prezentare electiva 2 noȚiuni de biomecanicĂ Și modele biomecanice ale organismului uman sub...

8/11/2019 Prezentare Electiva 2 NOIUNI DE BIOMECANIC I MODELE BIOMECANICE ALE ORGANISMULUI UMAN SUB ACIUNEA VIBRAIILOR

1/35

MINISTERUL EDUCAIEI NAIONALE

UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUCII BUCURETIFACULTATEA DE UTILAJ TEHNOLOGIC

NOIUNI DE BIOMECANIC IMODELE BIOMECANICE ALE

ORGANISMULUI UMAN SUB

ACIUNEA VIBRAIILOR

Coordonator tiinific:Prof.univ.dr.ing. Cristian PAVEL

Doctorand:

Ing. Marius VLAD

Bucureti -2014-

Disciplina electiv 2


2/35

SUBIECTE

Subiectul 1Stadiul actual al cercetrilor privind expunerea organismuluiuman la vibraiin mediul ocupaional

Subiectul 2Modele reologice complexe ale mediilor continue

Subiectul 3 Modele utilizate n studiul biomecanicii organismului uman

supus aciunii vibraiilor. Modelarea sistemului picior-

gamb.


3/35

- Subiectul 1-

STADIUL ACTUAL AL CERCETRILOR PRIVIND EXPUNEREAORGANISMULUI UMAN LA VIBRAII N MEDIUL OCUPAIONAL

S-au comparat efectele vibraiilor asupra organismelor

supuse la vibraia ntregului corp n cazul oferilor utilajelorgrele cu cele asupra muncitorilor dintr-un mediu similar, darcare nu au fost supui la vibraii ale ntregului corp.

Industrie Construcii TransporturiAgricultur


4/35

A) Expunerea pe termen scurt la vibraii din domeniul 2-20 Hz, la 1ms^2 , duce la apariia urmtoarelor simtome

(Boshuizen .a. ,2000,2002): Dureri abdominale,Stare

general de disconfort, inclusiv dureri de cap , .a.

B) Expunera pe termen lung poate duce la apariia unorprobleme grave de sntate, n special probleme ale coloanei

vertebrale: Hernie de disc, Schimbri degenerative n coloan,.a. (Boshuizen .a. ,2000,2002)

Rspunsul omului la vibraia ntregului corp depinde de

frecvena vibraiei, de acceleraia vibraiei i de timpul deexpunere (Seidel,2003)

ISO 2631/1:1997 2631/5:2004 a stabilit Evaluarea expuneriiomului la vibraii ale ntregului corp.


5/35

1.1 DETERMINAREA LIMITELOR DE EXPUNERE ANTREGULUI CORP LA VIBRAII

Mai multe studii au publicat nivele ale vibraiilor pentrudiferite vehicule folosite n construcii, agricultur i industrie

Tabelul 1 Comparaia vaorilor vibraiilor pentru diferite vehicule (Hulshof,Zanten, 1997)

Vehicul

Elevator

0,8

Buldozer cu scaun standard 0,520,64

Tractor pe drum pavat

1,762,03

Buldozer cu scaun ce absoarbe vibraiile 0,430,80

Macara 0,42,3

Tractor pe cmp 0,6

Vagon de marf 1,0

Excavator 0,52,3


6/35

1.2. CRITERIILE EXPUNERII NTREGULUI CORP LAVIBRAII

Corpul uman este, att din punct de vedere fizic ct sibiologic, un sistem extrem de complex. Cnd e privit ca unsistem mecanic se poate considera ca fiind format din

elemente liniare ct i neliniare, cu propieti mecanice

destul de diferite de la o persoan la alta (Nawayseh iGriffini, 2003, 2005). Din punct de vedere biologic situaiaeste mai complicat, mai ales atunci cnd sunt introduse

efectele psihologice (Miyashita .a., 1992).

Din punct de vedere al impactului vibraiilor, domeniulfrecvenelor joase este cel mai important. Unele dintre celemai importante msurtori au fost efectuate de ctre Griffini

(2000) i se refer la atenuarea vibraiilor de-a lungulcorpului uman. Rezultatele obinute la 50Hz arat c

atenuarea de la picior la cap este de aproximativ 40dB.


7/35

Datele disponibile sunt, prin urmare, n principal pentrusubieci ce se afl n picioare sau aezai (Griffin i

Nawayseh, 2005), (Aldien, .a., 2005), (Wang, .a.2006).

Standardul ISO 2631 adun aceste date ntr-un set de curbeale criteriilor vibraiilor pentru vibraii longitudianele i

transversale n domeniul de frecvene 180 Hz.

