Lumped parameter and modal models to simulate ground reaction forces due to running
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Data
2021-01-27
Autores
Orientador
Brennan, Michael John 
Coorientador
Pós-graduação
Engenharia Mecânica - FEIS
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
A corrida é uma atividade física de destaque na vida de muitas pessoas, quer seja como um modo de se manter a saúde do corpo, quer seja como esporte de alto rendimento. Pelo fato de ser uma atividade física, a corrida envolve o risco de ocorrência de lesões. Desde o início do século XX tem se estudado os mecanismos envolvidos durante a corrida e características que possam estar relacionadas à ocorrência de lesões. Uma das principais características relacionadas a lesões durante uma corrida é a força de reação do solo. Além de metodologias experimentais, modelos matemáticos têm sido utilizados como uma alternativa importante para simular as forças de reação do solo. Esta tese busca estudar a força de reação do solo durante uma corrida utilizando e comparando modelos matemáticos, propondo um novo modelo de parâmetros concentrados para a simulação de contato na interface pé/solo e propondo um novo modelo para a simulação das forças verticais de reação do solo. Um modelo linear de parâmetros concentrados para o contato entre o pé e o solo foi proposto e comparado com um conhecido modelo não-linear da literatura. O modelo proposto foi capaz de simular com boa aproximação o comportamento do modelo não-linear em ambas as condições de solado macio e duro. Um procedimento geral de análise modal em espaço de estados foi discutido e aplicado a dois modelos de parâmetros concentrados diferentes a fim de se analisar a presença de modos dominantes. Os modos dominantes foram observados e foi possível concluir que três modos são suficientes para representar a dinâmica envolvida na força vertical de reação do solo. Com base no comportamento dos modos dominantes, um modelo modal foi proposto para a simulação das forças verticais de reação do solo durante a corrida. O modelo foi testado utilizando seis conjuntos de dados experimentais de forças verticais de reação do solo da literatura. O modelo foi capaz de reproduzir bom grau de precisão os perfis experimentais de forças de reação do solo, apesar de haver certa variabilidade nos parâmetros obtidos do modelo para os modos na simulação de cada conjunto de dados experimentais, o que torna um pouco difícil a interpretação física para cada conjunto de dados.
Resumo (português)
Running is an important physical activity in many people’s lives, whether to maintain the body’s health or as a high-performance sport. Because it is a physical activity, running involves the risk of injury. Since the beginning of the 20th century, the mechanisms involved in running and characteristics that may be related to the occurrence of injuries have been studied. One of the main characteristics related to injuries in running is the ground reaction force. In addition to experimental methodologies, mathematical models have been used as an important alternative to simulate ground reaction forces. This thesis seeks to study the ground reaction force during running using and comparing mathematical models, proposing a new lumped parameter model for the simulation of the foot/ground interface, and proposing a new model for the simulation of vertical ground reaction forces. A linear lumped parameter model for the contact between the foot and the ground was proposed and compared with a known non-linear model in the literature. The proposed model was able to closely simulate the behavior of the non-linear model in both soft and hard sole conditions. A general state-space modal analysis procedure was discussed and applied to two lumped parameter models to analyze the presence of dominant modes. The dominant modes were observed, and it was possible to conclude that three modes are sufficient to represent the dynamics involved in the vertical ground reaction forces. Based on the behavior of the dominant modes, a modal model was proposed for the simulation of the vertical ground reaction forces in running. The model was tested using six experimental data sets of vertical ground reaction forces from the literature. The model was able to reproduce the experimental profiles of ground reaction forces with a good precision, although there is some variability in the parameters obtained from the model’s modes in the simulation of each set of experimental data, which makes it a little difficult to physically interpret. each data set.
Descrição
Palavras-chave
Idioma
Inglês