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2: Grandezze, Leggi e Principi della Biomeccanica
Domenico Cherubini PhD
Biomeccanica Applicata allo Sport
Tutte le moderne strumentazioni da laboratorio permettono di registrare particolari infinitesimali del fenomeno analizzato; nessuna però da sola è in grado di descriverlo nella sua interezza. Utilizzando tali informazioni sarà possibile però comprendere il fenomeno dell’atto motorio osservandolo attraverso altri occhi, che sono:
LA CINEMATICA
LA DINAMICA
LE LEVE
LA BIOMECCANICA
D. Cherubini PhD. Biomeccanica Applicata allo Sport
LA CINEMATICA
Può essere definita come la geometria del movimento.
E’ quella parte della fisica che si occupa di descrivere il moto degli oggetti, senza porsi il problema di trovare le cause che lo determinano.
D. Cherubini PhD. Biomeccanica Applicata allo Sport
Il movimento può essere: Rettilineo
Angolare
LA CINEMATICA
D. Cherubini PhD. Biomeccanica Applicata allo Sport
Il movimento in una prima approssimazione è uno spostamento che avviene più o meno rapidamente nello spazio e nel tempo, seguendo una certa traiettoria.
Le Grandezze Caratteristiche
LA CINEMATICA
Posizione (S, α)
E’ la misura della collocazione spaziale del corpo, sia per i fenomeni traslatori che per quelli rotatori.Si tratta di una grandezza vettoriale. Per i fenomeni traslatori la dimensione è L e l’unità di misura nel S.I. è il metro [m].Per i fenomeni rotatori, la grandezza diventa adimensionale, misurata in radianti [rad] nel S.I. e in gradi o in giri nel sistema pratico (1 rad = 57°)
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Le Grandezze Caratteristiche
LA CINEMATICA
Posizione (S, α)
La misura può essere diretta o, più spesso, indiretta, partendo da inquadrature opportunamente calibrate.
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Le Grandezze Caratteristiche
Lo Spazio (S)Lo spostamento percorso
Il Tempo (t)Durante il quale si svolge l’azione
LA CINEMATICA
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Le Grandezze Caratteristiche
LA CINEMATICA
Massa (m)
E’ la misura della quantità di materia posseduta dal corpo.
Si tratta di una grandezza scalare. La dimensione è m e l’unità di misura nel S.I. è il Kilogrammo [Kg].
Va evitata con cura la confusione tra massa e peso (forza che attrae verso la terra la massa considerata). La confusione èoriginata dall’identico nome dell’unità di misura per le due grandezze.
La misura è fatta indirettamente proprio per tramite del peso.
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La conoscenza delle masse dei singoli segmenti corporei èindispensabile per poter identificare il centro di massa dell’intero atleta.
I dati disponibili in letteratura al proposito provengono o da misure di segmenti anatomici reali, oppure da calcoli di solidi geometrici adattati.
Le Grandezze Caratteristiche
LA CINEMATICA
Massa (m)
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Le Grandezze Caratteristiche
LA CINEMATICA
Massa e PesoA causa della non perfetta rotondità della pianeta terra, e della rotazione intorno al proprio asse, la forza di gravità risulta lievemente maggiore ai poli che all’equatore.
Un atleta, o un qualsiasi attrezzo, sarà quindi leggermente piùleggero all’Equatore che ai poli.
Il peso di un atleta è quindi funzione delle variazioni della forza gravitazionale terrestre sulla massa dell’atleta stesso, e dipende da dove è posizionato l’atleta sulla terra.
Massa ≠ PesoD. Cherubini PhD. Biomeccanica Applicata allo Sport
Le Grandezze Derivate
La Velocità (v, ω)E’ la misura della rapidità con cui varia la posizione
LA CINEMATICA
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v = s/tPiù correttamente, la velocità è la derivata della posizionePer i fenomeni traslatori la dimensione è LT-1 e l’unità di misura nel S.I. è metri al secondo [m/s]; nel sistema pratico si usano i Km/h (1 m/s = 3.6 Km/h).
Per i fenomeni rotatori, la grandezza ha le dimensioni T-1, misurata in radianti al secondo [rad/s] nel S.I. e in gradi/s o in giri/m nel sistema pratico (1 rad/s = 57o/s = 9.6 giri/m).
Le Grandezze Derivate
LA CINEMATICA
La Velocità (v, ω)
La misura diretta viene fatta raramente (metodo radar: usato neltennis, nello sci, nell’automobilismo). Quasi sempre la misura èindiretta, partendo da misure di posizione e tempo (fotocellule,metodo fotogrammetrico)
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Quando interessa la velocità di un atleta, la misura con fotocellule non è più sufficiente, perché si sta parlando della velocità del centro di massa della figura, che non è un punto materiale. E’ necessario passare per la fotogrammetria.