Tabelul 2. Simtomele expunerii la vibraii la frecvene din domeniul 120 HzSimptome Frecven(Hz)Stare generalde disconfort 49

Dureri de cap 1320

Dureri ale mandibulei 68

Deficienede vorbire 1320

Respiraiengreunat 1216

Dureri n piept 57

Dureri abdominale 410

Probleme de urinare 1018

Cretereatonusului muscular 1320

ngreunareamicrii

48

Contraciamuchilor 4 - 9


8/35

n Fig.1. este prezentat reacia subiectiv ca funcie dedeplasare maxim a vibraiei iniiale i de durat. Numerele

indic urmtoarele relaii ale zonelor dintre linii:

Iapragul perceiei; Ib percepie slab;ICpercepie puternic, deranjant;IIapercepie foarte deranjant, periculoas n cazul

expunerii ndelungate;IIbfoarte neplcut, categoric periculoas.


9/35

n Fig.1.2 sunt date nivelele de expunere permise la vibraiipentru 24h (Mansfield i Griffin, 2000, 2001, 2002).


10/35

SUBIECTUL 2

MODELE REOLOGICE COMPLEXE ALE MEDIILOR

CONTINUE

2.1. GENERALITI

Cuvntul reologie provine de la grecescul reo care

nseamn curgere i este utilizat la studiul curgerii ideformrii materialelor.

Dac corpul nu revine la forma iniial se spune c are ocomportare elasto-plastic

n mecanica mediilor continue se admite c. structuraacestora este continu, adic nu se ia n considerare

structura atomic a substanei i nici micarea particulelor

care o compun.


11/35

2.2. MODELELE PROPRIETILOR FIZICO-MECANICEALE CORPURILOR

Bernoulli i Euler au formulat principiile i legile de baz caresunt generale pentru toate mediile indiferent de proprietile

fizico-mecanice ale acestora.Principiile sau legile fundamentale dau ecuaii al cror numr

este, de regul mai mic dect numrul necunoscutelor. Deobicei aceste ecuaii se mpart n dou grupe: ecuaii deechilibru sau de micare i ecuaii geometrice ale

deplasrilor i deformaiilor. In plus trebuie introduse ecuaiilefuncionale speciale care descriu alctuirea i particularitile

fizice ale strii mediului concret.


12/35

2.2.1. Mediul continuu elastic (Solidul lui Hooke)

este efortul pe unitatea de suprafa din seciunea unuicorp, care se numete tensiune; E este o constant numitmodul de elasticitate (sau modulul lui Young); este lungirea

specific. (sau alungire, sau deformaie specific),

reprezentnd raportul dintre lungire i lungimea iniial.

E


13/35

2.2.2. Lichidul vscos (Lichidul lui Newton)

Lichidul vscos se caracterizeaz printr-o proporionalitate

direct ntre tensiune i viteza deformaiei (fig.) care seexprimprin legea:

unde: este o constantde proporionalitate, iareste derivata lui n raportcu timpul care reprezintviteza deformaieispecifice, sau pe scurt,viteza deformaiei

dt

d


14/35

2.2.3. Mediul continuu plastic (Solidul lui Saint Venant

La un asemenea corp deformaiile nu au loc dect dactensiunile ating un anumit prag. Pn la atingerea uneianumite tensiuni corpul nu se deformeaz, deci se comportaca un corp rigid, dup aceea deformarea corpului are loc sub

tensiune constant.

Un corp nu se poate pune nmicare fa de alt corp,

dect atunci cnd fora Fatinge un anumit prag F0.


15/35

2.3. MODELE REOLOGICE COMPLEXE ALE MEDIILORCONTINUE

Pe lng modelele reologice elementare, au fost elaboratemodele reologice complexe ale mediilor continue, modele

care oglindesc mai bine proprietile corpurilor reale.

2.3.1. Corpul lui Kelvin

EBe


16/35

2.3.2. Corpul lui Maxwell

Acesta arc ca model reologic un corp elastic (Hooke) legat n

serie cu un lichid vscos (Newton), ca n fig.

.21

E1


17/35

2.3.3. Corpul lui Prandtl

Acest arc ca model reologic un corp elastic (Hooke) legat nserie cu un lichid vscos (Newton), ca n figura

.

2

1

E

1


18/35

2.3.4. Corpul lui Bingham

Are ca model reologic un corp plastic (de Saint \/enant) nparalel cu un lichid vscos (Newton), ambele fiind apoi n

serie cu un corp elastic (Hooke), dup cum se arat n figur.


19/35

2.3.5. Corpul lui Zener

Acesta are ca model un corp Kelvin n serie cu un corpHooke, ca n figurDependena dintre tensiune i deformaie

este de forma

o1o1

qqpp


20/35

2.3.6 Corpul lui Burgers

Acesta are ca model reologic un corp Maxwell n serie cu un

corp Kelvin, dup cum se arat n figur. Dependena dintretensiuni i deformaii este

12o12 qqppp


21/35

SUBIECTUL 3

MODELE UTILIZATE N STUDIUL BIOMECANICII

ORGANISMULUI UMAN SUPUS ACIUNII VIBRAIILOR.

