Ingegneria Clinica

Tipologia

Ingegneria biomedica

SSD

ING-IND/34

Anno

2º anno

Semestre

1º semestre

CFU

6

Distribuzione delle ore

60 classroom hours

Docenti

FABIANO BINI

Tipologia

Ingegneria della sicurezza e protezione industriale

SSD

ICAR/08

Anno

2º anno

Semestre

1º semestre

CFU

6

Distribuzione delle ore

60 classroom hours

Docenti

ANTONINO FAVATA

L'insegnamento di “Scienza delle Costruzioni”, impartito al 2° anno del corso di laurea in Ingegneria clinica, ha come scopo l’apprendimento della capacità di analizzare il comportamento meccanico di travi elastiche ad asse rettilineo, di verificare la resistenza di sezioni aperte sottili soggette a forze assiale e trasversale eccentriche, e di valutare lo stato di spostamento globale, di deformazione e sforzo locali, ai fini delle verifiche di funzionalità e resistenza. E' propedeutico al corso di "Resistenza dei Biomateriali" per il Corso di Laurea magistrale in Ingegneria biomedica, dove trova la sua naturale applicazione al comportamento meccanico dei tessuti biologici e dei biomateriali artificiali, delle principali articolazioni ossee del corpo umano ed alla analisi strutturale delle protesi che sostituiscono tali giunzioni.

Risultati di apprendimento attesi.
Ci si attende che il candidato ingegnere acquisisca la capacità di analizzare il comportamento meccanico di travi elastiche ad asse rettilineo, di verificare la resistenza di sezioni aperte sottili soggette a forze assiale e trasversale eccentriche, e di valutare lo stato di spostamento globale, di deformazione e sforzo locali, ai fini delle verifiche di funzionalità e resistenza.

FONDAMENTI DI BIOMECCANICA

OBIETTIVI FORMATIVI
Il corso si propone come obiettivo di fornire alle allieve ed allievi del corso di Laurea in Ingegneria Clinica le conoscenze fondamentali attinenti allo studio del movimento causato dalle forze applicate sul corpo umano. Il corso fornirà gli strumenti teorici e computazionali necessari per affrontare la modellizzazione ed analisi biomeccanica di un modello multi-link del corpo umano.

RISULTATI di APPRENDIMENTO ATTESI
Ogni allieva/o dovrà dimostrare di sapere utilizzare le conoscenze apprese per poter applicare e risolvere i principi fondamentali della biomeccanica, in particolare modellare una catena poliarticolata antropomorfa; analizzare lo stato di equilibrio; analizzare cinematicamente alcune sue parti e caratterizzare le principali proprietà inerziali dei segmenti corporei. La capacità di apprendimento è stimolata da un percorso formativo che alterna i principi metodologici, esempi applicativi ed eserciziationi di approfondimento.

Ci si attende che il candidato ingegnere acquisisca la capacità di analizzare il comportamento meccanico di travi elastiche ad asse rettilineo, di verificare la resistenza di sezioni aperte sottili soggette a forze assiale e trasversale eccentriche, e di valutare lo stato di spostamento globale, di deformazione e sforzo locali, ai fini delle verifiche di funzionalità e resistenza.

Ogni allieva/o dovrà dimostrare di sapere utilizzare le conoscenze apprese per poter applicare e risolvere i principi fondamentali della biomeccanica, in particolare modellare una catena poliarticolata antropomorfa; analizzare lo stato di equilibrio; analizzare cinematicamente alcune sue parti e caratterizzare le principali proprietà inerziali dei segmenti corporei. La capacità di apprendimento è stimolata da un percorso formativo che alterna i principi metodologici, esempi applicativi ed eserciziationi di approfondimento.

Analisi Matematica, Geometria, Fisica

Modulo: FONDAMENTI DI BIOMECCANICA
DIDATTICA FRONTALE

• Introduzione al corso e cenni storici
Biomeccanica: definizione, ambiti applicativi ed origini della Biomeccanica. Dalla Grecia classica ad Alfonso Borrelli. Il metodo per lo studio del movimento. Etienne-Jules Marey e la cronofotografia.

• Sistema di riferimento per l'analisi biomeccanica
Piani e assi di riferimento per i sistemi multi-body. Gradi di libertà per un sistema articolato. Giunti piani e giunti spaziali. Descrizione di posizioni e giaciture di un sistema di riferimento solidale ad un corpo mobile. Scelta dei sistemi di riferimento locali e anatomici. Sistemi per l'analisi della postura e del movimento. Applicazione alle strutture scheletriche e muscolari del corpo umano.

• Articolazioni
Gradi di libertà nelle articolazioni: spalla, gomito e polso. I movimenti elementari dell’arto inferiore: articolazione dell’anca, del ginocchio e tibiotarsica.

