Pokus o srovnání působení sil na kolenní kloub v dřepu a v mírném podřepu u fotbalistů a stolních tenistů.

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ Fakulta sportovních studií Katedra kinantropologie Pokus o srovnání působení sil na kolenní kloub v dřepu a v mírném podřepu u fotbalistů a stolních tenistů. Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: Prof. PhDr. Jaroslav Motyčka, DrSc Vypracoval: Marek Jangl 3. roč. RVS Brno, 2005

2 Prohlášení: Prohlašuji, že předkládanou bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně na základě literatury a pramenů uvedených v seznamu literatury. Souhlasím s umístěním bakalářské práce ve studovně FSpS MU. V Brně dne: 21. dubna 2005

3 Poděkování: Děkuji svému vedoucímu bakalářské práce Prof. PhDr. Jaroslavu Motyčkovi, DrSc. a odbornému konzultantovi Ing. J. Kopřivovi za vedení a poskytnuté informace, kterými významně přispěli ke zpracování této bakalářské práce.

4 OBSAH Úvod Formulace cíle, pracovní hypotézy a úkoly práce Cíl práce Hypotézy Úkoly práce Metodika Charakteristika souboru Popis postojů Anatomie Stavba kolenního kloubu kosti Stabilizátory kolenního kloubu Kolenní pouzdro Vazy Pohyby kloubu Inervace kloubu Svaly kloubu kolenního Biomechanické vlastnosti v kolenním kloubu Stabilita Zatížení chrupavky Svaly Třecí síly Skloubení v kolenním kloubu Kontaktní plochy mezi stehenní a holenní kostí Tlakové napětí mezi stehenní a holenní kostí Zpracování výsledků Srovnávání naměřených hodnot Hmotnosti jednotlivých segmentů těla Výpočty váhy segmentů těla Radioizotopickou metodou Popis zatížení kolenního kloubu u postojů Postoj mírný podřep

5 4.4.2 Postoj dřep Teoretické výpočty zatížení kolenního kloubu Závěr Literatura Přílohy

6 6 Úvod Vývoj biomechaniky má svůj vznik již ve třetím tisíciletí před našim letopočtem a sahá tedy do samého počátku lidské civilizace. Z uvedeného výčtu vyplývá, že se základní výzkum biomechaniky ve světě intenzivně rozvíjí, neboť jde o úkoly, které úzce souvisejí s prohloubením znalostí o mechanických funkcích a zákonitostech lidského organizmu. Biomechanika nám pomáhá porozumět normálním funkcím živých tkání a orgánů, predikovat jejich změny a spolupodílet se na návrhu léčebných metod. Biomechanika je úzce svázána i s rozvojem diagnostických metod, chirurgie a s rozvojem umělých náhrad tkání, orgánů a orgánových struktur. Přirozeným pohybem člověka je chůze již zajišťuje především kolenní kloub. Lidé ale dělají další pohyby, jako jsou skoky, dřepy, podřepy, obraty a mnohé další. A hlavně při sportování je právě kolení kloub vystavován velkému zatížení, jemuž musí odolávat. Na tomto základě jsem se rozhodl v mé bakalářské práci, zkoumat právě tuto zvolenou část lidského těla. Úkolem mé práce je pokusit se srovnat působení sil na kolenní kloub v dřepu a v mírném podřepu u fotbalistů a stolních tenistů. K myšlence vypracovat a vůbec zajímat se o tuto problematiku mě přivedlo mnoholeté působení v oddílech fotbalu a stolního tenisu, kde je správná funkce kolene základem pro provozování těchto sportů. Pozoroval jsem a srovnával tři fotbalisty a tři stolní tenisty.

7 7 2. Formulace cíle, pracovní hypotézy a úkoly práce 2.1 Cíl práce Na kolenní kloub v dřepu působí jiné síly, jak v mírném podřepu. Míra namáhání kolene závisí jak na váze člověka, tak na úhlu, které koleno svírá. Koleno tak prochází celou řadou změn. Cílem práce je pokusit se teoretickým výpočtem srovnat působení těchto sil na koleno v dřepu a v mírném podřepu u fotbalistů a stolních tenistů. 2.2 Hypotézy H1: hráči stolního tenisu se během zápasu dostanou o 50 % vícekrát do polohy podřepu než hráči fotbalu. H2: hráči stolního tenisu se během zápasu dostanou o 50 % vícekrát do polohy dřepu než hráči fotbalu H3: hráči stolního tenisu se během zápasu dostanou do polohy dřepu vícekrát při zvedání míčků než při hře samotné. H4: při dřepu je tlakové zatížení v kolenním kloubu asi o 60 70% větší než v mírném podřepu. 2.3 Úkoly práce Stanovily jsme následující úkoly práce: Ú1 Vytipovat sledované skupiny Ú2 Připravit metodiku výzkumných sledování