Le Grandezze Derivate
LA CINEMATICA
La Velocità (v, ω)
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Il metodo fotogrammetrico, tuttavia, può comportare errori piuttosto elevati nella valutazione della velocità, che sono assai più alti di quelli di posizione.
Esempio:
s1 = 1.04 m, s2 = 1.06 m, t = 0.02 s v = (s2 – s1) / t = 1 m /s
s1 = 1.02 m, s2 = 1.08 m, t = 0.02 s v = (s2 – s1) / t = 3 m /s
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Le Grandezze Derivate
LA CINEMATICA
La Velocità (v, ω)
Le Grandezze Derivate
LA CINEMATICA
av /t
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E’ la misura della variazione della velocità del moto
Accelerazione (a;ω)
Più correttamente, l’accelerazione è la derivata della velocità.
Si tratta di una grandezza vettoriale. Per i fenomeni traslatori la dimensione è LT-2 e l’unità di misura nel S.I. è metri al secondo2
[m/s2 ].
Per i fenomeni rotatori, la grandezza ha le dimensioni T-2, misurata in radianti al secondo2 [rad/s2].
Le Grandezze Derivate
LA CINEMATICA
Accelerazione (a;ω)
La misura può essere effettuata per via diretta (accelerometri) o per via indiretta (dalla stereofotogrammetria).
La misura diretta è meno accurata di quello che potrebbe sembrare.
Quella indiretta risente degli stessi errori già descritti per la velocità, ancora più marcati.
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Il Moto
LA CINEMATICA
Il Moto Rettilineo Uniforme Di per se, questo moto non esiste quasi mai.
Tuttavia, molti gesti sportivi possono essere ricondotti a questa schematizzazione.
Spesso si usa questa ipotesi semplificativa pur sapendo che il moto reale avviene con una successione ciclica di piccole fasi di accelerazione e di decelerazione
s = vt
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Il Moto
LA CINEMATICA
Il Moto Uniformemente Accelerato
E’ un moto che si realizza sotto la condizione di accelerazione costante.
La velocità in un determinato istante di tempo è proporzionale al tempo trascorso.
La gravità provoca proprio questa condizione.
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Tutti i gesti che comportano una caduta libera sono di questo tipo.
v = at
LA CINEMATICA
E’ un moto a velocità scalare costante lungo una circonferenza.Anche se la velocità ha un valore scalare costante, in realtà essa cambia di direzione lungo la traiettoria. Esiste allora una accelerazione, dovuta ad un cambiamento della direzione del moto che si chiama accelerazione centrifuga, diretta verso l'esterno. L'accelerazione centripeta è uguale come valore ma diretta verso l'interno.
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a
Il Moto
Il Moto Circolare Uniforme α = ωt
LA CINEMATICA
Il Moto
Il Moto Circolare Uniforme α = ωt
Centro di rotazione: il centro della curva.Velocità angolare: la velocità dell’atleta divisa per il raggio della curva.L’atleta ha un assetto inclinato per consentire che la risultante tra reazione vincolare e forza centripeta passi per il centro di massa.Il carico apparente sugli arti inferiori cresceal ridursi del raggio di curvatura
Come per il moto rettilineo uniforme, molti gesti di corsa (con o senza attrezzi) possono essere schematizzati come circolari uniformi.
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LA CINEMATICA
Il Moto
Il Moto Circolare Uniforme α = ωt
Asse di rotazione: un asse verticale passante per il centro di massa.
Velocità angolare: è quella acquisita prima dell’inizio della fase aerea; può essere modificata.
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LA CINEMATICA
Il Moto
Il Moto Balistico
E’ un moto composto da uno rettilineo uniforme (secondo l’orizzontale) e da uno uniformemente accelerato(secondo la verticale).
Tutti i lanci e i salti sono riconducibili a questo schema, che forse è il più facile da incontrare nei gesti sportivi.
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LA CINEMATICA
Il Moto Balistico
mg
hL x
y
v0x
v0y
v0 Posizione iniziale: (x0 , y0 )
000y
000x
sin vv cosvv
Velocità iniziale:
Il moto orizzontale ed il moto verticale sono indipendenti: asse x: moto rettilineo uniforme con velocità v0x
asse y: moto uniformemente accelerato con velocità iniziale v0ye accelerazione -g
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x = x0 + v0x ty = y0 + v0y t - ½ g t2
Se un nostro atleta corre i 100 m in 10 sec., a che velocità sta andando?
