Biomechanika pádu z výšky

Do sféry znaleckého zkoumání stále více pronikají nové vědní obory, které svým předmětem zkoumání zasahují do kriminalistiky a přinášejí jí nové možnosti dekódování informace. Jednou z vědních disciplín, která je schopna objasnit řadu kriminalisticky významných informací, je forenzní biomechanika. To je vědní obor, který aplikuje biomechaniku a biomechanické metody na zkoumání kriminalistických stop s biomechanickým obsahem a dekódování informace z kriminalisticky relevantní události, která vznikla v důsledku pohybové činnosti člověka a která souvisí s vyšetřovanou událostí. Zkoumá a objasňuje ten okruh kriminalistických stop, které mají v sobě obsažen biomechanický obsah, tedy uvedené aplikace podávají informaci o somatu pachatele nebo jeho pohybovém chování.

Forenzní biomechanika stojí svým předmětem zkoumání ve společném průniku biomechaniky a kriminalistiky. Tvůrčím způsobem aplikuje biomechanické metody zkoumání, postupy a způsoby řešení biomechaniky na problematiku kriminalistiky. Studuje a zkoumá pohybový systém a pohybové chování osob, které mají souvislost s trestným činem a zanechaly kriminalistické stopy, které mají v sobě zakódovaný biomechanický obsah.

Z vymezení pojmu je zřejmé, že forenzní biomechanika aplikuje biomechaniku a její metody poznání na dva důležité směry zkoumání, a to:

1. Kriminalistické stopy s biomechanickým obsahem.
2. Kriminalisticky relevantní změny, které vznikly v důsledku mechanické interakce systému člověk-okolí.

Pokud se jedná o praktické aplikace forenzní biomechaniky, na základě dosud získaných zkušeností a literárního srovnávání můžeme uvést následující směry zkoumání, které se principiálně od sebe liší v obsahu vědeckého a gnozeologického přístupu:

1. Posouzení biomechanického obsahu vybraných druhů kriminalistických stop. Dosud nejrozpracovanější je biomechanický obsah trasologických stop, částečně i stop ručního písma.¹⁾ Do této skupiny biomechanických aplikací můžeme zařadit i posouzení mechanického chování organismu osoby pachatele, dále jeho energetický výdaj při spáchání činu a jeho potenciální pohybový výkon z hlediska jeho hraničních limitů pohybových schopností. Principiálně se jedná o odhalení geometrických (tělesná výška), kinematických (rychlost lokomoce, druh lokomoce) a dynamických (tělesná hmotnost pachatele, hmotnost neseného břemene) znaků biomechanického obsahu.
2. Extrémní mechanické zatěžování organismu. Jedná se většinou o situace, kdy útočník napadne oběť úderem pěstí, holí nebo jiným pevným předmětem. Nejčastěji je útok směřován na hlavu oběti. Principiálně je důležité stanovit a kvantifikovat hranici pro přežití při mechanickém extrémním zatížení hlavy oběti.
3. Biomechanické posouzení pádů obětí z výšky, nejčastěji z okna domu. Stává se, že agresor napadne oběť, v úmyslu ji usmrtit ji vyhodí z okna a při vyšetřování se brání tím, že oběť vypadla sama nebo nějakou nešťastnou náhodou. Biomechanická analýza může posoudit otázku, zda osoba vypadla sama, bez cizího zavinění, nebo zda jí byl v okamžiku vypadnutí udělen silový impulz, a tedy ji někdo vyhodil (případně se mohla i odrazit). Jde o posouzení geometrie a kinematiky těžiště těla při pádu jako otevřeného kinematického řetězce.