8 8 sledování Ú3 Provést instruktáž vybraných celků před zahájením výzkumného

9 9 3. Metodika 3.1 Charakteristika souboru Pro svůj pokus jsem si vytipoval 6 sportovců, seznámil je s testováním a po té zadal instrukce : Stolní tenisté: Jan Zechmeister, věk: 20 let, hraje od 10 let, úspěšnost 30 % Antonín Vajbar, věk: 50 let, hraje od 15 let, úspěšnost 95 % Lukáš Damborský, věk: 25 let, hraje od 8 let, úspěšnost 22 % Výše uvedení sportovci hrají v oddíle stolního tenisu TJ SOKOL KOBYLÍ, v soutěži s názvem Okresní přebor, trénink mají 2x týdně 2 hodiny ve školní tělocvičně. Fotbalisté: David Kunč, věk: 23 let, hraje od 7 let Luboš Otáhal, věk: 38 let, hraje od 9 let Petr Jabůrek, věk 30 let, hraje od 6 let Jmenovaní sportovci hrají v oddíle TJ SOKOL KOBYLÍ, v soutěži s názvem Okresní soutěž, trénink mají 2x týdně 1,5 hodiny. Stolní tenis vyžaduje bleskové reakce a dokonalou koordinaci pohybů. Hráči musejí zvládnout široký rejstřík úderů a dostávají se do různých pozic. Mít rychlé nohy, znamená až 70 % úspěchu, přestože se hráč pohybuje jen kolem stolu a do pohybu běhu se dostává jen vyjímečně. Utkání se hraje na 3 vítězné sety do 11. a není nijak časově omezeno. Fotbal patří k fyzicky nejnáročnějším sportům. Utkání se hraje na dva poločasy po 45. minutách. Hráči při zápase uběhnou až 12 km. Na 10 metrech běhu daný sportovec ohne každé koleno asi 5x, při 12 km to činí 6000 ohnutí v tomto případě by se hráč fotbalu mnohonásobně vícekrát dostal do pozice podřepu než stolní tenista. Adekvátnějsí by proto bylo srovnávat stolní tenistu s brankářem, který se pohybuje jen ve vymezeném prostoru. Při svém pokusu

10 10 jsme však běh nezapočítávali, a také jsme nezapočítávali rozvičení a rozehřátí, které každý hráč před zápasem provedl, mající velký vliv na správnou funkci kolene. Organizace práce: Harmonogram: Podzim 2004 vyhledání a studium odborné literatury Jaro 2005 sledování pokusu a zpracování výsledků Metoda zjišťování: Vzhledem k tomu, že jsem neměl k dispozici žádné měřící přístroje, musel jsem daný úkol řešit jen teoreticky. Pro porovnávání jsem si zvolil 3 stolní tenisty a 3 fotbalisty. Sledoval jsem tedy celkem 6 utkání. V každém zápase jsem pozoroval jednoho hráče a s pomocí tužky a papíru jsem zapisoval kolikrát se během utkání dostane do polohy dřepu a kolikrát do polohy podřepu což bylo nutné vědět pro řešení hypotéz 1 a 2. U 3. hypotézy mi postačilo znát počty dřepů jen u stolních tenistů, musel jsem však sledovat zda se sportovci do daného postoje dostanou při hře nebo při podávání míčků. U 4.hypotézy bylo zapotřebí podrobně nastudovat anatomii a biomechanické vlastnosti kloubu. Dále jsem musel znát výšku a hmotnost sportovce, od nichž jsem pomocí výpočtu odvodil jednotlivé hmotnosti segmentů těla. Ty mi posloužily pro další výpočty, na jejichž základě jsem zjišťoval chování kolenního kloubu při dřepu a mírném podřepu. Výsledky byly zpracovány na počítači s pomocí kalkulátoru. Získané výsledky jsme znázornili v tabulkách číselně.

11 Popis postojů Pro řešení je nutné stanovit přesně postoje, které budu sledovat a při kterých budu měřit (viz níže). Je však nutné podotknout že přesně do takového postoje se sportovci téměř nikdy nedostávají, proto jsem se řídil úhlem mezi stehnem a bércem. Dřep, stehno a bérec svírají úhel Tělo je mírně vpřed, paže jsou v upažení, váha je rozprostřena rovnoměrně na obou chodidlech, celá plocha chodidla je na podložce. Mírný podřep, kolena jsou volně pokrčena, stehno a bérec svírají úhel , váha stejně rozložena na obou chodidlech, paže v prodloužení těla. 3.3 Anatomie Stavba kolenního kloubu: pohled předozadní, pohled boční, arthrogram boční pohled, arteriogram předozadní, meniskus předozadní, patella osová (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985) viz. Přílohy Stavba kolenního kloubu - kosti Kloub kolenní (articulatio genus) je největší a nejsložitější kloub v lidském těle. Artikulují v něm kost stehenní, kost holenní a čéška. Hlavici kloubní tvoří kondyly kosti stehenní. Styčné plochy na zevním a vnitřním kondylu femuru jsou vpředu spojeny prohbím, v němž klouže čéška, vzadu jsou odděleny hlubokou jámou mezihrbolovou. Oba kondyly jsou zakřiveny jak v rovině frontální, tak v sagitální. Jamku kloubní tvoří horní konec kosti holenní. Styčná ploška na vnitřním kondylu je oválná a lehce konkávní, na zevním kondylu je okrouhlá a plochá. Třetí artikulující kost je čéška - trojúhelníkový tvar, jehož základna a výška jsou přibližně stejné (4 5 cm). Styčná plocha na čéšce je svislou

