بیومکانیک

تهیه کننده : امین هادیان
منبع : راسخون

مفهوم بیومکانیک

بیومکانیک واژه‌ای مرکب از bio به معنی: (زیست و زندگانی) و mechanic به معنی: (افزارگر) یا کارکننده یا ابزار یا به عبارتی تعمیرکار است که به معنی: (توان‌مندی بدنی در جهت نشان دادن هستی چیزهاست.) یا به عبارتی «بیومکانیک» واژه‌ای مرکب، تشکیل یافته از دو کلمة: (بیو) به معنی: طبیعت و )مکانیک( به معنی: عمل و کارکرد یک ماشین است. این واژه در جمع به معنی )طبیعت عمل( است.
می توان بیومکانیک را از دیدگاه هنری نوعی «ریاضت و زیبایی‌شناسی فیزیکی» دانست که سعی دارد تا به طبیعت عمل یا در واقع همان «ریشة چیزها» دست یابد. بیومکانیک یعنی عمل نهفته و خلاصه‌شده برگرفته از هستی «چیزها». هر پدیده‌ای در هستی، یک «چیز» محسوب می‌شود؛ پس می‌توان به کمک تلاشی ریاضت‌گونه و بدنی «چیستی» یا «ماهیت» آن را متجلی کرد. بیومکانیک اعمالی است؛ خلاصه‌شده و در نهایت دقت و کنترل که هدفش «انتقال معنی یک احساس» یا «بیان احساسی نهفته در صحنه» است
تقریباً در اوایل دههُ 70 میلادی، جامعهُ بین المللی واژه "بیو مکانیک" را برای دانش مطالعه سیستم های حیاتی از دید مکانیکی انتخاب نمود. بیو مکانیک از ابزار مکانیک برای مطالعات آناتومیکی و بررسی کارکرد اندام حیاتی استفاده می کند. این علم طیف گسترده ای را از مطالعه تئوری تا کاربردهای عملی می پوشاند.
مطالعه کامل مکانیک شامل دو موضوع اساسی می باشد: استاتیک، که مطالعه اجسامی است که، در اثر نیرویی که بر آن ها ااعمال می شود، در حال سکونی یا وضعیت تعادل باقی می‌مانند و دینامیک، که مطالعه اجسام متحرک است. دینامیک را به نوبه خود می توان به زیر گروه های سینماتیک و سینتیک تقسیم بندی نمود. سینماتیک را می توان علم حرکت نامید، زیرا ااین علم، در مورد روابطی بحث می کند که مابین جابجایی ها، سرعت ها و شتاب ها در حرکت انتقالی و دورانی وجود دارند. این علم با نیروهای درگیر کاری ندارد بلکه فقط به توصیف حرکت ناشی از آن ها می پردازد. سینتیک در مورد اجسام متحرک و نیروهایی بحث می کند که عمل می نمایند تا ایجاد حرکت کنند . برای روشن شدن این مطلب که مطالب مکانیکی فوق را چگونه در مورد بیومکانیک به کار می بریم، می توان به مورد زیر اشاره کرد:
Dillman (1971)، سینماتیک و سینتیک حرکت تاب خوردن پا را در طول دویدن، مطالعه کرد. در حالی که، plangenthoef (1968)روش مطالعه دینامیک را با استفاده از یک کامپیوتر پیشنهاد نمود.
در رابطه با تکنیکها ومهارتهای ورزشی ، بیو مکانیک باین شرح تعریف می شود:
بیو مکانیک علمی است که با بکارگیری قوانین فیزیک و مکانیک در حرکات ورزشی و فعالیت های روزمره انسان تجزیه و تحلیل عمل و عکس العمل نیروهای داخل و خارجی وتاثیرات نهایی این نیروها بر بدن انسان صحبت می کند.

