Stupně volnosti#
Stupeň volnosti (DOF, degrees of freedom) je v mechanice počet nezávislých parametrů, které definují konfiguraci mechanického systému. Jinými slovy, je to počet nezávislých pohybů, které může těleso vykonávat.
V ploše má bod dva stupně volnosti
posun podél osy x a podél osy y
V ploše má těleso pak tři stupně volnosti
posun podél osy x, osy y
otočení kolem bodu.
V prostoru má bod tři stupně volnosti
posuny podél os x, y, z
V trojrozměrném prostoru má tuhé těleso 6 stupňů volnosti:
3 posuvné (pohyb podél os x, y, z)
3 rotační (rotace kolem os x, y, z)
Vazba je omezení, které omezuje nebo zakazuje některé stupně volnosti tělesa. Vazby jsou realizovány různými strukturami, jako jsou klouby, vazy, svaly a další tkáně.
Každá vazba odebírá tělesu jeden nebo více stupňů volnosti. Například loketní kloub odebírá 5 stupňů volnosti a umožňuje pouze flexi a extenzi v jedné rovině.
Klouby#
1. Kloub kulový (articulatio spheroidea)#
Vyznačuje se tím, že kulovitá hlavice jedné kosti zapadá do kulovité jamky na druhé kosti. Jedná se o nejpohyblivější tvar kloubu, který umožňuje pohyby ve všech směrech
Stupně volnosti: 3 (pohyb ve všech třech rovinách)
Flexe/extenze (ohýbání/natahování)
Abdukce/addukce (odtahování/přitahování)
Rotace (vnitřní/zevní)
Příklady:
Ramenní kloub: Umožňuje širokou škálu pohybů paže, jako je zvedání, kroužení a otáčení.
Kyčelní kloub: Umožňuje pohyb nohy ve všech směrech, což je důležité pro chůzi, běh a další aktivity.
2. Kloub čepový (articulatio trochoidea)#
Okrouhlý konec jedné kosti zapadá do kroužku, který je tvořen druhou kostí a obklopujícím vazem. Tento typ kloubu umožňuje rotaci v podélné ose kosti.
Stupně volnosti: 1 (rotace kolem jedné osy)
Příklady:
Spojení mezi prvním a druhým krčním obratlem (atlas a axis): Umožňuje otáčení hlavy do stran. V biomechanice se zkoumá například při analýze otáčení hlavy při řízení auta.
3. Kloub šarnýrový (articulatio ginglymus)#
Umožňuje pohyb kloubu pouze ve dvou směrech (např. dopředu a dozadu) a vyznačuje se tím, že válcovitý konec jedné kosti zapadá do žlábku na povrchu druhé kosti.
Stupně volnosti: 1 (flexe a extenze v jedné rovině)
Příklady:
Loketní kloub: Umožňuje ohýbání a natahování paže. V biomechanice se zkoumá například při analýze hodu míčem nebo zvedání břemen.
4. Kloub plochý (articulatio plana)#
Vyznačuje se tím, že jeho kloubní povrchy jsou v podstatě ploché destičky, které umožňují pouze rotaci a krátké klouzavé pohyby.
Stupně volnosti: Omezený pohyb v různých směrech (klouzání po sobě)
Příklady:
Klouby mezi obratli páteře: Umožňují drobné pohyby páteře, které se skládají do celkového pohybu. V biomechanice se zkoumá například při analýze držení těla a pohybu páteře při chůzi.
Klouby mezi zápěstními a zánártními kostmi: Umožňují drobné pohyby ruky a nohy, které se podílejí na celkové hybnosti.
5. Kloub vejčitý (articulatio ellipsoidea)#
Stupně volnosti: 2 (flexe/extenze a abdukce/addukce)
Příklady:
Zápěstní kloub: Umožňuje ohýbání a natahování ruky a pohyb do stran. V biomechanice se zkoumá například při analýze úchopu předmětů a psaní.
Hlezenní kloub: Umožňuje ohýbání a natahování nohy a pohyb do stran (everze a inverze). V biomechanice se zkoumá například při analýze chůze, běhu a skoku.
6. Kloub sedlovitý (articulatio sellaris)#
Stupně volnosti: 2 (flexe/extenze a abdukce/addukce) + omezená rotace
Příklady:
Karpometakarpální kloub palce: Umožňuje palci pohyb v širokém rozsahu, což je důležité pro uchopování a manipulaci s předměty. V biomechanice se zkoumá například při analýze úchopu a jemné motoriky.