12 12 zaoblenou hranou rozdělena v širší plochu zevní a užší plochu vnitřní. Čéška artikuluje s uvedeným prohbím mezi oběma kondyly kosti stehenní. Podle tvaru a velikosti rozlišujeme několik typů čéšky Stabilizátory kolenního kloubu Stabilizátory kolenního kloubu lze dělit ze dvou hledisek: pasivní (statické), tj. především vazy a menisky a dynamické (aktivní), tj. svaly a jejich povázky (fascie). Významným vazivovým stabilizátorem na zevní straně je zevní postranní vaz. Nesrovnalost zakřivení mezi silně zakřivenými kondyly femuru a téměř plochými kondyly kosti holenní vyrovnávají destičky z vazivové chrupavky poloměsíčitého tvaru, zvané menisky. Jsou dva, zevní a vnitřní. Menisky se výrazně podílejí na stabilitě kloubu. Lze je rozdělit na tři části: přední a zadní roh a část střední. Na průřezu mají klínovitý tvar. Jsou fixovány k pouzdru a jeho prostřednictvím i k ostatním strukturám, které pouzdro zesilují. Horní plocha menisku je konkávní a její zakřivení přibližně odpovídá zakřivení příslušného kondylu kosti stehenní. Spodní plocha je téměř rovná. (Grim, M. Druga, R. Základy anatomie, Praha: Akademie, 2001) Menisky se skládají z vazivové tkáně, tvořené zejména kolagenními vlákny, které odpovídají spíše vazivu, v centrální části pak vazivové chrupavce. Vnitřní meniskus (meniscus medialis) je větší než zevní a jeho oba rohy jsou od sebe dosti vzdáleny. Tím nabývá tvaru otevřeného písmene C. Zevní meniskus (meniscus lateralis) jeho úpony obou rohů jsou v těsné blízkosti, takže meniskus má tvar písmene O Kloubní pouzdro Kloubní pouzdro je velmi rozsáhlé. Na kosti stehenní se upíná asi 0,5 až 2 cm od okrajů chrupavky kloubní, epikondyly leží mimo pouzdro. Na kosti holenní a čéšce se pouzdro kloubní upíná zhruba při okrajích chrupavky kloubní. Pouzdro

13 13 kloubní vybíhá pod čtyrhlavým svalem stehenním v rozsáhlou výchlipku, které říkáme burza nadčéšková Vazy Zesilující vazy kloubu jsou četné. Vpředu je to vaz čéškový, jdoucí od hrotu čéšky na drsnatinu kosti holenní. Čéškový vaz je vlastně pokračování úponové šlachy čtyřhlavého svalu stehenního. Po stranách je pouzdro zesíleno vazy postranními: postranním vazem vnitřním a postranním vazem zevním. Zatímco zevní vaz na pouzdro kloubní jen naléhá a je hmatný jako pruh, vnitřní vaz srůstá s pouzdrem. Postranní vazy jsou napjaty za extenze v kloubu kolenním, při ohnutí se uvolňují a umožňují rotaci v kloubu kolenním. Zadní strana pouzdra kloubního zesiluje šikmý vaz zákolenní. Je to vlastně součást úponové šlachy jednoho z ohybačů v kloubu kolenním (svalu poloblanitého), která je přímo zavzata do kloubního pouzdra a brání tak, aby při ohýbání v kloubu nedošlo k uskřípnutí pouzdra mezi kostmi. Zkřížené vazy tvoří jednu ze zvláštnosti kolenního kloubu, jsou hlavními stabilizátory a lze říci, že i nejvýznamnějšími vazivovými stabilizátory kloubu vůbec. Uvnitř kloubu leží vazy zkřížené přední a zadní. Přední zkřížený vaz (lig.cruciatum anterius) jde od tibiální plochy zevního kondylu kosti stehenní šikmo dopředu dolů do jamky před mezihrbolovou vyvýšeninu na kosti holenní. Zadní zkřížený vaz (lig. cruciatum posterius), silnější než vaz předešlý, začíná od fibulární plochy vnitřního kondylu kosti stehenní a jde šikmo dozadu dolů do jamky za vyvýšeninou mezihrbolovou. Oba tyto vazy přispívají podstatně ke zpevnění kloubu a určitá část jejích vláken je vždy napjata, ať jde o flexi či o extenzi.omezují také vnitřní rotaci, neboť se při ní navíjejí na sebe a brání tak jejímu většímu rozsahu. Uložení těchto dvou vazů uvnitř kolenního kloubu je zdánlivé. Jsou vlastně zezadu vchlípeny mezi synoviální a fibrózní vrstvu pouzdra.

14 Pohyby v kloubu Základní postavení kolenního kloubu je extenze. Při tomto postavení svírá podélná osa kosti stehenní s podélnou osou kosti holenní tupý úhel, který je zevně otevřený. Hovoříme o fyziologickém abdukčním úhlu, jehož velikost je 170 až 175. Střední postavení v kloubu kolenním je mírná flexe. U žen stehna více konvergují (širší pánev) než u mužů a tento úhel bývá menší. Patologickým postavením jsou kolena do X (genu recurvatum). Hlavní pohyb v kloubu kolenním se děje podle osy horizontálně frontální, která prochází oběma kondyly kosti stehenní. Je to ohnutí (flexe) a natažení (extenze) s rozsahem asi 120 až 150. Při flexi dochází nejprve k nepatrné zevní rotaci, po ní se kondyly kosti stehenní otáčejí v jamkách tvořených oběma menisky a nakonec kondyly i s menisky kloužou po kondylech kosti holenní nazad. Za flexe je kolem podélné osy možná i rotace buď zevní nebo vnitřní. (Grim, M. Druga, R. Základy anatomie, Praha: Akademie, 2001) Vnitřní rotace je vcelku malá, asi 10, a ukončuje ji napětí zkřížených vazů. Zevní rotace je možná v rozsahu asi 40, je zabržděna napětím postranních vazů. Čéška při poloohnutém koleni leží přesně v prohbí spojujícím oba kondyly kosti stehenní. Při extenzi se posunuje proximálně, při flexi distálně Inervace kloubu Kloub kolenní je inervován ze stejných míšních úseků (segmentů) jako kloub kyčelní, a proto při postižení jednoho z nich se může bolest promítat i do druhého Svaly kloubu kolenního Svaly stehna je možno označit jako svaly kloubu kolenního, neboť jejich hlavní působení je v kloubu kolenním, i když se některé z nich uplatňují také