Je třeba zcela zřetelně konstatovat, že forenzní aplikace biomechaniky jsou vždy záležitostí znaleckého zkoumání a zřejmě nikdy nebudou záležitostí ryze praktického použití přímo na místě činu. Kriminalistický technik a vyšetřovatel nemusejí znát všechny výpočty, je ale třeba, aby věděli, co je nutné na místě činu zajistit, změřit a přesně dokumentovat, a pak musí znát, kde se nalezne adekvátní a relevantní odpověď z oboru forenzní biomechaniky. Tedy je nutné, aby:

• Vyšetřovatel a kriminalistický technik znali možnosti a hranice forenzní biomechaniky, tedy věděli, co může biomechanika objasnit, a znali na koho a s jakou otázkou se mohou obrátit.
• Na místě činu bylo vše velmi podrobně zadokumentováno, zajištěny všechny stopy. Musí se tedy vědět, které stopy, geometrické parametry místa činu a jak přesně je třeba zadokumentovat.

Např. pachatel udeří oběť nějakým předmětem do hlavy a při úderu jí způsobí velmi vážné zranění nebo ji i usmrtí. Pro následné biomechanické posouzení je nutné znát mimo jiné i velikost předmětu, kterým byl útok veden, kde byl pachatelem držen, kde jsou krevní stopy vzniklé úderem, případně zachycené vlasy, vzdálenost od místa držení a úderu, hmotnost předmětu, kterým byl útok veden. Dále je potřeba znát bezprostřední těsné okolí místa činu, z něhož lze vypočítat maximální rozsah nápřahu apod., je nutné co nejpřesněji odhadnout úroveň pohybových schopností potenciálního útočníka. Pak lze stanovit kinematické a dynamické charakteristiky v okamžiku úderu.

Dosud nejrozšířenější experimentálně rozpracované možnosti aplikace forenzní biomechaniky jsou v oblasti biomechanického obsahu trasologických stop. Tyto aplikace jsou na současném stupni poznání již ukončeny a principiálně nelze v těchto aplikacích nic nového odhalit, v dalších výzkumech se budou jen upřesňovat okrajové aplikace tohoto zkoumání.

Další výzkum v oblasti forenzní biomechaniky bude orientován na řešení biomechanická analýzy extrémního dynamického zatěžování organismu, především predikce působících sil, které směřují proti tělu oběti, nejčastěji proti hlavě, a na základě těchto analýz bude možné přesně stanovit kritickou hranici krátkodobě působícího násilí pro přežití nebo dočasného přežití. Dále biomechanická analýza může přispět k řešení pádů oběti z velkých výšek. Podle dekódování přiložených sil, geometrie a kinematiky trajektorie těžiště těla v okamžiku pádu lze posoudit možnost účasti druhé osoby. Výzkum bude také orientován na dořešení dosud nezkoumaných znaků biomechanického obsahu trasologických stop, především stop v disperzním prostředí, různých topografických podmínek a fragmentů trasologických stop.

Smyslem a cílem výzkumů bude dopracovat se takových modelových situací, že podle jejich doporučení bude jednoznačně známé, co je potřeba na místě činu zajistit, změřit, zdokumentovat, aby mohla podle těchto podkladů následovat biomechanická analýza.

Ve svém příspěvku zaměřím dále pozornost na biomechanické řešení problematiky pádů, a to jak pádů z výšky, nebo pádů osoby ze stoje na pevnou podložku. Smyslem a cílem biomechanického řešení této problematiky je určení velikosti mechanického namáhání organismu a výpočet kritické hranice pro smrtelnou destrukci organismu, případně stanovení fyzikálních podmínek krátkodobého přežití, nástup bezvědomí apod. Pro řešení těchto otázek je nutné vymezit základní klasifikaci pádů a definovat některé terminologické problémy úrazů a traumat vznikajících při pádech z výšky a popsat mechanismus poranění při dopadech.

Podle výšky pádu lze pády rozdělit v zásadě do tří skupin:
1. pád ze stoje,
2. pád z výšky,
3. volný pád.

Pád ze stoje vzniká při překlopení těla kolem překlopné hrany, kterou tvoří přímka procházející plochou opory chodidel. V těchto případech padá tělo na plochu břicha nebo zad a pro biomechanickou analýzu je dominantní úder do hlavy a s tím související důsledky.

