Es wurde ein zweidimensionales Modell entwickelt, um die Auswirkungen der Variation von Muskelmomentarmen während dynamischer Übungen unter Einbeziehung hoher externer Lasten zu prognostizieren und zu erklären. Die analytische Abhängigkeit des Muskelmomentarmes vom Gelenkwinkel und von der Herkunft und der Ansatzposition wurde mittels eines idealen uniaxialen Scharniergelenks abgeleitet, bei dem der Muskel als ein Kabel modelliert wurde, der einem idealisierten minimalen Weg von der Herkunftsstelle zum Ansatz folgt, der sich um die Knochengeometrie hüllt. Für isokinetische und statische Übungen wurden analytische Ausdrücke der Beziehungen der Muskelkraft und der Komponenten der Gelenkreaktionen auf externe Gewichte als Funktion des Gelenkwinkels, der Winkelgeschwindigkeit des Gelenks und anderer das Modell definierenden Parameter abgeleitet. Folglich könnten externe Gewichte, die Winkelgeschwindigkeit im Gelenk und Zwänge, die den Bewegungsumfang im Gelenk einschränken, reziprok eingestellt werden, um die Entwicklung der Spitzenwerte der Komponenten der Gelenkbelastung während isokinetischer Bewegungen zu kontrollieren. Eine dynamische Formulierung der Unterarmbeugung/streckung wurde numerisch unter der Bedingung gelöst, dass es sich um eine konstante Bizepskraft handelt. Dadurch sollte die Schlüsselrolle unterstrichen werden, die die Veränderung des Muskelmomentarms bei der Verhinderung von Verletzungen während der Hebung externer Lasten gegen die Schwerkraft spielt. So reduzierte sich die durchschnittliche bzw. maximale resultierende Gelenkbelastung um 5% bzw. 14% als Ergebnis der Veränderung des Muskelmomentarms innerhalb des Bewegungsumfangs. A two-dimensional model has been developed to predict and explain the effects of the variation of muscle moment arms during dynamic exercises involving heavy external loads. The analytical dependence of the muscle moment arm on the joint angle and on the origin and insertion position was derived for an ideal uniaxial hinge joint, modeling the muscle as a cable following an idealized minimum distance path from the origin to insertion that wraps around the bony geometry. Analytical expressions for the ratios of muscular force and the joint restraining reaction components to the external load weight were deduced, for isokinetic and static exercises, as a function of joint angle, joint angular velocity, and the other geometric parameters defining the model. Therefore, external load weight, joint angular velocity, and constraints to joint range of motion may be adjusted reciprocally in order to control in advance the peak value of the components of the joint load during isokinetic exercises. A dynamic formulation of forearm flexion/extension was solved numerically under the condition of constant biceps force in order to highlight the key role played by the variation in muscle moment arm in preventing injury during lifting of external loads against gravity. For example, our analysis indicates that the mean and peak resultant joint loads decrease by 5% and 14%, respectively, as a result of the change in muscle moment arm that occurs over the range of motion.
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