Úvod do biomechaniky#
Úvod#
Jedinečnost života a složitost biologických funkcí zajímali lidi už od dávná. Lidi se také snažili popsat a porozumět funkci lidského těla. Jedna z disciplin, která se vznikla z těchto snah je věda, kterou označujeme jako biomechanika.
Biomechanika je najstarší disciplínou ze skupiny věd bioinženýřství, které se definuje jako aplikace inženýřských principů na biologické systémy. Základním objektem zkoumání v bioinženýřství je člověk Homo sapiens. Bioinženýři se snaží pochopit základní fyziologické procesy pro následné zlepšení kvality života člověka. Jedná se o mimořádně těžkou úlohu protože funkce lidského těla jsou mimořádně složité.
Biomechanika je velmi široký obor, který se zabývá zkoumáním systémů na rùzných úrovních: : od mechanických vlastností jednotlivých molekul přes mechanické vlastnosti tkání až po mechanické vlastnosti celého organizmu. Proto není jednoduché ji definovat. Pro naše účely postačí jednodušší Hayova (1973) definice:
Biomechanika je věda o působení mechanických sil v živém organizmu.
Biomechanika v každodenním životě#
Biomechanika je vědou, která studuje jakým způsobem interagují fyzikální síly s živým organismem. Pro někoho, kdo neví čím se biomechanika zabývá je tato definice mimořádně obecná a budí dojem, že biomechanika je věda bez praktického uplatnění. Biomechanika je na rozdíl od toho vědou, která je mimořádně praktická a s tuduje procesy, které působí v oblasti růstu, remodelace, remodelace a homeostáze. Biomechanika také hraje svoji roli v patogenéze některých onemocnění a při léčbe těchto nemocí. Pro lepší pochopení, uveďme nyní několik příkladů:
Pohyb a lokomoce:
Celý organismus: Každý krok, skok nebo běh je složitým souhrou svalů, kostí a kloubů, které studuje biomechanika.
Úroveň orgánů: Srdce pracuje jako mechanická pumpa, která je také regulována mechanickými faktory.
Úroveň tkání: Jakým způsobem vědí naše kosti jak mají být silné tak aby unesli naši váhu a dodatečnou zátěž? Existují důkazy, že růst kosti je ovlyvněn na základě mechanických stimulů. Přesněji řečeno, mechanická napjatost a deformance aktivuje kostní buňky (osteoblasty a osteoklasty) pro to aby přidali nebo odstránili potřebnou kost. Protože primární funkce kostry je mechanická, je logické, že mechanické stimuly se využijí ja spětněvazební signál popisující růst a remodelaci kosti.
Buněčná úroveň: I na úrovni buněk probíhají mechanické procesy, jako je pohyb buněk, dělení buněk a reakce na vnější podněty.
Vnímání sil:
Buňky nejen vytvářejí síly, ale také je vnímají. Například kosti reagují na zátěž zesílením, zatímco buňky vnitřního ucha přeměňují mechanické vibrace na elektrické signály, které vnímáme jako zvuk.
Homeostáza a nemoci:
Biomechanika hraje klíčovou roli v udržování rovnováhy organismu. Poruchy mechanických vlastností tkání mohou vést k různým onemocněním, jako je glaukom nebo ateroskleróza.
Glaukom: Zvýšený tlak v oku poškozuje zrakový nerv.
Ateroskleróza: Nepřirozené mechanické namáhání cév podporuje vznik aterosklerotických plátů.
Léčba a regenerace:
Biomechanika má velký význam v medicíně. Pomáhá při návrhu implantátů a při vývoji nových léčebných metod.
Tkáňové inženýrství: Mechanické namáhání je klíčové pro růst a vývoj tkání. Například chrupavka pěstovaná v bioreaktoru s mechanickou stimulací má lepší vlastnosti než chrupavka pěstovaná bez ní.
Proč je biomechanika důležitá?
