Samenvatting literatuur - Concepts in HMS – Stability
Behorende bij Hoorcollege 1 van thema Stability
- Course introduction
- Stability introduction (2 artikelen)
- Stability a mechanical perspective (HFDST 1 + 2)
Leetun et al., (2004) : Core stability measures as risk factors for lower extremity injury in athletes.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15179160
Wat gedaan: mannelijke en vrouwelijk basketballatleten en atletiekatleten werden getest op verschillende core-
stability oefeningen, namelijk
- Heupabductie
- heup-exorotatie
- functie van de buikspieren
- uithoudingsvermogen van de back extensor en van quadratus luborum (rugspier)
Vervolgens :
- vergelijken van deze metingen tussen mannen en vrouwen
- en vergelijken van deze metingen tussen atleten die tijdens hun seizoen een blessure hebben gemeld en
degene die geen blessure hebben gemeld.
- Tot slot werd onderzocht of één of een combinatie van deze krachtmetingen kan worden gebruikt om
atleten te identificeren die risico lopen op een blessure aan de onderste ledematen
(dus als het ware core-stability indicatoren voor blessurerisico)
Belangrijkste uit dit artikel : core-stability is important for injury-prevention in athletes
- Vrouwelijke atleten vertoonden significant verminderde heup-exorotatie en side-bridge waarden in
vergelijking met mannelijke atleten
- Atleten die gedurende het seizoen geblesseerd raakten vertoonden een duidelijke zwakte in heup
abductie en heup-exorotatie
- Kracht van de heup-exorotatie (= onderdeel van core stabiliteitsmeting) significante voorspeller van
blessurepreventie
Zazulak et al., (2007) : Deficits in neuromuscular control of the trunk predict knee injury risk – prospective
biomechanical epidemiologic study
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17468378/
Wat gedaan: 277 mannelijke en vrouwelijke atleten werden prospectief getest op trunk verplaatsing na het
plotseling loslaten van een kracht (trunk displacement after sudden force release) en werden vervolgens 3 jaar
gevolgd om te knieblessures te registreren.
Belangrijkste uit dit artikel :
- Atleten met verminderde trunk controle hebben hoger risico op knie-, band- en
voorstekruisbandblessures (hoewel dit effect bij vrouwen groter is dan bij mannen)
Hoofdstuk 1 – Introduction
Hoofboodschap : In de artikelen van Leetun et., (2004) en Zazulak et ., (2007) worden verschillende
onafhankelijke variabelen gebruikt voor vrijwel dezelfde afhankelijke variabele (incidence of lower extremity
injuries)
Dus: moeilijk te definiëren wat nu eigenlijk de definitie is van stability (en daarom ook lastig voor praktische
toepassingen en adviezen).
Bovendien wordt in verschillende artikelen verschillende definities gebruikt voor ‘core’. In sommige artikelen
verwijst het naar ‘trunk’ en in sommige artikelen verwijst het naar ‘hips and trunk’.
Hoofdstuk 2 – Stability, a mechanical perspective
1
,Om stabiliteit te begrijpen eenvoudig mechanisch model = inverted pendulum (omgekeerde slinger)
Dit inverted pendulum kan een model zijn voor één lichaamssegment boven een gewricht of voor meerdere
lichaamssegmenten boven een gewricht (bijv. alle segmenten boven de enkel als deze bewegend kunnen worden
beschouwd als een enkel stijf lichaam).
m = massa van pendulum
R = scharniergewricht
h = hoogte van het zwaartepunt boven scharniergewricht R
CoP = centre of pressure = zwaartepunt van het pendulum
Scharniergewricht heeft slechts één vrijheidsgraad
(= DOF), omdat het slechts rotatie toestaat rond de as
die loodrecht staat op het vlak dat wordt
weergegeven in figuur 1.
Hierom is slechts één oriëntatie y nodig om de
oriëntatie van het slingermechanisme te beschrijven.
Echter, de beweging is pas volledig beschreven als
ook alle tijdsafgeleiden van de oriëntatie bekend zijn.
MAAR, gewoonlijk is een beperkte set afgeleiden
voldoende, namelijk, we gebruiken:
- β = oriëntatie (= hoek)
- dβ /dt = hoeksnelheid
- d2 β /dt2 = hoekversnelling
In theorie : inverted-pendulum kan alleen in static equilibrium zijn als deze in upright position staat
(linkerkant figuur hierboven)
Echter : de realiteit wijst dat er ALTIJD kleine verstoringen zijn (e.g. kleine luchtstroom) waardoor de
pendulum uit balans raakt dit zorgt voor een toename van het moment rond R.
