Biomechanics (vom "Leben" und  "Mechanik", In Modernem Griechisch, ) ist die Studie der Struktur und Funktion von biologischen Systemen wie Menschen, Tiere, Werke, Organe und Zellen

mittels der Methoden der Mechanik.

Das Wort biomechanics hat sich während des Anfangs der 1970er Jahre entwickelt, die Anwendung der Technikmechanik zu biologischen und medizinischen Systemen beschreibend.

Methode

Biomechanics ist nah mit der Technik verbunden, weil es häufig traditionelle Technikwissenschaften verwendet, um biologische Systeme zu analysieren. Einige einfache Anwendungen der Newtonischen Mechanik und/oder Material-Wissenschaften können richtige Annäherungen an die Mechanik von vielen biologischen Systemen liefern. Angewandte Mechanik, am meisten namentlich Maschinenbau-Disziplinen wie Kontinuum-Mechanik, Mechanismus-Analyse, Strukturanalyse, kinematics und Dynamik spielt prominente Rollen in der Studie von biomechanics.

Gewöhnlich biologisches System ist komplizierter als Mann-gebaute Systeme. Numerische Methoden werden folglich in fast jeder Biomechanical-Studie angewandt. Forschung wird in einem wiederholenden Prozess der Hypothese und Überprüfung, einschließlich mehrerer Schritte des Modellierens, der Computersimulation und der experimentellen Maße getan.

Teilfelder

Angewandte Teilfelder von biomechanics schließen ein:

• Weiche Körperdynamik
• Kinesiology (Kinetik + Physiologie)
• Tierortsveränderung & Gehweise-Analyse
• Muscloskeletal & orthopädischer biomechanics
• Kardiovaskulärer biomechanics
• Ergonomy
• Menschliche Faktor-Technik & beruflicher biomechanics
• Implant (Medizin), Orthotics & Prosthesis
• Rehabilitation
• Sportarten biomechanics
• Allometry

Sport biomechanics

In Sportarten biomechanics werden die Gesetze der Mechanik angewandt, um ein größeres Verstehen der athletischen Leistung zu gewinnen und Sport-Verletzungen ebenso zu reduzieren. Elemente des Maschinenbaus (z.B, Beanspruchungsmaße), Elektrotechnik (z.B, Digitalentstörung), Informatik (z.B, numerische Methoden), Gehweise-Analyse (z.B, Kraft-Plattformen), und klinische Neurophysiologie (z.B, Oberflächen-EMG) sind übliche Methodik, die in Sportarten biomechanics verwendet ist.

Biomechanics in Sportarten, kann als die gemeinsamen Muskel- und Skeletthandlungen des Körpers während der Ausführung einer gegebenen Aufgabe, Sachkenntnis und/oder Technik festgesetzt werden. Das richtige Verstehen von biomechanics in Zusammenhang mit der Sportsachkenntnis hat die größten Implikationen an: die Leistung des Sports, Rehabilitation und Verletzungsverhinderung, zusammen mit der Sport-Beherrschung. Wie bemerkt, durch Arzt Michael Yessis konnte man sagen, dass bester Athlet derjenige ist, der seine oder ihre Sachkenntnis das beste durchführt.

Kontinuum biomechanics

Die mechanische Analyse von biomaterials und biofluids wird gewöhnlich hervor mit den Konzepten der Kontinuum-Mechanik getragen. Diese Annahme bricht zusammen, wenn die Länge Annäherung von Interesse die Ordnung der Mikrostrukturdetails des Materials erklettert. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaft von biomaterials ist ihre hierarchische Struktur. Mit anderen Worten verlassen sich die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien auf physische Phänomene, die in vielfachen Niveaus vom molekularen den ganzen Weg bis zu den Gewebe- und Organ-Niveaus vorkommen.

Biomaterials werden in zwei Gruppen, harten und weichen Geweben klassifiziert. Die mechanische Deformierung von harten Geweben (wie Holz, Schale und Knochen) kann mit der Theorie der geradlinigen Elastizität analysiert werden. Andererseits erleben weiche Gewebe (wie Haut, Sehne, Muskel und Knorpel) gewöhnlich große Deformierungen, und so verlässt sich ihre Analyse auf die begrenzte Beanspruchungstheorie und Computersimulationen. Das Interesse am Kontinuum biomechanics wird durch das Bedürfnis nach dem Realismus in der Entwicklung der medizinischen Simulation gespornt.