Pochopení lidského těla: Biomechanika nám pomáhá lépe porozumět tomu, jak naše tělo funguje.
Vývoj nových technologií: Výsledky biomechanického výzkumu se využívají při vývoji nových léčebných metod, protéz a dalších zdravotnických prostředků.
Optimalizace pohybu: Biomechanika pomáhá sportovcům zlepšit jejich výkon a předcházet zraněním.
Bezpečnost: Při návrhu strojů a zařízení se zohledňují biomechanické vlastnosti lidského těla, aby se minimalizovalo riziko úrazů.
Závěr
Biomechanika je multidisciplinární obor, který má široké uplatnění v medicíně, sportu, průmyslu a dalších oblastech. Díky pochopení mechanických principů, které řídí pohyb a funkci živých organismů, můžeme zlepšit kvalitu života a vyvíjet nové technologie.
Historie biomechaniky#
Sokrates a počátky filozofie#
Sokrates se narodil před 2400 lety a učil, že nemůžeme chápat svět kolem nás, dokud nepochopíme naši vlastní přirozenost. Jako vědci, kteří zkoumají mechaniku živých organismů, sdílíme něco z jeho vnitřního hledání pravdy. Naštěstí nejsme pronásledováni za naše poznání tak jako Sokrates, který byl ve věku 70 let odsouzen a popraven za “bezbožnost a kažení mládeže v Aténách”.
Platón a říše idejí#
Poprava Sokrata měla hluboký vliv na jeho žáka Platóna, člena aténské aristokracie. Jeho filozofické otázky položily základy západní filozofie, psychologie a logiky. Platón postuloval existenci říše idejí, nezávislé na smyslovém světě, a považoval pozorování a experimenty za bezcenné. Přesto věřil, že matematika je nejlepším nástrojem pro získávání znalostí. Jeho pojetí matematiky jako základního vědeckého principu se stalo klíčovým pro rozvoj mechaniky.
Aristoteles – první biomechanik?#
Ve věku 17 let šel Aristoteles, syn lékaře, do Atén studovat na Platónově Akademii. Měl výjimečný talent pro pozorování a fascinovala ho anatomie a struktura živých organismů. Lze ho považovat za prvního biomechanika, protože napsal knihu De Motu Animalium (O pohybu zvířat), ve které zkoumal nejen mechanické aspekty těl, ale i fyziologické rozdíly mezi představou a vykonáním pohybu. Aristoteles sice odmítal matematické uvažování, ale jeho deduktivní metoda položila základy vědecké metody.
Římské impérium a Galénova dominance#
S pádem Řecka a vzestupem Říma ustoupila přírodní filozofie do pozadí ve prospěch technologie. Ve druhém století vytvořil římský lékař Galén monumentální dílo O funkci částí lidského těla, které se stalo standardním lékařským textem na dalších 1400 let.
Leonardo da Vinci – průkopník biomechaniky#
Pokrok západní vědy se zastavil až do renesance, kdy se objevil Leonardo da Vinci. Narodil se v roce 1452 a proslul nejen jako umělec, ale i jako inženýr. Přispěl k mechanice svými vynálezy a analýzou pohybu. Rozuměl sílám, tření, zrychlení a měl dokonce náznaky Newtonových zákonů. Jeho anatomické studie svalů a kloubů představovaly hluboký vhled do biomechaniky, i když jeho poznámky zůstaly po staletí nepublikovány.
Andreas Vesalius a revoluce v anatomii#
V roce 1543 publikoval vlámský lékař Andreas Vesalius své ilustrované dílo O struktuře těla člověka, čímž vyvrátil Galénovy omyly. Přesto trvalo dlouhá staletí, než byla Vesaliova práce plně akceptována.
