Biomecânica Mecânica Cinemática do Movimento Cinética ... - Ufabc

Segundo as forças que atuam sobre os corpos, a biomecânicapode ser dividida em:Alguns Objetivos da BiomecânicaFerramentas usadas na BiomecânicaBiomecânica interna: Estuda as forças internas(forças articulares e musculares) que tem origem dentro docorpo humano.Biomecânica externa: Estuda as grandezas quepodem ser observadas externamente ao corpohumano (variáveis cinemáticas; dinâmicas; antropométricas )• Entendimento de como o sistema locomotor opera.• Otimização do desempenho: esportivo e patológico.• Redução de lesão: prevenção e reabilitação.• Mecânica Newtoniana• Instrumentos mecânicos e eletrônicos para registro domovimento, medição de forças e atividade elétrica• Computadores• CientistasTudo isso acompanhado pelo método científicoMétodo científicoMovimentoAnalisando o movimento HumanoEstudo descritivoExperimento pensadoAvaliação ruimNovateoriaPrevisãoteóricaComparaçãoBoa avaliaçãoTomadade dadosAnálisedos dadosSustentaçãoadicionadaà teoriaAnálise do MovimentoLaboratório de Análise do MovimentoMétodos de medição• AntropometriaAnálise da marchaReabilitaçãoOrteses e PrótesesProjeto edesenvolvimentode produto• Cinemetria• DinamometriaCinemáticaNeurociênciaCinéticaEMG (atividade muscular)• Eletromiografia (dados complementares)Medicina RobóticaMedicina esportiva edesempenho* Reabilitação, Esporte, Diversão2

AntropometriaAntropometriaCinemetriaA antropometria em Biomecânica fornece asdimensões corporais convencionais e a geometria docorpo e das massas corporais.Ex.: dimensões das formas geométricas de segmentos,distribuição de massa, braços de força, posiçõesarticulares, etc...A cinemetria é um conjunto de métodos que busca medir osparâmetros cinemáticos do movimento, isto é, posição,orientação, velocidade e aceleração.O instrumento básico para o registro de medidas cinemáticas éuma câmera de vídeo que registra a imagem do movimento.Através de software específico utiliza-se as imagens capturadaspara calcular as variáveis cinemáticas de interesse.CinemetriaTécnicas de imagem(posições no espaço)Sistema de Vídeo (normal ou IV)Sistema de Sensores MagnéticosMarcadores passivosMarcadores ativosOptoTrackAquisição de dadosDomínio: Tempo - FrequênciaRepresentação de uma onda quadradaAquisição de dados• Frequência de amostragem f sTeorema de Nyquist: A frequência de amostragemdeve ser, no mínimo, duas vezes a frequênciamáxima (f m ) do espectro de fourier do sinalanalógico v(t).3

Aquisição de dadosEletrogoniômetroAcelerômetroAmostragem (A/D)Aceleração (integrando)#Velocidade(integrando) #Deslocamento (posição)1D = uniaxial3D = triaxialAliasing (distorção – artefato)Medida direta de posição angularDinamometriaDinamometriaEletromiografiaA dinamometria engloba todos os tipos de medidas deforça. As forças comumente mensuradas são asforças externas, transmitidas entre o corpo e oambiente, isto é, forças de reação.A eletromiografia é o registro das atividades elétricasassociadas às contrações musculares. O resultadobásico é o padrão temporal dos diferentes gruposmusculares ativos no movimento observado.O instrumento básico em dinamometria é a plataformade força, que mede a força de reação do solo (FRS)e o ponto de aplicação desta força.O instrumento básico em eletromiografia é o eletrodoque mede a atividade elétrica do músculo.Eletromiografia (EMG)Análise QuantitativaAnálise QualitativaTelemetriagolf swing4

Fases da Marcha – Ciclo de Marcha• Suporte duplo!• Suporte Simples!• Passo direito!• Passo esquerdo!• Fase apoio!• Fase balanço !• Passada!Marcha Humana - Ciclo completoMarcha Humana - Ciclo completoVariáveis Tempo-Distância (espaço-temporais):valores típicos em caminhada livrecalcanharcontato-inicial D(RHC) 0-10% 10-30% 30-50% 50-60%dedos-fora D(RTO)dedos-fora E(LTO)Fase Apoio = RHC >> RTOcalcanharcontato-inicial E(LHC)Fase Balanço (oscilação) = LTO >> LHCCiclo da Marcha - ângulos articulares Análise da Marcha Desenvolvimento de calçadosAnálise de movimentos esportivosAnálise de movimentos: marcha vs. corridaAnálise do Movimento HumanoMagnitude da posição angular do joelho• Sistema de unidades• Análise dimensional• Terminologia básica e conceitos• Trigonometria• Vetores e Matrizes5

