Samenvatting WC Locomotie Iris Schoonderwaldt
Werkcollege 1: Biomaterialen en locomotie
Inleiding
Het locomotieapparaat zorgt ervoor dat het lichaam zich kan voortbewegen. Er zijn verschillende
manieren hoe dit bewerkstelligt kan worden, denk maar aan reptielen in vergelijking met zoogdieren.
Tussen zoogdieren ziet men verschillen in het locomotieapparaat, deels ontstaan uit de behoefte om
een hoge topsnelheid te bereiken. De krachten die op het lichaam inwerken moeten door spieren,
botten, pezen en gewrichten opgevangen worden. De verschillende materialen hebben ieder een
verschillende opbouw waardoor zij krachten op ieder hun eigen manier kunnen verwerken. De stand
van een gewricht verandert de momentarm en speelt dus ook een belangrijke rol in het
daadwerkelijk op te vangen moment.
Opdracht 1: Beweging op de grond van de poten
Elke pas die met een poot gemaakt wordt, bestaat uit verschillende fases.
a. De steunfase is de periode waarop de poot op de grond staat. Hierbij kun je verschillende
onderdelen onderscheiden:
- Fase 1: remmende fase/opvangfase. Dit is de fase tussen het landen van de poot en
dat de poot loodrecht staat.
- Fase 2: stuwende fase/afzetfase. Dit is de fase tussen dat de poot loodrecht staat en
het afzetten van de poot.
b. Bij het eerste gedeelte van de steunfase werken er verschillende krachten in op de poot:
- Zwaartekracht + normaalkracht
- Spierkracht (voorwaartse kracht) + wrijvingskracht (remmende kracht)
- Resulterende kracht van de poot + bodem reactie kracht
c. Bij de landing is er spieractiviteit nodig om het gewricht stabiel te houden en te voorkomen
dat de poot in elkaar zakt.
d. In de hele korte fase in het midden van de steunfase is de wrijvingskracht 0. Er is dan dus ook
geen voorwaartse spierkracht, want de resultante moet 0 zijn.
e. Bij het tweede gedeelte van de steunfase werken er verschillende krachten in op de poot:
- Zwaartekracht + normaal kracht
- Spierkracht + wrijvingskracht (tegengesteld aan de eerste fase van de steunfase)
- Resulterende kracht van de poot (Fafzet) + bodem reactie kracht
f. De zwaaifase van de pas is het naar voren zwaaien van het been in de lucht. Er is dan dus
geen contact met de grond.
g. In het begin van de zwaaifase zijn de
gewrichten gestrekt. Vervolgens buigen
ze zich, en aan het einde van de
zwaaifase zijn de gewrichten weer
gestrekt.
h. In de afbeelding hiernaast zie je de
krachten op een been tijdens zowel de
landing als de afzet.
1
,Samenvatting WC Locomotie Iris Schoonderwaldt
Opdracht 2: Spieren
Wij hebben gezien welke krachten allemaal uitgeoefend worden op ledematen. Om deze krachten op
te vangen zijn de verschillende materialen geschikt om ieder een bepaalde rol te spelen in het
geheel.
a. Spieren zijn de motoren van het bewegingsstelsel, en ze zijn hiërarchisch opgebouwd (van
klein naar groot):
- Sarcomeer (actine + myosine)
- Myofibril
- Spiervezel = spiercel
- Spierbundel
- Spier
b. In de afbeelding hiernaast zie je verschillende soorten spieren: de parallelvezelige spier (A)
en de gevederde spier (B).
Het verschil tussen beide is dat in een
parallelvezelige spier de vezels over de
gehele lengte van de spierbuik lopen,
van oorsprong naar insertie. Er liggen
dus meer sarcomeren in serie achter
elkaar. Bij een gevederde spier wordt de
afstand tussen oorsprong en insertie
deels overbrugd door het
bindweefselskelet in de spier. De vezels
zijn korter, en er liggen meer van deze
korte vezels in de spier (en dus meer
sarcomeren parallel gerangschikt).
c. Denk bij het invullen van deze tabel aan een groep mensen die een auto uit het water willen
trekken. Ze kunnen dit doen door elkaar vast te pakken, en hun armen in te trekken
(parallelvezelig). De keten is hier zo sterk als de zwakste schakel. Ze kunnen dit ook doen
door een touw aan de auto te binden en ieder voor zich aan het touw te trekken (gevederd).
Parallelvezelig Gevederd
Totale lengte spier + +
Inkortingsvermogen + -
Maximale kracht - +
Maximale inkortingssnelheid + -
2
,Samenvatting WC Locomotie Iris Schoonderwaldt
d. Spier A kan goed inkorten, maar weinig kracht leveren. Denk hierbij aan protractiespieren
(spieren die nodig zijn voor de zwaaifase). Spier B kan grotere krachten leveren. Denk hierbij
aan bijv. retractiespieren.
e. Een maat voor de kracht van spieren is de fysiologische doorsnede. Deze wordt aangegeven
door de zwarte strepen op de afbeelding bij b. De fysiologische doorsnede is een
dwarsdoorsnede door de spier, loodrecht op de vezels. In een parallelle spier pak je bij
doorsnede alle vezels, maar bij een gevederde spier is dat niet. Je moet dan twee doorsnedes
maken. Bij een gevederde spier heb je meer oppervlak, dus meer kracht. Dit is ook logisch,
want je hebt meer spiervezels parallel aan elkaar.