Pád z výšky vzniká tehdy, nachází-li se tělo na zvýšené podložce, překlopí se kolem překlopné hrany a dochází k pádu. Při pádu se těžiště těla pohybuje po parabole nebo po vertikále. Pád těla je z takové výšky, že po celou dobu pádu se zvyšuje jeho rychlost a odpor vzduchu je možné prakticky zanedbat, jeho velikost je minimální. Pohyb těla je po celou dobu pádu rovnoměrně zrychleným pohybem. Nejčastěji se jedná o pády z oken budov.

Volný pád vzniká tehdy, jestliže tělo člověka padá z velké výšky, tělo se při pádu urychluje a po dosažení své maximální rychlosti naroste odpor vzduchu do takové velikosti, že se vyrovná tíhové síle a dále se tělo pohybuje konstantní rychlostí. Pohyb padajícího těla je nejprve pohybem rovnoměrně zrychleným a od určitého okamžiku je pohybem s konstantní rychlostí. Typickým příkladem volného pádu jsou pády při leteckých katastrofách.²⁾

Podle toho, zda je tělo před vlastním pádem v klidu, nebo pohybu, rozlišujeme:

• pády pasivní - před vlastním pádem je tělo v klidu,
• pády aktivní - v okamžiku pádu je tělo v pohybu, je urychleno přiloženými silami.

Podle toho, zda tělo při pádu rotuje, rozlišujeme pády:

• s rotací,
• bez rotace.

Při dopadu těla z výšky dochází k poranění těla jednak v bezprostředně kontaktních místech těla s podložkou a dále na těch částech těla, kam nesměřoval přímý silový úder (dopad), ale při dokončení pádu vnikne traumatické poškození vzdálenějších míst těla. Při dopadu vzniká primární úder na určitou část těla, poté se může tělo buď odrazit a dopadnout sekundárním dopadem (při volných pádech), nebo se překlápí a dopadá na další části těla, zpravidla na větší plochu těla. Podle nálezu poškození těla rozlišujeme dopady na:

• primární dopad těla,
• sekundární dopad těla.

Proces pádu a následný let člověka (těla) z výšky je dále omezen řadou zákonitostí a má několik etap.

Při pasivním pádu dochází nejprve k překlápění těla kolem oporné hrany bez skluzu a translace. Dále dochází ke skládání pohybu, a to rotace těla a translace, a následuje „zrušení“ kontaktu těla s oporou a následný pád s rotací nebo bez rotace. V případě, že v cestě dalšího pádu stojí nějaké překážky (např. části budov, balkony), dojde k úderu a ke změně dráhy padajícího těla.

Při aktivních pádech je průběh pádu ovlivněn působištěm a orientací vektoru působící síly (umístění do těžiště těla nebo mimo) a dále tím, jakým způsobem je přidáno urychlení.

Při volném pádu může člověk měnit polohu volní a aktivní činností končetin a celého těla.

Od okamžiku odrazu nebo opuštění opory do okamžiku dopadu může padající nabývat několika zásadních poloh, a to

• vertikální - hlavou dolů nebo nohama dolů,
• horizontální - čelem dolů nebo zády dolů,

Při vertikální poloze těla (v době letu) může osoba dopadnout na:

• nohy,
• oblast kolen,
• hlavu,
• sedací část.

Při horizontální poloze těla dopadá tělo na plochu těla, a to:

• přední plochu,
• zadní plochu,
• boční část.

Všechny varianty dopadu se mohou kombinovat. Rozsah poškození těla a jednotlivých tkání je závislý na rychlosti těla v okamžiku dopadu, kontaktní ploše těla a podložky v okamžiku dopadu, charakteru a tvaru dopadové plochy, úhlu dopadu a charakteru tkání, které byly při pádu poškozeny. Síla úderu, která působí na tělo v okamžiku dopadu jako destrukční síla, je prioritně závislá na dopadové rychlosti a hmotnosti těla a následně se na velikosti této síly podílí také čas destrukce, tedy ten časový okamžik, při kterém rychlost těla nabývá nulovou hodnotu. Jestliže člověk je do okamžiku pádu v klidové poloze, pak rychlost jeho pohybu závisí pouze na výšce oporné plochy od místa dopadu a na tíhovém zrychlení. Kinetická energie padajícího těla, z níž lze odvodit sílu úderu, je přímo úměrná hmotnosti těla a výšce pádu.

