bewegingsrichting
FN N Normaalkracht Kracht door ondersteuning uitgeoefend op lichaam. Reactie op
gewicht van lichaam + loodrecht op ondersteuningsopp
Fm N Spierkracht
GRF/GRK N Grondreactiekracht Kracht van grond op lichaam als reactie op (actie)kracht die jij
uitoefent op grond.
Stilstaan: GRF = gewicht
Beweging: ook rekening houden versnellingen
lichaamszwaartepunt
Dynamische situaties: versnelling van lichaamszwaartepunt niet
gelijk aan Fn (statistische situaties wel)
R N Gewrichtsreactiekracht Virtuele interne kracht (in lichaam). Optelsom alle interne
krachten werkzaam rond gewricht en zorgt dat aan
evenwichtsvoorwaarden voldaan is.
Fc N Bot-op-bot Reële interne kracht bepaald door trekkracht in structuren die
contactkracht gewricht overspannen, inclusief effect spierkracht.
Compressiekracht duwt 2 gewrichtsvlakken tegen elkaar
M Nm Krachtmoment Veroorzaakt angulaire versnelling van lichaam, oorzaak:
rotatiebeweging.
Kracht heeft krachtmoment wanneer inwerkt op bep. afstand v.h.
rotatiecentrum v.h. gewricht & wnr werklijn v.d. kracht niet door
rotatiecentrum loopt.
Grootte bepaald door grootte kracht, afstand tot rotatiecentrum,
hoek waaronder kracht inwerkt (alleen loodrechte component)
d of r m Momentarm Loodrechte afstand van werklijn kracht tot rotatiecentrum van
gewricht
m Kg Massa Hoeveelheid materie waaruit lichaam is opgebouwd. Onderhevig
aan Fz (zware massa) en verzet tegen beweging (trage massa)
1
,Biomechanica van het menselijk lichaam: theorie en oefeningen
I Kg.m² Insertiemoment Weerstand van een lichaam tegen verandering in rotatiebeweging
W N Gewicht Kracht die een lichaam op zijn ophanging of ondersteuning
uitoefent. Gewicht lichaam gevolg van Fz
Ep J Gravitationele Toestand v.e. lichaam als gevolg van hoogte waarop het zich
potentiele energie bevindt
Es Elastische potentiele Toestand v.e. lichaam als gevolg van spanning in het lichaam
energie
Ek J Kinetische energie Toestand v.e. lichaam als gevolg van snelheid v.h. lichaam
W J Arbeid Arbeid wordt geleverd wanneer kracht voor verplaatsing v.e.
lichaam zorgt
P W Vermogen Hoeveelheid arbeid die wordt geleverd per tijdseenheid
P Kg. m/s Impuls Hoeveelheid beweging die een lichaam bevat
L Kg. m²/s Impulsmoment of Mate van rotatiebeweging van een lichaam
draaimoment
Hoofdstuk 1: inleiding tot de biomechanica
1. Biomechanica: definiëring en domeinbepaling
- Bio – mechanica: analyse van vorm & functie van musculoskeletaal apparaat (Newtoniaanse Mechanica)
- Biomechanica: toepassing principes van mechanica op biologische systemen
o Interdisciplinaire positie
o Laat toe om houdings- en bewegingskenmerken die je observeert of kwantitatief uit te drukken
o Belangrijke rol
Verbeteren sportprestaties
Op punt stellen van sportuitrusting: voorkomen sportletsels
Ergonomie
Revalidatie en rehabilitatie
Behouden van fysieke fitness
Plannen van interventies
Ontwerpen van orthesen en prothesen
Veel toepassingen
- Kinesitherapeut: biomechanisch onderzoek analyse vorm en functie musculoskeletaal systeem mens
- Kinesiologie: studie van de beweging (soms synoniem biomechanica) bewegingsleer
o LO, inspanningsfysiologie, motorisch leren, pedagogie, sportpsychologie
2. Biomechanica binnen de opleiding revalidatiewetenschappen
- Bewegingsbeschrijving (kinematica)
o Beschrijven verplaatsing, snelheid en versnelling
- Kracht & momentwerking in menselijk lichaam (kinetica)
o Begrijpen hoe lichaam in staat om houdingen aan te nemen rond gewricht beschouwd
o Oorzaken: krachten en momenten