Mechanik von Biofluid

Unter bestimmten mathematischen Verhältnissen kann Blutfluss durch modelliert werden Navier-schürt Gleichungen. Im vivo ganzen Blut wird angenommen, ein incompressible Newtonsches Fluid jedoch zu sein, diese Annahme scheitert, wenn das Betrachten vorwärts innerhalb von arterioles fließt. In der mikroskopischen Skala werden die Effekten von individuellen roten Blutzellen bedeutend, und ganzes Blut kann als ein Kontinuum nicht mehr modelliert werden. Wenn das Diameter des Blutgefäßes ein bisschen größer ist als das Diameter der roten Blutzelle, kommt die Fahraeus-Lindquist Wirkung vor, und es gibt eine Abnahme in der Wandscherspannung. Jedoch, weil das Diameter des Blutgefäßes weiter abnimmt, müssen die roten Blutzellen durch den Behälter quetschen und können nur häufig in der einzelnen Datei gehen. In diesem Fall kommt die Fahraeus-Lindquist umgekehrte Wirkung vor und die Wandscherspannungszunahmen.

Biotribology

Die Hauptaspekte der Kontakt-Mechanik & tribology sind mit der Reibung, dem Tragen und der Schmierung verbunden. Wenn die zwei Oberflächen während der Bewegung in Berührung kommen d. h. gegen einander reiben, sind Reibung, Tragen und Schmierungseffekten sehr wichtig, um zu analysieren, um die Leistung des Materials zu bestimmen. Biotribology ist eine Studie der Reibung, des Tragens und der Schmierung von biologischen Systemen besonders menschliche Gelenke wie Hüften und Knie. Zum Beispiel reiben Oberschenkelbestandteil und tibial Bestandteil des Knies implant gegen einander während der täglichen Tätigkeit wie das Wandern oder Stufe-Klettern. Wenn die Leistung des tibial Bestandteils analysiert werden muss, werden die Grundsätze von biotribology verwendet, um die Tragen-Leistung des implant und Schmierungseffekten von synovial Flüssigkeit zu bestimmen. Außerdem wird die Theorie der Kontakt-Mechanik auch sehr wichtig für die Tragen-Analyse.

Vergleichender Biomechanics

Vergleichender biomechanics ist die Anwendung von biomechanics zu nichtmenschlichen Organismen, ob verwendet, um größere Einblicke in Menschen (als in der physischen Anthropologie) oder in die Funktionen, Ökologie und Anpassungen der Organismen selbst zu gewinnen. Allgemeine Speicherbereiche der Untersuchung sind Tierortsveränderung und Fütterung, weil diese starke Verbindungen zur Fitness des Organismus haben und hohe mechanische Anforderungen auferlegen. Tierortsveränderung, hat viele Manifestationen, einschließlich des Laufens, Springens und Fliegens. Ortsveränderung verlangt Energie, Reibung, Schinderei, Trägheit und Ernst zu überwinden, obwohl, welcher Faktor vorherrscht, sich mit der Umgebung ändert.

Vergleichender biomechanics überlappt stark mit vielen anderen Feldern, einschließlich Ökologie, Neurobiologie, Entwicklungsbiologie, Ethologie und Paläontologie, in Höhe vom üblichen Veröffentlichen von Papieren in den Zeitschriften dieser anderen Felder. Vergleichender biomechanics wird häufig in der Medizin (hinsichtlich allgemeiner Musterorganismen wie Mäuse und Ratten) sowie in biomimetics angewandt, der auf Natur für Lösungen von Technikproblemen achtet.

Werk biomechanics

Die Anwendung von biomechanical Grundsätzen zu Werken und Pflanzenorganen hat sich ins Teilfeld des Werks biomechanics entwickelt.

Geschichte

Altertümlichkeit

Aristoteles hat das erste Buch auf biomechanics, De Motu Animalium, oder Auf der Bewegung von Tieren geschrieben. Er hat nicht nur die Körper von Tieren als mechanische Systeme gesehen, aber hat Fragen wie der physiologische Unterschied zwischen Vorstellen des Durchführens einer Handlung und wirklich Tun davon verfolgt. Einige einfache Beispiele der biomechanics Forschung schließen die Untersuchung der Kräfte ein, die Gliedern, der Aerodynamik des Vogel- und Kerbtier-Flugs, der Wasserdrucklehre des Schwimmens im Fisch und Ortsveränderung im Allgemeinen über alle Formen des Lebens von individuellen Zellen bis ganze Organismen folgen. Der biomechanics von Menschen ist ein Kernteil von kinesiology.

