Biomechanics Module Notes.docx

14 Pages
Unlock Document

Kinesiology & Physical Education
Michael Cinelli

Biomechanics Module Notes • Biomechanics:  the study of mechanics as it relates to the functional and anatomical analysis of  biological systems  o Study of movements in both qualitative and quantitative   Qualitative: non­numerical description of a movement based on direct  observation. Ex/ a coach’s observation of an athletes performance to correct a  flaw in the skill  Quantitative: numerical result, the movement is analyzed numerically based on  measurements from data collected during the performance of the movement. Ex/  physiotherapist have motion analysis tools to allow them to quantify the range of  motion of the foot, movements impossible for the naked eye  • Mechanics:  study of physical actions and forces o Statics:  study of systems in a constant state of motion (all forces acting on the body are  in balance/at equilibrium) o Dynamics:  study of systems in motion with acceleration • Kinematics: description of motion over time • Kinetics:  forces associated with body motion  Functions of machines in body: 1. Balance multiple forces 2. Enhance forces to reduce amount of force needed to overcome a resistance 3. Enhance Range of Motion and speed of movement to move resistance further or faster than  applied forces 4. Alter resulting direction of applied force Types of machines in body: • Arrangement of musculoskeletal system provides 3 types: 1. Levers (Most common type) 2. Wheel/axles 3. Pulleys • Each of these involves balancing or rotational forces about an axis Levers: • A rigid bar that turns about an axis of rotation (fulcrum) • Force applied to a lever causes a rotation about the fulcrum to cause movement against  resistance o Ex:  Bone = lever, joint =axis, muscles apply force • Human movement occurs through organized use of levers • Anatomical levers (as opposed to mechanical levers) cannot be changed, but can be used more  efficiently  o We have multiple redundant muscles and flexors that can be used for specific situations  Types of levers: • Depends on arrangement of axis, force and resistance  • First class levers:  axis placed between force and resistance (at the fulcrum) o Ex:  scissors, skull rotating in c1 axis • Force  ▯Axis  ▯Resistance • Designed to produce balanced movements when axis  is midway  between force and resistance • When axis is close to force = change in speed and  Range of motion  • When axis is close to resistance = change in force of  motion • Force occurs at tendon • Class of lever can change depending on contact surface • Second class levers:  resistance is between axis and force o Ex:  person pushing another person in a  wheelbarrow • Axis  ▯Resistance  ▯Force • Produce force movements o Small force can move large resistance (helps with body  efficiency) • Few that occur in the body  • Third class levers:  force is between axis and resistance o Ex: chopsticks, contraction of arm • Axis  ▯Force  ▯Resistance • Designed to produce speed and Range of motion  • Includes most levers in body o Large amount of force to move small amount of  resistance (inefficient) Factors in use of anatomical levers: • Torque:  moment of force (force magnitude x force arm) • Turning effect of eccentric force • Eccentric force:  force applied in direction not in line with center of rotation of an object with a  fixed axis (lengthening) • No fixed axis:  applied force not in line with object’s center of gravity  • Force (moment) arm:  perpendicular distance between location of force applied and axis (must  be 90 degree) o Shortest distance from the axis of rotation to line of action  o The greater the distance from the moment arm, the greater the amount of torque can be  produced by force  Ex: opening a door, the further away from the moment arm (hinge) the easier it  is to open the door Factors impacting force production (levers): • Resistance arm: distance between axis and point of resistance (not perpendicular) • Inverse relationship between force and force arm  • Inverse relationship between resistance and resistance arm  • Force components and resistance components proportional  o Force x Force arm = Resistance x Resistance arm (static) • Angle of pull o Rotary component, dislocating component and stabilizing component  o One of these three depending on insertion  o When line of force (inserting tendon) is perpendicular to the bone it is inserting on (90  degrees), dislocating and stabilizing components = 0, therefore all force is rotary  Wheels and axles: • Used to enhance range of motion and speed of movement  • Functions as form of lever o Ex: c1 atlas rotates about the c2 axis  • If either wheel or axle