o Statica (geen versnellingen) <-> dynamica (versnellingen)
- Relevante parameters om bewegingen van menselijk lichaam te beschrijven & afgeleiden
- Werking hefbomen in menselijk lichaam
- Einde: dynamische situaties
3. De neuro-mechanische visie op beweging
- Hoe komt beweging tot stand verschillende niveaus
1. Neurale controle
o Alle processen in CZS hier plaats dragen bij aan controle van beweging
o Infoverwerking, selectie van strategie, planning bewegingsuitvoering, …
2. Mechanische controle
o Kijken naar musculoskeletaal niveau
2
,Biomechanica van het menselijk lichaam: theorie en oefeningen
o Beweging = evenwicht tussen gegenereerde spierkrachten & andere interne & externe krachten
o Mechanische eigenschappen: mede bepalend bewegingsresultaat
3. Collectieve output
o Bewegingsresultaat, collectieve resultaat 1 + 2 controle processen
o Actie = combinatie bewegingscoördinatie + houdingsregulatie
- Biomechanica: mechanische controle + collectieve output
- Kinematica: beschrijving bewegingspatroon
o Lineaire / angulaire positie, snelheid, versnelling lichaam of lichaamssegmenten
o Anatomische markeerpunten
- Kinetica: inzichten in oorzaken bewegingen
o Krachten en krachtmomenten directe oorzaken
- Kinetische analyses: inzicht in mechanismen van beweging, bewegingsstrategieën en compensaties door
neurale systeem
- Koppeling geleverde kracht & bewegingsresultaat vormeigenschappen menselijk lichaam
o Kennis vereist om geschikt biomechanisch model op te bouwen domein: antropometrie
- Mechanische eigenschappen spier
o Bepalend voor kracht: bepaalde houding / situatie
o Afh van lengte, snelheid contractie & spierpeescomplex (massa, elasticiteit, viscositeit)
- Doel biomechanische analyse
o Beschrijven, analyseren en beoordelen menselijke beweging
o Rekening houden vorm (antropometrie) & eigenschappen musculoskeletaal apparaat
o Model op basis van kinematische gegevens + externe + interne krachten
- Invers dynamische analyse
o Kinematische gegevens + externe krachten + interne gewrichtsreactiekrachten,
gewrichtsreactiemomenten, mechanische energie en vermogen
- Forward modellering
o Omgekeerde invers dynamische analyse
o Zeer accurate modellen nodig voor bruikbare voorspellingen
4. Wiskunde in de biomechanica
4.1. Driehoek en de stelling van Pythagoras
o A² = B² + C²
o Opp rechthoekige driehoek = ½ ab
o Som hoeken driehoek = 180°
o Som 2 scherpe hoeken rechthoekige driehoek 90°
4.2. Overstaande hoeken en enkele andere nuttige relaties
o 2 rechte lijnen snijden elkaar overstaande hoeken even groot
o 2 evenwijdige lijnen snijden rechte hoeken ook gelijk
4.3. De goniometrische cirkel
o Eenheidscirkel met straal waarde 1
o SOS CAS TOA
o Tan = sin/cos
o Cotan = cos/sin
o Boogtangens (tan-1) = scherpe hoek in driehoek berekenen
4.4. Omrekenen van graden naar radialen (en omgekeerd)
o SI eenheid = rad
o 360° = 2π rad
o ° Rad = ° vermenigvuldigen met π/180°
o Rad ° = rad vermenigvuldigen met 180/π
3
, Biomechanica van het menselijk lichaam: theorie en oefeningen
4.5. Oplossen van vergelijkingen van de eerste graad met 1 onbekende x
o Ax + b = C
o Termen overbrengen x = (c-b)/a
Hoofdstuk 2: Meetsystemen
- Observatie met blote oog: belangrijk geoefend oog = normale & abnormale bewegingspatronen
onderscheiden
- Videobeelden: hulpmiddel vertraagd afspelen = vergelijkingen kwalitatief beschrijven
- Bewegingen meten analyseren kwantitatieve beschrijving
o Krachtig middel bewegingsafwijkingen vaststellen + oorzaak
o Opvolgen veranderingen
o Positie, snelheden, versnellingen en krachten meten
