3/27/2009

1

WIMARSHANA  S.R.B.

E/04/341

DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING

ME 502

Aristotle might be considered the first biomechanicianDa Vinci (1452‐1519)analyzed muscle forces as acting along lines connecting i i   d i i   d  di d j i  origins and insertions and studied joint 

functionGiovanni Alfonso Borelli (1608‐1679) biomechanically modeled the human body and wrote the FIRST book on biomechanics, De Motu Animalium, or On the Movement of Animals

There are three domains in Ergonomics (according to the International Ergonomics Association‐IEA)Ph i l E iPhysical ErgonomicsCognitive ergonomicsOrganizational Ergonomics

Under which domain biomechanics appears..?

Physical ergonomicsIt is concerned with human anatomical, anthropometric, physiological and BIOMECHANICAL p ys o og ca a d O C Ccharacteristics as they relate to physical activity.

Newtonian mechanics can be applied in each level of studyBut precise details demand the use of continuum mechanicscontinuum mechanicsThermodynamicsFluid mechanics and Solid mechanicsMathematical‐linear algebra, differential equations, vectorsStudy on biomaterials

3/27/2009

2

Coronal Plane – Frontal

Sagittal Plane – LateralSagittal Plane  Lateral

Axial Plane –Transverse

Anterior:  In front of, front.Posterior:  After, behind, following, toward the rear.Distal:  Away from, father from the original.Proximal:  Near  closer to the originProximal:  Near, closer to the origin.Dorsal:  Near the upper surface, towards the back.Ventral:  Toward the bottom, towards the belly.

Inferior:  Below, under.Superior:  Above, over.Lateral:  Toward the side, away from the midline.Medial:  Toward the midline  Medial:  Toward the midline, middle, away from the side.Rostral:  Toward the front.Caudal:  Toward the back, toward the tail.

BONESThe human skeleton is normally composed of 206 bonesBones are anisotropic, in other words they are stronger along one axis than across that axisThe stress‐strain relations can be modeled using Hooke’s lawBones are modeled in to lever mechanisms

3/27/2009

3

JOINTS

Three types of joints,FibrousCartilaginous gSynovial

Let’s see how joints are modeled…. 

Hinge A hinge joint allows extension and retraction of an appendage. 

Saddle Saddle A saddle joint allows movement back and forth and up and down, both does not allow for rotation like a ball and socket joint. 

Ball and Socket A ball and socket joint allows for radial movement in almost any direction. They are found in the hips and shoulders.Pivot Pivot joints allow rotation around Pivot joints allow rotation around an axis. The neck and forearms have pivot joints. In the neck the occipital bone spins over the top of the axis. In the forearms the radius and ulna twist around each other. 

Muscles Muscles 

There are three main types of musclesSkeletal, Cardiac and Smooth muscles• Skeletal muscleUnlike cardiac muscle, skeletal muscle can Unlike cardiac muscle, skeletal muscle can develop a sustained condition known as tetiny (prolonged contraction of skeletal muscle fibers). And can handle wide variety of forces.Hill’s model is the most common model used to study this muscle type. 

Hill’s methodDerived by a famous physiologist named Archibald Vivian Hill, this is a popular state equation applicable to skeletal muscles that has been stimulated to show tetanus. It relates tension to velocity. The equation is,(v+b) (P+a) = b(Po+a)

whereP is the load or tension in the muscle v is the velocity of contraction P0 is the maximum load or tension generated in the 

muscle a and b are constants 

• Soft tissues• These can be seen in tendon, ligament and cartilage.

• These have non‐linear behaviors, so Hook’s law can’t be applied.

Non linear materials are modeled using Fung‐elastic exponential model.