turns, so must the other (complimentary) • Center of wheel and axle = fulcrum  • Radius of wheel and axle = force (moment) arm  nd • Moment arm = radius of wheel/radius of axle (2rdclass) • Moment arm = radius of axle/radius of wheel (3  class) Pulleys: • Single pulleys have a fixed axle and function to change effective direction of force being  applied  • MA = 1 • May be moveable and combined to form compound pulleys o Further increases MA • Ex:  fibularis longus everting the foot Laws of motion and physical activities: • Motion cannot occur without force o Muscular systems are the source of force • 2 types of motion: 1. Linear (translatory): motion along a line 2. Angular (rotary) rotation about an axis • Both types of motion are related Linear Kinematics Kinematics: • Branch of dynamics concerned with the description of motion • Describing motion in terms of time, distance, velocity, and acceleration  • Does not deal with the forces causing motion Motions: • Linear Motion: (aka Translation) o Occurs when all points on a body or object move the same distance, in the same  direction, and at the same time o Involves the study of linear movement through time o Rectilinear: Motion along a straight eg. Figure skating­ trunk rigid movement­ same  through movement  o Curvilinear: Motion along a curved path eg. Sky diving • Angular Motion: (aka Rotary Motion) o Occurs when all points on a body of object move in circular move in circular about the  same fixed central line or axis eg. Leg lifts­ hip fixed, & leg moving up and down.  Muscles closer move less, than muscles further away • General Motion: o Combination of linear and angular motion eg. Cyclist. Combination of linear & angular Linear Kinematics Quantities: • Position • Distance/displacement • Speed/velocity • Acceleration  Position: • Location in space relative to some reference • Defined by x, y, z coordinates of a point Distance vs. Displacement: • Units: meters (m) • Distance ­ Measure of the length of path followed ­ Scalar change in position ­ Measures how far you traveled regardless of direction • Displacement ­ Vector change in position ▯ magnitude & direction of motion ­ Delta x= x2­x1, Delta y= y2­y1 • Question: ­ When will the distance traveled and the displacement be equal?  Rectilinear motion ­ When will the distance traveled and the displacement not b\e equal?  Angular/non­rectilinear motion Speed vs. Velocity • Velocity o Rate of change of displacement with respect to time o Vector ▯ direction & magnitude of motion o Laws of vector addition  ▯tip­to­tail o Delta v= (x2­x1)/time o Simply: v=d/t o Units meters/sec  • Speed  o Rate of change of distance traveled with respect to time  o Scalar o Units: meters/ second • Q1: The winner of the men’s 100 m at the 2004 Anthems Olympics completed the race in  9.85 s. what was his avg. velocity during this race? ­ V=d/t ­ Average velocity= displacement/time ­ Average velocity= 100 m//9.85 s ­ Average velocity = 10.15 m/s • Q2: A man leaves his house, drive 5 km west at 50 km/h, then drives back east 5 km at 40  km/h. what is his average velocity for the entire trip? ­ 0km/h ­ avg. velocity= total displacement/ total time ­ avg. velocity= 0/ total time= 0 ­ avg. speed= total distance/ total time ­ avg. speed = 10 km/ (0.1 h + 0.125 h ) = 44.4 km • First Central Distance Method ­ Frame #’s, time (s0, position (m) ­ Vi= [(x i+1x )i­1(t i+1t i­1 Acceleration  • Acceleration: rate of change of velocity with respect to time (speeding up) ­ A= (v2­v1)/time ­ Vector ­ Units; meters/sec/sec or m/ s 2 • Q3: Which shot would a hockey goalie have a better chance of blocking a shot from 5 m  away at 10 m/s or a shot 10 m away at 40 m/s? Angular Kinematics Angular Kinematics: • Deals with angular motion • Ex/ bike wheel  Angular Quantities: • Angular position  • Angular displacement  • Angular velocity • Angular acceleration Angular Position: • Location relative to a defined spatial reference system • The orientation of a line with another line or plane  • Theta = arc length/r = L/R o Theta = angular measurement in radians o L = arc length o R = radius  • 360 degrees = 2 Pi Radians  • Radian = 180/3.14 =57.3 degrees • Assumption:  the two radius are of equal length (forearm­shoulder) Angular Displacement: • Difference between the initial and final positions of a rotating object  • Change in absolute angular position experienced by a rotating line  • The angle formed between the final position and the initial position in radians  • Delta theta (change in displacement) = final position – initial position  • Ex 1: diving o A diver performs a triple somersault w
More Less

Related notes for KP122

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.