Pohyby v kloubech#
Popisujeme tři základní pohyby mezi styčnými plochami kloubu:
rotace
pohyb valivý
pohyb smykový
Dále pohyb závisí na počtu os, ve kterých se pohyb děje, a na počtu kostí, které jsou součástí kloubu.
pohyb okolo osy X (rovina frontální) – abdukce, addukce
rotační pohyb okolo osy Y (rovina sagitální) – flexe, extenze
pohyb okolo osy Z (rovina transverzální) – vnitřní, zevní rotace
kombinací těchto pohybů vzniká cirkumdukce
Druhy kloubů dle počtu os a tvaru styčných ploch#
Rotační klouby můžeme dělit na:
Klouby tříosé - Pohyb se děje ve všech třech osách. Příkladem takového kloubu je kloub kulovitý.
Klouby dvojoosé - Pohyb se děje podle os flexe-extenze a abdukce-addukce. Kloub elipsovitý a kloub sedlovitý.
Klouby jednoosé - Obecně se oznčuje jako kloub válcový, v anatomiii se využívá označení:
kloub šarnýrový (ginglymus)- osa pohybu kolmá na podélnou osu kosti
kloub kolový – osa otáčení shodná s podélnou osou kosti (radioulnární kloub)
Mezi rotační klouby nepatří plochý kloub, který umožňuje jenom translaci.
Osteokinematika a artrokinematika#
Osteokinematika popisuje zřetelné pohyby kostí, které jsou viditelné zvenčí. Jsou to hrubé pohyby, které se dějí mezi dvěma kostmi. Vznikají rotací kolem osy kloubu.
Některé příklady jsou:
Flexe a extenze (ohýbání a natahování)
Abdukce a addukce (odtažení a přitažení)
Laterální (zevní) rotace a mediální (vnitřní) rotace
Osteokinematika se liší od artrokinematiky.
Artrokinematika popisuje malé pohyby, které se dějí na samotné kloubní ploše. Pohyby jsou valivé, klouzavé/posuvné a rotační.
Rozsah pohybů#
Část těla/kloub |
Pohyb |
Rozsah pohybu |
|---|---|---|
Hlava a krk |
flexe |
60° |
extenze |
75° |
|
sunutí hlavy horizontálně |
||
lateroflexe |
45° |
|
rotace |
80° |
|
Trup |
ventrální flexe |
45–50° |
dorzální flexe (extenze) |
25° |
|
lateroflexe |
25–30° |
|
rotace |
30–45° |
|
Lopatka |
retrakce |
25° |
protrakce |
25° |
|
elevace |
55° |
|
deprese |
55° |
|
zevní rotace (anteverze) |
60° |
|
vnitřní rotace (retroverze) |
60° |
|
Kloub ramenní |
ventrální flexe |
90–100° |
dorzální flexe (extenze) |
40–60° |
|
abdukce |
90–95° |
|
addukce |
0°, přes osu těla 75° |
|
zevní rotace |
90° |
|
vnitřní rotace |
90° |
|
horizontální abdukce |
45° |
|
horizontální addukce |
135° |
|
Kloub loketní |
flexe |
135–145° |
extenze |
0–5° |
|
Předloktí |
supinace |
asi 180° |
pronace |
asi 180° |
|
Zápěstí |
palmární flexe |
70–90° |
dorzální flexe |
65–85° |
|
radiální dukce |
15–20° |
|
ulnární dukce |
asi 45° |
|
Prsty ruky |
flexe |
15–45° |
extenze |
0–20° |
|
abdukce |
50–70° |
|
addukce |
0° |
|
Kloub kyčelní |
flexe |
130° |
extenze |
30° |
|
abdukce |
45° |
|
addukce |
0–45° |
|
zevní rotace |
asi 15° |
|
vnitřní rotace |
asi 35° |
|
Kloub kolenní |
flexe |
asi 160° |
extenze |
0° |
|
zevní rotace (jen ve flexi) |
asi 40° |
|
vnitřní rotace (jen ve flexi) |
5–10° |
|
Kloub hlezenní |
plantární flexe |
asi 30° |
dorzální flexe |
asi 20° |
|
supinace |
||
pronace |
||
Dolní kloub zánártní |
inverze nohy |
20°–30° |
everze nohy |
5°–15° |
|
Prsty nohy |
flexe |
45° |
extenze |
70° |
|
abdukce |
5°–25° |
|
addukce |
5°–25° |