بیومکانیک نظری

 

بیومکانیزم ها پایه ای برای توسعۀ بیومکانیک حرکات بدنی

و.ن. سلویانوف؛ آ.آ. شالمانوف؛ آند برخانم؛ ک.آ. آننکوف؛ آ.و. گریگورینکو

آکادمی دولتی فرهنگ بدنی روسیه

مترجم: سعید قائینی، استادیار دانشگاه کردستان

بیومکانیک حرکات بدنی در دهه 80-70 قرن بیستم به دلیل استقرار فناوری رایانه ای، مدل سازی ریاضی، تجهیزات دقیق برای اندازه گیری ویژگی های حرکتی و دینامیکی، الکترومیوگرافی و … رشد چشمگیری پیدا کرد. پیشرفت پرشتاب علم بیومکانیک در دهۀ 1990 اگرچه پژوهش های تجربی بیشماری را در پی داشت اما مطالعات نظری مهمی انجام نشد. در این دوره، شاهد چاپ دو مقاله در Journal of Sports Sciences  هستیم که به پیش بینی توسعۀ علم بیومکانیک در قرن 21 پرداخته اند.

پیش بینی زاتسیورسکی در بارۀ رویکرد اصلی مطالعات بیومکانیکی آتی، حل چنین مسائلی بود:

  • اندازه گیری، توصیف و تشریح حرکات؛
  • مطالعۀ کار عضلات هنگام اجرای حرکت؛
  • مطالعۀ ساختار دستگاه حرکتی؛
  • مطالعات بین رشته ای (مکانیک، انرژی، متابولیسم، جریان خون و …).

ظاهراً، وی از مشکلات تئوری بیومکانیک و مواد آموزشی آن به عنوان موضوع بیومکانیک ورزشی غافل شده است. یدون و چالیس برخلاف زاتسیورسکی، بیومکانیک را صریحاً به دو بخش تجربی و نظری تقسیم نموده اند. به باور آنها، بیومکانیک تجربی پاسخگوی پرسش های مربوط به «چه؟» و «چگونگی؟» حرکات است. در روند توسعۀ این شکل از بیومکانیک اختلاف نظر چندانی میان محققان وجود ندارد. اما بیومکانیک نظری، علمی نوین است که در پی پاسخ به «چرایی» حرکات می باشد. یدون با مطالعۀ آثار فلسفی بک (1960)، هث (1970) و دیویس (1973) به تبیین چرخۀ تئوری پرداخت. این چرخه شامل “تئوری – پیش بینی – تجربه – اصلاح تئوری” بود. اما مطالعات لادنکو در مورد چرخه ها و مدل های توسعۀ علم دقیق تر بوده است. وی از قول برخی محققان اذعان داشته که، پژوهش های نظری با مطالعۀ حرکات انسان به کمک مدل های طراحی شده در مکانیک نیوتنی سروکار دارند. آنها توجه نکرده اند که حل مسائل مکانیک نیوتنی، فقط ادامۀ پژوهش های تجربی است که یافته های آنها از مقادیر داده های آزمایشی معین مشتق شده است.

اخیراً برخی محققان، با استفاده از مدل های عضلانی – اسکلتی با درجات متفاوت پیچیدگی به انجام پژوهش های نظری مبادرت ورزیده اند (به عنوان مثال، BI Prilutskiy و همکاران). معمولاً برای حل سیستم های معادلات دیفرانسیلی از روش های بهینه سازی استفاده می شود که معیارهای تخمینی تقریباً یکسان و برابری در مطالعۀ فعالیت عضلانی دارند. درنتیجۀ مسائل موجود با قطعیت کافی حل نمی شوند.

اختلاط رویکردهای پژوهشی بیومکانیک نظری و تجربی، مهم ترین نارسایی مطالعات یدون و چالیس به حساب می آید. موستپاننکو (1972) روش تحقیق نظری را از تجربی به طور صریح تفکیک نمود. به باور او در مرحلۀ نظری توسعۀ بیومکانیک، دانش جدید از طراحی مدل های آرمانی حاصل می شود و در مرحلۀ بعدی، از روش شبیه سازی (بازی) در شرایط واقعی استفاده می گردد.

هدف پژوهش حاضر، تشریح تفاوت بیومکانیک نظری و بیومکانیک تجربی حرکات انسان (ورزشی) و تعیین هدف و موضوع مطالعاتی آنها و نیز طراحی روش پژوهش نظری کنش های حرکتی انسان است.