Opdracht 3: Bot
a. Al je naar de afbeelding hiernaast kijkt, zie je
ten eerste twee verschillende types bot en ten
tweede dat er een bepaalde rangschikking
zichtbaar is:
- Compact bot (rand)
- Spongieus/trabeculair bot (opvulling)
b. Dit is de femur. Op dit bot werkt de spierkracht
(protractie en retractie) en de zwaartekracht.
De afbeelding hiernaast laat de richting van de
krachten op het bot zien. Je ziet ook dat de
trabekels in de richting van de krachten lopen.
c. De structuur van het botweefsel is dus erg functioneel om krachten op te vangen. Toch zal je
in de praktijk fracturen tegen komen. De drie hoofdoorzaken van fracturen zijn:
- Verkeerde structuur van het bot (bijv. bij osteoporose of een tumor)
- Een kracht in een rare hoek, waar het bot niet op berekend is
- Teveel kracht, maar wel op de manier waar het bot op is gemaakt
Opdracht 4: Adaptatie in de loop van de evolutie
In de loop van de tijd heeft met name het paard (maar ook hond en rund) zich aangepast aan snelle
locomotie over vlakke bodem.
a. Dit is af te leiden aan het feit dat deze dieren lange
ledematen hebben, welke naar voren staan gekeerd
(i.t.t. een reptiel). Paarden lopen op hun nagels. De
benen zijn lang en dun, en bestaan voornamelijk uit
pezen. Hierdoor zijn de benen lichter waardoor er
minder gewicht verplaatst hoeft te worden.
Daarnaast zijn er een aantal botten gefuseerd, en
ontbreekt het sleutelbeen. Door dit laatste kan het
schouderblad ook meedoen in de beweging. Op deze
manier kunnen ze grote paslengtes maken, en zich
dus ook snel over de bodem bewegen. Tot slot zitten
de spieren voornamelijk proximaal, en dit kost minder energie.
3
,Samenvatting WC Locomotie Iris Schoonderwaldt
Opdracht 5: Pezen
De pezen brengen de krachten die gegenereerd worden in de spieren over op de extremiteiten
waardoor gewrichten gebogen of gestrekt kunnen worden. Deze pezen moeten grote krachten
ondergaan tijdens locomotie, pezen zijn daarom ook op een speciale manier opgebouwd om met
deze grote krachten om te gaan.
a. Zoals wij bij de vorige opdracht gezien
hebben, hebben paarden in hun distale
extremiteiten veel spierweefsel
vervangen met pezen. Pezen wegen
minder dan spieren. Dit is fijn, want je
wilt dat alles buiten het zwaartepunt zo
min mogelijk weegt. Daarnaast kost het
bij peesweefsel geen extra energie om
de pees weer terug te trekken.
b. De twee belangrijkste bestanddelen
van een pees zijn collageen (gemaakt
door tenocyten) en proteoglycanen
(eiwit kern + glycosaminoglycanen (GAG)).
c. Beide stoffen kunnen water aan zich binden,
en werken zo als smeermiddel.
d. Ook een pees is uit verschillende elementen
opgebouwd:
- Collageenvezel
- Microfibril
- Subfibril
- Fibril
- Peesbundel
e. Als een paard zijn been neerzet tijdens de draf zal de pees oprekken om de klap op te kunnen
vangen. Daarna komt deze energie weer vrij en herstelt het been. Tijdens de zwaaifase van
de pas zijn de pezen ontspannen en slap.
Stress, ook wel de mechanische spanning, is de kracht die wordt uitgeoefend per oppervlakte
eenheid. Tijdens het lopen worden de pezen in het paardenbeen belast met trekkracht en zal op elke
willekeurige doorsnede van de pees een trekspanning optreden (de stress dus). De spanning die
tijdens het lopen in een pees ontstaat, met uitrekking tot gevolg, kan worden weergegeven in een
spanning/rek curve (stress/strain curve).
4
, Samenvatting WC Locomotie Iris Schoonderwaldt
f. In elk stadium vinden er veranderingen plaats:
- In de toe region leidt weinig
kracht tot een aanzienlijke
uitrekking, tot ongeveer 3% rek.
- In de lineair region vervormt de
pees op een lineaire wijze. Tot
ongeveer 4-5% rek zijn deze
vervormingen compleet
reversibel.
- In de derde regio, bij rek tot 8%,
gaan de interfibrillaire cross-
links kapot, waardoor
microscopisch falen optreedt.
- Bij nog hogere spanningen gaan
ook de peesbundels zelf kapot,
waardoor macroscopisch falen
optreedt.
- Ruptuur
Bij teveel kracht gaan eerst de microscopische structuren kapot, en daarna de
macroscopische.
Opdracht 6: Verschillen tussen species van een diersoort
Hierbij hoort het artikel “Musculotendon excursion potential, tendon slack and muscle fibre length:
the interaction of the canine gastrocnemius muscle and tendon” van B. Dries et al. Zij hebben de
verhoudingen tussen spierbuik lengte, de mate van geverderdheid en de lengte van de pees bij 9
labradors onderzocht.
Eerdere informatie is ook bekend bij Greyhounds, zie de discussie.
a. De auteurs maken in de discussie meerdere bevindingen m.b.t. evolutionaire aanpassingen.
Bij Greyhounds dragen de pezen meer bij aan de spier-peeslengte dan bij labradors (52% vs.
41%). Binnen de groep labradors zag je geen onderlinge verschillen. Daarnaast is bij de
labradors de hoek van de aanhechting van de spiervezels lager.
5
