مفهوم بيومکانيک

بيومكانيك واژه‌اي مركب از bio به معني: (زيست و زندگاني) و mechanic به معني: (افزارگر) يا كاركننده يا ابزار يا به عبارتي تعميركار است كه به معني: (توان‌مندي بدني در جهت نشان دادن هستي چيزهاست.) يا به عبارتي «بيومكانيك» واژه‌اي مركب، تشكيل يافته از دو كلمة: (بيو) به معني: طبيعت و )مكانيك( به معني: عمل و كاركرد يك ماشين است. اين واژه در جمع به معني )طبيعت عمل( است.
مي توان بيومكانيك را از ديدگاه هنري نوعي «رياضت و زيبايي‌شناسي فيزيكي» دانست كه سعي دارد تا به طبيعت عمل يا در واقع همان «ريشة چيزها» دست يابد. بيومكانيك يعني عمل نهفته و خلاصه‌شده برگرفته از هستي «چيزها». هر پديده‌اي در هستي، يك «چيز» محسوب مي‌شود؛ پس مي‌توان به كمك تلاشي رياضت‌گونه و بدني «چيستي» يا «ماهيت» آن را متجلي كرد. بيومكانيك اعمالي است؛ خلاصه‌شده و در نهايت دقت و كنترل كه هدفش «انتقال معني يك احساس» يا «بيان احساسي نهفته در صحنه» است
تقريباً در اوايل دههُ 70 ميلادي، جامعهُ بين المللي واژه "بيو مکانيک" را براي دانش مطالعه سيستم هاي حياتي از ديد مکانيکي انتخاب نمود. بيو مکانيک از ابزار مکانيک براي مطالعات آناتوميکي و بررسي کارکرد اندام حياتي استفاده مي کند. اين علم طيف گسترده اي را از مطالعه تئوري تا کاربردهاي عملي مي پوشاند.
مطالعه کامل مکانيک شامل دو موضوع اساسي مي باشد: استاتيک، که مطالعه اجسامي است که، در اثر نيرويي که بر آن ها ااعمال مي شود، در حال سکوني يا وضعيت تعادل باقي مي‌مانند و ديناميک، که مطالعه اجسام متحرک است. ديناميک را به نوبه خود مي توان به زير گروه هاي سينماتيک و سينتيک تقسيم بندي نمود. سينماتيک را مي توان علم حرکت ناميد، زيرا ااين علم، در مورد روابطي بحث مي کند که مابين جابجايي ها، سرعت ها و شتاب ها در حرکت انتقالي و دوراني وجود دارند. اين علم با نيروهاي درگير کاري ندارد بلکه فقط به توصيف حرکت ناشي از آن ها مي پردازد. سينتيک در مورد اجسام متحرک و نيروهايي بحث مي کند که عمل مي نمايند تا ايجاد حرکت کنند . براي روشن شدن اين مطلب که مطالب مکانيکي فوق را چگونه در مورد بيومکانيک به کار مي بريم، مي توان به مورد زير اشاره کرد:
Dillman (1971)، سينماتيک و سينتيک حرکت تاب خوردن پا را در طول دويدن، مطالعه کرد. در حالي که، plangenthoef (1968)روش مطالعه ديناميک را با استفاده از يک کامپيوتر پيشنهاد نمود.
در رابطه با تکنيکها ومهارتهاي ورزشي ، بيو مکانيک باين شرح تعريف مي شود:
بيو مکانيک علمي است که با بکارگيري قوانين فيزيک و مکانيک در حرکات ورزشي و فعاليت هاي روزمره انسان تجزيه و تحليل عمل و عکس العمل نيروهاي داخل و خارجي وتاثيرات نهايي اين نيروها بر بدن انسان صحبت مي کند.