15 15 při pohybech v kloubu kyčelním. Tyto svaly dělíme na dvě skupiny ve shodě s hlavními pohyby v koleně. Na přední straně stehna je skupina natahovačů kolena, na zadní straně skupiny ohybačů. Skupina přední: K přední skupině patří čtyřhlavý sval stehenní a sval krejčovský (ten však se vlivem spirálovitého průběhu po přední straně stehna neuplatňuje jako natahovač kolena, nýbrž jako ohybač, protože se upíná za příčnou osu kloubu kolenního). Čtyřhlavý sval stehenní (musculus quadriceps femoris) je nejmohutnější sval v lidském těle, neboť vlastně jediný udržuje natažený kloub kolenní proti váze celého těla. Váží až g. Jak název svalu napovídá, skládá se ze čtyř hlav, které se spojují v mohutnou šlachu, a tase upíná na drsnatinu kosti holenní. Ve šlaše je uložena čéška. Jedna hlava, přímý sval stehenní, je dvoukloubová (přebíhá přes kloub kyčelní a kolenní), ostatní tři působí jen na pohyby v kloubu kolenním. Přímý sval stehenní (m. rectus femoris) začíná na předním trnu kyčelním dolním a nad acetabulem. Vřetenovité bříško přechází ve šlachu, která se spojuje s úpony ostatních hlav a upíná se na drsnatinu kosti holenní. Sval vystoupí zřetelně při pokusu o flexi v kyčli proti odporu při nataženém kolenu. Prostřední hlava čtyřhlavého svalu stehenního (m. vastus intermedius) je uložena pod přímým svalem stehenním. Začíná skoro po celé přední ploše těla kosti stehenní a přechází ve šlachu, která se spojuje s přímým svalem stehenním. Vnitřní hlava čtyřhlavého svalu stehenního (m. vastuts medialis) obaluje z vnitřní strany tělo kosti stehenní. Začíná na vnitřním okraji její drsné čáry a svalové snopce přecházejí v plochou aponeurózu, která se fixuje na tibiálním okraji čéšky a do šlachy přímého svalu stehenního.

16 16 Zevní hlava čtyřhlavého svalu stehenního (m. vastus lateralis) obaluje na zevní straně tělo kosti stehenní. Začíná na zevním okraji drsné čáry této kosti, jeho snopce běží směrem tibiodistálním a šlacha svalu se opět upíná do šlachy přímého svalu stehenního a na horní okraj čéšky. (Grim, M. Druga, R. Základy anatomie, Praha: Akademie, 2001) Funkce: Celý sval působí na extenzi v kloubu kolenním. Přímá hlava se navíc uplatňuje při flexi v kloubu kyčelním. Celý sval lze demonstrovat při usilovné extenzi v kloubu kolenním. Inervace: nerv stehenní Sval krejčovský (m. sartorius) začíná od předního trnu kyčelního horního, jeho dlouhé, štíhlé bříško se spirálovitě přetáčí přes zadní stranu stehna na vnitřní kondyl femuru, kde přechází ve šlachu, upínající se na tibiální kondyl kosti holenní spolu se štíhlým svalem stehenním a pološlašitým. Tento útvar má podobu husí nožky. Funkce: spirálovitý průběh svalu způsobuje, že sval může ohýbat abdukovat, zevně rotovat v kloubu kyčelním a rovněž může flektovat v kloubu kolenním. Tato flexe je spojena s vnitřní rotací bérce. Při pokusu o dřep proti odporu lze pak vidět sval spirálovitě probíhat pod kůží. Inervace: nerv stehenní. Skupina zadní: - dvojhlavý sval stehenní - sval pološlašitý - sval poloblanitý - sval zákolenní Dvojhlavý sval stehenní (m. biceps femoris) má dvě hlavy. Dlouhá hlava začíná na hrbolu kosti sedací, krátká hlava od zevního okraje drsné čáry kosti stehenní v dolní polovině. Obě hlavy se spojují a upínají na hlavici kosti lýtkové.

17 17 Funkce: flexe a zevní rotace v kloubu kolenním. Dlouhá hlava se uplatňuje při extenzi v kyčli. Inervace: dlouhou hlavu inervuje nerv holenní, krátkou hlavu nerv lýtkový. Sval pološlašitý (m. semitendinosus) se nazývá tak proto, že v jeho svalovém bříšku je šlašitá vložka. Začíná na hrbolu sedacím, upíná se na vnitřní kondyl kosti holenní do husí nožky. Funkce: flexe a vnitřní rotace v kloubu kolenním. V kloubu kyčelním se uplatňuje při extenzi. Inervace: nerv holenní. Sval poloblanitý (m. semimembranosus) je nazýván tak proto, že má dlouhou plochou šlachu aponeurotického vzhledu. Začíná na hrbolu sedacím a upíná se na proximální konec kosti holenní třemi šlašitými pruhy, z nichž dva zůstávají na tibiálním kondylu tibie, třetí se obrací vzhůru a zpevňuje zadní stěnu pouzdra kloubu kolenního jako šikmý vaz zákolenní. Funkce: flexe a vnitřní rotace v kloubu kolenním, extenze v kyčli. Inervace: nerv holenní. Sval zákolenní (m. popliteus) je uložen na spodině jamky zákolenní, kterou shora ohraničuje dvojhlavý sval stehenní na straně zevní a sval pološlašitý na straně vnitřní. Zdola jamku ohraničuje okraj obou hlav dvojhlavého svalu lýtkového. Zákolenní sval začíná pod fibulárním epikondylem kosti stehenní a upíná se na zadní plochu horní části kosti holenní, nad čáru šikmého svalu lýtkového. Funkce: flexe v kloubu kolenním a zejména vnitřní rotace bérce při flektovaném kolenu. Inervace: nerv holenní. (Grim, M. Druga, R. Základy anatomie, Praha: Akademie, 2001)