مبانی روش شناختی بیومکانیک حرکات انسان

بیومکانیک حرکات انسان ترکیبی از فیزیولوژی فعالیت حرکتی (برنشتاین) و مکانیک نظری است. برای بیان تفاوت بیومکانیک و فیزیولوژی (نروفیزیولوژی) فعالیت حرکتی با مکانیک نظری به تفسیرات ایلنکوف از بیانیه های اسپینوزا متوسل می شویم:

“… دست انسان قادر به نمایش حرکات دایره ای شکل، مربعی شکل و هر شکل دیگر است … بنابراین، ساختار و عملکرد دست از پیش برای هیچ یک از این شکل ها تدارک دیده نشده است … انسان جسمی متحرک است که حرکات خود را به شکل سایر اجسام در می آورد. بدین ترتیب، هر برنامۀ حرکتی که اجرای آن در چارچوب ظرفیت های فضایی، قدرتی و سرعتی-قدرتی باشد در مغز انسان قابل شکل گیری است. در بیومکانیک، ساختار مغز و سیستم عصبی مرکزی را می توان به عنوان جعبۀ سیاه در نظر گرفت و اطلاعات چندانی از آن نداشت. این واقعیت مرز میان فیزیولوژی و بیومکانیک را مشخص می سازد. متخصص بیومکانیک باید روی روش برنامه ریزی اعمال حرکتی ارادی که برای نیل به هدف از پیش طرح شده انجام می شوند، تسلط داشته باشد. لذا، هدف و موضوع پژوهش در بیومکانیک را می توان براساس این مفاد روش شناختی مشخص کرد:

هدف: دستگاه اسکلتی – حرکتی انسان (که به شکل اسکلت و عضلات مدل سازی می شود) و سیستم عصبی مرکزی؛

موضوع: قانون مندی های طراحی مدل های دستگاه اسکلتی – حرکتی و برنامۀ کنترل آنها برای اجرای حرکات ارادی هدفمند.

برای مدل سازی دستگاه اسکلتی – حرکتی انسان از مدل های مکانیک نظری استفاده می شود. مدل های مورد استفاده در مکانیک نظری عبارتند از: فضای دو یا سه بعدی، زمان، نقطۀ مادی، جسم (میلۀ) کاملاً سخت، لولا، زنجیره کینماتیکی، مایع یا گاز ایده آل و … .

در بیومکانیک از تمامی مدل های فوق استفاده می گردد، اما بهره گیری از مدل های عضله و مدل های عملکرد سیستم عصبی مرکزی (جعبۀ سیاه) شرطی مهم برای طراحی یک مدل متناسب با دستگاه اسکلتی – حرکتی است. بدین ترتیب، موضوع بیومکانیک با موضوع مکانیک نظری تلاقی پیدا می کند (البته نه به طور کامل).

مسائل بیومکانیک نظری با توجه به موضوع و محتوای پژوهش و نیز منطق توسعۀ پژوهش نظری می تواند به شرح زیر باشد:

  • پردازش مدل های مفهومی و ریاضی دستگاه اسکلتی – حرکتی؛
  • مطالعۀ ویژگی مدل های دستگاه اسکلتی – حرکتی که همان بیومکانیزم های تأمین انرژی حرکتی در انسان است؛
  • ارائۀ روش های حل مسائل طراحی برنامه های کنترل حرکات ارادی با استفاده از مدل های دستگاه اسکلتی – حرکتی که دوباره بیومکانیزم های تأمین انرژی حرکتی در انسان محسوب می شود.

مسائل بیومکانیک تجربی نیز عبارتند از:

  • اندازه گیری شاخص های فضایی، زمانی، دینامیکی و الکترودینامیکی در حرکات انسان؛
  • گروه بندی و سیستماتیزه کردن داده های تجربی؛
  • ارزیابی سهم بیومکانیزم های تأمین انرژی حرکات انسان در کلیت عملکرد حرکتی.

بیومکانیزم یک مدل جزئی یا کلی از دستگاه اسکلتی – حرکتی است که از طریق تبدیل یک نوع انرژی به انرژی دیگر، اجرای حرکات هدفمند را میسر می سازد. مفهوم بیومکانیزم اولین بار توسط روس ها هنگام مطالعۀ بیومکانیک جهش در پرش طول مطرح گردید.

بیومکانیزم، سیستمی متشکل از مجموعه عناصری است که کلیت آن را به وجود می آورند. در چنین سیستمی، هر عنصر از ویژگی های معینی برخوردار است که در حرکات انسان تظاهرات مختلفی دارند. این عناصر را می توان بدین شرح دسته بندی نمود:

1) عضله به عنوان:

– مبدل انرژی شیمیایی به مکانیکی؛

– عنصر الاستیکی قادر به ذخیره و آزاد سازی انرژی؛

– عنصر چسبندۀ قادر به تعدیل فشار خارجی؛

– انتقال دهندۀ انرژی (توان) از سایر منابع انرژی.

2) استخوان به عنوان:

– اهرم انتقال دهندۀ نیرو و انرژی؛

– پاندول برای تبدیل انرژی؛

– میله برای اتکاء و مقاومت در برابر فشارهای خارجی.

