Download - Prezentare electiva 2 ing.vlad marius ppt
MINISTERUL EDUCAŢIEI NAȚIONALEUNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI
FACULTATEA DE UTILAJ TEHNOLOGIC
NOȚIUNI DE BIOMECANICĂ ȘI MODELE BIOMECANICE ALE ORGANISMULUI UMAN SUB ACȚIUNEA VIBRAȚIILOR
Coordonator ştiinţific:Prof.univ.dr.ing. Cristian PAVEL
Doctorand:Ing. Marius VLAD
Bucureşti -2014-
Disciplina electivă 2
SUBIECTE
Subiectul 1Stadiul actual al cercetărilor privind expunerea organismului uman la vibrații în mediul ocupațional
Subiectul 2Modele reologice complexe ale mediilor continue
Subiectul 3Modele utilizate în studiul biomecanicii organismului uman supus acțiunii vibrațiilor. Modelarea sistemului picior-gambă.
- Subiectul 1-
STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR PRIVIND EXPUNEREA ORGANISMULUI UMAN LA VIBRAȚII ÎN MEDIUL OCUPAȚIONAL
S-au comparat efectele vibrațiilor asupra organismelor supuse la vibrația întregului corp în cazul șoferilor utilajelor grele cu cele asupra muncitorilor dintr-un mediu similar, dar
care nu au fost supuși la vibrații ale întregului corp.
Industrie Construcții Transporturi Agricultură
A) Expunerea pe termen scurt la vibrații din domeniul 2-20 Hz, la 1m⁄s^2 , duce la apariția următoarelor simtome
(Boshuizen ș.a. ,2000,2002): Dureri abdominale, Stare generală de disconfort, inclusiv dureri de cap , ș.a.
B) Expunera pe termen lung poate duce la apariția unor probleme grave de sănătate, în special probleme ale coloanei vertebrale: Hernie de disc, Schimbări degenerative în coloană,
ș.a. (Boshuizen ș.a. ,2000,2002)
Răspunsul omului la vibrația întregului corp depinde de frecvența vibrației, de accelerația vibrației și de timpul de
expunere (Seidel,2003)
ISO 2631/1:1997 ÷ 2631/5:2004 a stabilit Evaluarea expunerii omului la vibrații ale întregului corp.
1.1 DETERMINAREA LIMITELOR DE EXPUNERE A ÎNTREGULUI CORP LA VIBRAȚII
Mai multe studii au publicat nivele ale vibrațiilor pentru diferite vehicule folosite în construcții, agricultură și industrie
Tabelul 1 Comparația vaorilor vibrațiilor pentru diferite vehicule (Hulshof, Zanten, 1997)
1.2. CRITERIILE EXPUNERII ÎNTREGULUI CORP LA VIBRAȚII
Corpul uman este, atât din punct de vedere fizic cât si biologic, un „sistem” extrem de complex. Când e privit ca un
sistem mecanic se poate considera ca fiind format din „elemente” liniare cât și neliniare, cu propietăți mecanice destul de diferite de la o persoană la alta (Nawayseh și
Griffini, 2003, 2005). Din punct de vedere biologic situația este mai complicată, mai ales atunci când sunt introduse
efectele psihologice (Miyashita ș.a., 1992).
Din punct de vedere al impactului vibrațiilor, domeniul frecvențelor joase este cel mai important. Unele dintre cele mai importante măsurători au fost efectuate de către Griffini
(2000) și se referă la atenuarea vibrațiilor de-a lungul corpului uman. Rezultatele obținute la 50Hz arată că
atenuarea de la picior la cap este de aproximativ 40dB.
Datele disponibile sunt, prin urmare, în principal pentru subiecți ce se află în picioare sau așezați (Griffin și
Nawayseh, 2005), (Aldien, ș.a., 2005), (Wang, ș.a.2006).
Standardul ISO 2631 adună aceste date într-un set de curbe ale criteriilor vibrațiilor pentru vibrații longitudianele și
transversale în domeniul de frecvențe 1÷80 Hz.
Tabelul 2. Simtomele expunerii la vibrații la frecvențe din domeniul 1÷20 HzSimptome Frecvență (Hz)Stare generală de disconfort 4 – 9
Dureri de cap 13 – 20
Dureri ale mandibulei 6 – 8
Deficiențe de vorbire 13 – 20
Respirație îngreunată 12 – 16
Dureri în piept 5 – 7
Dureri abdominale 4 – 10
Probleme de urinare 10 – 18
Creșterea tonusului muscular 13 – 20
Îngreunarea mișcării 4 – 8
Contracția mușchilor 4 - 9
În Fig.1. este prezentată reacția subiectivă ca funcție de deplasare maximă a vibrației inițiale și de durată. Numerele
indică următoarele relații ale zonelor dintre linii:Ia – pragul perceției; Ib – percepție slabă;
IC – percepție puternică, deranjantă;IIa – percepție foarte deranjantă, periculoasă în cazul
expunerii îndelungate;IIb – foarte neplăcut, categoric periculoasă.