18 Biomechanické vlastnosti v kolenním kloubu Kolenní kloub je značně složitý systém a v současné době není ještě význam a mechanické funkce některých anatomických struktur docela známa. Zejména se to týká vnitřních struktur, např. křížových vazů Stabilita Stabilita v sagitální rovině je převážně zajištěna křížovými vazy a antagonní činností felxorů a extenzorů kolenního kloubu. Stabilita v pravolevé rovině je hlavně zajištěna aktivním a pasivními elementy na mediální a laterální straně kolenního kloubu, jako jsou podélné vazy, dolní konec m. sartorius, m. gracilis, m. semitendionosus a dolní zakončení m. biceps femoris a m. tenzor fasciae latae. Rovněž ve směru rotace bérce je kolenní kloub diky funkci těchto elementů téměř antitorzním systémem. Kloubní reaktivní elastická složka pasivní impedance je vyvolána zejména vazy, především v krajích polohách flexe a extenze. Míru jejich napnutí lze těžko posoudit. Obdobně je těžké stanovit účinky napnutého kloubního pouzdra, synoviálních tekutin aj. Velikost napnutí vazů se uvádí obvykle jen rámcově jako napnutí lehké, značné nebo žádné. Např. v kolenním kloubu je lig. collaterale tibiale napnut v extenzi. Od posteriorní vaz má úlohu stabilizátoru. Při extenzi nastává často u kolenního kloubu tvarová shoda laterálních a mediálních kondylů, která zvyšuje stabilitu kloubu.funkce zkřížených vazů v limitních pozicích slouží jako mechanické zarážky Zatížení chrupavky Kloubní chrupavka tvoří tenký elastický povrch osteoartikulárních stykových kolagenových vláken obklopenou porézním mediem, kterým může volně prostupovat synoviální tekutina. Synoviální tekutina je viskózní. Kloubní chrupavka je při činnosti v pohybovém systému cyklicky namáhána tlakem. V průběhu odlehčovací fáze, kdy tlakové zatížení klesá, chrupavka expanduje a

19 19 vstřebává tekutinu volně rozloženou v intraartikulární dutině. Vytlačování tekutiny póry indukuje tlumící proces za spolupůsobení elastických vlastností kolagenové substance. Deformace kloubních chrupavek a dále deformace dalších vložených komponent (jako jsou např. menisky v kolenním kloubu) jako důsledek působení zátěžných sil v normálních pohybových situacích jistě vede rovněž k jisté modifikaci kinomatických a geometrických vlastností kloubů, zejména dolních končetin. Deformace chrupavky může rovněž ovlivnit změny ve velikosti kontaktní plochy a tím měnit rozložení okamžitých středů otáčení. Biomechanické studie v tomto směru jsou však zcela sporadické. Podobným způsobem se mohou mechanicky projevovat degenerativní procesy v kloubních chrupavkách. (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985) Svaly Pohyblivost v kloubu je běžně ovládána větším počtem samostatně řízených skupin svalů. V kolenním kloubu je 15 svalů pro čtyři funkce flexe, extenze, zevní a vnitřní rotace Třecí síly Z řady experimentů vyplývá, že koeficient tření v kloubu se pohybuje v rozmezí 0,001-0,025, přičemž se ve statických podmínkách třecí síla zvětšuje se zvětšováním zátěže. Vněkloubní elastická složka pasivní impedance, např. u kolenního kloubu, je vyvolána zejména mechanickým působením flexorů, hlubokou fascií a kůží pod fossa poplitea. Např. prodloužení kůže přibližně o 7 mm vyvolá tahovou sílu asi 10 N. Hodnota se ale mění podle pohlaví, stáří a místa vzorku.

20 Skloubení v kolenním kloubu Vlastní femorotibiální skloubení je prostorové, v kterém dále hrají roli menisky a ostatní komponenty. Kolenní kloub rovněž obsahuje femoropatellární skloubení, které svým tvarem a dále odlehlostí od okamžitých středů otáčení a umístění úponu lig. patellae (tuberositas tibiae) predisponuje silový přenos m. quadriceps femoris na tibii. Síla, kterou působí čtyřhlavý stehenní sval na patellu, roste se stoupajícím úhlem ohnutí kolenního kloubu a pro úhel 90 je dle G. L. Smidt (1973) rovna Q=2800 N. Stejnou silou je napínán i patellární vaz, který je upnut na tibii. V těchto směrech je poznání kolenního kloubu z biomechanického hlediska značně útržkovité a nedostatečující ani pro potřeby současné praktické ortopedie ( např. přesná predikce důsledků operativního předsunutí tuberositas tibiae nejen na silový přenos ve femoropatellárním skloubení, ale rovněž na změnu funkčních vlastností celého m. quadriceps femoris, silový přenos ve femorotibiálním skloubení apod.) Kontaktní plochy mezi stehenní a holenní kostí Na obrázku 1 jsou uvedeny kontaktní plochy na kondylech tibie a femuru, jak je zjistili Walker a Hajek. Tyto kontaktní plochy jsou téměř eliptické s hlavní osou v pravolevém směru. Jejich poloha se v jamkách tibie posunuje dorzálně s rostoucím úhlem ohnutí. V laterální jamce se v rozsahu ohnutí od 0 do 120 posouvá kontaktní plocha jen o několik milimetrů. V mediální jamce se posouvá o 2-3 mm na každých 15 ohnutí. V průměru je mediální kontaktní plocha větší o 30 % než plocha laterální. Velikosti kontaktních ploch se zmenšovaly s rostoucím úhlem ohnutí průměrně o 4 % na každých 30 %. Při dlouhotrvajícím zatížení vzrostla kontaktní plocha téměř o 50 %. (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985)