Renaissance

Wahrscheinlich konnte Leonardo da Vinci als der erste wahre biomechanician anerkannt werden, weil er erst war, um Anatomie im Zusammenhang der Mechanik zu studieren. Er hat Muskelkräfte als handelnd entlang Linien analysiert, die Ursprünge und Einfügungen verbinden, und hat gemeinsame Funktion studiert. Er hat auch vorgehabt, einige Tiereigenschaften in seinen Maschinen nachzuahmen. Zum Beispiel hat er den Flug von Vögeln studiert, um Mittel zu finden, durch die Menschen fliegen konnten. Weil Pferde die Hauptquelle der mechanischen Macht in dieser Zeit waren, hat er ihre Muskelsysteme studiert, um Maschinen zu entwerfen, die aus den von diesem Tier angewandten Kräften besser einen Nutzen ziehen würden.

Galileo Galilei hat sich für die Kraft von Knochen interessiert und hat vorgeschlagen, dass Knochen dafür hohl sind, gewährt maximale Kraft mit dem minimalen Gewicht. Er hat bemerkt, dass die Massen von Tieren unverhältnismäßig zu ihrer Größe zunehmen, und ihre Knochen folglich auch im Umfang unverhältnismäßig zunehmen müssen, sich an loadbearing aber nicht bloße Größe anpassend, wird die sich biegende Kraft einer röhrenförmigen Struktur wie ein Knochen hinsichtlich seines Gewichts vergrößert. Das war sicher einer der ersten Griffe von Grundsätzen der biologischen Optimierung.

Im 16. Jahrhundert hat Descartes ein philosophisches System vorgeschlagen, wodurch alle lebenden Systeme, einschließlich des menschlichen Körpers (aber nicht die Seele), einfach Maschinen sind, die durch dieselben mechanischen Gesetze, eine Idee geherrscht sind, die viel getan hat, um Biomechanical-Studie zu fördern und zu stützen. Giovanni Alfonso Borelli hat diese Idee umarmt und hat das Wandern, Laufen, Springen, den Flug von Vögeln, das Schwimmen des Fisches und sogar die Kolbenhandlung des Herzens innerhalb eines mechanischen Fachwerks studiert. Er konnte die Position des menschlichen Zentrums des Ernstes bestimmen, berechnen und hat begeisterte und abgelaufene Luftvolumenmengen gemessen und hat gezeigt, dass Inspiration muskelgesteuert wird und Ablauf wegen der Gewebeelastizität ist. Borelli war erst, um zu verstehen, dass die Hebel des musculoskeletal Systems Bewegung aber nicht Kraft vergrößern, so dass Muskeln viel größere Kräfte erzeugen müssen als diejenigen, die der Bewegung widerstehen. Unter Einfluss der Arbeit von Galileo, den er persönlich gekannt hat, hatte er ein intuitives Verstehen des statischen Gleichgewichts in verschiedenen Gelenken des menschlichen Körpers, kurz bevor Newton die Gesetze der Bewegung veröffentlicht hat.

Industriezeitalter

Im 19. Jahrhundert hat Étienne-Jules Marey Kinematographie verwendet, um Ortsveränderung wissenschaftlich zu untersuchen. Er hat das Feld der modernen 'Bewegungsanalyse' geöffnet, indem er das erste gewesen ist, um Boden-Reaktionskräfte mit der Bewegung aufeinander zu beziehen. In Deutschland haben die Brüder Ernst Heinrich Weber und Wilhelm Eduard Weber viel über die menschliche Gehweise Hypothese aufgestellt, aber es war Christian Wilhelm Braune, der bedeutsam die Wissenschaft mit neuen Fortschritten in der Technikmechanik vorgebracht hat. Während derselben Periode hat die Technikmechanik von Materialien begonnen, in Frankreich und Deutschland unter den Anforderungen der industriellen Revolution zu gedeihen. Das hat zur Wiedergeburt des Knochens biomechanics geführt, als der Gleise-Ingenieur Karl Culmann und der Anatom Hermann von Meyer die Betonungsmuster in einem menschlichen Oberschenkelknochen mit denjenigen in einem Kran in der ähnlichen Form verglichen haben. Begeistert durch diese Entdeckung hat Julius Wolff das Gesetz des berühmten Wolffs des Knochen-Umbauens vorgeschlagen.