În Fig.1.2 sunt date nivelele de expunere permise la vibrații pentru 24h (Mansfield și Griffin, 2000, 2001, 2002).
SUBIECTUL 2MODELE REOLOGICE COMPLEXE ALE MEDIILOR
CONTINUE
2.1. GENERALITĂŢI
Cuvântul “reologie” provine de la grecescul reo” care înseamnă “curgere” şi este utilizat la studiul curgerii şi
deformării materialelor.
Dacă corpul nu revine la forma iniţială se spune că are o comportare elasto-plastică
În mecanica mediilor continue se admite că. structura acestora este continuă, adică nu se ia în considerare
structura atomică a substanţei şi nici mişcarea particulelor care o compun.
2.2. MODELELE PROPRIETĂŢILOR FIZICO-MECANICE ALE CORPURILOR
Bernoulli și Euler au formulat principiile şi legile de bază care sunt generale pentru toate mediile indiferent de proprietăţile
fizico-mecanice ale acestora.Principiile sau legile fundamentale dau ecuaţii al căror număr este, de regulă mai mic decât numărul necunoscutelor. De
obicei aceste ecuaţii se împart în două grupe: ecuaţii de echilibru sau de mişcare şi ecuaţii geometrice ale
deplasărilor şi deformaţiilor. In plus trebuie introduse ecuaţiile funcţionale speciale care descriu alcătuirea şi particularităţile
fizice ale stării mediului concret.
2.2.1. Mediul continuu elastic (Solidul lui Hooke)
σ este efortul pe unitatea de suprafaţă din secţiunea unui corp, care se numeşte “tensiune”; E este o constantă numită modul de elasticitate (sau modulul lui Young); ε este lungirea
specifică. (sau alungire, sau deformaţie specifică), reprezentând raportul dintre lungire şi lungimea iniţială.
E
2.2.2. Lichidul vâscos (Lichidul lui Newton)
Lichidul vâscos se caracterizează printr-o proporţionalitate directă între tensiune şi viteza deformaţiei (fig.) care se exprimă prin legea:
unde: η este o constantă de proporţionalitate, iar este derivata lui ε în raport cu timpul care reprezintă viteza deformaţiei specifice, sau pe scurt, viteza deformaţiei
dtd
2.2.3. Mediul continuu plastic (Solidul lui Saint Venant
La un asemenea corp deformaţiile nu au loc decât dacă tensiunile ating un anumit prag. Până la atingerea unei
anumite tensiuni corpul nu se deformează, deci se comporta ca un corp rigid, după aceea deformarea corpului are loc sub
tensiune constantă.
Un corp nu se poate pune în mişcare faţă de alt corp, decât atunci când forţa F atinge un anumit prag F0.
2.3. MODELE REOLOGICE COMPLEXE ALE MEDIILOR CONTINUE
Pe lângă modelele reologice elementare, au fost elaborate modele reologice complexe ale mediilor continue, modele
care oglindesc mai bine proprietăţile corpurilor reale.
2.3.1. Corpul lui Kelvin
EBe
2.3.2. Corpul lui Maxwell
Acesta arc ca model reologic un corp elastic (Hooke) legat în serie cu un lichid vâscos (Newton), ca în fig.
.21
E1
2.3.3. Corpul lui Prandtl
Acest arc ca model reologic un corp elastic (Hooke) legat în serie cu un lichid vâscos (Newton), ca în figura
.21
E1
2.3.4. Corpul lui Bingham
Are ca model reologic un corp plastic (de Saint \/enant) în paralel cu un lichid vâscos (Newton), ambele fiind apoi în
serie cu un corp elastic (Hooke), după cum se arată în figură.
2.3.5. Corpul lui Zener
Acesta are ca model un corp Kelvin în serie cu un corp Hooke, ca în figură Dependenţa dintre tensiune şi deformaţie
este de forma
o1o1 qqpp
2.3.6 Corpul lui Burgers
Acesta are ca model reologic un corp Maxwell în serie cu un corp Kelvin, după cum se arată în figură. Dependenţa dintre
tensiuni şi deformaţii este
12o12 qqppp
SUBIECTUL 3MODELE UTILIZATE ÎN STUDIUL BIOMECANICII
ORGANISMULUI UMAN SUPUS ACȚIUNII VIBRAȚIILOR. MODELAREA SISTEMULUI PICIOR-GAMBĂ
3.1. MODELE BIOMECANICE ALE APARATULUI LOCOMOTOR
3.1.1. Modele analitice ale aparatului locomotor
Modelarea analitică comportă, în general, parcurgerea următoarelor etape:- modelarea fizică;
- modelarea matematică.