1. Meten van beweging
- Kinematica: bewegingspatroon beschrijven onderscheid tussen 1.1 en 1.2
1.1. Directe meettechnieken
o Meten direct, zonder verdere verwerking nodig
o Hoekpositie of versnelling = kinematische grootheden
o Goniometer (elektro)
= elektische potentiometer hoekuitwijkingen meten
Lichaamsegment, aangrenzend lichaamsegment en gewrichtsas
Relatieve hoekuitwijking ene segment t.o.v. andere
≠ absolutie hoekpositie van gewricht
Voordelen
Goedkoop
Onmiddellijk bruikbaar
Grootte rotatiehoek = onafhankelijk van vlak waarin rotatie
Ingesloten gewrichtshoek
Nadelen
Niet absolute positie segment weergeven
Tijd en precisie voor plaatsen
Geassocieerde beweging vet/spieren
Verschillende kabels storen
Complexe goniometers voor complexe gewrichten scharniet
o Accelerometer
Meten versnelling segment
Massa in accelerometer zorgt bij versnelling voor vervorming piëzo-elektrische materiaal
Kristallen: bij vervorming spanningsverschil opwekken = piëzo-elektrische effect
Strain gauges = elektrische circuits met weerstand
Voordelen
Goedkoop
Ogenblikkelijke versnelling
Meten in real time & dagelijks leven
Laat monotoring toe fysieke activiteit, slaap, step count
Signaal is onmiddellijk bruikbaar
Nadelen
Versnelliing = afhankelijk van positionering
Enkel versnelling meten die loodrecht staat t.o.v. toestel (normaalcomponent)
Validiteit & betrouwbaarheid = afhankelijk van algoritmes
Schokgevoelig makkelijk stuk
4
Afkortingen en symbolen
Symbolen Eenheid Definitie / omschrijving
p m Positie Positie lichaam weergegeven door plaatsvector p (x,y,z) t.o.v.
globale assenstelsel
D m Afstand (verplaatsing) Verschil tussen eindpositie en beginpositie van lichaam tijdens een
beweging
s m Afgelegde weg Totale afstand die wordt afgelegd over een traject
v m/s Snelheid Verandering in positie ifv tijd
Gemiddelde of ogenblikkelijke
a m/s² Versnelling Verandering in snelheid ifv tijd
Θ of α Rad (°) Hoek/hoekverplaatsing
ω Rad/s Hoeksnelheid / Hoekverplaatsing ifv de tijd
angulaire snelheid
ɑ Rad/s² Hoekversnelling / Verandering in hoeksnelheid ifv de tijd
angulaire versnelling
F N Kracht Vector, gekenmerkt door aangrijpingspunt, richting en zin.
Kracht veroorzaakt lineaire versnelling van het lichaam
Fz N Zwaartekracht Kracht uitgeoefend op lichaam wanneer die zich in zwaarteveld
van aarde bevindt
Fw N Wrijvingskracht Kracht ontstaat als 2 opp langs elkaar wrijven. F w = tegengesteld
aan bewegingsrichting
FN N Normaalkracht Kracht door ondersteuning uitgeoefend op lichaam. Reactie op
gewicht van lichaam + loodrecht op ondersteuningsopp
Fm N Spierkracht
GRF/GRK N Grondreactiekracht Kracht van grond op lichaam als reactie op (actie)kracht die jij
uitoefent op grond.
Stilstaan: GRF = gewicht
Beweging: ook rekening houden versnellingen
lichaamszwaartepunt
Dynamische situaties: versnelling van lichaamszwaartepunt niet
gelijk aan Fn (statistische situaties wel)
R N Gewrichtsreactiekracht Virtuele interne kracht (in lichaam). Optelsom alle interne
krachten werkzaam rond gewricht en zorgt dat aan
evenwichtsvoorwaarden voldaan is.
Fc N Bot-op-bot Reële interne kracht bepaald door trekkracht in structuren die
contactkracht gewricht overspannen, inclusief effect spierkracht.
Compressiekracht duwt 2 gewrichtsvlakken tegen elkaar
M Nm Krachtmoment Veroorzaakt angulaire versnelling van lichaam, oorzaak:
rotatiebeweging.
Kracht heeft krachtmoment wanneer inwerkt op bep. afstand v.h.
rotatiecentrum v.h. gewricht & wnr werklijn v.d. kracht niet door
rotatiecentrum loopt.