• Elementi di cinematica
Analisi di un sistema articolato quadrilatero piano: esempio dei legamenti crociati nel ginocchio. Sistema articolato con due segmenti: modello a parametri concentrati degli arti inferiori. Modello cinematico piano dell'arto inferiore.

• Geometria delle masse
Baricentro di solidi regolari: posizione del baricentro nei segmenti del corpo umano. Baricentro di corpi irregolari: gamba piegata. Momento di inerzia di sezioni piane regolari.

• Elementi di statica
Applicazione dei principi della statica alla biomeccanica. Come esempi l’equilibrio della spalla ed equilibrio del gomito.

ESERCITAZIONI NUMERICHE - Learning by doing -
Esempi di applicazione dell'analisi biomeccanica al modello multi-link del corpo umano.
Utilizzo di piattaforma Open Source per la modellazione e simulazione degli arti inferiori o superiori, singoli o accoppiati, per l’analisi del movimento umano.







Modulo: SCIENZA DELLE COSTRUZIONI
Cinematica e Statica dei Corpi Rigidi
Definizione di corpo rigido. Traslazione, rotazione esatta e infinitesima. Proprietà del campo di spostamento infinitesimo. Vincoli piani: cerniera, pendolo, pattino, doppio-doppio pendolo, incastro. Reazioni vincolari. Problema statico. Sistemi di corpi rigidi. Vincoli interni. Metodo degli equilibri parziali.

Travi rigide ad asse rettilineo
Geometria e carichi. Caratteristiche della sollecitazione. Equazioni puntuali di equilibrio. Diagrammi delle caratteristiche della sollecitazione.

Travi deformabili
Deformazioni estensionali in travi ad asse rettilineo, equazione di congruenza, equazione costitutiva, equazione differenziale della linea elastica. Misure di deformazione nelle travi. Equazioni di congruenza. Modello di Eulero-Bernoulli. Equazioni costitutive, identificazione della rigidezza assiale e flessionale. Deformazioni flessionali. Equazione differenziale della linea elastica. L'equazione dei lavori virtuali. Impieghi dell'equazione dei lavori virtuali: calcolo di spostamenti in strutture isostatiche. Calcolo di incognite iperstatiche.

Meccanica dei Continui
Deformazioni, spostamenti, variazioni geometriche. Misure di deformazione, tensore della deformazione infinitesima. Forze, sforzo e lavoro. Forze di volume e di contatto; tensione; tensore di sforzo di Cauchy; equazioni puntuali di equilibrio; sforzi e direzioni principali. Tensore di elasticità; materiali isotropi e anisotropi; interpretazione delle costanti elastiche. Formulazione del problema elastico e strategie di soluzione. Approccio agli spostamenti, agli sforzi e semi-inverso.

Il Problema di Saint Venant
Geometria e carichi. Richiami di geometria delle aree. Tensioni normali e tangenziali. Formula di Navier. Azione assiale, flessione retta, flessione deviata, forza normale eccentrica. Tensioni tangenziali. Centro di taglio. Torsione, sezione circolare e rettangolare sottile, profili aperti sottili, inerzia torsionale, profili chiusi in parete sottile, formule di Bredt. Teoria approssimata del taglio, formula di Jourawski.

Modulo: FONDAMENTI DI BIOMECCANICA
• Dispense didattiche fornite dal Docente.
• "Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica del Movimento", Giovanni Legnani e Giacomo Palmieri, CittàStudi Torino 2016.
• "Multiscale Modeling in Biomechanics and Mechanobiology", De Suvranu, Hwang Wonmuk, Kuhl Ellen, Springer-Verlag London 2015.
• Nordin M., Frankel V.H. "Basic biomechanics of the musculoskeletal system" 4th Editions.2012 Lippincott Williams & Wilkins



Modulo: SCIENZA DELLE COSTRUZIONI
Note a cura del docente.

Ulteriore bibliografia
Teoria:
P. Podio-Guidugli, Lezioni di Statica, Aracne, 2014 (Capitoli 1-4).
P. Podio-Guidugli, Lezioni di Scienza delle Costruzioni, Aracne, 2009 (Capitoli 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12).
L. Corradi dell'Acqua, Meccanica delle strutture. Voll. 1-2, McGraw-Hill Education, 2010.

Modulo: FONDAMENTI DI BIOMECCANICA
N/D
Modulo: SCIENZA DELLE COSTRUZIONI
N/D

Lezioni frontali

Lezioni ed esercitazioni in aula

Prova scritta di scienza delle costruzioni e prova orale di Fondamenti di Biomeccanica

Verranno messi a disposizione i testi d'esame degli anni precedenti

Modulo: FONDAMENTI DI BIOMECCANICA