Dus voor een niet-ondersteund inverted-pendulum elke verandering in hoek of oriëntatie als gevolg van
een perturbation zal leiden tot een toename in moment in dezelfde richting als gevolg van de
zwaartekracht.
In andere woorden : dM/d β (= verandering van het moment met M totale moment van het pendulum ) = positief.
Dit laat zien dat de inverted pendulum is unstable
De term (in)stabiliteit kan op 2 manieren worden uitgelegd :
- In termen van momenten
o stable = als het systeem kan terugkeren naar oorspronkelijke toestand na een kleine
perturbation. Dit gebeurt omdat het moment in de tegengestelde richting van de verstoring
werkt, waardoor het systeem weer terugkeert naar oorspronkelijke toestand.
o Unstable = een kleine perturbation zorgt ervoor dat de verandering in oriëntatie steeds groter
wordt. Dit is het geval bij een inverted pendulum: kleine perturbation veroorzaakt een
zwaartekrachtmoment in dezelfde richting als de perturbation oriëntatie wordt groter.
- in termen van potentiële energie
o stable = als potentiële energie in evenwichtstoestand een minimum heeft.
Na een kleine perturbation neemt de potentiële energie toe, waardoor het systeem vanzelf
terugkeert naar dat minimum.
o unstable = als de potentiële energie in de evenwichtstoestand een maximum heeft.
Na een kleine perturbation neemt de potentiële energie af en beweegt het verder van de
oorspronkelijke evenwichtstoestand
Bijv. bij inverted pendulum : De potentiële energie is dan namelijk uitsluitend zwaartekracht
gerelateerd (= m*g*h).
bij een perturbation (vanuit upright position) zal h afnemen m*g*h (= potentiële energie)
wordt dan ook kleiner
2
, Hoe kan een inverted pendulum dan worden gestabiliseerd?
veer = deze zorgen voor een moment in tegenovergestelde richting dan die van de perturbation.
Een veer oefent een kracht uit die afhangt van de verandering van zijn lengte t.o.z. van zijn rustlengte.
Bij een perturbation (verandering van oriëntatie = d β ) verandert de veerlengte waardoor een veerkracht =
Fs ontstaat die een moment op de slinger uitoefent = Ms.
Vanuit het oogpunt van moment
Een slinger is stabiel indien een perturbation = kleine verandering in oriëntatie (d β ) resulteert in een
tegenwerkend totaal moment, zodat dM/d β < 0
Vanuit het oogpunt van potentiële energie :
Een slinger is stabiel als toename van de Epot,elastisch > afame Epot,zwaartekracht waardoor de totale
potentiële energie toeneemt en het systeem terugkeert naar de evenwichtstoestand.
Veren in door de mens gemaakte ontwerpen hebben vaak lineaire eigenschappen :
d.w.z. Fs = - K*dl
Fs = veerkracht
K = veerconstante of stijfheid van de veer (ook wel gain genoemd)
dl = verandering in veerlengte
Lineaire eigenschappen van torsieveren
(momenteigenschappen) Ms = -K* d β
Hoe de hoger waarde van K hoe stijver
de veer hoe beter (sneller en stabieler) de
veer de instabiliteit van het inverted
pendulum kan corrigeren.
Afbeelding hiernaast () :
Linkerkant = oriëntatie van de inverted
pendulum in de ruimte
- rood = initiële positie (t=0) en de
maximale verplaatsing
- grijs = tussentijdse posities
Rechterkant = oriëntatie van de pendulum
als functie van de tijd
De stijfheid van de veer neemt toe van
boven naar beneden.
Merk op : hoe groter de stijfheid van de veer
- hoe groter frequentie van de pendulum = de slinger beweegt sneller heen en weer
- hoe kleiner de amplitude van de pendulum = oscillaties zijn kleiner = de slinger wijkt minder af van
de rechtopstaande positie na een perturbation
Merk bovendien op:
Hoe groter de momentarm = hefboomarm = a (= afstand van het scharnierpunt R tot het punt waar de veer de
kracht uitoefent) hoe groter het effect van de veer (= moment van de veer)
Dit verandert kwadratisch (dus als momentarm 2x zo groot wordt, dan wordt effect
van de veer 22 = 4x zo groot.
Hoezo kwadratisch?
Omdat effect van de veer (= moment) zowel afhankelijk is van kracht van de
veer (deze wordt 2x zo groot) en van momentarm (deze wordt ook 2x zo groot)
Dat blijkt uit de volgende formules :
Lengte van de veer = dl= a * d β
Kracht van de veer = Fs = k * dl
Moment van veer = Ms = Fs * a
1. Volgens formule (dl = a* d β ) blijkt dat wanneer je momentarm (a) vergroot, uitrekking van de veer (dl)
neemt lineair toe.