21 Tlakové napětí mezi stehenní a holenní kostí V průběhu napětí lze pozorovat, že kolenní kloub je stavěn tak, že gradienty napětí se vyrovnávají v epifýze a diafýza je již namáhána rovnoměrně. (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985)

22 22 4. Zpracování výsledků Po řádném nastudování anatomie a biomechaniky jsem se pustil do řešení problému. Sledoval jsem 6 zápasů a dospěl k těmto výsledkům ( viz. tab. č.i.a tab. č.ii. ), které mi postačily pro řešení hypotéz H1, H2, H3. H4 jsem zpracovával samostatně. Tab. č.i. Stolní tenisté Podřepy Dřepy při hře Dřepy pří podávání míčků 1. hráč J. Z hráč T. V hráč L. D Tab. č.ii. Fotbalisté Podřepy Dřepy 1. hráč D. K hráč L. O hráč P. J Srovnávání naměřených hodnot Z naměřených hodnot vyplývá že všichni hráči stolního tenisu udělají během zápasu více podřepů než hráči fotbalu. A to: U 1. hráče = 264, což je o 157 % více, U 2. hráče = 184, což je o 86 % více, U 3. hráče = 368, což je o 320 % více,

23 23 Z toho plyne závěr 1. hypotézy, že všichni stolní tenisté se dostanou do polohy podřepu vícekrát než o 50% a to v 1. případě o 157%, v 2. případě o 86% a ve třetím případě dokonce o 320%. Při srovnávání počtu dřepů plyne že: 1. hráč udělá = o 17 dřepů více, což je o 58 % více 2. hráč udělá = o 22 dřepů více, což je o 104 % více 3. hráč udělá = o 11 dřepů méně, což je o 24 % méně Závěr 2. hypotézy zní, že dva stolní tenisté udělají více dřepů jak fotbalisté a to první z nich o 58% a druhý o 104%. V jednom případě však udělal stolní tenista méně dřepů a to o 24% než fotbalista. Srovnávání počtu dřepů u stolních tenistů při hře a při podávání míčků: 1. hráč udělá při hře 14 dřepů a při podávání míčků 32 dřepů 2. hráč udělá při hře 16 dřepů a při podávání míčků 27 dřepů 3. hráč udělá při hře 9 dřepů a při podávání míčků 36 dřepů Daná hypotéza se potvrdila, protože ve všech třech případech udělal daný hráč více dřepů při podávání míčků jak při hře samotné. 4.2 Hmotnosti jednotlivých segmentů těla V posledních desetiletí bylo v některých biomechanických laboratořích použito ke stanovaní hmotnosti segmentu těla radioizotopické metody. Z prací aplikujících ve výzkumu radioizotopickou metodou autoři Knihy Biomechanika těl. Cvičení uvádí pro zjištění hmotnosti jednotlivých segmentů výsledky práce Zaciorského a Selujanova (1979). Publikované údaje jsou zpracovány na souboru 100 osob.

24 24 Pro vyjádření hmotnosti libovolného segmentu (m i ) platí vztah: m i = B 0 + B 1. x 1 + B 2. x 2 (kg) Výklad ke vzorci: M i hmotnost libovolného segmentu těla, X 1 celková hmotnost pokusné osoby (kg), X 2 výška pokusné osoby (cm), B 0 (kg), B 1 (1), B 2 (kg.cm 1 ) - koeficienty rovnic množinové regrese ( viz tabulka níže) Tabulka koeficientu rovnic množinové regrese pro výpočet hmotnosti segmentů těla Segment B 0 (kg) B 1 B 2 (kg. cm 1 ) r σ Hlava 1,296 0,0171 0,0143 0,591 0,322 Trup 8,2134 0,1862-0,0584 0,798 1,142 střední část 7,182 0,2234-0,0563 0,828 1,238 Dolní část -7,498 0,0976 0, ,743 1,02 Stehno -2,649 0,1463 0,0137 0,891 0,721 Bérec -1,592 0, ,0121 0,872 0,219 Noha -0,829 0,0067 0,0073 0,702 0,101 Nadloktí 0,25 0, ,0022 0,834 0,178 Předloktí 0,3175 0, , ,786 0,101 Ruka -0,1165 0,0036 0, ,516 0,0629 ( r koeficient korelace, σ standardní odchylka regresních rovnic) Příklad: Pokusná osoba má hmotnost m = x 1 = 84 Kg a výšku h = 1,86 m; x 2 = 186 cm. Např. hmotnost stehna pak vyjádříme: m s = -2,649 kg + 0, kg + 0, cm = 12,2 kg (Otahal, S. Sušanka, P. Karas, V. pedagogické nakladatelství Praha, 1990) Biomechanika tělesných cvičení. Státní