3) مفصل به عنوان:

– لولای اتصال دهندۀ استخوان ها در زنجیره های کینماتیکی؛

– لولای محدودکنندۀ حرکت پذیری استخوان ها نسبت به یکدیگر؛

4) واحد کنترلی عضلات به عنوان جعبۀ سیاه دارای یک ورودی و یک خروجی. ورودی، اطلاعات مربوط به شدت فعالیت عضلات را در شروع حرکت دریافت می کند و خروجی، تغییرات نسبی شدت فعالیت عضلانی را در طی زمان تنظیم می کند. به عبارت دیگر، برنامۀ کنترل فعالیت عضلانی را بر عهده دارد.

پیش از شروع حرکت، برنامۀ کنترل فعالیت عضلانی به طور آگاهانه توسط انسان تنظیم می گردد. آگاهی انسان واحدی است که اطلاعات حاصل از گیرنده های بینایی ، شنوایی، بویایی، عمقی و … در آن جریان دارد.

عضلات، استخوان ها، مفاصل و واحد کنترلی جزء موضوعات آرمانی بیومکانیک نظری محسوب می شوند. انسان از این عناصر ساختاری سیستم های کم و بیش پیچیده تری را پدید می آورد. منظور همان بیومکانیزم هایی است که اجرای حرکات ارادی با اهداف از پیش تعیین شده را امکان پذیر می سازند.

روش حل مسائل در بیومکانیک نظری

سلسله مراتب عملیات در پژوهش های بیومکانیک عبارتند از:

  • جمع آوری مقدماتی اطلاعات و تعیین هدف کلی تحقیق؛
  • تصریح هدف و مسألۀ تحقیق؛
  • طراحی مدل پدیدۀ مورد مطالعه؛
  • بررسی خصوصیات مدل به کمک مدل سازی مفهومی یا ریاضی؛
  • حل مسائل تحقیق به کمک مدل؛
  • آزمایش تجربی پیامدهای نظریه.

در علم بیومکانیک باید سعی بر استفاده از مدل سازی مفهومی و ریاضی داشت. به مربیان نیز پیشنهاد می گردد، برای تحلیل تکنیک اجرای حرکات و تشخیص اشتباهات در حد امکان از مدل سازی مفهومی استفاده کنند.

در اینجا برای آشنایی با روش شناسی پژوهش نظری (به عبارت دیگر مدل سازی مفهومی)  پرش عمودی درجا را به عنوان یک مثال ساده مورد مطالعه قرار می دهیم:

مرحلۀ اول: پرش ارتفاع از وضعیت ایستاده و در حالیکه دست ها به طور مستقیم در پایین قرار دارند، اجرا می گردد. حرکات با خمیدگی همزمان پاها (چمباتمه زدن) و بردن دست ها به عقب آغاز می شوند. سپس حرکت نوسانی دست ها و باز شدن پاها انجام می پذیرد. هدف عمل حرکتی عبارتست از دستیابی به حداکثر ارتفاع از طریق بالا بردن مرکز ثقل عمومی بدن.

مرحلۀ دوم: مسائل تحقیق عبارتند از:

  • طراحی مدل اسکلتی – حرکتی؛
  • شکل دهی بیومکانیزم های اصلی؛
  • بررسی ویژگی بیومکانیزم ها؛
  • مطالعۀ تعامل بیومکانیزم ها هنگام اجرای حرکات؛
  • آزمایش تجربی سهم بیومکانیزم ها در حل مسائل حرکتی.

مرحلۀ سوم: مدل اسکلتی – حرکتی انسان.

انسان هنگام پرش ارتفاع درجا، از حرکات همزمان دستها و پاهای خود استفاده می کند. بنابراین، دستگاه اسکلتی – حرکتی می تواند یک مدل شش اهرمی (پا، ساق، ران، تنه با سر، بازو، ساعد با کف دست و انگشتان) تصور شود. هر اهرمی از مقادیر مشخص جرم، محل مرکز ثقل و گشتاورهای اینرسی برخوردار است. اهرم ها با لولاهای سیلندری شکل بدون اصطکاک به یکدیگر متصل شده اند. عضلات به اهرم های دست و پا اتصال دارند. در چنین شرایطی سیستم عصبی مرکزی از 12 واحد فعال سازی برخوردار است. در هر واحد، برنامۀ تغییر هنجارسازی شدۀ (متناسب با فعالیت اجرایی حرکت در کل) شدت فعالیت عضله با گذشت زمان توسط ما تنظیم شده است. پس از تنظیم شدت تمرین از مدل شبیه سازی استفاده می شود.

