اصول علمي زيست مكانيك

فصل اول: معرفي تجزيه هاي بيومكانيك
فصل دوم: ويژگي هاي مكانيكي مواد
فصل سوم: بيومكانيك استخوان
فصل چهارم: بيومكانيك عضله اسكلتي
فصل پنجم: بيومكانيك زردپي و رباط
فصل هفتم: بيومكانيك مفاصل

فصل اول:
اين فصل، اصول پايه اي به كار گرفته شده در سرتاسر اين كتاب را براي درك ساختار و عملكرد سيستم اسكلت يا عضلاني به خواننده معرفي مي كند. بيومكانيك مطالعه ي سيستم هاي بيولوژيكي توسط اجراي قوانين فيزيك مي باشد. اهداف اين فصل مرور اصول و ابزار تجزيه هاي مكانيكي و توضيح رفتار مكانيكي بافت هايي است كه سيستم اسكلت عضلاني را مي سازند. اهداف ويژه ي اين فصل موارد زير مي باشد:
۱) مرور اصولي كه اساس قواعد بيومكانيكي بدن هاي استوار را شكل داده اند.

۲) مرور رويكرد هاي رياضي به كار گرفته شده براي انجام قواعد اسكلت استوار.
۳) بررسي مفاهيم به كار رفته براي ارزيابي ويژگي هاي مواد دگرديس پذير
۴) توضيح ويژگي هاي بافت هاي بيولوژيكي اوليه
۵) مرور اجزاء و رفتار مجموعه ي مفاصل

با ادراك اصول قواعد بيومكانيكي و ويژگي هاي زيستي بافت هاي اوليه ي سيستم اسكلت- عضلاني، خواننده در جهت اجراي اين اصول براي هر قسمت بدن آماده خواهد شد تا مكانيك هاي حركت نرمال هر قسمت را بداند و تأثيرات اختلالات پاتومكانيك يا مكانيك بيماري را در مورد جابه جايي احساس كند.
معرفي اصول بيومكانيك، دكتر اَندرو آركادونا.

مرور اجمالي بر رياضي
واحد هاي اندازه گيري ۴
مثلثات ۴
قواعد بردار ۵
سيستم هاي مختصات ۷
نيروها و لحظه ها ۸
بردار نيروها ۸
لحظه ها ۹
نيروهاي عضلاني ۱۰
ايستاشناسي ۱۱

اگرچه بدن انسان يك سيستم پيچيده ي بيولوژيكي باورنكردني است كه با تريليون ها سلول ساخته شده، موضوعي است كه مشابه قوانين بنيادي، بر ساختارهاي ساده فلزي يا پلاستيك حكومت مي كند. مطالعه ي جوابگويي سيستم هاي بيولوژيكي به نيروهاي مكانيكي اشاره به يك عنوان بيومكانيكي دارد. با اين كه تا قرن بيستم به عنوان يك رشته علمي رسمي شناخته نشده بود، ولي بيومكانيك توسط علاقه منداني چون لئوناردوداوينچي، گليلئو گاليله، و آريستوتل مورد تحقيق قرار گرفته شده بود. به كارگيري بيومكانيك براي سيستم اسكلت عضلاني منجر به درك بهتر عمل و بد عملي اتصالات بدن شد و در نتيجه تجهيزات و شيوه هايي چون سيستم هاي اورتوپلاستي يا مفصل سازي و حل ورم مفاصل بهبود يافت. به علاوه، مفاهيم بيومكانيكي اسكلت- عضلاني براي متخصصين باليني از قبيل جرّاحان ارتوپد و متخصصان درمان شناسي و **** مهم مي باشند.

بيومكانيك گاهي اوقات به اتصال ميان ساختار و عملكرد اشاره مي كند. ماداميكه يك درمان شناسي به طور نمونه يك بيمار را از منظره ي حركت شناختي بدن ارزيابي مي كند، گاهي اجراي يك تجزيه ي كامل بيومكانيكي عملي يا ضروري نمي باشد. امّا يك دانش جامع از بيومكانيك و آناتومي (كالبدشناسي) براي درك چگونگي عملكرد سيستم عضلاني ضروري مي باشد. بيومكانيك همچنين مي تواند در ارزيابي انتقادي درمان ها و سنجش هاي پيشنهادي جديد و رايج براي بيمار، مفيد واقع شود. در نهايت يك درك كلّي از بيومكانيك براي فهميدن برخي اصطلاحات علمي همراه با حركت- شناسي (مثل: توركو، دَم و …) لازم است.

اهداف اين فصل:
۱) مرور بعضي از اصول كلي رياضي به كار رفته در بيومكانيك
۲) توضيح نيروها و لحظه ها
۳) بحث راجع به اصولِ قواعد ايستا
۴) ارائه ي مفاهيم اصولي در جنبش شناسي و مسائل سينتيك (جنبشي)
قواعد محدود به مطالعه در حيطه ي اسكلت استوار يا بدن سالم مي باشد. بدن هاي دگرديس پذير را در فصول ۲ و ۶ مورد مطالعه قرار خواهيم داد. موارد اين فصل مرجع مهمي براي فصل هاي تجزيه هاي نيرو در سرتاسر متن مي باشد.