تاريخچه بيومکانيک

با وجود آنکه بيومکانيک از لحاظ انجمن هاي رسمي بين المللي دانش نويني به حساب مي آيد اما تاريخچه پيدايش و ادامه حيات آن چيز ديگري را نشان مي دهد:
در بررسي هايي که در مطالعات ارسطو در قرن 14 پيش از ميلاد صورت گرفته است، مشخص شده که وي قصد داشته تا با استفاده از تحليل هاي هندسي، کارکرد ماهيچه ها را در توليد حرکت حيوانات توصيف کند.
حدود 2000 سال بعد، لئوناردو داوينچي (1519-1425 بعد از ميلاد) در نقاشي هاي آناتوميکي معروفش، مکانيک ايستادن، راه رفتن و پريدن را تشريح کرد و گاليله(1643-1564بعد از ميلاد) حدود صد سال بعد اولين تلاش ها را براي آناليز رياضي کارکردهاي فيزيولوژيکي انجام داد. به خاطر تلاش هاي پيشگامانهwilliam Harvey
(1657-1578 بعد از ميلاد) در تعريف آناتوميکي سيرکولاسيون خون در بدن، او را پدر مكانيك سيالات زيستي(biofluid) مدرن مي دانند. Alfonso Borelli را نيز به خاطر فعاليت هاي گسترده اش در زمينه تفسير و توضيح نيروهايي که توسط ماهيچه توليد مي شود، نقش استخوان ها به عنوان محور و ارتباط تنگاتنگ سيستم استخواني با ماهيچه ها، پدر مکانيک جامدات زيستي (biosolid) قلمداد مي کنند.
از اولين متوني كه به بررسي كمي بيومكانيك راه رفتن و آناليز گيت (gait) مي پرداخت، مي توان به كتابDe Muto Animalum نوشت? Borelli اشاره كرد. وي شاگرد گاليله بود و در كارهايش از نتايجي كه گاليله در مطالعات خود به دست آورده بود براي پيشبرد اهدافش در زمينه مطالعه بيومكانيك استفاده نمود.
كارهاي اين پيشگامان در زمينه بيومكانيك توسط افراد بزرگي نظير Isaac Newoton(1727-1642بعد از ميلاد)
، Danie Bernoulli(1782-1700بعداز ميلاد)، Poiseuille Jean.L.M(1869-1799بعد از ميلاد)
، Thomas Young(1829-1773بعد از ميلاد) وبسياري ديگر پيگيري شد. بررسي تمام فعاليت ها و اقدامات اين افراد در زمينه بيومكانيك نياز به فضايي بسيار زياد براي توضيح دارد كه در اين بحث نمي گنجد.

بيومکانيک در زمينه هاي مختلف

بيو مکانيک در پزشکي

بيومکانيک به استفاده از مکانيک کلاسيک در زمينه هاي مهندسي پزشکي و بررسي حرکت تغييرات مواد جريان هاي درون بدن و طرح آنها و انتقال مواد شيميايي در محيط مي پردازد
پيشرفت در اين شاخه به ساخت قلب مصنوعي ، دريچه هاي قلب ، مفاصل مصنوعي درک بهتر از عمليات و کارکرد قلب ، ريه ، شريان ها ،مويرگ ها ،استخوان ها ،غضروف ها ،تاندون ها، ديسکهاي بين مهره اي و پيوندهاي سيستم اسکلتي-عضلاني بدن شده است.

بيومکانيک در ورزش

راه رفتن بيومكانيك

مطالعه سينماتيک راه رفتن انسان به کوشش ناظر متخصص و با تجربه و به کمک ابزارهاي تحليل حرکت ،بيومکانيک راه رفتن ناميده مي شود . تحليل حرکت هاي بدن، فعاليت هاي ماهيچه اي و خصوصيات مکنيکي بدن در حين راه رفتن زير مجموعه هاي اين مبحث دانسته مي شوند .
ابزاري که امروزه درخدمت ورزش است لزوما براي بيومکانيک ورزش ساخته و پرداخته نشده است. از اين ابزارها در اصل در بيمارستان ها و کلينيک ها ( مثلا در آنا ليز راه رفتن معلولان و بيماران ) استفاده مي شود.
توپ

توليد غير استاندارد ابزار نه تنها با عملکرد غير استاندارد آن ابزار همراه است بلکه غالبا صدمات و جراحاتي نيز در پي مي آورد. بهره برداري نامناسب از فناوري هاي موجود جهاني در شاخت توپ فوتبال يکي از نمونه هاي ملموس اين کمبود است.
در برخي از توليدات تغيير شکل توپ بدون محاسبه است زيرا از علم و فناوري کافي در توليد اين محصول استفاده نمي شود .
عواملي مانند جنس نخ توپ نوع لايه هاي داخلي و خارجي و ابعاد و وزن توپ در بهبود کارايي آن مو ثرند. شناسايي اين عوامل و درک تاثير هر يک از آنها از نظر فني و مهندسي در عملکرد صحيح اين ابزار داراي اهميت است.
تنيس
بخش هاي مختلف هر ضربه با اصول بيو مکانيک ارتباط دارند بگونه اي که به درک بهتر نحوه آماده شدن براي حرکات سوئينگ به عقب، سوئينگ به جلو، تماس و فالو تروو کمک مي کند .
_آمادگي و سوئينگ (تاب) به عقب
_آمادگي و سوئينگ (تاب) رو به عقب (حرکت رو به توپ)
_آمادگي و سوئينگ (تاب) رو به جلو
_لحظه تماس
_ ادامه حرکت راکت فالو تروو
برخي از مهمترين کاربردهاي بيومکانيک در تنيس :
_از اصول بيو مکانيک براي درک بهتر تکنيک هاي موثر و تشخيص اشکالات و تصحيح آنها استفاده کنيد.
_ در تنيس تعادل در حرکت ضروري است . بازيکن بايد بياموزد که سر و بالاتنه بايد در هنگام زدن ضربه ثابت باشد .
_آغاز همه ضربه ها با خم کردن زانوان و وارد آوردن فشار به زمين همراه است بنابراين بازيکن بايد بياموزد که زانوان خود را به نحو موثري خم کند .
_براي افزايش قدرت ضربات زميني، در طي آماده شده براي زدن ضربه ، آرنج ها بايد نزديک بدن باقي بمانند .
_به منظور حداکثر ساختن قدرت، بهبود کنترل، به تاخير انداختن بروز خستگي و جلوگيري از بروز آسيب، بازيکن بايد به استفاده موثر از زنجيره هماهنگي توجه داشته باشد و ...
چرخه دو