MODELAREA SISTEMULUI PICIOR-GAMB

3.1. MODELE BIOMECANICE ALE APARATULUILOCOMOTOR

3.1.1. Modele analitice ale aparatului locomotor

Modelarea analitic comport, n general, parcurgereaurmtoarelor etape:

- modelarea fizic;- modelarea matematic.


22/35

3.1.2. Modele structurale

Reprezentrile structurale au fost realizate, mai nti,urmrind segmentele anatomice ale corpului aa cum seobserv n figur


23/35

3.1.1. Modele cinematice

Modelele cinematice n biomecanic se mpart, funcie de

datele de intrare i necunoscutele care trebuie determinate,n dou mari categorii: modele cinematice directe i modele

cinematice inverse.Modele cinematice directe, n care cunoscndu-se

coordonatele generalizate ale articulaiilor modeluluistructural, se cer s fie determinate poziiile unor puncte dateale lanului cinematic i, de asemenea, vitezele i

acceleraiile acelor puncte. O exprimare matematic maisimpl pentru analiza cinematic direct este:

x=f()unde: reprezint coordonatele generalizate cunoscute iar x

poziiile punctelor ce trebuie obinute.


24/35

Modele cinematice inverse, n care, cunoscndu-se numaipoziiile unui element final efector, se cer s fie determinate

poziia i orientarea tuturor articulaiilor; matematic,

cinematica invers se poate exprima prin relaia:

unde: x este cunoscut iar se cere s fie determinat,

cu aceleai semnificaii ca mai nainte.


25/35

3.1.5. Modele dinamice

Modelele dinamice se mpart n dou mari categorii: directe

i inverse. ntr-un model dinamic direct sunt precizate cadate de intrare caracteristicile antropometrice ale sistemuluianalizat, precum i valorile estimative ale forelor musculare

i se cer a fi determinate ca date de ieire, pe baza

ecuaiilor de micare, parametrii cinematici ai micrii (poziii,viteze, acceleraii) i reaciunile legturilor exterioare alesistemului biomecanic.

3.1.6. Modele experimentale ale aparatului locomotor

Modelele experimentale au ca scop fie stabilirea unor legigenerale ale fenomenelor studiate, a verificrii unor concluzii

teoretice sau introducerii unor corecii la legile stabiliteanalitic, fie rezolvarea direct a unor probleme complexe,

care nu pot fi soluionate pe cale teoretic.


26/35

3.2. MODELUL ANALITIC AL ARTICULAIEI GLEZNEI

Modelarea sistemelor biomecanice se poate realiza prinfolosirea unuia din cele dou tipuri de modele, i anume:

modele analitice i modele experimentale. Datoritcomplexitii fenomenelor biomecanice, precum i datoritdificultilor matematice care apar la scrierea i rezolvarea

ecuaiilor de micare ale aparatului locomotor, pentru studiuldinamicii corpului uman se folosesc, adesea, modeleexperimentale, fie n mod direct, fie dup o modelare

analitic prealabil.

Modelarea analitic comport, n general, parcurgereaurmtoarelor etape:modelarea fizic;

modelarea matematic


27/35

3.2.1. Model biomecanic al articulaiei gleznei

Articulaia gleznei este format din trei piese osoase i dintr-o serie de ligamente care asigur legatur ntre ele. n parteasuperioar, pilonul tibial i maleolele medial i lateral

(fibular) formeaz o scobitur n care este introdus a treiapies osoas, talusul, marginit superior de o suprafacilindric, dnd astfel posibilitatea piciorului s execute

micari ntr-un singur plan.Considerate mpreun, articulaia tibiotarsian i

articulaia astragalocalcaneean au fost asemanate de G.

Gauhier (1977) cu o suspensie cardanic (figura)


28/35


29/35


30/35

3.2.2. Determinarea forelor de raciune din articulaia gleznein condiii dinamice

Pentru determinarea forelor de reaciune i a momentuluidin articulaia gleznei vom folosi metoda dinamic invers ncare marimile cinematice (forele de reaciune ale solului i

dimensiunile antropometrice) sunt considerate date deintrare pentru rezolvarea sistemului biomecanic. Aceast

metod de calcul presupune urmatoarele condiii: corpul uman este mprit n lanuri cinematice; la rndul lor aceste lanuri se mpart pe segmente; segmentele sunt considerate corpuri rigide;

forele de frecare cu aerul i din articulaie sunt nule.


31/35

Modelul biomecanic al sistemului glezna-picior


32/35

Modelul biomecanic al sistemului glezn-picior n cele patrufaze de sprijin al piciorului pe sol: 10%, 25%, 45%, 70%


33/35

n urma nlocuiri datelor cinematice i antopometrice necuaiile de echilibru, pentru toate cele patru faze, s-auobinut anumite valori numerice ale forelor de reaciuneprecum i momentele din articulaia gleznei (tabel 3.1


34/35


35/35

V multumesc pentru

atenia acordat .

23.09.2014

prezentare electiva 2 noȚiuni de biomecanicĂ Și modele biomecanice ale organismului uman sub...

Documents