Biomeccanica del corpo umano

Cenni di biomeccanica

di Giovanni Lestini



(1) Cenni storici



«...questo grandissimo libro che continuamente ci sta
aperto innanzi agli occhi (io dico l’universo),
non si può intendere se prima non s’impara
a intender la lingua, e conoscer i caratteri ne’
quali è scritto. Egli è scritto in lingua
matematica, e i caratteri sono triangoli, cerchi
ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi
è impossibile a intenderne umanamente la parola;
senza questi è un aggirarsi vanamente per
un oscuro laberinto».
(Galileo GALILEI, Il Saggiatore, VI, 232)

Discobolo di Mirone Le radici della biomeccanica si diramano ed affondano nel corso dei millenni, sin da quando (e forse anche prima) i Sumeri, gli Egizi, gli Assiro-Babilonesi, i Fenici ed i Maya incrementarono i loro saperi, mediante l’osservazione della natura, congiuntamente alle esperienze, intimamente collegate con i rituali e le credenze religiose.
Si dovrà attendere la civiltà Greca per assistere ai primi tentativi che tendono a distinguere da un lato i rituali religiosi ed il mito, dall’altro l’"osservazione della natura", che si evidenzia nelle raffigurazioni artistiche, a sostegno della loro immensa conoscenza dell’anatomia e della dinamica del movimento.
Il filosofo Talete (624-545 a.C.) fondò una scuola che aveva come obiettivo quello di separare l’osservazione della natura dallo studio delle questioni religiose. Fu in questo periodo che si posero i fondamenti della matematica, meccanica, fisica, astronomia, medicina e geografia.
Il filosofo e matematico Pitagora (575-495 a.C.) metteva in relazione le forme geometriche con i numeri, sostenendo che l’ordine e l’armonia della natura potessero essere rappresentati matematicamente.
Il filosofo e medico Ippocrate (460-370 a.C.) nella sua attività diede inizio alla medicina diagnostica, sostenendo che ogni sintomo era da attribuirsi ad una causa, dedicandosi, pertanto all’indagine razionale mediante l’osservazione e l’esperienza. I principi di Ippocrate sono giunti fino ai nostri giorni, tanto che un medico, al termine degli studi universitari, prima di iniziare la propria professione si fregia con la recita del «giuramento di Ippocrate».
Giuramento di Ippocrate Aristotele (384-322 a.C.), padre della cultura occidentale, fu filosofo e scienziato. A differenza della filosofia di Platone (428 o 427-348 o 347 a.C.), ritenne che nel mondo naturale si doveva scorgere la realtà e l’essenza delle cose. Abbracciò gli studi che comprendevano la meccanica, la fisica, la botanica, la zoologia e la psicologia. Il suo pensiero ancora non prevedeva il metodo sperimentale, poiché sosteneva che la sola via per raggiungere la conoscenza era la contemplazione. Ad ogni "movimento" egli attribuiva una causa, in quanto nel libro VII de La Fisica egli sostiene: «tutto ciò che si sposta, è mosso da sé o da altro ... Quante cose ... sono mosse da altro, necessariamente si presentano in quattro modi, giacché quattro sono le specie dello spostamento prodotto da altro: trazione, spinta, trasporto e rotazione». Egli sosteneva che nell’universo erano osservabili quattro elementi, fuoco, aria, terra e acqua, alle quali attribuiva alcune proprietà, calore, freddo, secchezza e umidità, che si mescolavano per produrre gli umori del corpo umano, sangue, flegma, bile gialla e nera. Nella sua opera Sul movimento degli animali egli analizzò la locomozione umana ed i movimenti in generale, dimostrando di possedere una vasta conoscenza sulle funzioni dell’apparato locomotore.
Nel III sec. a.C. Erofilo di Calcedonia, vissuto ad Alessandria d’Egitto, identificò la funzione dei vari organi del corpo umano, particolarmente del cervello, del cuore, dei tendini, dei nervi, dei vasi sanguigni e del sangue. Il suo allievo Erasistrate analizzò a fondo il fenomeno della contrazione muscolare.