دو چرخه ابزار پيشرفته مکانيکي است که که اجزاي آن پس از تجزيه و تحليل متخصصان طراحي و ساخته مي شود.تغييرات شکل کلاه دوچرخه سواران در چند دهه گذشته يکي از نمونه هاي شاخص کاربرد علوم فني و مهندسي در ورزش است.تغييرات در طراحي اين کلاه ها نتيجه بررسي مستمر در دو زمينه ي ايمن بودن و شکل آيروديناميکيشان است . در طراحي و ساخت کلاه دو چرخه سوار عواملي مانند وزن ابعاد جنس و يژگى هاي ايرو ديناميکي کلاه در نظر گرفته مي شود. به همين ترتيب کو چکترين اجزاي اين وسيله ي پيچيده همواره در دست تغيير و باز نگريست .
شنا

در رقابت هاي بين المللي شنا اختلاف زمان يک دهم ثانيه هم مي تواند مشخص کننده تمايز نفرات اول و هشتم باشد . همچنين بر اساس پژوهش هاي به عمل آمده بهترين شناگران کساني اند که استارت هاي کار آمد تري در شروع مسابقه دارند . هدف اصلي تحقيقاتي که در اين زمينه صورت گرفته است مشخص کردن کارآمدترين استارت از ميان استارت هاي مورد نظر است تا شناگر بتواند با استفاده از استارت بهينه زمان کمتري صرف کند و رکورد بهتري به ثبت رسند. در استارت هاي چنگي و تکنيک چنگي داخل داراي زمان بهتري نسبت به چنگي خارج( در حدود02/0 ثانيه) است . اين برتري به علت زمان کمتر سکو در تکنيک چنگي داخل (در حدود 09/0 ثانيه) نسبت به چنگي خارج است و تکنيک چنگي خارج داراي برتري زماني 01/0 ثانيه براي پرواز و 06/0 ثانيه براي سرخوردن نسبت به چنگي داخل است.
در مجموع تکنيک چنگي داخل به اندازه ي 02/0 ثانيه بهتر از چنگي خارج عمل مي کند .
وزنه برداري

بيومکانيک با در نظر گرفتن آناتومي بدن و محل اتصال بين عضلات، به محاسبه نيروهاي وارد بر عضلات در دو حالت استاتيک و ديناميک پرداخته و بدين وسيله ضريب ايمني، حد تحمل و توان عضلات ورزشکاران را مورد بررسي قرار مي دهد. اين در حالي است که مي-تواند از خسارات ناشي از اعمال نيروي زياد و غير مجاز نيز جلوگيري کند.
به گزارش پورتال علمي تخصصي دانش پژوهان ورزش که نيروهاي وارده بر عضلات بايسپس و ترايسپس را در حرکت يک ضرب و دو ضرب ورزشکاران رشته وزنه برداري مورد بررسي قرار دادند. در اين تحليل دو بعدي، پارامترهاي سينماتيکي يک طرفه اندام تحتاني در 5 فاز حرکت 1) شروع حرکت (وزنه روي زمين) 2) کشيدن وزنه 3) وزنه در ناحيه سر 4) پائين آوردن لحظه اي وزنه 5) بالا رفتن و ارتفاع گرفتن وزنه، از سه مارکر مشخص در مرکز مفاصل مچ، آرنج و شانه استفاده و سپس تصويربرداري در صفحه فرونتال انجام شد. با استفاده از تغيير مختصات مارکرها، اطلاعاتي در مورد سرعت و شتاب نشانگرها، طول عضو و زاويه قرارگيري آن در لحظات مورد نياز و سرعت و شتاب زاويه اي عضو بدست آمد. سپس با استفاده از پارامترهاي موجود و مقادير استخراج شده از جدول آنتروپومتري، نيروها و گشتاورهاي وارد بر عضلات محسابه شد. نتايج تحقيق پژوهشگران نشان داد که مقادير نيرو در حالت استاتيک بسيار بيشتر از حالت ديناميک و نيروي عضله بايسپس بيشتر از ترايسپس بود. اين امر نشان دهنده بيشتر بودن ريسک خطر در عضله ترايسپس ورزشکاران رشته وزنه برداري مي باشد. ضمن اينکه بيشترين نيروي اعمالي به عضله بايسپس در حالت ديناميک طي فاز چهارم و مرحله اي که وزنه به سمت پائين حرکت مي-کند مي باشد.
تجهيزات تست هاي بيومكانيكي عبارتند از:
1- صفحه نيروسنج (Force Plate )
2- سيستم آناليز حركت ( Motion Analysis )
3- دستگاه الكترومايوگرافي ( EMG )