36 km/h
Ma questa è solo la velocità media che l’atleta farà registrare su una distanza di 100 m!Questi numeri non ci dicono nulla sulla massima velocitàraggiunta dall’atleta o sulle sue accelerazioni!
Un’osservazione
D. Cherubini PhD. Biomeccanica Applicata allo Sport
Parte della fisica che studia il movimento di un punto o di un corpo tenendo conto delle forze che agiscono su di esso e dei vincoli cui e’ sottoposto.
LA DINAMICA
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I Principi della dinamica
1°- Principio d’Inerzia
LA DINAMICA
Un corpo permane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme a meno che non intervenga una forza esterna a modificare tale stato.
Questa tendenza del corpo viene denominata “Inerzia”. L’inerzia è relazionata con la massa del corpo, con dimensione massa * spazio2 e unità di misura Kilogrammo * metro2 [Kg m2].
Maggiore sarà quindi la massa di un corpo maggiore il suo desiderio di mantenere il proprio stato di moto o di quiete.
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Diversamente dal significato ordinario, in fisica la parola “momento” non ha nulla a che vedere con il tempo. Si riferisce, invece, al concetto di “rotazione”.
Nei fenomeni rotatori, la “resistenza” alle variazioni di moto èespressa dal momento d’inerzia, definito come segue:
I = m r2
LA DINAMICA
Il Momento d’Inerzia
Il Momento d’Inerzia non dipenderà quindi dalla sola massa dell’atleta, ma anche dal raggio di distribuzione delle masse rispetto all’asse di rotazione.
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LA DINAMICA
Il Momento d’Inerzia
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I Principi della dinamica
LA DINAMICA
2°- Forza = massa x accelerazione
In un sistema di riferimento inerziale la forza applicata ad un corpo è pari alla sua massa per l'accelerazione subita.
F = m a
La forza è la causa fisica che modifica lo stato del moto di un corpo, mentre l'accelerazione è l'effetto di tale forza su un corpo di massa m
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I Principi della dinamica
LA DINAMICA
3°- Principio di Azione e Reazione
Quando due corpi interagiscono, la forza che il primo esercita sul secondo è uguale ed opposta alla forza che il secondo esercita sul primo.Se spingiamo contro il suolo, verso il basso, e questo non si deforma, ci restituirà una forza diretta verso l’alto nella stessa direzione, con lo stesso modulo e direzione contraria.
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Questo principio deve essere inteso come una conservazione dellaquantità di moto. Quando saltiamo al suolo, la terra non va verso il basso semplicemente perchè ha una massa nettamente superiore alla nostra.
Le forze nei gesti sportivi
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LA DINAMICA
A distanza di gravità
interne muscolare
Nel contatto tra i corpi
esterne (diap. seguente)
LA DINAMICA
Le forze nei gesti sportivi
Forze scambiate nel contatto con altri atleti o con attrezzi e con l’ambiente
Nel contatto Attrito
Con l’ambiente
acquatico o aereo
AttritoReazione vincolare Centrifuga e centripeta
Azioni fluidodinamicheSpinta di galleggiamento ResistenzeCentrifuga e centripeta
terrestre
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Gravità
E’ l’azione causata dalla massa della terra, che attira tutti i corpi a se.
Si manifesta con una Forza (il Peso) la cui intensità è proporzionale alla massa di ciascun corpo secondo la relazione
P = m gin cui g vale 9.81 m/s2. La direzione è verticale, il verso è rivolto in basso e il punto di applicazione coincide con il centro di massa.
E’ sempre presente in tutti gli esercizi sportivi.
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LA DINAMICA
Dal momento che il peso è proporzionale alla massa, l’accelerazione di caduta (libera e in assenza di altre azioni) diun qualsiasi corpo è data da:
a = F / m = P / m = mg / m = g
Quindi (in assenza di altre forze), la caduta di un corpo qualsiasi è identica a quella di qualunque altro.
Ne consegue che il tempo di volo è INDIPENDENTE dalla massa.
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Gravità
LA DINAMICA
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Gravità
LA DINAMICA
Esiste ogni volta che un corpo èlimitato nei propri spostamenti (vincolato), per esempio da una base di appoggio, sia essa orizzontale o no.
Ha direzione ortogonale al piano di appoggio e verso contrario all’appoggio stesso.
L’intensità dipende dalle condizioni in cui si svolge l’esercizio ed èsempre misurabile.