3/27/2009

4

They are considered as, Tendons‐ cables transmitting muscle forcesFlesh‐ volumes and massesOrgans‐ generators or consumers of energy

Ergonomics‐how to design for ease and efficiency  (65.012.1)The Routledge Handbook of Biomechanics 

d H  M t S i  R tl d  and Human Movement Science, Routledge, 2008, ISBN 978‐0‐415‐40881‐3

Hill's equationDerived by a famous physiologist named Archibald Vivian Hill, this is a popular state equation applicable to skeletal muscle that has been stimulated to show tetanus. It relates tension to velocity. The equation is

where

P is the load or tension in the muscle 

v is the velocity of contraction 

P is the maximum load or tension generated in the muscle P0 is the maximum load or tension generated in the muscle 

a and b are constants 

Although Hill's equation looks very much like the van der Waals equation, the former has units of energy dissipation, while the latter has units of energy. Hill's equation demonstrates that the relationship between P and v is hyperbolic. Therefore, the higher the load applied to the muscle, the lower the contraction velocity. Similarly, the higher the contraction velocity, the lower the tension in the muscle.

MuscleThere are three main types of muscles:

Skeletal muscle (striated): Unlike cardiac muscle, skeletal muscle can develop a sustained condition known as tetiny through high frequency stimulation, resulting in overlapping twitches and a phenomenon known as wave summation. At a sufficiently high frequency, tetany occurs, and the contracticle force appears constant through time. This allows skeletal muscle to develop a wide variety of forces. This muscle type can be voluntary controlled. Hill's y yp yModel is the most popular model used to study muscle. 

Cardiac muscle (striated): Cardiomyocytes are a highly specialized cell type. These involuntarily contracted cells are located in the heart wall and operate in concert to develop synchronized beats. This is attributable to a refractory period between twitches. 

Smooth muscle (smooth ‐ lacking striations): The stomach, vasculature, and most of the digestive tract are largely composed of smooth muscle. This muscle type is involuntary and is controlled by the enteric nervous system. 

Continuum mechanicsIt is often appropriate to model living tissues as continuous media. For example, at the tissue level, the arterial wall can be modeled as a continuum. This assumption breaks down when the length scales of interest approach the order of the micro structural details of the material. The basic postulates of continuum mechanics are conservation of linear and angular momentum, conservation of mass, conservation of energy, and the entropyinequality. Solids are usually modeled using "reference" or "Lagrangian" coordinates, whereas fluids are often modeled using "spatial" or "Eulerian" coordinates. Using these postulates and some assumptions regarding the particular problem at hand  a set of equilibrium equations can be particular problem at hand, a set of equilibrium equations can be established. The kinematics and constitutive relations are also needed to model a continuum.

Second and fourth order tensors are crucial in representing many quantities in electromechanical. In practice, however, the full tensor form of a fourth‐order constitutive matrix is rarely used. Instead, simplifications such as isotropy, transverse isotropy, and incompressibility reduce the number of independent components. Commonly‐used second‐order tensors include the Cauchy stress tensor, the second Piola‐Kirchhoff stress tensor, the deformation gradient tensor, and the Green strain tensor. A reader of the mechanic's literature would be well‐advised to note precisely the definitions of the various tensors which are being used in a particular work.

3/27/2009

5

TetanusFrom Wikipedia, the free encyclopedia

Jump to: navigation, search

TetanusClassification and external resources

Muscular spasms in a patient suffering from tetanus. Painting by Sir Charles Bell, 1809. ICD‐10A33.‐A35. ICD‐9 037, 771.3 DiseasesDB2829MedlinePlus 000615 eMedicine emerg/574 MeSHD013742Tetanus, also called lockjaw, is a medical condition characterized by ja prolonged contraction of skeletal muscle fibers. The primary symptoms are caused by tetanospasmin, a neurotoxin produced by the Gram‐positive, obligate anaerobic bacterium Clostridium tetani. Infection generally occurs through wound contamination, and often involves a cut or deep puncture wound. As the infection progresses, muscle spasms in the jaw develop, hence the name lockjaw. This is followed by difficulty in swallowing and general muscle stiffness and spasms in other parts of the body.[1] Infection can be prevented by proper immunization and by post‐exposure prophylaxis.[2]

Fung elastic  modelFung elastic  model

the effects of strain‐stiffening on the classical limit point instability that is well‐known to occur in the inflation of internally pressurized rubber like spherical thin shells (balloons) and rubber‐like spherical thin shells (balloons) and circular cylindrical thin tubes composed of incompressible isotropic non‐linearly elastic materials.