Na konci první sekundy volného pádu má tělo rychlost 9,81 ms^-1. Experimentálně bylo zjištěno, že ve 12. sekundě má tělo rychlost 65 ms^-1, tj. 216 km/h. Nejvyšší rychlosti při volných pádech, které byly člověkem dosaženy, byly naměřeny sportovcům. V nízkých vrstvách atmosféry dosahují rychlosti 298 km/h (82,7 ms^-1), v nejvyšších výškách byla naměřena fixována nejvyšší rychlost 988 km/h (274 ms^-1).

Deformace a destrukce těla v okamžiku dopadu se neřídí zcela podle zákonů mechaniky a fyziky, lidské tělo je značně elastické, má různý stupeň pružnosti a v těchto důsledcích se snižuje síla úderu a destrukce. Snížení destrukčních sil je způsobeno také tím, že v okamžiku dopadu dochází ke skládání končetin a při dopadu tělo dopadá na dvě nebo více částí.

Nezávisle na druhu pádu vznikají principiálně dva druhy poranění:

• místní (primární),
• vzdálené (sekundární).

Místní (primární, kontaktní) poranění vzniká v místech bezprostředního kontaktu přiložených traumatizujících destrukčních sil v okamžiku dopadu těla na podložku. Sekundární (vzdálená) poranění vznikají následně jako druhotná poranění vzdálená od míst primárních poranění.

Při pádu těla ve vertikální poloze a dopadu na hlavu vzniká primární poranění na hlavě, velmi častá jsou při těchto pádech také poranění rukou. Tělo se obrací kolem hlavy a dopadá na přední, břišní část nebo na záda. Při dopadu na břicho vznikají sekundární poranění na kolenou, břiše a prstech nohou. Při dopadu na záda jsou sekundární poranění na krku, sedací části (kostrči) a na patách.

Při pádu těla ve vertikální poloze a dopadu na chodidla se nacházejí primární poranění v oblasti nohou, chodidel, sekundární poranění je opět závislé na dalším překlopení těla. Při překlopení těla vpřed jsou sekundární poranění na kolenou, loktech a břiše. Při překlopení těla vzad jsou sekundární poranění na sedací části těla, hrudníku a temenní části hlavy.

Při pádu s dopadem na kolena se primární poranění nacházejí na kolenou a přední části nohou.

Pro další biomechanické analýzy jsou nejdůležitější skupinou pády z výšky, u nichž lze pro následné biomechanické posouzení supklasifikovat pády podle schématu na obr.1.

Objektivní řešení otázky výšky a druhu pádu je možné principiálně dvěma způsoby: jednak cestou optimálního matematického modelu a teoretickou simulací trajektorie pádu a pozicí těla při dopadu, jednak experimentováním a simulací pádu s vhodnou figurínou, která bude splňovat vlastnosti lidského těla. Tuto figurínu je možné nechat padat ze vhodné výšky a posuzovat podmínky vlastního pádu a podmínky dopadu. Pro zisk seriózních vědeckých poznatků je optimální srovnávání teoretických simulací s experimentálními údaji pádu biomechanické figuríny.

Při řešení problému modelování biomechaniky pádu se opíráme převážně o teoretické metody, které vedou k syntéze současných poznatků a matematických spekulativních postupů, založených na poznatcích mechaniky aplikovaných na živý systém.

Problematika matematického modelování živých systémů je v poslední době značně aktuální. Modelování je nejčastěji chápáno jako reprodukce některých vybraných vlastností studovaného objektu sestrojeného podle určitých pravidel. Matematický model je sestrojen podle principu matematického modelování, má odlišnou povahu než objekt a jeho chování je popsáno soustavou rovnic, která je totožná se soustavou popisující zkoumané stránky originálu. Sestrojení modelu vyžaduje určitou analogii mezi stránkami a procesy probíhajícími v modelu a objektu. Modelování usnadňuje poznání a analýzu procesů probíhajících v objektivní realitě.