سيستم تحليل حركت:

اين سيستم براي اندازه گيري اطلاعات سينماتيکي حرکت به کار مي رود. اين اطلاعات شامل جابه جايي، سرعت و شتاب هاي خطي و زاويه اي مي شود. سيستم يادشده داراي دو بخش نرم افزاري و سخت افزاري است. بخش سخت افزاري دربرگيرندة فريم کاليبراسيون، دوربين ها و نشانگرها (markers ) است.
با استفاده از اين سيستم مي توان حرکت را در دو بعد (با استفاده از يک دوربين) يا سه بعد (با استفاده از دو دوربين يا بيش تر) تجزيه و تحليل کرد. گفتني است که دوربين هاي آناليز حرکت داراي قابليت تصويربرداري تا نرخ 1000 هرتز (1000 فريم در ثانيه) هستند.
مراحل کار با سيستم هاي ساخت کارخانجات مختلف، متفاوت است ولي به طور کلي مراحل کار در آزمون آناليز حرکت از قرار زير است:
پس از تنظيم مکان دوربين ها، نخستين مرحله در تست آناليز حرکت، مرحلة کاليبراسيون است. در اين مرحله، از فريم کاليبراسيون (شکل زير) تصويربرداري صورت مي گيرد و به اين وسيله، مشخصات مکانِ آزمون تعيين مي شود.

پس از اين مرحله، بر روي مفاصل مورد نظر نشانگر نصب مي شود. جايگزيني مکان دقيق نشانگر، مستلزم کسب تجربه است.

پس از قرارگيري نشانگرها بر روي مفاصل، از حرکت ورزشکار با دوربين هايي با سرعت بالا فيلمبرداري مي شود. سپس بر روي تصاوير فرآيندهاي ويدئويي صورت مي گيرد و تصاوير نهايي به نرم افزار تحليل حرکت وارد مي شوند. اين نرم افزار با دنبال کردن نشانگرها، اطلاعات سينماتيک حرکت را استخراج مي کند.

سکوي نيرو:

سکوي نيرو تعامل نيرويي فرد با زمين را اندازه گيري و ثبت مي کند.

اين دستگاه با توجه به نيروهاي اعمالي بر صفحه آن، نيرو را به سه راستاي عمود بر هم Fx، Fy و Fz ، تجزيه مي‌کند. علاوه بر اين سه خروجي، به كمك نرم‌افزار مي‌توان مقادير زير را نيز اندازه‌گيري کرد:
- گشتاورها در حول محورهاي Z,Y,X
- مراكز فشار ax و ay
- ضرايب اصطكاك
دستگاه الکترومايوگرافي (EMG ):
اين دستگاه فعاليت الکتريکي عضلات را اندازه گيري و ثبت مي کند.

الکترودهاي اين دستگاه بر دو نوع سوزني و سطحي مي باشند. تصوير اين دو نوع الکترود در زير آمده است:

فعاليت هاي ماهيچه اي در حين انجام حرکات ورزشي توسط اين دستگاه قابل اندازه گيري هستند. اين دستگاه ها غالباً داراي 4 يا 8 کانال اندازه گيري مي باشند.

منابع:

bme.mshdiau.ac.ir
www.daneshnameh.roshd.ir
bme.aut.ac.ir
www.iricap.com/magentry.asp
www.academist.ir
معرفي بيومکانيک و مهندسي ورزش ( دکتر احمد رضا عرشي و مهندس الهام شيرزاد)

/س