Sistema Internacional de UnidadesUNIDADES BÁSICAS• Comprimento:• Massa:• Tempo:• Temperatura:Sistema Internacional de UnidadesUNIDADES DERIVADAS• Momento de força ou torque:• Aceleração:• Velocidade:• Área:Sistema Internacional de Unidades• Força:• Pressão e tensão:• Energia e trabalho:• Potência:UNIDADES DERIVADAS(com nomes especiais)Tabela de Unidades (SI) - ConversõesMovimento no espaçoEspaço: Volume tridimensional sem limites e/ou fronteiras• Ponto: localização no espaço que ocupa volume zero (i.e. semcomprimento, largura ou espessura) (e.g. partícula)• Linha: uma série infinita de pontos que estão em “reta” comcomprimento infinito e sem largura e espessura (e.g. segmento delinha)• Plano: superfície “chata” sem fronteiras bidimensionais (i.e. semespessura) (e.g. plano horizontal)• Volume: espaço tridimensional limitado (e.g. cubo, esfera,paralelepípedo…)Relações no espaçoModelos do corpo humano (2D e 3D)Modelos tridimensionais do CHsegmentos de linhas = segmentos do CHpontos amarelos = centros de gravidadeDimensão 0Dimensão 3setas = forçasMarcadores reflectivospresos na pele (3/segmento)vetorDimensão 1Sólidos de revoluçãobaseados nosmarcadoresAdição de modelos deossos para refletir aanatomia humanaDimensão 2Modelo 3D de Hanavan com 15segmentos baseado em váriossólidos de revolução (cones,elipsóides, cilindros, esferas)6

Planos e Eixos - Sistema de referênciaPlanos e Eixos - Sistema de referênciaSistema de referência:• Absoluto• RelativoMovimento da tíbia* fêmur (SR local)* sala (SR global)• Movimento -> plano• Eixo $ plano* (A) SRA: ângulo segmento -> articulação distal* (B) SRR: ângulo relativo entre os segmentosPontos referência - descrição movimentoarticulaçõesMovimento articulações - ângulos relativosParâmetros biomecânicos: grandezas escalares e vetoriaisPosição inicial:anatômica vs fundamental* Eixo central* Membros superiores* Membros inferiores* (A) cotovelo* (B) joelho• Escalar (magnitude) = massa (m), tempo (t),comprimento (L), temperatura, trabalho, energia• Vetor (magnitude e orientação - direção, sentido e pontode aplicação) = forças (F), momentos (M), velocidade (v),aceleração (a)Representação matemática vetorialAdição Vetorial - Método GráficoRegra do ParalelogramoA. GráficaB. Coordenadas polaresC. Componentes(eixos X e Y)Regra do Polígono7

Exemplo: corredor no bloco de saídaAdição Vetorial - Método das ComponentesRepresentação vetorial (3D)F bloco =525N (70º c/ horizontal)m=78kgMultiplicação VetorialProduto VetorialVetor Força - caminhadaProduto Escalar: (A . 5)A x = 5 x 4N = 20N A y = 5 x 3N = 15NA 2 = (A 2x + A y2 )Produto Vetorial: (C = A x B)C = A . B . sen(%)Regra da Mão DireitaVetor Força - caminhada Vetor Força - caminhada Exercício: Plataforma de Força8

Força de reação do soloMovimentoTodos os pontos do corpo movem-se em umamesma direção e percorrem a mesma distância.LinearRotaçãoMistoExemplos movimento linearExemplos movimento angularTodos os pontos do corpo movem-se em torno deum eixo, na mesma direção mas percorrem umadistância diferente. (centro de rotação = fixo)(B) centro de gravidade(C) eixo externocentro de gravidadetrajetória objeto(A) articulaçãoAnálise cinemáticaAnálise cinéticaLander, J. et al. (1986)Movimento articulações - posição / direção relativaQuantidade e tipo de movimento (posição, velocidade, aceleração)Causa do movimento(forças e momentos/torques)Agachamento com pesoComponente angular do balanço no golfeDireção e velocidade (taco e bola)Força vertical - Torques (articulações inferiores)9

