Introduzione alla Biomeccanica.

 

La struttura muscolo-scheletrica del corpo umano è rappresentata da un complesso sistema di ossa, muscoli, tendini, legamenti che permettono di eseguire dei movimenti di natura varia, dal semplice camminare fino ad arrivare a gesti motori molto complessi, come ad esempio un servizio nel tennis, che prevedono l’azione coordinata di un elevatissimo numero di muscoli che producono a loro volta le coppie articolari all’origine del movimento.
La scienza che si prefigge l’obiettivo di studiare in maniera quantitativa il movimento del corpo umano è la biomeccanica.
Prerogative della biomeccanica sono quelle di studiare la meccanica dei movimenti del corpo umano, in che modo essi siano eseguiti, di quantificare nella maniera piu’ esatta possibile il movimento, di valutare le forze scambiate a livello articolare e della cinematica articolare che esse generano.

Nel campo della biomeccanica del sistema neuromuscoloscheletrico, come l’analisi del passo o l’analisi di prestazioni legate a particolari movimenti eseguiti prinicipalmente in ambito lavorativo o sportivo, le informazioni maggiormente richieste riguardano le funzioni di controllo mioneurale e le storie delle coppie muscolari che hanno generato un determinato movimento del sistema scheletrico (Hatze, 2000).

E’ facile capire sin da subito che il compito della biomeccanica non è facile.
Infatti, al fine di valutare la cinematica (il movimento del corpo) e la dinamica (le forze che generano il movimento) articolari utilizzando le tecniche tipiche della meccanica dei corpi rigidi, è necessario ‘modellare’ il corpo umano come un insieme di segmenti (come ad esempio il piede, la gamba, la coscia e così via) collegati tra di loro tramite dei giunti meccanici che rappresentano le articolazioni (ad esempio la caviglia, il ginocchio o l’anca).
L’analisi dal punto di vista quantitativo del moto umano consiste dunque nella determinazione e nel confronto della posizione e dell’orientamento dei segmenti ossei coinvolti nel moto.  Il moto relativo tra questi segmenti può essere descritto in termini di grandezze cinematiche quali gli angoli articolari, le velocità lineari e angolari e le accelerazioni.
Le forze esterne e le coppie agenti a livello articolare possono essere determinate combinando informazioni relative alla massa e alle proprietà inerziali del segmento in esame e rappresentano i descrittori dinamici o cinetici del moto umano, cioè i fattori che pongono in relazione il moto dei segmenti con la relativa causa.

I modelli comunemente usati rappresentano ovviamente una semplificazione di ciò che realmente accade nella realtà, ma questo è il prezzo da pagare nel momento in cui si vuole studiare il comportamento dinamico di una struttura così unica e allo stesso tempo variabile come il corpo umano.

Oltre ai modelli, l’altra problematica principale nel campo della biomeccanica è rappresentata dal metodo che si utilizza per acquisire dati, che dev’essere accurato ma che allo stesso tempo non sia eccessivamente invasivo per il soggetto e non lo condizioni nell’esecuzione degli atti motori da studiare.

I metodi utilizzati per determinare le quantita’ direttamente osservabili comunemente impiegate consistono nel registrare il moto del corpo umano attraverso opportuni strumenti forniti dall’attuale tecnologia quali

  • Accelerometri: misurano l’accelerazione nelle tre dimensioni dello spazio
  • Sensori di forza: misurano le forze esterne o le reazioni vincolari tra il piede ed il suolo durante il cammino o la corsa
  • Elettromiografi: misurano l’attivita’ elettrica dei muscoli e sono utilizzati per fornire delle importanti indicazioni riguardo alla coordinazione del movimento
  • Sistemi basati su videocamere digitali: misurano il movimento del corpo umano partendo da immagini registrate da videocamere digitali e conseguentemente elaborate
  • Sistemi optoelettronici: come i sistemi basati su videocamere digitali, anche i sistemi optoelettronici misurano il movimento del corpo umano, attraverso la registrazione e ricostruzione in 3 dimensioni del moto di speciali marcatori retroriflettenti applicati sulla superficie cutanea del soggetto.

I dati sperimentali vengono poi elaborati ed utilizzati come input per i modelli del corpo umano al fine di ottenere una valutazione della cinematica e della dinamica articolare del sistema neuromuscoloscheletrico umano.
I risultati ottenuti dipendono dunque dall’accuratezza dei dati acquisiti e dall’adeguatezza del modello utilizzato.

Le tecniche biomeccaniche sopra descritte sono estensivamente utilizzate in ortopedia, ergonomia, sport e altre aree d’interesse e sono comunemente note col nome di analisi del movimento umano.
In particolare, l’analisi del movimento umano applicata allo sport sta diventando una componente sempre più importante all’interno dei programmi di allenamento di atleti di ogni genere, in quanto rappresenta una notevole fonte di preziose informazioni per il coach e per l’atleta, che potrà così sviluppare delle performance sempre migliori con rischi di infortunio minori dovuti alla maggiore conoscenza della biomeccanica dei gesti che possono essere cosi’ facilmente corretti.

Le problematiche pratiche e i dettagli riguardo all’applicazione dei principi della biomeccanica applicata al tennis verranno trattati nel prossimo articolo: "Biomeccanica e Tennis".

Nella figura sottostante si può osservare un report dell'analisi biomeccanica di due modi di servire ottenuta con sistema VICON.