تاریخچه بیومکانیک

با وجود آنکه بیومکانیک از لحاظ انجمن های رسمی بین المللی دانش نوینی به حساب می آید اما تاریخچه پیدایش و ادامه حیات آن چیز دیگری را نشان می دهد:
در بررسی هایی که در مطالعات ارسطو در قرن 14 پیش از میلاد صورت گرفته است، مشخص شده که وی قصد داشته تا با استفاده از تحلیل های هندسی، کارکرد ماهیچه ها را در تولید حرکت حیوانات توصیف کند.
حدود 2000 سال بعد، لئوناردو داوینچی (1519-1425 بعد از میلاد) در نقاشی های آناتومیکی معروفش، مکانیک ایستادن، راه رفتن و پریدن را تشریح کرد و گالیله(1643-1564بعد از میلاد) حدود صد سال بعد اولین تلاش ها را برای آنالیز ریاضی کارکردهای فیزیولوژیکی انجام داد. به خاطر تلاش های پیشگامانهwilliam Harvey
(1657-1578 بعد از میلاد) در تعریف آناتومیکی سیرکولاسیون خون در بدن، او را پدر مکانیک سیالات زیستی(biofluid) مدرن می دانند. Alfonso Borelli را نیز به خاطر فعالیت های گسترده اش در زمینه تفسیر و توضیح نیروهایی که توسط ماهیچه تولید می شود، نقش استخوان ها به عنوان محور و ارتباط تنگاتنگ سیستم استخوانی با ماهیچه ها، پدر مکانیک جامدات زیستی (biosolid) قلمداد می کنند.
از اولین متونی که به بررسی کمی بیومکانیک راه رفتن و آنالیز گیت (gait) می پرداخت، می توان به کتابDe Muto Animalum نوشت? Borelli اشاره کرد. وی شاگرد گالیله بود و در کارهایش از نتایجی که گالیله در مطالعات خود به دست آورده بود برای پیشبرد اهدافش در زمینه مطالعه بیومکانیک استفاده نمود.
کارهای این پیشگامان در زمینه بیومکانیک توسط افراد بزرگی نظیر Isaac Newoton(1727-1642بعد از میلاد)
، Danie Bernoulli(1782-1700بعداز میلاد)، Poiseuille Jean.L.M(1869-1799بعد از میلاد)
، Thomas Young(1829-1773بعد از میلاد) وبسیاری دیگر پیگیری شد. بررسی تمام فعالیت ها و اقدامات این افراد در زمینه بیومکانیک نیاز به فضایی بسیار زیاد برای توضیح دارد که در این بحث نمی گنجد.

بیومکانیک در زمینه های مختلف

بیو مکانیک در پزشکی

بیومکانیک به استفاده از مکانیک کلاسیک در زمینه های مهندسی پزشکی و بررسی حرکت تغییرات مواد جریان های درون بدن و طرح آنها و انتقال مواد شیمیایی در محیط می پردازد
پیشرفت در این شاخه به ساخت قلب مصنوعی ، دریچه های قلب ، مفاصل مصنوعی درک بهتر از عملیات و کارکرد قلب ، ریه ، شریان ها ،مویرگ ها ،استخوان ها ،غضروف ها ،تاندون ها، دیسکهای بین مهره ای و پیوندهای سیستم اسکلتی-عضلانی بدن شده است.

بیومکانیک در ورزش

راه رفتن بیومکانیک

مطالعه سینماتیک راه رفتن انسان به کوشش ناظر متخصص و با تجربه و به کمک ابزارهای تحلیل حرکت ،بیومکانیک راه رفتن نامیده می شود . تحلیل حرکت های بدن، فعالیت های ماهیچه ای و خصوصیات مکنیکی بدن در حین راه رفتن زیر مجموعه های این مبحث دانسته می شوند .
ابزاری که امروزه درخدمت ورزش است لزوما برای بیومکانیک ورزش ساخته و پرداخته نشده است. از این ابزارها در اصل در بیمارستان ها و کلینیک ها ( مثلا در آنا لیز راه رفتن معلولان و بیماران ) استفاده می شود.
توپ

تولید غیر استاندارد ابزار نه تنها با عملکرد غیر استاندارد آن ابزار همراه است بلکه غالبا صدمات و جراحاتی نیز در پی می آورد. بهره برداری نامناسب از فناوری های موجود جهانی در شاخت توپ فوتبال یکی از نمونه های ملموس این کمبود است.
در برخی از تولیدات تغییر شکل توپ بدون محاسبه است زیرا از علم و فناوری کافی در تولید این محصول استفاده نمی شود .
عواملی مانند جنس نخ توپ نوع لایه های داخلی و خارجی و ابعاد و وزن توپ در بهبود کارایی آن مو ثرند. شناسایی این عوامل و درک تاثیر هر یک از آنها از نظر فنی و مهندسی در عملکرد صحیح این ابزار دارای اهمیت است.
تنیس
بخش های مختلف هر ضربه با اصول بیو مکانیک ارتباط دارند بگونه ای که به درک بهتر نحوه آماده شدن برای حرکات سوئینگ به عقب، سوئینگ به جلو، تماس و فالو تروو کمک می کند .
_آمادگی و سوئینگ (تاب) به عقب
_آمادگی و سوئینگ (تاب) رو به عقب (حرکت رو به توپ)
_آمادگی و سوئینگ (تاب) رو به جلو
_لحظه تماس
_ ادامه حرکت راکت فالو تروو
برخی از مهمترین کاربردهای بیومکانیک در تنیس :
_از اصول بیو مکانیک برای درک بهتر تکنیک های موثر و تشخیص اشکالات و تصحیح آنها استفاده کنید.
_ در تنیس تعادل در حرکت ضروری است . بازیکن باید بیاموزد که سر و بالاتنه باید در هنگام زدن ضربه ثابت باشد .
_آغاز همه ضربه ها با خم کردن زانوان و وارد آوردن فشار به زمین همراه است بنابراین بازیکن باید بیاموزد که زانوان خود را به نحو موثری خم کند .
_برای افزایش قدرت ضربات زمینی، در طی آماده شده برای زدن ضربه ، آرنج ها باید نزدیک بدن باقی بمانند .
_به منظور حداکثر ساختن قدرت، بهبود کنترل، به تاخیر انداختن بروز خستگی و جلوگیری از بروز آسیب، بازیکن باید به استفاده موثر از زنجیره هماهنگی توجه داشته باشد و ...
چرخه دو