مرحلۀ چهارم: طراحی مدل سازی مفهومی با استفاده از یک مدل پیچیده بسیار دشوار است. بنابراین، ابتدا مدل باید تسهیل شود. بخشی از مدل سیستم اسکلتی – عضلانی که صرف نظر از حرکت سایر اهرم های بدن، قادر به تحقق اجرای حرکات برای نیل به هدفی معین را مشخص می کنیم. این بخش عبارتست از بیومکانیزم باز شدن پاها و تنه یعنی زنجیرۀ کینماتیکی چهاراهرمی (پا، ساق، ران با لگن و تنه با سر) و موتورهای حرکتی که گشتاورهای هدایت نیروها را در لولاها ایجاد می کنند. واحد کنترلی (CNS) نیز تنظیم برنامۀ هدایت حرکات را به عهده دارد. اینک حرکات مدل را در سه شرایط با وضعیت اولیۀ متفاوت مشاهده می کنیم.

شرایط اول: اجازه می دهیم که مدل حرکت خود را از وضعیت غیرمتحرک آغاز کند. فرض بر این است که گشتاورهای مورد هدایت در مفاصل لگنی – رانی، زانویی و مچ پایی به طور همزمان ایجاد می شوند. توجه داشته باشید که در این وضعیت اولیه، گشتاور بیشنه مفصل لگنی – رانی 2-1/5 برابر بیشتر از مفصل زانویی است، اما گشتاورهای بیشینه در مفاصل زانویی و مچ پایی با یکدیگر برابرند. برقراری تناسب میان گشتاور مفصل لگنی – رانی و گشتاور زانویی، شرطی مهم جهت بالا بردن مرکز ثقل بدن به طور عمودی است. درنتیجه، شرایط اول منجر به استفادۀ ناکافی از ظرفیت های قدرتی دستگاه اسکلتی – حرکتی انسان می گردد.

شرایط دوم: برای افزایش اثربخشی استفاده از ظرفیت های قدرتی و خصوصیات مکانیکی عضلات، مفاصل باید به طور ناهمزمان باز شوند. به عبارت دیگر، یک بیومکانیزم جدید باید وارد عمل شود که به شکل اکستنشن تنه همراه با تحرک پذیری نسبتاً پایین پاها است. یعنی اینکه حرکت با اکستنشن مفصل لگنی – رانی آغاز می گردد. تسریع حرکت تنه به بالا باعث:

  • افزایش فشار به اندام های تحتانی (نیروهای اینرسی) و نیز افزایش نیروی فشار به سطح می گردد؛
  • نیروهای اینرسی باعث کشیدگی عضلات بازکنندۀ مفصل زانو می شوند (مشخص شده که عضلات در حالت کشیدگی در مقایسه با رژیم انقباض درون گرا نیروی کششی بیشتری ایجاد می کنند. به علاوه، تغییر شکل ارتجاعی ساختار عضلات باعث انباشت مقادیر انرژی می شود.

هر چقدر اکستنشن مفصل لگنی – رانی افزایش یابد از ظرفیت های قدرتی آن کاسته می شود. در این حال، ظرفیت های قدرتی بیشینه و تغییر شکل ارتجاعی بازکننده های مفصل زانویی و پس از آن مفصل مچ پایی نمودار می شود. یعنی بیومکانیزم اکستنشن پاها و تنه دوباره عمل خود را شروع می کند.

شرایط سوم: برای افزایش سطح بهره گیری از خاصیت ارتجاعی عضلات بازکنندۀ مفاصل لگنی – رانی، زانویی و مچ پایی، حرکت باید از وضعیت ایستاده شروع شود و از بیومکانیزم «سقوط آزاد بدن در حالیکه مفاصل شل هستند»، استفاده گردد. در چنین شرایطی هنگام خم کردن زانوها، انرژی پتانسیلی بدن به انرژی کینتیکی و آن هم به نوبۀ خود به انرژی پتانسیلی تغییرشکل ارتجاعی عضلات مبدل می گردد. بنابراین با اکستنشن متوالی مفاصل پاها از خواص ارتجاعی و انقباضی عضلات هنگام فشار به زمین بهره گرفته می شود. درنتیجه، برنامۀ کنترلی را می توان به شکل الکترومیوگرام یکپارچۀ سه عضلۀ سرینی، بخش خارجی عضلۀ چهارسر ران و عضلۀ نعلی تصور نمود. عضلات در ابتدا فعالیتی ندارند و بدن شروع به سقوط می کند، سپس تمام عضلات بازکننده فعال می شوند. فعالیت عضلۀ سرینی در سطح بیشینه است و فعالیت بخش خارجی عضلۀ چهارسر ران و عضلۀ نعلی در آغاز در سطح 50 درصد و پس از مدتی به 100 درصد می رسد. سطح فعالیت عضلات به هنگام کنده شدن از زمین تا صفر کاهش می یابد.

 

ادامه دارد

سعید قائینی، شهریور 1399

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Scroll Up