Grootte bepaald door grootte kracht, afstand tot rotatiecentrum,
hoek waaronder kracht inwerkt (alleen loodrechte component)
d of r m Momentarm Loodrechte afstand van werklijn kracht tot rotatiecentrum van
gewricht
m Kg Massa Hoeveelheid materie waaruit lichaam is opgebouwd. Onderhevig
aan Fz (zware massa) en verzet tegen beweging (trage massa)
1
,Biomechanica van het menselijk lichaam: theorie en oefeningen
I Kg.m² Insertiemoment Weerstand van een lichaam tegen verandering in rotatiebeweging
W N Gewicht Kracht die een lichaam op zijn ophanging of ondersteuning
uitoefent. Gewicht lichaam gevolg van Fz
Ep J Gravitationele Toestand v.e. lichaam als gevolg van hoogte waarop het zich
potentiele energie bevindt
Es Elastische potentiele Toestand v.e. lichaam als gevolg van spanning in het lichaam
energie
Ek J Kinetische energie Toestand v.e. lichaam als gevolg van snelheid v.h. lichaam
W J Arbeid Arbeid wordt geleverd wanneer kracht voor verplaatsing v.e.
lichaam zorgt
P W Vermogen Hoeveelheid arbeid die wordt geleverd per tijdseenheid
P Kg. m/s Impuls Hoeveelheid beweging die een lichaam bevat
L Kg. m²/s Impulsmoment of Mate van rotatiebeweging van een lichaam
draaimoment
Hoofdstuk 1: inleiding tot de biomechanica
1. Biomechanica: definiëring en domeinbepaling
- Bio – mechanica: analyse van vorm & functie van musculoskeletaal apparaat (Newtoniaanse Mechanica)
- Biomechanica: toepassing principes van mechanica op biologische systemen
o Interdisciplinaire positie
o Laat toe om houdings- en bewegingskenmerken die je observeert of kwantitatief uit te drukken
o Belangrijke rol
Verbeteren sportprestaties
Op punt stellen van sportuitrusting: voorkomen sportletsels
Ergonomie
Revalidatie en rehabilitatie
Behouden van fysieke fitness
Plannen van interventies
Ontwerpen van orthesen en prothesen
Veel toepassingen
- Kinesitherapeut: biomechanisch onderzoek analyse vorm en functie musculoskeletaal systeem mens
- Kinesiologie: studie van de beweging (soms synoniem biomechanica) bewegingsleer
o LO, inspanningsfysiologie, motorisch leren, pedagogie, sportpsychologie
2. Biomechanica binnen de opleiding revalidatiewetenschappen
- Bewegingsbeschrijving (kinematica)
o Beschrijven verplaatsing, snelheid en versnelling
- Kracht & momentwerking in menselijk lichaam (kinetica)
o Begrijpen hoe lichaam in staat om houdingen aan te nemen rond gewricht beschouwd
o Oorzaken: krachten en momenten
o Statica (geen versnellingen) <-> dynamica (versnellingen)
- Relevante parameters om bewegingen van menselijk lichaam te beschrijven & afgeleiden
- Werking hefbomen in menselijk lichaam
- Einde: dynamische situaties
3. De neuro-mechanische visie op beweging
- Hoe komt beweging tot stand verschillende niveaus
1. Neurale controle
o Alle processen in CZS hier plaats dragen bij aan controle van beweging
o Infoverwerking, selectie van strategie, planning bewegingsuitvoering, …
2. Mechanische controle
o Kijken naar musculoskeletaal niveau
2
,Biomechanica van het menselijk lichaam: theorie en oefeningen
o Beweging = evenwicht tussen gegenereerde spierkrachten & andere interne & externe krachten
o Mechanische eigenschappen: mede bepalend bewegingsresultaat
3. Collectieve output
o Bewegingsresultaat, collectieve resultaat 1 + 2 controle processen
o Actie = combinatie bewegingscoördinatie + houdingsregulatie
- Biomechanica: mechanische controle + collectieve output
- Kinematica: beschrijving bewegingspatroon
o Lineaire / angulaire positie, snelheid, versnelling lichaam of lichaamssegmenten
o Anatomische markeerpunten
- Kinetica: inzichten in oorzaken bewegingen
o Krachten en krachtmomenten directe oorzaken
- Kinetische analyses: inzicht in mechanismen van beweging, bewegingsstrategieën en compensaties door
