Stabilita#
Stabilita v biomechanice#
Definice: Stabilita je schopnost tělesa udržet rovnovážnou polohu nebo se do ní vrátit po vychýlení. V biomechanice se týká schopnosti lidského těla udržet nebo obnovit rovnováhu při statických (stání) nebo dynamických (chůze, běh) podmínkách.
Typy stability:
Statická stabilita: Schopnost udržet stabilní polohu bez pohybu (např. rovnovážný postoj).
Dynamická stabilita: Schopnost udržet rovnováhu během pohybu (např. při běhu nebo skoku).
Stabilní poloha#
Stabilní rovnovážná poloha: při vychýlení se těžiště tělesa zvedá. Jakmile přestane působit vychylující síla, těžiště se vrátí do původní polohy. Při vychýlení tělesa ze stálé rovnovážné polohy se zvyšuje výška těžiště tělesa vzhledem k povrchu Země a roste také jeho potenciální tíhová energie. Těleso má ve stálé rovnovážné poloze těžiště v nejnižší možné poloze a jeho potenciální energie je nejmenší.
Labilní (vratká) rovnovážná poloha: těleso se po vychýlení z této polohy ještě více vychýlí a těleso se samovolně do rovnovážné polohy nevrátí. Z labilní polohy přechází těleso do stabilní nebo volné rovnovážné polohy (krátkou dobu ještě kolem volné rovnovážné polohy kmitá). Při vychýlení z vratké rovnovážné polohy se výška těžiště snižuje a jeho potenciální tíhová energie tělesa klesá. Ve vratké rovnovážné poloze je těžiště v nejvyšší možné poloze a tíhová potenciální energie tělesa je nejvyšší.
Volná rovnovážná poloha: výška těžiště je nad podložkou a při vychýlení se nezmění. Např. kulička na vodorovné podložce.
Podmínka statické stability#
Stojící těleso je ve stabilní poloze jen tehdy, probíhá–li svislá přímka spuštěná z těžiště základnou tělesa.
Kdy je člověk v statické rovnováze?#
Pro dosažení rovnováhy musí být splněny dvě hlavní podmínky:
Translační rovnováha – Součet všech sil působících na tělo musí být roven nule.
Rotační rovnováha – Součet všech momentů sil působících na tělo vzhledem k jakémukoli bodu musí být roven nule.
1. Rovnováha sil (reakční síla a tíhová síla)#
Na stojícího člověka působí dvě hlavní síly:
Tíhová síla (( F_g )) – Směřuje dolů a působí v těžišti (COG), její velikost je dána vztahem:
\[ F_g = m \cdot g \]kde ( m ) je hmotnost těla a ( g ) je gravitační zrychlení.
Reakční síla podložky (( R )) – Směřuje vzhůru a působí v místě kontaktu s podložkou (v bodě COP – těžiště tlaku). Tato síla je reakcí na tíhovou sílu podle třetího Newtonova zákona.
Podmínka pro rovnováhu sil:
\[ \sum F = 0 \]což znamená:
\[ R = F_g \]
2. Rovnováha momentů (otáčivé účinky sil)#
Aby člověk zůstal v rovnováze, musí být vyrovnány také všechny momenty působící na tělo.
Moment síly (( M )) je dán vztahem:
- \[ M = F d \]
kde \(F\) je síla a \(d\) je kolmá vzdálenost od osy otáčení (např. kotníkového kloubu).
Podmínka pro rotační rovnováhu:
\[ \sum M = 0 \]Pokud se těžiště nachází přímo nad bodem kontaktu s podložkou (COP), nevzniká žádný moment, který by tělo vychyloval.
Pokud se těžiště vychýlí mimo základnu opory, vzniká moment:
\[ M = F_g \cdot d \]
Tělo musí aktivovat svaly a vytvořit kompenzační moment, aby zabránilo pádu.
Podmínka |
Popis |
Rovnice |
|---|---|---|
Translační rovnováha |
Součet všech sil působících na tělo musí být roven nule. |
\(\sum F = 0 \) |
Vyrovnání tíhové síly |
Reakční síla podložky musí být rovna tíhové síle, ale opačného směru. |
\(R = F_g \) |
Rotační rovnováha |
Součet všech momentů sil vzhledem k jakémukoli bodu musí být roven nule. |
\(\sum M = 0\) |
Stabilní poloha těžiště |
Těžnice (LOG) musí procházet uvnitř základny opory (BOS). |
– |
Kompenzace otáčivého momentu |
Svaly musí vyvinout dostatečný moment k vyrovnání případného narušení rovnováhy. |
\(M = F_g d \) |
Praktický příklad:#
Při stoji na jedné noze se těžiště posouvá a tíhová čára se blíží k hranici základny opory. Tělo aktivuje svaly dolních končetin a trupu, aby vytvořilo kompenzační moment a udrželo rovnováhu. Pokud kompenzační moment nestačí, dochází k pádu.
Základna opory#
Základna opory (Base of Support - BOS) označuje plochu pod objektem nebo osobou, která zahrnuje všechny body kontaktu s podpůrnou plochou. Tyto body kontaktu mohou být části těla, jako jsou chodidla nebo ruce, nebo také pomůcky, například berle, hůl, nebo dokonce židle, na které osoba sedí.
Základna opory je klíčovým faktorem ovlivňujícím stabilitu těla. Čím větší a širší je základna opory, tím větší je schopnost těla udržet rovnováhu. Stabilita je dosažena tehdy, když se těžnice (LOG) nachází uvnitř této základny. Pokud tíhová čára přesáhne hranice základny opory, dochází k narušení rovnováhy a riziku pádu.