Lidské tělo se při pádu chová jako otevřený kinematický řetězec, pohyb těžiště těla je determinován v okamžiku odrazu. Uvažujeme-li pády z relativně malých výšek, pak se při pádu uplatňují jen ty síly, které byly přiloženy ke hmotné soustavě v okamžiku odpoutání od podložky. Vnější síly mohou působit na padající tělo v těch případech, že by tělo padalo z relativně velkých výšek, tělo pak dosáhne velmi vysoké rychlosti a na tělo začíná v tomto důsledku působit síla odporu vzduchu.

Pro všechny následné úvahy předpokládejme následující mechanické podmínky³⁾ podle obr. 2:

1. Tělo se při pádu chová jako otevřený kinematický řetězec.
2. Těžiště těla se při pádu pohybuje po parabole.
3. Z polohy vstoje do okamžiku ztráty kontaktu (zpravidla horizontální poloha) se tělo pohybuje po kružnici.
4. Na tělo působí jen ty síly, které vznikly v okamžiku odrazu.
5. Pád těla je z relativně malé výšky, a proto sílu odporu vzduchu lze zanedbat.

Označíme podle obr. 3:

    

Lidské tělo má ovšem odlišné mechanické vlastnosti než tuhé fyzikální těleso. Pro pád lidského těla budou sice platit obecné vlastnosti a fyzikální zákony, ale je potřeba je mírně korigovat podle biologických vlastností lidského těla. Proto bude nutné dále provádět modelové experimenty s biomechanickou figurínou, jíž hmotnostní poměry jednotlivých segmentů těla budou shodné s živým tělem.

Analyzujeme-li podrobněji celou situaci pádu těla z výšky, pak při přirozeném, nekoordinovaném pádu se tělo nejprve překlápí kolem osy vpřed a k vlastnímu pádu dochází až v okamžiku, kdy se přeruší kontakt chodidel a místem pádu. Tělo (a tedy i těžiště těla) opisuje v ideálním případě čtvrtkružnici a až se dostane délková osa těla do horizontální polohy, trajektorie těžiště těla se mění na parabolu. V okamžiku nástupu parabolického letu je vzdálenost těžiště těla od svislice pádu zkrácena o vzdálenost těžiště těla od chodidel osoby (L_T). Označíme-li:
L - tělesná výška osoby,
L_T - výška těžiště těla od chodidel,
x - vzdálenost těžiště těla po dopadu od svislice pádu,
y - výška těžiště těla stojící osoby ve stanovené výšce,
pak faktická, lze říci, že redukovaná (x_R) dráha těžiště těla směrem vpřed je

Biomechanická analýza pádu těla z výšky se ve své podstatě řeší pouze na základě vstupních informací, které lze přesně zjistit (nejlépe přesně změřit) na místě činu. Biomechaniku pádu můžeme analyzovat ze dvou zásadních přístupů. Jednak lze stanovit hlavní determinanty před vznikem pádu, jejichž zhodnocením je možno určit typ pádu, a jednak lze dekódovat informace o pádu na základě zajištěných stop po pádu.

Hlavní determinanty před vznikem pádu, které předurčují typ pádu, jsou bod odrazu, úhel odrazu, bod dopadu a výška pádu; jejich zhodnocením je možno určit typ pádu.⁴⁾

Biomechanická analýza pádů umožňuje řešit následující otázky:

1. Byl pád osoby spontánní, bez přiložených vnějších sil, tedy padala osoba bez cizího zavinění, bez vystrčení, případně bez vlastního odrazu?
2. Byl naopak pád způsoben a dopad ovlivněn působením vnějších sil, tedy se osoba buď odrazila, nebo byla vystrčena?
3. Lze přibližně vypočítat velikost přiložené vnější síly v okamžiku ztráty kontaktu?
4. Odpovídá vzdálenost dopadu těla od svislice pravděpodobné výšce pádu?
5. V případě, že se osoba odrazila, je možné orientačně vypočítat velikost vektoru rychlosti odrazu?
6. Lze podle mechanismu pádu a dopadu usuzovat na sebevražedný skok, nebo nešťastnou náhodu, nebo úmyslné vystrčení druhou osobou?