3
Behorende bij Hoorcollege 1 van thema Stability
- Course introduction
- Stability introduction (2 artikelen)
- Stability a mechanical perspective (HFDST 1 + 2)
Leetun et al., (2004) : Core stability measures as risk factors for lower extremity injury in athletes.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15179160
Wat gedaan: mannelijke en vrouwelijk basketballatleten en atletiekatleten werden getest op verschillende core-
stability oefeningen, namelijk
- Heupabductie
- heup-exorotatie
- functie van de buikspieren
- uithoudingsvermogen van de back extensor en van quadratus luborum (rugspier)
Vervolgens :
- vergelijken van deze metingen tussen mannen en vrouwen
- en vergelijken van deze metingen tussen atleten die tijdens hun seizoen een blessure hebben gemeld en
degene die geen blessure hebben gemeld.
- Tot slot werd onderzocht of één of een combinatie van deze krachtmetingen kan worden gebruikt om
atleten te identificeren die risico lopen op een blessure aan de onderste ledematen
(dus als het ware core-stability indicatoren voor blessurerisico)
Belangrijkste uit dit artikel : core-stability is important for injury-prevention in athletes
- Vrouwelijke atleten vertoonden significant verminderde heup-exorotatie en side-bridge waarden in
vergelijking met mannelijke atleten
- Atleten die gedurende het seizoen geblesseerd raakten vertoonden een duidelijke zwakte in heup
abductie en heup-exorotatie
- Kracht van de heup-exorotatie (= onderdeel van core stabiliteitsmeting) significante voorspeller van
blessurepreventie
Zazulak et al., (2007) : Deficits in neuromuscular control of the trunk predict knee injury risk – prospective
biomechanical epidemiologic study
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17468378/
Wat gedaan: 277 mannelijke en vrouwelijke atleten werden prospectief getest op trunk verplaatsing na het
plotseling loslaten van een kracht (trunk displacement after sudden force release) en werden vervolgens 3 jaar
gevolgd om te knieblessures te registreren.
Belangrijkste uit dit artikel :
- Atleten met verminderde trunk controle hebben hoger risico op knie-, band- en
voorstekruisbandblessures (hoewel dit effect bij vrouwen groter is dan bij mannen)
Hoofdstuk 1 – Introduction
Hoofboodschap : In de artikelen van Leetun et., (2004) en Zazulak et ., (2007) worden verschillende
onafhankelijke variabelen gebruikt voor vrijwel dezelfde afhankelijke variabele (incidence of lower extremity
injuries)
Dus: moeilijk te definiëren wat nu eigenlijk de definitie is van stability (en daarom ook lastig voor praktische
toepassingen en adviezen).
Bovendien wordt in verschillende artikelen verschillende definities gebruikt voor ‘core’. In sommige artikelen
verwijst het naar ‘trunk’ en in sommige artikelen verwijst het naar ‘hips and trunk’.
Hoofdstuk 2 – Stability, a mechanical perspective
1
,Om stabiliteit te begrijpen eenvoudig mechanisch model = inverted pendulum (omgekeerde slinger)
Dit inverted pendulum kan een model zijn voor één lichaamssegment boven een gewricht of voor meerdere
lichaamssegmenten boven een gewricht (bijv. alle segmenten boven de enkel als deze bewegend kunnen worden
beschouwd als een enkel stijf lichaam).
m = massa van pendulum
R = scharniergewricht
h = hoogte van het zwaartepunt boven scharniergewricht R
CoP = centre of pressure = zwaartepunt van het pendulum
Scharniergewricht heeft slechts één vrijheidsgraad
(= DOF), omdat het slechts rotatie toestaat rond de as
die loodrecht staat op het vlak dat wordt
weergegeven in figuur 1.
Hierom is slechts één oriëntatie y nodig om de
oriëntatie van het slingermechanisme te beschrijven.
Echter, de beweging is pas volledig beschreven als
ook alle tijdsafgeleiden van de oriëntatie bekend zijn.
MAAR, gewoonlijk is een beperkte set afgeleiden
voldoende, namelijk, we gebruiken:
- β = oriëntatie (= hoek)
- dβ /dt = hoeksnelheid
- d2 β /dt2 = hoekversnelling
In theorie : inverted-pendulum kan alleen in static equilibrium zijn als deze in upright position staat
(linkerkant figuur hierboven)
Echter : de realiteit wijst dat er ALTIJD kleine verstoringen zijn (e.g. kleine luchtstroom) waardoor de
pendulum uit balans raakt dit zorgt voor een toename van het moment rond R.