دو چرخه ابزار پیشرفته مکانیکی است که که اجزای آن پس از تجزیه و تحلیل متخصصان طراحی و ساخته می شود.تغییرات شکل کلاه دوچرخه سواران در چند دهه گذشته یکی از نمونه های شاخص کاربرد علوم فنی و مهندسی در ورزش است.تغییرات در طراحی این کلاه ها نتیجه بررسی مستمر در دو زمینه ی ایمن بودن و شکل آیرودینامیکیشان است . در طراحی و ساخت کلاه دو چرخه سوار عواملی مانند وزن ابعاد جنس و یژگى های ایرو دینامیکی کلاه در نظر گرفته می شود. به همین ترتیب کو چکترین اجزای این وسیله ی پیچیده همواره در دست تغییر و باز نگریست .
شنا

در رقابت های بین المللی شنا اختلاف زمان یک دهم ثانیه هم می تواند مشخص کننده تمایز نفرات اول و هشتم باشد . همچنین بر اساس پژوهش های به عمل آمده بهترین شناگران کسانی اند که استارت های کار آمد تری در شروع مسابقه دارند . هدف اصلی تحقیقاتی که در این زمینه صورت گرفته است مشخص کردن کارآمدترین استارت از میان استارت های مورد نظر است تا شناگر بتواند با استفاده از استارت بهینه زمان کمتری صرف کند و رکورد بهتری به ثبت رسند. در استارت های چنگی و تکنیک چنگی داخل دارای زمان بهتری نسبت به چنگی خارج( در حدود02/0 ثانیه) است . این برتری به علت زمان کمتر سکو در تکنیک چنگی داخل (در حدود 09/0 ثانیه) نسبت به چنگی خارج است و تکنیک چنگی خارج دارای برتری زمانی 01/0 ثانیه برای پرواز و 06/0 ثانیه برای سرخوردن نسبت به چنگی داخل است.
در مجموع تکنیک چنگی داخل به اندازه ی 02/0 ثانیه بهتر از چنگی خارج عمل می کند .
وزنه برداری

بیومکانیک با در نظر گرفتن آناتومی بدن و محل اتصال بین عضلات، به محاسبه نیروهای وارد بر عضلات در دو حالت استاتیک و دینامیک پرداخته و بدین وسیله ضریب ایمنی، حد تحمل و توان عضلات ورزشکاران را مورد بررسی قرار می دهد. این در حالی است که می-تواند از خسارات ناشی از اعمال نیروی زیاد و غیر مجاز نیز جلوگیری کند.
به گزارش پورتال علمی تخصصی دانش پژوهان ورزش که نیروهای وارده بر عضلات بایسپس و ترایسپس را در حرکت یک ضرب و دو ضرب ورزشکاران رشته وزنه برداری مورد بررسی قرار دادند. در این تحلیل دو بعدی، پارامترهای سینماتیکی یک طرفه اندام تحتانی در 5 فاز حرکت 1) شروع حرکت (وزنه روی زمین) 2) کشیدن وزنه 3) وزنه در ناحیه سر 4) پائین آوردن لحظه ای وزنه 5) بالا رفتن و ارتفاع گرفتن وزنه، از سه مارکر مشخص در مرکز مفاصل مچ، آرنج و شانه استفاده و سپس تصویربرداری در صفحه فرونتال انجام شد. با استفاده از تغییر مختصات مارکرها، اطلاعاتی در مورد سرعت و شتاب نشانگرها، طول عضو و زاویه قرارگیری آن در لحظات مورد نیاز و سرعت و شتاب زاویه ای عضو بدست آمد. سپس با استفاده از پارامترهای موجود و مقادیر استخراج شده از جدول آنتروپومتری، نیروها و گشتاورهای وارد بر عضلات محسابه شد. نتایج تحقیق پژوهشگران نشان داد که مقادیر نیرو در حالت استاتیک بسیار بیشتر از حالت دینامیک و نیروی عضله بایسپس بیشتر از ترایسپس بود. این امر نشان دهنده بیشتر بودن ریسک خطر در عضله ترایسپس ورزشکاران رشته وزنه برداری می باشد. ضمن اینکه بیشترین نیروی اعمالی به عضله بایسپس در حالت دینامیک طی فاز چهارم و مرحله ای که وزنه به سمت پائین حرکت می-کند می باشد.
تجهیزات تست های بیومکانیکی عبارتند از:
1- صفحه نیروسنج (Force Plate )
2- سیستم آنالیز حرکت ( Motion Analysis )
3- دستگاه الکترومایوگرافی ( EMG )