Descrição movimento - termos básicosDescrição movimento - termos básicosDescrição movimento - termos básicos* Flexão* Extensão• Rotação* Adução* AbduçãoMovimentos planosagitalMovimentos planofrontalMovimentos planotransversalMovimento Humano: 3DMovimento Humano: 3DMovimento• Movimento = 1 plano = 1 grau de liberdade (GL)• Articulação 1GL = movimento 1 plano (uniaxial)Graus de liberdadeRestrições• 2GL = movimento biaxial• 3GL = movimento triaxial3 translações3 rotações* vista lateral* vista de trás* vista de cima10

Cadeia cinemática - Graus de liberdadeMovimentos independentes - Robô articulado (5 GDL)• Combinação dos graus de liberdade em váriasarticulações produzindo um movimento.• Chutar bola: sistema 11GL (relativo ao tronco) = 3GL (quadril) +2GL (joelho) + (1GL + 3GL) (tornozelo) + 2GL (dedos)• Movimento p/ cima e p/ baixo (pitching);"• Movimento p/ E e p/ D (yawing);"• Movimento p/ um lado e p/ outro (rolling)."Robô articulado - 6 GDLExemplo: Braço (7GL)CinemáticaRotação da base do braço!Pivotamento da base do braço!Flexão cotovelo!Punho para cima e para baixo!Punho para E e D!Rotação do punho!Ombro: 3 movimentos (3GL)• &' (pitch)• () (yaw)• * (roll)Cotovelo: 1 GL• &' (pitch)Punho: 3GL• &' (pitch)• () (yaw)• * (roll)Movimento{translaçãorotaçãoretilíneocurvilíneomisto• Cinemática linear:estuda a translação s/ se preocupar c/ suas causas• Cinemática angular:estuda rotação s/ se preocupar c/ suas causasVariáveis CinemáticasVariáveis CinemáticasVariáveis CinemáticasPosição -> velocidade instantâneaVelocidade -> aceleração instantânea11

extensão da hipotenusado “mini” triânguloExemploCinemáticaposição, velocidade, aceleração“mini” triânguloinclinação da reta no gráficoposição X tempoVelocidade positivainclinação da reta = inclinação dahipotenusa do “mini” triânguloVelocidade ZeroVelocidade NegativaGráfico velocidade (V x ) X tempo (t): prova 100mCinemática LinearCinemática AngularMovimentoMovimentoAcimaAbaixo3DSistema de referênciaCoordenadas (x, y, z)3 Ângulos de rotaçãoEsquerdoDireitoFrenteAtrásCinemática Linear - GráficosCinemática Linear - Gráficos• Análises Gráficas• cinemática e cinéticadeslocamentodeslocamento• Relações• Movimento Linear & Angulartempo (s)tempo (s)• Inclinação Máxima ou Mínima (> ou ou

% ciclo da marchaCinemática Linear - GráficosCinemática Angular - ExemploCinemática Angular - Exemplo1. Qual o deslocamento angular de A até B?2. Qual a aceleração angular em A?- deslocamento angular = área curva (! vs. t) " áreatriângulo azulCinemática Angular - ExemploHierarquia das variáveis cinemáticas (gráficos)Relações: Posição, Velocidade, AceleraçãoDescrevendo o movimento do cotoveloinclinação (tangente)deslocamento vs. tempovelocidade vs. tempoaceleração vs. tempoárea sob a curva- aceleração angular = inclinação da curva (! vs. t) " tangente noponto ATempo (s)• Quantidade Média = linha entre 2 pontos• Quantidade Instantânea = tangente no pontoExercício: Paciente portador de esclerose múltipla (sexo masculino, 48 anos, m = 77Kg, h =1.71m)3722Exercício: Paciente portador de esclerose múltipla (sexo masculino, 48 anos, m = 77Kg,h = 1.71m)857367Exercício: A partir do gráfico abaixo (velocidade angular do joelho), que informações arespeito da posição e aceleração podem ser inferidas?431937266871879165689498velocidade ang. joelho (º/s)100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1-2-3-41) Compare os movimentos (amplitude e padrão) do joelho direito e esquerdo ao-51) Compare os movimentos (amplitude e padrão) do quadril direito e esquerdo aolongo do ciclo.longo do ciclo.2) Quais as velocidades angulares (º/s) dos joelhos à 80% do ciclo, sabendo que o2) Quais as velocidades angulares (º/s) do quadril (direito e esquerdo) à 80% dotempo total do ciclo foi de 1,8s? Comente o resultado.ciclo, sabendo que o tempo total do ciclo foi de 1,8s? Comente o resultado.13