Il matematico e fisico Archimede di Siracusa (287-212 a.C.), con i suoi metodi geometrici e matematici, studiò il baricentro dei piani e dei solidi, inventò le leve e le pulegge. I suoi studi sulla geometria Euclidea costituirono le basi della meccanica razionale (statica e idrostatica), creando i presupposti ed i fondamenti di queste scienze fino all’avvento di Galileo Galilei (1564-1642).
Il medico greco Galeno (129-201 a.C.) rivestì nella scuola dei gladiatori un ruolo simile all’attuale medico sportivo. Profondo conoscitore del movimento umano e dell’anatomia, egli redasse una moltitudine di opere scientifiche, circa 500, tra cui De motu musculorum, dove emergono le sue competenze sull’analisi del movimento. Tavola di Leonardo Infatti, constatò la presenza del tono muscolare e scoprì che i muscoli sono innervati da una rete di terminazioni nervose, che trasmettono l’impulso per la contrazione muscolare. Distinse, altresì, i nervi sensori da quelli motori ed i muscoli agonisti da quelli antagonisti.
Con l’avvento del Medioevo ci fù un significativo rallentamento nel modo della scoperta scientifica. Si dovrà attendere Leonardo da Vinci (1452-1519) che, con gli studi sulla meccanica, esaminò quale relazione ci fosse tra le forze ed il movimento prodotto da esse. Anch’egli applicò i fondamenti della meccanica al movimento umano, illustrando il funzionamento dell’apparato locomotore, anche mediante le notevoli tavole anatomiche che da lui abbiamo ereditato.
L’anatomista Vesalio (1514-1564) mise in luce le numerose discrepanze tra le conoscenze pervenuteci da Galeno e le risultanze ottenute nel corso delle sue dissezioni anatomiche, attraverso le quali studiò la struttura e la fisiologia del corpo umano. Descrisse l’anatomia del cuore, il decorso dei vasi sanguigni, la struttura delle ossa e dei menischi e la contrazione muscolare.
Galileo Galilei Galileo Galilei (1564-1642), indagando sulla caduta dei gravi teorizzata da Aristotele, dimostrò che non vi era relazione tra la velocità di caduta del grave ed il suo peso, come invece aveva asserito lo stesso Aristotele. Galileo può essere considerato il vero fondatore della biomeccanica per aver analizzato ed esaminato sia l’equilibrio del corpo umano in quiete, sia la dinamica del salto nell’uomo. Le sue osservazioni abbracciarono anche gli studi sulle sollecitazioni ricevute dalle ossa, come elementi strutturali dell’apparato locomotore. I suoi studi sulla meccanica, in cui vennero alla luce i princìpi fondamentali della cinematica e dei moti, posero le basi a quelle che saranno le leggi di Newton.
Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679), annoverato tra i padri fondatori della biomeccanica, si dedicò allo studio della geometria e dell’astronomia, ma fu soprattutto il suo interesse per la fisiologia che lo portò a redigere il trattato De motu animalium. Nella sezione dedicata allo studio del circolo sanguigno e della respirazione, egli considerò ed analizzò la meccanica del pendolo ed il moto oscillatorio, per illustrare alcuni processi di dilatazione e restringimento di alcune parti degli organismi animali. Analizzò, altresì, il salto, la corsa, il nuoto e la deambulazione impiegando il metodo meccanico ereditato da Galileo, occupandosi della contrazione muscolare in cosiderazione della forza prodotta.
Lo scienziato Isaac Newton (1643-1727) formulò la legge di gravitazione universale e le tre leggi della dinamica, oltre alla legge di composizione delle forze, attraverso la quale descrisse i processi da cui origina la forza mediante la contrazione dei fasci muscolari. Disputò sulle cause del movimento postulando la presenza di forze agenti reciprocamente tra corpi dotati di massa.
Il XVIII secolo rappresentò un periodo in cui i fisiologi mutuarono i fondamenti della meccanica, per descrivere il corpo umano nella peculiarità della sua struttura e del relativo funzionamento, oltre ad un attento studio sulla natura della contrazione muscolare, dimostrando che essa poteva verificarsi a causa di stimoli meccanici, elettrici e chimici.
Nel 1750 Jallabert scoprì che gli impulsi elettrici inviati ai muscoli ne favoriscono la contrazione.