سیستم تحلیل حرکت:

این سیستم برای اندازه گیری اطلاعات سینماتیکی حرکت به کار می رود. این اطلاعات شامل جابه جایی، سرعت و شتاب های خطی و زاویه ای می شود. سیستم یادشده دارای دو بخش نرم افزاری و سخت افزاری است. بخش سخت افزاری دربرگیرندة فریم کالیبراسیون، دوربین ها و نشانگرها (markers ) است.
با استفاده از این سیستم می توان حرکت را در دو بعد (با استفاده از یک دوربین) یا سه بعد (با استفاده از دو دوربین یا بیش تر) تجزیه و تحلیل کرد. گفتنی است که دوربین های آنالیز حرکت دارای قابلیت تصویربرداری تا نرخ 1000 هرتز (1000 فریم در ثانیه) هستند.
مراحل کار با سیستم های ساخت کارخانجات مختلف، متفاوت است ولی به طور کلی مراحل کار در آزمون آنالیز حرکت از قرار زیر است:
پس از تنظیم مکان دوربین ها، نخستین مرحله در تست آنالیز حرکت، مرحلة کالیبراسیون است. در این مرحله، از فریم کالیبراسیون (شکل زیر) تصویربرداری صورت می گیرد و به این وسیله، مشخصات مکانِ آزمون تعیین می شود.

پس از این مرحله، بر روی مفاصل مورد نظر نشانگر نصب می شود. جایگزینی مکان دقیق نشانگر، مستلزم کسب تجربه است.

پس از قرارگیری نشانگرها بر روی مفاصل، از حرکت ورزشکار با دوربین هایی با سرعت بالا فیلمبرداری می شود. سپس بر روی تصاویر فرآیندهای ویدئویی صورت می گیرد و تصاویر نهایی به نرم افزار تحلیل حرکت وارد می شوند. این نرم افزار با دنبال کردن نشانگرها، اطلاعات سینماتیک حرکت را استخراج می کند.

سکوی نیرو:

سکوی نیرو تعامل نیرویی فرد با زمین را اندازه گیری و ثبت می کند.

این دستگاه با توجه به نیروهای اعمالی بر صفحه آن، نیرو را به سه راستای عمود بر هم Fx، Fy و Fz ، تجزیه می‌کند. علاوه بر این سه خروجی، به کمک نرم‌افزار می‌توان مقادیر زیر را نیز اندازه‌گیری کرد:
- گشتاورها در حول محورهای Z,Y,X
- مراکز فشار ax و ay
- ضرایب اصطکاک
دستگاه الکترومایوگرافی (EMG ):
این دستگاه فعالیت الکتریکی عضلات را اندازه گیری و ثبت می کند.

الکترودهای این دستگاه بر دو نوع سوزنی و سطحی می باشند. تصویر این دو نوع الکترود در زیر آمده است:

فعالیت های ماهیچه ای در حین انجام حرکات ورزشی توسط این دستگاه قابل اندازه گیری هستند. این دستگاه ها غالباً دارای 4 یا 8 کانال اندازه گیری می باشند.

منابع:

bme.mshdiau.ac.ir
www.daneshnameh.roshd.ir
bme.aut.ac.ir
www.iricap.com/magentry.asp
www.academist.ir
معرفی بیومکانیک و مهندسی ورزش ( دکتر احمد رضا عرشی و مهندس الهام شیرزاد)