25 Výpočty váhy segmentů těla Radioizotopickou metodou Pohlaví: muž Věk: 25 let Váha: 75 kg Výška: 188cm Ukázka výpočtu váhy hlavy m h = B 0 + B 1. x 1 + B 2. x 2 (kg) m h = 1, , , m h = 1, , ,6884 m h = 5,2669 kg Dle výpočtu váha hlavy pokusné osoby, činí 5,3 kg. Dále uvádím již jen zaokrouhlené výsledky kg. Segment Váha v kg Hlava 5,3 Trup 11,2 střední část 11,9 dolní část 9 Stehno 10,9 Bérec 3,4 Noha 1,1 nadloktí 2 předloktí 1,2 Ruka 0,5

26 Popis zatížení kolenního kloubu u postojů Postoj mírný podřep Mírný podřep vzhledem k tomu, že tento postoj je v běžném životě více využívaný, považuji postoj vůči kolennímu kloubu za vyrovnaný (těžiště je v rovnováze) a nečinící kloubu příliš velkou námahu. Obecně se dá říci, že odpadá tlakové zatížení v femoropatelárním spojení a síly vyvolané svaly a vazy v koleni. Nejvíce je zde zatíženo femorotibiální skloubení, kde na chrupavku, disky, menisky a kosti působí celá váha lidského organismu. Odpadá jen váha bérce a noh, což je z pohledu celého těla málo významné. Kontaktní plochy mezi femurem a tibií (viz. kapitola 3 odstavec stupeň ohnutí 0 ) jsou téměř eliptické a v průměru mediální kontaktní plocha je větší o 30% než plocha laterální. Rozdíl je vyrovnáván disky a menisky. Při flexi se kontaktní plochy zmenšují. Tlakové rozložení sil ve femuru a tibii je znázorněno v kapitole 3 odstavci Postoj dřep Dřep při tomto postoji se začíná výrazně zvětšovat tlak v celém kolenním kloubu, posouvají se těžiště jednotlivých segmentů těla, což musí vyrovnávat stabilizátory v kolenním kloubu, dochází k velkému přetížení. Napínají se vazy a svaly. Váha již nepůsobí kolmo dolů, ale dopředu. Zmenšují se kontaktní plochy mezi femurem a tibií, narůstá tlak v femoropatelárním spojení (v úlu 90 = 2800N, viz. kapitola 3 odstavec 3.4.5). Dochází k velké deformaci chrupavky. Napíná se kůže a její prodloužení o 7 mm vyvolává tahovou sílu 10 N ( viz. kapitola 3 odstavec 3.4.4). 4.5 Teoretické výpočty zatížení kolenního kloubu Vezmu-li v úvahu shrnuté dosavadní číselné údaje jak vyplývají z kapitoly 5 Biomechanické vlastnosti v kolenním kloubu (kapitoly: a 3.4.5) a

27 27 v praktické části kapitolu 4.3 Výpočty segmentů těla pokusné osoby, docházím k následujícím závěrům: 1. v mírném podřepu na kolenní kloub relativně působí jen tlaková síla vycházející z celkové váhy těla pokusné osoby, u které navíc musíme odečíst váhu bérce a chodidel. Výpočty ( dle kapitoly 4.3) m t (hmotnost těla) - x celková hmotnost pokusné osoby 75 kg ( 750 N) hmotnost bérců a chodidel celkem 9 kg ( 90 N) m t = 75 9 = 66 kg (660 N) Relativní váha působící na kolenní kloub v mírném podřepu činí 66 kg (660 N). 2. při dřepu nejenže působí tíha těla 660 N, ale napíná se kůže ( každých 7 mm = tahová síla 10 N) a při extenzi 90 působí na patelu ( patela tlačí na femur femoropatelární spojení) síla čtyřhlavého svalu stehenního až Q = 2800 N ( údaje z kapitoly 5.4). Výpočty Celkové síly uplatňující se v koleni při extenzi (S k ) =? m t = 660 N Kůže (k) = 10 N Extenze 90 (E) = 2800 N S k = m t + k+ E S k = S k = 3470 N (347 kg) Relativní váha působící na kolenní kloub při dřepu činí 3470 N.

28 28 3. odečtu-li výsledky bodů 2 a 1 dostávám rozdíl zátěže v N = 2810 N Hodnota 2800 N je rozdíl sil působících v koleni mezi mírným podřepem a dřepem. Vyjádřím li výsledek v %, dostávám přibližnou hodnotu 70%. Tímto zjištěním jsem potvrdil stanovenou hypotézu, tj. že při dřepu je tlakové zatížení v kolenním kloubu o 60 70% větší než v mírném podřepu.