neurale systeem
- Koppeling geleverde kracht & bewegingsresultaat vormeigenschappen menselijk lichaam
o Kennis vereist om geschikt biomechanisch model op te bouwen domein: antropometrie
- Mechanische eigenschappen spier
o Bepalend voor kracht: bepaalde houding / situatie
o Afh van lengte, snelheid contractie & spierpeescomplex (massa, elasticiteit, viscositeit)
- Doel biomechanische analyse
o Beschrijven, analyseren en beoordelen menselijke beweging
o Rekening houden vorm (antropometrie) & eigenschappen musculoskeletaal apparaat
o Model op basis van kinematische gegevens + externe + interne krachten
- Invers dynamische analyse
o Kinematische gegevens + externe krachten + interne gewrichtsreactiekrachten,
gewrichtsreactiemomenten, mechanische energie en vermogen
- Forward modellering
o Omgekeerde invers dynamische analyse
o Zeer accurate modellen nodig voor bruikbare voorspellingen
4. Wiskunde in de biomechanica
4.1. Driehoek en de stelling van Pythagoras
o A² = B² + C²
o Opp rechthoekige driehoek = ½ ab
o Som hoeken driehoek = 180°
o Som 2 scherpe hoeken rechthoekige driehoek 90°
4.2. Overstaande hoeken en enkele andere nuttige relaties
o 2 rechte lijnen snijden elkaar overstaande hoeken even groot
o 2 evenwijdige lijnen snijden rechte hoeken ook gelijk
4.3. De goniometrische cirkel
o Eenheidscirkel met straal waarde 1
o SOS CAS TOA
o Tan = sin/cos
o Cotan = cos/sin
o Boogtangens (tan-1) = scherpe hoek in driehoek berekenen
4.4. Omrekenen van graden naar radialen (en omgekeerd)
o SI eenheid = rad
o 360° = 2π rad
o ° Rad = ° vermenigvuldigen met π/180°
o Rad ° = rad vermenigvuldigen met 180/π
3
, Biomechanica van het menselijk lichaam: theorie en oefeningen
4.5. Oplossen van vergelijkingen van de eerste graad met 1 onbekende x
o Ax + b = C
o Termen overbrengen x = (c-b)/a
Hoofdstuk 2: Meetsystemen
- Observatie met blote oog: belangrijk geoefend oog = normale & abnormale bewegingspatronen
onderscheiden
- Videobeelden: hulpmiddel vertraagd afspelen = vergelijkingen kwalitatief beschrijven
- Bewegingen meten analyseren kwantitatieve beschrijving
o Krachtig middel bewegingsafwijkingen vaststellen + oorzaak
o Opvolgen veranderingen
o Positie, snelheden, versnellingen en krachten meten
1. Meten van beweging
- Kinematica: bewegingspatroon beschrijven onderscheid tussen 1.1 en 1.2
1.1. Directe meettechnieken
o Meten direct, zonder verdere verwerking nodig
o Hoekpositie of versnelling = kinematische grootheden
o Goniometer (elektro)
= elektische potentiometer hoekuitwijkingen meten
Lichaamsegment, aangrenzend lichaamsegment en gewrichtsas
Relatieve hoekuitwijking ene segment t.o.v. andere
≠ absolutie hoekpositie van gewricht
Voordelen
Goedkoop
Onmiddellijk bruikbaar
Grootte rotatiehoek = onafhankelijk van vlak waarin rotatie
Ingesloten gewrichtshoek
Nadelen
Niet absolute positie segment weergeven
Tijd en precisie voor plaatsen
Geassocieerde beweging vet/spieren
Verschillende kabels storen
Complexe goniometers voor complexe gewrichten scharniet
o Accelerometer
Meten versnelling segment
Massa in accelerometer zorgt bij versnelling voor vervorming piëzo-elektrische materiaal
Kristallen: bij vervorming spanningsverschil opwekken = piëzo-elektrische effect
Strain gauges = elektrische circuits met weerstand
Voordelen
Goedkoop
Ogenblikkelijke versnelling
Meten in real time & dagelijks leven
Laat monotoring toe fysieke activiteit, slaap, step count
Signaal is onmiddellijk bruikbaar
Nadelen
Versnelliing = afhankelijk van positionering
Enkel versnelling meten die loodrecht staat t.o.v. toestel (normaalcomponent)
Validiteit & betrouwbaarheid = afhankelijk van algoritmes
Schokgevoelig makkelijk stuk
4