3.1.2. Modele structurale
Reprezentările structurale au fost realizate, mai întâi, urmărind segmentele anatomice ale corpului aşa cum se
observă în figură
3.1.1. Modele cinematice
Modelele cinematice în biomecanică se împart, funcţie de datele de intrare şi necunoscutele care trebuie determinate, în două mari categorii: modele cinematice directe şi modele
cinematice inverse.Modele cinematice directe, în care cunoscându-se
coordonatele generalizate ale articulaţiilor modelului structural, se cer să fie determinate poziţiile unor puncte date
ale lanţului cinematic şi, de asemenea, vitezele şi acceleraţiile acelor puncte. O exprimare matematică mai
simplă pentru analiza cinematică directă este:x=f(θ)
unde: θ reprezintă coordonatele generalizate cunoscute iar x poziţiile punctelor ce trebuie obţinute.
Modele cinematice inverse, în care, cunoscându-se numai poziţiile unui element final efector, se cer să fie determinate
poziţia şi orientarea tuturor articulaţiilor; matematic, cinematica inversă se poate exprima prin relaţia:
unde: x este cunoscut iar θ se cere să fie determinat, cu aceleaşi semnificaţii ca mai înainte.
3.1.5. Modele dinamice
Modelele dinamice se împart în două mari categorii: directe şi inverse. Într-un model dinamic direct sunt precizate ca
„date de intrare“ caracteristicile antropometrice ale sistemului analizat, precum şi valorile estimative ale forţelor musculare
şi se cer a fi determinate ca „date de ieşire“, pe baza ecuaţiilor de mişcare, parametrii cinematici ai mişcării (poziţii,
viteze, acceleraţii) şi reacţiunile legăturilor exterioare ale sistemului biomecanic.
3.1.6. Modele experimentale ale aparatului locomotor
Modelele experimentale au ca scop fie stabilirea unor legi generale ale fenomenelor studiate, a verificării unor concluzii
teoretice sau introducerii unor corecţii la legile stabilite analitic, fie rezolvarea directă a unor probleme complexe,
care nu pot fi soluţionate pe cale teoretică.
3.2. MODELUL ANALITIC AL ARTICULAȚIEI GLEZNEI
Modelarea sistemelor biomecanice se poate realiza prin folosirea unuia din cele două tipuri de modele, şi anume:
modele analitice şi modele experimentale. Datorită complexităţii fenomenelor biomecanice, precum şi datorită dificultăţilor matematice care apar la scrierea şi rezolvarea
ecuaţiilor de mişcare ale aparatului locomotor, pentru studiul dinamicii corpului uman se folosesc, adesea, modele experimentale, fie în mod direct, fie după o modelare
analitică prealabilă.Modelarea analitică comportă, în general, parcurgerea
următoarelor etape:modelarea fizică;
modelarea matematică
3.2.1. Model biomecanic al articulației gleznei
Articulația gleznei este formată din trei piese osoase și dintr-o serie de ligamente care asigură legatură între ele. În partea
superioară, pilonul tibial și maleolele medială și laterală (fibulară) formează o scobitură în care este introdusă a treia
piesă osoasă, talusul, marginită superior de o suprafață cilindrică, dând astfel posibilitatea piciorului să execute
mișcari într-un singur plan.Considerate împreună, articulația tibiotarsiană și
articulația astragalocalcaneeană au fost asemanate de G. Gauhier (1977) cu o suspensie cardanică (figura)
3.2.2. Determinarea forțelor de racțiune din articulația gleznei în condiții dinamice
Pentru determinarea forțelor de reacțiune și a momentului din articulația gleznei vom folosi metoda dinamică inversă în care marimile cinematice (forțele de reacțiune ale solului și
dimensiunile antropometrice) sunt considerate date de intrare pentru rezolvarea sistemului biomecanic. Această
metodă de calcul presupune urmatoarele condiții: corpul uman este împărțit în lanțuri cinematice;
la rândul lor aceste lanţuri se împart pe segmente; segmentele sunt considerate corpuri rigide;
forţele de frecare cu aerul şi din articulaţie sunt nule.
Modelul biomecanic al sistemului glezna-picior
Modelul biomecanic al sistemului gleznă-picior în cele patru faze de sprijin al piciorului pe sol: 10%, 25%, 45%, 70%
În urma înlocuiri datelor cinematice şi antopometrice în ecuaţiile de echilibru, pentru toate cele patru faze, s-au obţinut anumite valori numerice ale forţelor de reacţiune precum şi momentele din articulaţia gleznei (tabel 3.1
Vă multumesc pentru atenția acordată .
23.09.2014