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Reazione vincolare
LA DINAMICA
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Reazione vincolare
LA DINAMICA
Gli attriti sono fenomeni dissipativi, sempre contrari al moto, che si manifestano al contatto tra due corpi.
Statico Dinamico
Attrito
Radente Volvente
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Attriti
LA DINAMICA
Non dipende dall’estensione delle superfici, ma dalla forza con cui i corpi sono premuti uno sull’altro, dalla natura dei materiali e dall’eventuale presenza di “qualcosa” interposto tra le superfici.
Ha direzione parallela al piano di appoggio e verso contrario al moto.
E’ la ragione essenziale dei fenomeni di tenuta, per cui è quasi sempre un fenomeno utile all’esecuzione del movimento.
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Attrito radente statico
LA DINAMICA
Si manifesta al contatto tra due corpi che non si muovonoreciprocamente.
E’ dovuto all’incastro reciproco tra le superfici a contatto.
Ha esattamente la stessa natura dell’attrito radente statico, con la differenza che i due corpi sono in movimento reciproco.
E’ quantitativamente più basso di quello statico (70% circa).
Generalmente è un fenomeno negativo per l’esecuzione del movimento.
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Attrito radente dinamico
LA DINAMICA
Attrito radente dinamico
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LA DINAMICA
Attrito radente statico
R
Fa
P=mg
Fc = m v2 / rMentre il pattinatore alla partenza si avvantaggia dall’attrito statico per accelerare, lo sciatore si vede rallentato dall’attrito dinamico che gli sci incontrano al contatto con la superficie nevosa.
Sono le azioni dissipative che intervengono nel movimento di un corpo all’interno di un mezzo fluido (aria o acqua). Sono principalmente dovute alla formazione di vortici dietro il corpo in movimento.
Si manifestano in relazione alla superficie esposta, alla densità del mezzo attraversato, alla forma dell’oggetto (atleta, attrezzo) e, soprattutto, alla velocità.
Sono particolarmente importanti quando le velocità (dell’atleta o dell’attrezzo) sono superiori a 10-15 m/s (Ciclismo, tennis, golf, lancio del disco o del giavellotto, salto con gli sci, palloni calciati o lanciati ecc.)
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Azioni fluidodinamiche
LA DINAMICA
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Azioni fluidodinamiche
LA DINAMICA
Resistenze aerodinamiche
Resistenze idrodinamiche
Sono particolarmente significative negli sport di combattimento o di coppia.
Non è quasi mai possibile misurarle direttamente, ma possono essere stimate con la tecnica della dinamica inversa.
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Forze scambiate con altri atleti o con attrezzi
LA DINAMICA
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Forze scambiate con altri atleti o con attrezzi
LA DINAMICA
Il LavoroLavoro = Forza X Spostamento
Misura l’energia necessaria a modificare lo stato di un corpo.
L’unità di misura è il Joule 1 Joule = 1Nm
LA DINAMICA
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dove L è il lavoro e α l'angolo tra la direzione della forza e la direzione dello spostamento
Il termine utilizzato differisce dalla definizione usuale di lavoro, che è legata all'esperienza quotidiana e si può ricondurre, ad esempio, alla fatica muscolare. Infatti si compie un lavoro se si ha uno spostamento: se si spinge contro un muro naturalmente esso rimarrà fermo e non si avrà lavoro.
La Potenza
L’unità di misura è il Watt1 W = 1J/s
LA DINAMICA
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La potenza è definita come il lavoro W compiuto nell'unità di tempo t, ovvero come la sua derivata temporale:
Quantità di moto e Impulso di una forza
LA DINAMICA
L’equazione del moto di un punto materiale di massa M, soggetto ad una forza F, si scrive:
Ma = FSe la forza non varia troppo rapidamente, si può scegliere un intervallo di tempo Δt, sufficientemente piccolo, in modo da ritenere praticamente costante la forza agente durante l’intervallo di tempo Δt scelto.
L’equazione del moto del punto materiale M, nell’intervallo considerato, può scriversi:
M = FΔv ΔtOvvero:M = FΔvΔt
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Q = m v
E la sua conservazione:Se nessuna forza esterna agisce sulla massa, la quantità di moto rimane invariata nel tempo.
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In un istante considerato, si definisce quantità di moto il prodotto della massa per la velocità del corpo
Quantità di moto
LA DINAMICA
M = FΔv Δt
La variazione della quantità di moto di un punto materiale, durante l’intervallo di tempo considerato, è uguale all’impulso della forza agente sul punto materiale, durante lo stesso intervallo di tempo.