Koperník a matematické uvažování#
Ve stejném roce, kdy Vesalius publikoval své dílo, zemřel Mikuláš Koperník. Jeho heliocentrická teorie sluneční soustavy znamenala návrat k matematickému uvažování, které mělo vliv i na biomechaniku. Touha vysvětlit pohyb nebeských těles vedla k rozvoji mechaniky.
Galileo Galilei – zakladatel vědecké metody#
Galileo, narozený 21 let po Koperníkově smrti, byl původně poslán na univerzitu studovat medicínu. Odklonil se však k matematice, protože odmítal nepodložená tvrzení. Vyvinul experimentální metodu a prosazoval důkaz místo autoritativních tvrzení. Pozoroval vztah mezi velikostí zvířat a pevností jejich kostí a položil základy vědecké biomechaniky.
Giovanni Alfonso Borelli – otec biomechaniky#
Borelli, narozený v roce 1608, byl studentem Galileova žáka Castelliho. Spolupracoval s Malpighim a Descartem na mechanickém přístupu k medicíně. V knize De Motu Animalium popsal svalové a kosterní páky a odvodil síly působící v lidském těle. Jeho práce předznamenala Newtonovy pohybové zákony a položila základy moderní biomechaniky.
19. století – “století chůze”#
Biomechanika se významně nerozvíjela až do 19. století, které Benno Nigg nazval “stoletím chůze”. Étienne Marey poprvé využil kinematografii k analýze pohybu. V Německu se bratři Weberové věnovali studiu chůze, ale nejvýznamnější byli Braune a Fischer, kteří vědecky popsali lidskou lokomoci.
Mechanika materiálů a Wolffův zákon#
Během průmyslové revoluce se rozvíjela mechanika materiálů. Augustin Cauchy položil základy teorie napětí, což vedlo k biomechanice kostí. Inženýr Karl Culmann a anatom Hermann von Meyer porovnávali vzory napětí v lidské stehenní kosti a jeřábu. Julius Wolff následně formuloval zákon remodelace kostí, který se stal klíčovým principem ortopedie 20. století.
Další rozvoj biomechaniky#
Biomechanika se od té doby neustále rozvíjí díky pokroku v medicíně, implantátech, vesmírných studiích a bezpečnosti v automobilismu. Každý z těchto oborů přispěl k tomu, aby biomechanika dnes byla klíčovým nástrojem vědeckého poznání lidského pohybu a mechaniky živých organismů.
Klíčové osobnosti biomechaniky#
Giovanni Alfonso Borelli (1608–1679)#
Borelli byl italský vědec a matematik, který je považován za jednoho z otců biomechaniky. Ve svém díle De Motu Animalium analyzoval pohyb lidského těla a aplikoval na něj principy mechaniky.
Leonardo da Vinci (1452–1519)#
Leonardo da Vinci byl renesanční umělec, inženýr a vědec, který se zabýval anatomií lidského těla a mechanikou pohybu. Jeho anatomické studie a náčrty využívají principy biomechaniky.
Galileo Galilei (1564–1642)#
Galileo byl italský fyzik a astronom, který zkoumal mechanické zákonitosti pohybu a gravitace. Jeho práce inspirovala biomechanické studie, zejména v oblasti chůze a pohybu těla.
Étienne-Jules Marey (1830–1904)#
Marey byl francouzský fyziolog a průkopník chronofotografie. Vyvinul metody pro studium lidského a zvířecího pohybu, které přispěly k rozvoji biomechanické analýzy.
Wilhelm Braune (1831–1892) a Otto Fischer (1861–1917)#
Tato dvojice německých vědců provedla první kvantitativní analýzy lidského pohybu. Pomocí experimentálních měření a mechanických modelů přispěli k porozumění biomechaniky chůze.
Nikolaj Alexandrovič Bernstein (1896–1966)#
Bernstein byl sovětský neurofyziolog a biomechanik, který rozvinul teorii motorické kontroly a variability pohybu. Jeho práce měla zásadní vliv na moderní biomechaniku a neurovědy.