Anwendungen

Die Studie von biomechanics erstreckt sich von der inneren Tätigkeit einer Zelle zur Bewegung und Entwicklung von Gliedern, zu den mechanischen Eigenschaften des weichen Gewebes und der Knochen. Da wir ein größeres Verstehen des physiologischen Verhaltens von lebenden Geweben entwickeln, sind Forscher im Stande, das Feld der Gewebetechnik vorzubringen, sowie verbesserte Behandlungen für eine breite Reihe von Pathologien zu entwickeln.

Biomechanics wird auch auf das Studieren des Menschen musculoskeletal Systeme angewandt. Solche Forschung verwertet Kraft-Plattformen, menschliche Boden-Reaktionskräfte und Infrarotbildaufzeichnung zu studieren, um die Schussbahnen vom menschlichen Körper beigefügten Anschreibern zu gewinnen, um menschliche 3D-Bewegung zu studieren. Forschung wendet auch electromyography (EMG) System an, um die Muskelaktivierung zu studieren. Dadurch ist es ausführbar, die Muskelantworten auf die Außenkräfte sowie Unruhen zu untersuchen.

Biomechanics wird in der orthopädischen Industrie weit verwendet, um orthopädischen implants für menschliche Gelenke, Zahnteile, Außenfixieren und andere medizinische Zwecke zu entwerfen. Biotribology ist ein sehr wichtiger Teil davon. Es ist eine Studie der Leistung und Funktion von für orthopädischen implants verwendetem biomaterials. Es spielt eine Lebensrolle, um das Design zu verbessern und erfolgreichen biomaterials zu medizinischen und klinischen Zwecken zu erzeugen.

Wissenschaftliche Zeitschriften

• Biomechanics und Modeling in Mechanobiology
• Zeitschrift von Arthroplasty
• Zeitschrift des Knochens und der gemeinsamen Chirurgie
• Zeitschrift der Biomechanical Technik
• Zeitschrift von Biomechanics
• Die Zeitschrift der experimentellen Biologie
• Zeitschrift der experimentellen Zoologie
• Zeitschrift der Morphologie
• Zeitschrift von angewandtem Biomechanics
• Sportarten Biomechanics
• Klinischer Biomechanics

Gesellschaften

• Kanadische Gesellschaft für Biomechanics

Links

• Amerikanische Gesellschaft von Biomechanics
• Australische und Gesellschaft von Neuseeland von Biomechanics
• Kanadische Gesellschaft für Biomechanics
• Europäische Gesellschaft von Biomechanics
• Hellenische Gesellschaft von Biomechanics
• Internationale Gesellschaft von Biomechanics
• Internationale Gesellschaft von Biomechanics in Sportarten]
• Japanische Gesellschaft von Biomechanics

Software

• simtk-opensim

Siehe auch

• Entwicklungsphysiologie
• Mechanik des Geschlechtes

Referenzen

• Gurtin, M. (2003). Eine Einführung in die Kontinuum-Mechanik. San Diego, die USA: Elsevier.
• Totten, G., & Liang, H. (2004). Mechanischer tribology. New York, die USA: Marcel Dekker.

Weiterführende Literatur

• Y.C. Fung, Biomechanics, internationale Standardbuchnummer 0-387-94384-6
• Jay D. Humphrey, Kardiovaskuläre Feste Mechanik, internationale Standardbuchnummer 0-387-95168-7
• Stephen C. Cowin, Knochen-Mechanik-Handbuch, internationale Standardbuchnummer 0-8493-9117-2
• Anthony C. Fischer-Cripps, Einführung, um Sich mit Mechanik, internationaler Standardbuchnummer 0-387-68187-6 In Verbindung zu setzen
• Jagan N Mazmudar, Biofluid Mechanik, internationale Standardbuchnummer 981-02-0927-4
• Donald R. Peterson, Joseph D. Bronzino, Biomechanics: Grundsätze und Anwendungen, internationale Standardbuchnummer 0-8493-8534-2
• Lee Waite und Jerry Fine, Angewandte Biofluid Mechanik, internationale Standardbuchnummer 0-07-147217-7
• Jung, Munson, und Okiishi, Eine Kurze Einführung in die Flüssige Mechanik, internationale Standardbuchnummer 0-471-45757-4
• Temenoff, Biomaterials, internationale Standardbuchnummer 978-0-13-009710-1

Links

• Biomechanical betonen Analyse auf Knochen-Teile & implants
• Biomechanics und Movement Science Listserver (Biomch-L)
• Biomechanics verbindet
• Eine Genealogie von Biomechanics
• Der Instituto de Biomecánica de Valencia (IBV - Biomechanics Institut für Valencia)