Informace získané z ohledání místa činu vytvářejí nutný a jedinečný základ pro biomechanickou analýzu pádu a určení původních podmínek v okamžiku ztráty kontaktu s místem odrazu, tedy posouzení, zda osoba padala spontánně bez přiložených vnějších sil, nebo byla vystrčena či se odrazila v okamžiku pádu. Na základě literární analýzy, vytvořeného matematického modelu i několika konkrétních případů můžeme vyslovit požadavky nutné k dokumentaci místa nálezu těla pro objektivní biomechanické posuzování pádů z výšky. Pro výpočet trajektorie těžiště je nezbytné získat následující informace:

1. Měření vzdálenosti dopadu těla od svislice pádu - nejkratší vzdálenost, nejdelší vzdálenost.
2. Poloha těla při dopadu - skrčená, vzpřímená.
3. Tělesná výška a hmotnost těla.
4. Úhel délkové osy těla (osa trupu) k základně budovy.
5. Posouzení druhu poranění a intenzity při primárním a sekundárním pádu (posoudí soudní lékař a popíše v pitevním protokolu).
6. 6. Odlet oděvních součástek, především obuvi a pokrývky hlavy - zda při pádu odlétly boty, kde byly nalezeny, kde se nalezla např. čepice atd.
7. Výška předpokládaného pádu, tedy odkud oběť přibližně spadla, tj. například výška okna, parapetu atd.

Všechny zde uvedené úvahy, matematické vzorce a klasifikační kritéria slouží jako vstupní příspěvek pro následné experimenty, které svými výsledky přispějí k objektivizaci znaleckého hodnocení biomechaniky pádů z výšky. Experimentální údaje o mechanickém chování lidského těla při pádu z výšky zatím chybějí, a proto výzkum v tomto směru je velmi žádoucí a aktuální.

Příspěvek analyzuje jednotlivé druhy pádů z výšky a uvádí základní znaky, které ovlivňují biomechaniku pádu. Autor publikuje systematiku pádů, jejich dělení z hlediska biomechaniky. Zaměřuje pozornost pouze na pády z výšky, pro jejichž analýzu je důležitý pohyb těžiště těla. Řešení problému je možné buď matematickým modelováním, nebo experimenty s modelem člověka, tzv. biomechanickou figurínou. V příspěvku je uveden matematický model závislosti výšky pádu a vzdálenosti dopadu těla.

The article makes an analysis of different sorts of falls from high places, and cites the basic marks which affect biomecanics of the fall. The author presents a system of falls and their classification from the point of view of biomecanics. He focuses only on falls from high places where the body centre of gravity movement is important for the analysis. The problem may be solved either through mathematic modelling or experiments with a model of a body, the so-called biomecanic figure. He states a mathematic model of the relationship between the height of the fall and distance of the place where the body lands.

Der Beitrag analysiert die einzelnen Typen des Sturzes und führt die grundlegenden Merkmale an, welche die Biomechanik des Sturzes beeinflussen. Der Autor publiziert die Systematik der Stürze, deren Einteilung vom Standpunkt der Biomechanik aus. Seine Aufmerksamkeit richtet er nur auf den Sturz von Höhe, für dessen Analyse die Bewegung des Schwerpunktes eines Körpers wichtig ist. Das Problem ist entweder mit dem mathematischen Modellieren oder durch Experimente mit einem Modell des Menschen, der sog. biomechanischen Figurin zu lösen. In dem Beitrag ist das mathematische Modell der gegenseitigen Abhängigkeit der Höhe des Sturzes und der Entfernung des Niederfalls angeführt.