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modello biomeccanico
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Il cranio è una macchina complessa a molteplici funzioni: esso contiene diversi organi e apparati, l'encefalo, il primo tratto del canale alimentare, gli organi di senso uditivo, olfattorio e visivo.

Nel corso dell'evoluzione degli Ominidi, nel cranio si sono verificate importanti modificazioni tra loro correlate: retrusione e inferiorizzazione del massiccio del facciale, anteriorizzazione del forame occipitale e spostamento anteriore dei diametri massimi di altezza e larghezza. Mentre i primi due fenomeni rappresentano adattamenti al conseguimento della stazione eretta, il terzo è determinato direttamente dai rimaneggiamenti morfologici che intervengono durante la fase finale di aumento volumetrico delle formazioni encefaliche. Durante il manifestarsi delle suddette modificazioni, la mandibola presenta inizialmente un aumento di volume con successiva fase di gracilizzazione. Esiste, quindi, un'influenza combinata dell'encefalo e dell'apparato masticatorio sulla morfologia cranica dell'uomo. Nelle prime fasi dell'evoluzione lo sviluppo dell'encefalo sembra essere correlato sia all'entità che alle direzioni dello sviluppo del cranio; successivamente le forze che si manifestano durante l'atto masticatorio rivestono un ruolo importante. Modificazioni a carico dell'apparato orale potrebbero essere considerate come il collegamento tra l'assunzione della stazione eretta e l'aumento dimensionale dell'encefalo. Infatti, la riduzione in grandezza dell'apparato masticatorio ha consentito, nell'uomo, il raggiungimento di un maggiore equilibrio del capo sulla colonna vertebrale e un conseguente aumento dimensionale dell'encefalo.

Durante la masticazione, in corrispondenza dei molari, si sviluppano carichi superiori a 60 kg/ cm2, in condizioni di alimentazione normale, con cibi di consistenza elevata (carne). L'origine di tali sollecitazioni si determina a livello dei muscoli masticatori; le forze sono assorbite in gran parte dalla triturazione del materiale masticato, ma è la struttura ossea del cranio che controlla lo scarico di tali forze. Infatti, l'efficienza del cranio nei confronti delle forze che si sviluppano durante la masticazione deve essere considerata in termini di mantenimento di compatibilità delle deformazioni.

Qual è l'architettura di questa macchina complessa?

Il cranio è costituito da un sistema ad archi sovrapposti che garantiscono lo scarico delle forze sviluppate durante la masticazione. Gli archi conferiscono alla struttura elevata resistenza con il minimo dispendio di materiale.

Per definizione un arco è una struttura curva, composta da parti a forma di cuneo a cui si appoggiano due supporti; è quindi una costruzione di tipo isostatico nella quale l'equilibrio deriva da una uguale pressione applicata su entrambi i lati, in corrispondenza di ciascuna sezione; esso è altamente efficiente nei confronti di sollecitazioni compressive. Le costruzioni di archi fatte con un osso compatto mostrano una grande capacità di assorbire la forza compressiva. Nel cranio umano i supporti si trovano in corrispondenza dei denti, mentre le forze di carico si scaricano alla sommità, a livello dell'arco nasale. Quest'ultimo è sormontato da altri due archi, quelli orbitali, al di sopra dei quali si è formato, durante l'evoluzione, per effetto dell'assunzione della stazione eretta e dell'aumento della scatola cranica e del cervello, l'arco frontale. Sono tutti archi isostatici che hanno i supporti in comune. Nel cane invece sono sufficienti due archi, quello palatale e quello nasale, in quanto archi molto lunghi. Nel cranio umano gli archi nasale, orbitale e frontale sono efficienti poiché hanno un rapporto altezza/grandezza a favore dell'altezza.

Per motivi facilmente intuibili, non è possibile effettuare un esperimento tradizionale che possa provare l'efficienza di tali archi, ma le tecniche di simulazione ci permettono di individuare quelli che potrebbero essere gli esperimenti più indicativi.

E' stato effettuato uno studio a mezzo di un modello di simulazione degli effetti che i carichi masticatori manifestano sulla morfologia cranica in termini di suoi adattamenti tesi ad ottenere la massima efficienza della struttura, cioè a conservare le condizioni di equilibrio in presenza di deformazioni, salvaguardando l'integrità degli organi presenti nel cranio.

In base all'ipotesi che il cranio possa essere considerato come un insieme di archi isostatici sovrapposti, è stato costruito un modello di simulazione; esso è composto da segmenti di ellissoide suddivisi con il metodo degli elementi finiti e considerato in base al principio dei lavori virtuali, secondo il quale si possono ottenere con metodo semplice le condizioni di equilibrio tra le forze interne di un sistema elastico e le forze esterne e si possono altresì valutare le deformazioni elastiche subite dal sistema stesso.

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Piano generale della trasmissione e distribuzione nel cranio delle forze che si sviluppano a livello dei denti durante la masticazione. Si mescolano traiettorie orientate dal basso in alto con traiettorie orientate dall'avanti indietro.

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In questa preparazione anatomica il cranio appare sezionato verticalmente in modo da mostrare, in veduta anteriore, una architettura ad archi sovrapposti: palato, naso, orbite, fronte.

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La stessa preparazione anatomica, vista in veduta posteriore, fa apprezzare due cose: la coincidenza dei supporti dei diversi sistemi ad arco e la collocazione dei molari in corrispondenza di tali supporti. Le radici dei molari, efficientissimi cunei, inviano le sollecitazioni meccaniche sia sugli archi palatale e nasale (radice mediale) o verso il sistema di archi orbitali e frontali (radice laterale).

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Una preparazione anatomica del muso di un cane (sezione a livello del dente ferino): sono riconoscibili gli archi palatale e nasale, mentre non appaiono né gli archi orbitali né quello frontale. In questi animali il cervello è piccolo e il muso molto lungo, quindi il sistema di archi palatale e nasale è sufficiente allo scarico delle pur notevoli forze masticatorie di un carnivoro, in virtù della notevole lunghezza del sistema.

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Un dettaglio della situazione nel cane con le radici dei molari con rapporti assolutamente analoghi a quelli riscontrati nel cranio umano, ma riferite ad un sistema a due soli archi.

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