I = F Δt
Impulso di una forza
LA DINAMICA
M = FΔv Δt
La quantità FΔt è detta impulso della forza
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In altri termini, per fermare un corpo animato da velocità ènecessaria una forza tanto più intensa quanto più è ridotto il tempo di applicazione.
Teorema dell’Impulso
LA DINAMICA
Ad esempio quando il karateka imprime un colpo secco al mattone la velocità del suo avambraccio si riduce da v a 0 in intervalli di tempo molto piccoli. In questo modo si producono delle forze F =m · v / Δt molto intense in grado di spezzare il mattone.
Nella pratica sportiva esistono molti casi di applicazione del teorema dell’impulso
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Gli esercizi che comportano brevi tempi di contatto sono all’origine di grandi carichi sulle strutture.
La riduzione del carico si ottiene allungando i tempi di contatto
Teorema dell’Impulso
LA DINAMICA
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L’ Energia
POTENZIALE Ep = mgh
CINETICA Ec = mv2/2E’ data al corpo dal suo stato di moto.
E’ quell’energia che un corpo possiede perché occupa una posizione nello spazio ed è soggetto ad una forza (di gravità).
ELASTICA Fe = ½ kd2
è lavoro immagazzinato
E’ legata allo stato di deformazione del corpo.
LA DINAMICA
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Principio di conservazione dell’ energia
L’energia meccanica non si distrugge, ma si trasforma o si trasferisce.
LA DINAMICA
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Il momento di una forza
M = d * F
LA DINAMICA
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Misura la capacità di una forza di ruotare un oggetto attorno ad un asse, fulcro o perno.
A parità di forza (F), il momento (M) sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la distanza, definita "braccio" della forza (d), perpendicolare tra il punto di rotazione del corpo (o) e la retta di applicazione della forza
o E' collegato al concetto di LEVA
Sono semplici macchine usate per compiere un lavoro.
Se: F *bf = R*br La leva è in una situazione di equilibrio
FulcroFFulcro
ForzaFForza ResistenzaRResistenza
bfbf brbr
il punto intorno al quale ruota la leva: detto Fulcroil punto di applicazione della nostra forza, detta Potenzail punto di applicazione della forza da vincere, detta Resistenza
Sono caratterizzate da tre punti:
LE LEVE
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Bf=Braccio della forza
Br=Braccio della resistenza
Modificando la posizione del Fulcro e dei punti di applicazione delle due forze (Potenza e Resistenza) sarà possibile ……………SOLLEVARE IL MONDO (Pitagora)
LE LEVE
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leve di 1°tipo
FulcroFFulcro
ForzaFForza ResistenzaRResistenza
Il fulcro è sempre compreso tra la Forza e la Resistenza
LE LEVE
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Vengono classificate in:
FulcroFFulcroForzaFForza
ResistenzaRResistenza
La Resistenza è sempre compresa tra il Fulcro e la Forza
Il braccio della potenza sarà sempre maggiore di quello della resistenza. (Leva sempre vantaggiosa)
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leve di 2°tipo
LE LEVE
Vengono classificate in:
FulcroFFulcroForzaFForza
ResistenzaRResistenza
La Forza è sempre compresa tra il Fulcro e la Resistenza
Il braccio della resistenza sarà sempre maggiore di quello della potenza.
(Leva sempre svantaggiosa)
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leve di 3°tipo
LE LEVE
Vengono classificate in:
DOMANDA:
In che modo, queste briciole di biomeccanica, possono essere utili al Tecnico dello Sport?
S/Dt 1 W = 1J/s
P = m vEc = mv2/2
M = r * F
F *bf = R*br
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Come possiamo regolare l’intensità dello sforzo?
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M = r * F
Come possiamo regolare l’intensità dello sforzo?
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In quale posizione le braccia dovranno sopportare il maggior carico?
Come possiamo regolare l’intensità dello sforzo?
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=< >
Come possiamo regolare l’intensità dello sforzo?
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Dopo l’azione di stacco, come posso modificare la traiettoria del baricentro?
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In nessun modo. Qualsiasi cosa si faccia, non si potrà piùmodificare la traiettoria determinata al momento dello stacco!
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Quale atleta dovrà faticare di più per portare a termine 1 km di corsa?
D. Cherubini PhD. Biomeccanica Applicata allo Sport
La biomeccanica permette di osservare e descrivere in dettaglio il fenomeno del movimento umano, ma non può essere ridotta alla mera applicazione delle leggi della meccanica ai sistemi biologici.
IN CONCLUSIONE
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