Dus voor een niet-ondersteund inverted-pendulum elke verandering in hoek of oriëntatie als gevolg van
een perturbation zal leiden tot een toename in moment in dezelfde richting als gevolg van de
zwaartekracht.
In andere woorden : dM/d β (= verandering van het moment met M totale moment van het pendulum ) = positief.
Dit laat zien dat de inverted pendulum is unstable
De term (in)stabiliteit kan op 2 manieren worden uitgelegd :
- In termen van momenten
o stable = als het systeem kan terugkeren naar oorspronkelijke toestand na een kleine
perturbation. Dit gebeurt omdat het moment in de tegengestelde richting van de verstoring
werkt, waardoor het systeem weer terugkeert naar oorspronkelijke toestand.
o Unstable = een kleine perturbation zorgt ervoor dat de verandering in oriëntatie steeds groter
wordt. Dit is het geval bij een inverted pendulum: kleine perturbation veroorzaakt een
zwaartekrachtmoment in dezelfde richting als de perturbation oriëntatie wordt groter.
- in termen van potentiële energie
o stable = als potentiële energie in evenwichtstoestand een minimum heeft.
Na een kleine perturbation neemt de potentiële energie toe, waardoor het systeem vanzelf
terugkeert naar dat minimum.
o unstable = als de potentiële energie in de evenwichtstoestand een maximum heeft.
Na een kleine perturbation neemt de potentiële energie af en beweegt het verder van de
oorspronkelijke evenwichtstoestand
Bijv. bij inverted pendulum : De potentiële energie is dan namelijk uitsluitend zwaartekracht
gerelateerd (= m*g*h).
bij een perturbation (vanuit upright position) zal h afnemen m*g*h (= potentiële energie)
wordt dan ook kleiner
2
, Hoe kan een inverted pendulum dan worden gestabiliseerd?
veer = deze zorgen voor een moment in tegenovergestelde richting dan die van de perturbation.
Een veer oefent een kracht uit die afhangt van de verandering van zijn lengte t.o.z. van zijn rustlengte.
Bij een perturbation (verandering van oriëntatie = d β ) verandert de veerlengte waardoor een veerkracht =
Fs ontstaat die een moment op de slinger uitoefent = Ms.
Vanuit het oogpunt van moment
Een slinger is stabiel indien een perturbation = kleine verandering in oriëntatie (d β ) resulteert in een
tegenwerkend totaal moment, zodat dM/d β < 0
Vanuit het oogpunt van potentiële energie :
Een slinger is stabiel als toename van de Epot,elastisch > afame Epot,zwaartekracht waardoor de totale
potentiële energie toeneemt en het systeem terugkeert naar de evenwichtstoestand.
Veren in door de mens gemaakte ontwerpen hebben vaak lineaire eigenschappen :
d.w.z. Fs = - K*dl
Fs = veerkracht
K = veerconstante of stijfheid van de veer (ook wel gain genoemd)
dl = verandering in veerlengte
Lineaire eigenschappen van torsieveren
(momenteigenschappen) Ms = -K* d β
Hoe de hoger waarde van K hoe stijver
de veer hoe beter (sneller en stabieler) de
veer de instabiliteit van het inverted
pendulum kan corrigeren.
Afbeelding hiernaast () :
Linkerkant = oriëntatie van de inverted
pendulum in de ruimte
- rood = initiële positie (t=0) en de
maximale verplaatsing
- grijs = tussentijdse posities
Rechterkant = oriëntatie van de pendulum
als functie van de tijd
De stijfheid van de veer neemt toe van
boven naar beneden.
Merk op : hoe groter de stijfheid van de veer
- hoe groter frequentie van de pendulum = de slinger beweegt sneller heen en weer
- hoe kleiner de amplitude van de pendulum = oscillaties zijn kleiner = de slinger wijkt minder af van
de rechtopstaande positie na een perturbation
Merk bovendien op:
Hoe groter de momentarm = hefboomarm = a (= afstand van het scharnierpunt R tot het punt waar de veer de
kracht uitoefent) hoe groter het effect van de veer (= moment van de veer)
Dit verandert kwadratisch (dus als momentarm 2x zo groot wordt, dan wordt effect
van de veer 22 = 4x zo groot.
Hoezo kwadratisch?
Omdat effect van de veer (= moment) zowel afhankelijk is van kracht van de
veer (deze wordt 2x zo groot) en van momentarm (deze wordt ook 2x zo groot)
Dat blijkt uit de volgende formules :
Lengte van de veer = dl= a * d β
Kracht van de veer = Fs = k * dl
Moment van veer = Ms = Fs * a
1. Volgens formule (dl = a* d β ) blijkt dat wanneer je momentarm (a) vergroot, uitrekking van de veer (dl)
neemt lineair toe.
3