BOS se dynamicky mění v závislosti na poloze těla a použití externích opěrných pomůcek. Například:
Při stání s nohama u sebe je základna opory malá, což snižuje stabilitu.
Při rozkročeném postoji se základna rozšiřuje, což zvyšuje stabilitu.
Při sedu na židli zahrnuje základna opory kontaktní plochu mezi tělem a židlí, stejně jako nohy dotýkající se podlahy.
Pokud člověk používá berle, základna opory zahrnuje i body kontaktu mezi berlemi a zemí.
Faktory ovlivňující základnu opory#
Faktor |
Popis |
|---|---|
Velikost základny |
Větší základna poskytuje větší stabilitu. |
Tvar základny |
Rozložení bodů kontaktu ovlivňuje schopnost udržet rovnováhu při různých směrech pohybu. |
Opěrné pomůcky |
Berle, hůl nebo jiné pomůcky mohou zvětšit základnu a tím zlepšit stabilitu. |
Praktický význam#
V rehabilitaci se práce se základnou opory využívá k tréninku rovnováhy, například pomocí cvičení s různými polohami nohou nebo použitím balančních pomůcek.
V klinické praxi se hodnotí schopnost pacienta rozšířit svou základnu opory v reakci
Stabilita a těžiště#
Směr gravitační síly působící na tělo směřuje dolů, k centru Země a skrz těžiště. Tato linie gravitace je důležitá pro pochopení a vizualizaci při určování schopnosti člověka udržet rovnováhu. Když linie gravitace spadne mimo opěrnou plochu (BOS), je nutná posturální reakce k udržení rovnováhy.
Když linie gravitace spadá do opěrné plochy (BOS), objekt nebo osoba je stabilní. Když linie gravitace spadne mimo opěrnou plochu (BOS), objekt nebo osoba je nestabilní.
Vzhledem k tomu, že linie gravitace musí spadat do opěrné plochy (BOS), aby byly splněny kritéria stability, je třeba zvážit následující faktory:
Větší opěrná plocha (BOS) zvyšuje stabilitu (linie gravitace se musí posunout na větší vzdálenost, aby spadla mimo opěrnou plochu).
Nižší těžiště (COG) zvyšuje stabilitu (je méně pravděpodobné, že linie gravitace spadne mimo opěrnou plochu).
Posturální kyv (Postural Sway)#
Posturální kyv označuje malé, neustálé pohyby těla, které se objevují při pokusu udržet stabilní vzpřímenou polohu, například při stání nebo sezení. Tyto výkyvy jsou přirozenou součástí kontroly rovnováhy a jsou výsledkem jemných úprav polohy těla v reakci na vnitřní i vnější podněty.
Lidské tělo se při pokusu o udržení rovnováhy nikdy nepohybuje zcela staticky. I při stání na místě dochází k neustálým drobným pohybům, které jsou řízeny:
Senzorickým systémem
Vstupy z zrakového systému, vestibulárního aparátu (rovnovážné orgány ve vnitřním uchu) a propriocepce (vnímání polohy těla a napětí ve svalech).
Centrálním nervovým systémem – Vyhodnocuje smyslové informace a koordinuje odpověď.
Svalovou aktivitou – Aktivace svalů (např. lýtkových a břišních) upravuje polohu těla a zajišťuje stabilitu.
Faktory ovlivňující posturální výkyv#
Faktor |
Popis |
|---|---|
Zrak |
Zavřené oči zvyšují rozsah posturálního výkyvu. |
Pevnost základny opory |
Užší základna opory zvyšuje výkyvy. |
Věk |
S věkem se obvykle zvyšuje rozsah posturálního výkyvu. |
Únava |
Snižuje efektivitu svalové reakce, čímž zvyšuje výkyv. |
Nemoci |
Neurologická onemocnění (např. Parkinsonova choroba) mohou zvyšovat nestabilitu. |
Měření posturálního výkyvu#
Posturální výkyv se často měří pomocí stabilometrie – zařízení sleduje pohyby bodu těžiště tlaku (COP). Výsledky se obvykle zobrazují jako trajektorie pohybu na dvou osách:
Anteroposteriorní směr (předozadní) 5-7 mm
Mediolaterální směr (stranový) 3-4 mm
Význam v praxi#
V klinické praxi se posturální výkyv využívá k diagnostice poruch rovnováhy.
V rehabilitaci pomáhá při hodnocení pokroku u pacientů po úrazech nebo s neurologickými poruchami.
Ve sportovní vědě se používá k optimalizaci rovnováhy a prevence zranění u sportovců.
Shrnutí#
Faktor |
Popis |
|---|---|
Poloha těžiště (COG) |
Čím je těžiště nižší, tím je stabilita větší. |
Základna opory |
Širší základna (např. rozkročený postoj) zvyšuje stabilitu. |
Tíhová čára (LOG) |
Pro udržení stability musí tíhová čára zůstat uvnitř základny opory. |
Hmotnost těla |
Vyšší hmotnost zvyšuje stabilitu, protože k vychýlení je potřeba větší síla. |
Senzorické vjemy |
Vjemy z vestibulárního aparátu, zrakového systému a proprioreceptorů pomáhají udržet rovnováhu. |
from IPython.display import IFrame
IFrame('https://www.geogebra.org/classic/wdjjugwz', width=800, height=600, style="border: 1px solid black")
Další materiály#
Poloha těžiště na ČT Edu https://edu.ceskatelevize.cz/video/6632-pokusy-teziste