Calzatura perimentale per misurare la pressione del piede sul terreno Il fisiologo Etienne Jules Marey (1830-1904) utilizzò il mezzo fotografico per analizzare il ritmo cardiaco. Sempre con il sistema cinematografico analizzò la locomozione animale e la corsa, ideando il cannone fotografico, ovvero un cronofotografo per non alterare la rilevazione dei dati, registrando ben dodici fotogrammi al secondo. Questa tecnica fu utilizzata unitamente all’utilizzo di sensori pneumatici per misurare le forze scambiate col terreno. Ci troviamo di fronte al prototipo della moderna piattaforma di forza, mediante la quale egli potè registrare le forze scambiate col terreno, i dati sull’energia cinetica ed elastica, oltre alla rilevazione delle traiettorie disegnate dal baricentro dell’atleta.
I fisiologi e gli anatomisti dedicarono un’attenzione particolare allo studio dell’apparato scheletrico come elemento strutturale e fondamentale per la postura, riconoscendo l’importanza che quest’ultima aveva per consentire un corretto flusso delle forze di massa al terreno (Picasso).
Sempre nel XIX secolo il chirurgo Richard von Volkmann scoprì il rapporto che incorreva tra lo sforzo muscolare e la crescita del tessuto osseo.
Emile Du Bois Reymond (1818-1896) e Guillaume Benjamin Amand Duchenne de Boulogne (1806-1875), fisiologo il primo, neurologo il secondo, posero i fondamenti dell’elettromiografia. Du Bois per la prima volta applicò gli elettrodi sulla superficie corporea, per misurare la corrente relativa all’attività muscolare. Duchenne fu il primo a praticare la biopsia muscolare e, nella sua opera Physiologie des mouvements, pubblicata nel 1886, descrisse l’azione dei muscoli del corpo umano, mediante la sperimentazione con la corrente elettrica e l’osservazione clinica per lo studio delle paralisi muscolari, dando luogo a quella pratica diagnostica meglio conosciuta con il nome di elettromiografia.
Prototipo del contapassi Nel 1891 Wilhelm Braume e Otto Fisher effettuarono l’analisi tridimensionale della locomozione.
Nel 1920 il fisiologo Jules Amar (1879-1936) condusse varie sperimentazioni sulla fatica e sui fattori fisiologici in relazione con l’organizzazione del lavoro. Con Amar la biomeccanica prendeva in considerazione l’attività lavorativa sostenendo che:" la conoscenza del motore umano ha fatto tali progressi da non far apparire prematura una sua applicazione al perfezionamento del lavoro per ottenere il massimo rendimento" (Amar, 1912).
Nicholas Bernstein (1896-1966) si occupò della psicofisiologia del lavoro, scomponendo i vari movimenti compiuti durante l’attività in movimenti elementari, per una corretta postura del lavoratore durante la sua attività, includendo anche l’idonea progettazione del posto di lavoro, dando luogo ad una nuova scienza: l’ergonomia.
Archibald Vivian Hill (1886-1977), medico e fisiologo inglese, nel 1938 comparò la contrazione muscolare comparandola ad un modello meccanico meglio conosciuto come «modello di Hill a 3 elementi»: un elemento elastico in parallelo, un elemento elastico in serie ed un elemento contrattile, collegando il fenomeno della contrazione alle calorie consumate.
Il premio Nobel per la medicina Sir Andrew Fielding Huxley (1917-2012), fisiologo inglese, si dedicò soprattutto alla ricerca sulla meccanica di singole cellule muscolari, quindi, della contrazione muscolare. Egli propose un modello fondato sull’ipotesi dello scorrimento dei filamenti di actina e miosina, gli uni sugli altri, in seguito all’osservazione mediante i raggi X al microscopio elettronico. Conseguentemente a questo studio, dedusse che durante la contrazione la lunghezza dei filamenti non cambia; diminuisce, invece, la lunghezza del sarcomero, a causa della sovrapposizione dei filamenti stessi, in seguito allo scorrimento degli uni sugli altri, deducendo che la forza della contrazione è generata da un processo che muove attivamente i due filamenti l’uno sull’altro (cross bridge theory).

(segue...)

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