29 29 Závěr V současné době se velmi často hovoří o zdravém životním stylu ke kterému patří i péče o fyzickou stránku člověka. V této souvislosti často slýcháváme o různých problémech spojených se stavbou a držením těla. Velké procento lidí nad 50 let, trpí bolestmi v kolenou. Vyjímky nejsou ani mládež a dorostenci. Proto jsem se zaměřil na nejvíce namáhanou oblast tj. Kolenní kloub. Hlavním cílem této seminární práce bylo potvrdit nebo vyvrátit hypotézy, které se můžou na první pohled jevit jako zcela jasné. Podrobným studiem vybrané literatury a vybraných experimentálních prací s fotbalisty a stolními tenisty jsem tyto hypotézy řešil. Jako dalším krokem bylo nastudování literatury s biomechanickou tématikou, provádění testování sledováním a zaznamenáním a v poslední řadě zpracování výsledků. Stolní tenis je sport všeobecně považovaný, jako fyzicky méně náročný. Sám tento sport provozuji po řadu let a mám na jeho náročnost odlišný názor. Na základě pokusu jsem chtěl dokázat zatím nikým neverifikovanou skutečnost. Jako srovnávací skupinu jsem si vzal fotbalisty. Pro svou bakalářskou práci jsem stanovil tyto hypotézy: H1, hráči stolního tenisu se během zápasu dostanou o 50 % vícekrát do polohy podřepu než hráči fotbalu. Daná hypotéza byla potvrzena a to ve všech třech případech. H2, hráči stolního tenisu se během zápasu dostanou o 50 % vícekrát do polohy dřepu než hráči fotbalu. Hypotéza byla potvrzena ve dvou případech, ve třetím případě se hypotéza nepotvrdila ba naopak se prokázal úplný opak, kdy stolní tenista udělal o 24 % dřepů méně než hráč fotbalu Mé tvrzení se potvrdilo v první i druhé hypotéze, z čehož plyne závěr, že kolenní kloub stolních tenistů je více zatěžován jak u hráčů fotbalu a to jak počtem udělaných dřepů tak i podřepů.

30 30 H3, hráči stolního tenisu se během zápasu dostanou do polohy dřepu vícekrát při zvedání míčků než při hře samotné. Toto tvrzení bylo také zcela prokázáno a to ve všech případech. Prokázání hypotézy H4 bylo mnohem složitější. Na základě výše zmíněných studií příslušné literatury jsem docházel k závěrům, jak se chová kolenní kloub ve zvolených pozicích. Bylo patrné, že koleno v mírném podřepu v žádném případě není tak extrémně namáháno tlakem jako při dřepu samotném. Při dřepu na kloub působí síly způsobené hmotností trupu a horních končetin, ale i napínáním kůže, napínáním čtyřhlavého svalu stehenního (následek: zvýšení tlaku ve femoropatelárním skloubení). Přitom neuvažujeme setrvační kladné a záporné síly. Také chrupavka a dotykové plochy ve femorotibiálním spojení doznávají významných změn. V již zmíněném femorotibiálním skloubení se dotyková plocha v jamkách tibie posunuje dorzálně s rostoucím úhlem ohnutí. Při dlouhotrvající zátěži vzrůstá kontaktní plocha téměř o 50%. Chrupavka prochází deformací a v odlehčovací fázi nasává synoviální tekutinu obsaženou v kloubním pouzdře a tím se regeneruje. Také velkou roli při tlakovém zatížení kloubu hraje rozložení váhy lidského těla. Při mírném podřepu můžeme říci, že je kolenní kloub méně zatěžovaný hmotností těla a setrvačními silami. Při dřepu se tělo a horní končetiny pohybují po relativně delší dráze a proto je zatížení kolene nesrovnatelně větší. Hmotnost nepůsobí jako u mírného podřepu kolmo dolů, ale dopředu, napínají se šlachy, svaly, mění se postavení femuru a tibie. Tyto všechny popsané jevy kloub přetěžují a nesprávně prováděnými pohyby může dojít k poraněním kolenního kloubu. Práce byla pokusem hlouběji se zabývat srovnáním kolenního kloubu při dřepu a podřepu u fotbalistů a stolních tenistů. Práce si vyžádala osvěžit znalosti z anatomie, ale i z biomechaniky kolenního kloubu. Zamýšleli jsme jak kolenní kloub pracuje z biomechanického hlediska a jaké zde působí síly. Neměli jsme k dispozici pro přesnější výzkum potřebnou techniku ( digitální fotoaparát, videokameru apod.) a širší soubor stolních tenistů a fotbalistů.

31 31 6. Literatura [1] Grim, M. Druga, R. Základy anatomie, 1. vyd. Praha: Akademie, s. ISBN [2] Hay, J.G. The Biomechanics of sports techniques, 2. vyd. London : The national publicion, s. [3] Karas, V. Otáhal, S. Biomechanika tělesných cvičení, 1. vyd. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, s. ISBN [4] Karas, V. Biomechanika pohybového systému člověka, 1. vyd. Praha : Univerzita Karlova, s. ISBN [5] Karas, V. Biomechanika sportovní gymnastiky, 2. vyd. Praha : Univerzita Karlova, s. ISBN [6] Kovařík, V. Biomechanika tělesného cvičení I., 2. vyd. Brno : Masarykova Univerzita, s. ISBN [7] Novák, A. Základy obecné biomechaniky, 2. vyd. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, s. ISBN [8] Seliger, V., Novák, A. Biomechanika sportovního pohybu, 1.vyd. Praha: Sportovní a turistické nakladatelství, s. ISBN [9] Valenta, J., Klimeš, F. Mechanika velkých kloubů, 2. vyd. Praha : Olympia, s. ISBN [10] Valenta, J. Biomechanika, 1.vyd. Praha : Academie, s. ISBN

32 7. Přílohy 32

33 Příloha č. 1 pohled předozadní + popis (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985)

34 Příloha č. 2 pohled boční + popis (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985)

35 Příloha č. 3 arthrogram boční pohled + popis (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985)

36 Příloha č. 4 arteriogram předozadní + popis (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985)

37 Příloha č. 5 meniskus předozadní + popis (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985)

38 Příloha č. 6 patella osová + popis (Valenta, J. Biomechanika. Praha : Academie, 1985)