– مرور اجمالي به رياضيات
اين بخش به عنوان دور برخي مفاهيم اصولي رياضي به كار گرفته شده در بيومكانيك انتخاب شده است. با وجود اينكه، در صورت آشنايي خواننده با اين موارد بالا و پايين مي رود ولي، حداقل به دور اين فصل كمك به سزايي مي كند.

– واحد هاي اندازه گيري
اهميّت واحدهاي اندازه گيري به تنهايي كافي نمي باشد. اندازه گيري بايد همراه با واحدي باشد كه مفهوم فيزيكي داشته باشد. برخي اوقات شرايطي وجود دارند كه واحدهاي خاصّي حذفي مي شوند. اگر يك متخصص باليني از قد بيمار بپرسد و جواب «۵-۶» باشد، انصافاً فرض مي كند كه بيمار ۵ فيت، ۶ اينچ قد دارد. با اين وجود كه اگر بيمار در اروپا باشد، جايي كه سيستم متري به كار مي رود، اين تفسير اشتباه است. همچنين شرايطي موجود است كه فقدان يك واحد، عددي را به كلي بي فايده مي سازد. اگر به بيماري گفته مي شد كه تمرينات دنباله داري را براي ۲ انجام دهد، بيمار نظري نداشت كه معناي ۲، ۲ روز، هفته، ماه يا حتي سال باشد. استفاده ي واحدها در بيومكانيك مي تواند به ۲ گروه تقسيم شود. اول، ۴ واحد اساسيِ طول، جرم، زمان و دما وجود دارند كه بر حسب استانداردهاي جهاني پذيرفته شده، تعريف شده اند. هر واحد ديگري، يك واحد اشتقاقي در نظر گرفته شده است و مي تواند در شرايط اين واحدهاي اساسي، تعريف شوند. براي مثال سرعت برابر طول تقسيم بر زمان است و نيرو برابر جرم ضرب در طول تقسيم بر مجذور زمان مي باشد. ليستي از واحدهاي ضروري براي بيومكانيك در جدول ۱-۱ تهيه شده است.

جدول ۱-۱ واحدهاي به كار رفته در بيومكانيك
كميّت اندازه استاندارد انگليسي تبديل
طول متر (m) Foot (f) 1ft=0/3084 m
جرم كيلوگرم (kg) slug 1slug = 14/59kg
زمان ثانيه (s) Seconds (s) 1s=1s
دما سلسيوس (cْ) (F ْ)Fahrenheit F=(9/5).c+32 ْ
نيرو نيوتن (N=kg.m/s2) Pounds (lb=slug.ft/s2) 1lb=4/448 N
فشار پاسكال (Pa=N/m2) Pounds persquareinch (psi= lb/in2) 1psi=689Pa
انرژي ژول (J=N.m) Foot pounds (ft-lb) 1ft-lb=1/356J
توان وات(W=J/s) Horse pouer (hp) 1hp=7457W

اززماني كه زاويه ها در تجزيه ي سيستم اسكلت عضلاني مهم محسوب شده اند، مثلثات يكي از مفيدترين ابزارهاي بيومكانيك است. واحد پذيرفته شده براي سنجش زوايا در درمانگاه درجه است. در يك دايره ْ۳۶۰ درجه وجود دارد، يا به بيان ديگر دايره ْ۳۶۰ است. اگر فقط يك بخش از دايره در نظر گرفته شود، آنگاه زاويه ي تشكيل شده بخشي از ْ۳۶۰ است. به عنوان مثال، دايره شامل يك زاويه ي ْ ۹۰ است. اگرچه، در كل، درجه ي واحد مسئله ي مورد بحث اين متن است، زوايا نيز مي توانند در قسمت راديان توضيح داده شوند. از زماني كه راديان در يك دايره وجود دارد، در هر راديان ْ۳/۵۷ است. وقتي از يك ماشين حساب استفاده مي كنيم، تعيين اين كه وقت استفاده از درجه راديان است مهم مي باشد.

به علاوه، برخي برنامه هاي كامپيوتر از قبيل Microsoft Excel ، براي محاسبه ي مثلثات از راديان استفاده مي كنند. عملكردهاي مثلثات در بيومكانيك براي حل و رفع نيروها به اجزاء آنها توسط زواياي مربوط به فواصل در يك زاويه ي قائم خيل مفيد هستند (يك مثلث ْ۹۰ دارد). اصولي ترينِ اين روابط (سينوس، كسينوس، تانژانت) در شكل ۱ ۱A تشريع شده اند. يك مرور ساده براي كمك به يادآوري اين معادلات Sohcatoa، (sine) سينوس طرف معكوس است تقسيم بر h وتر (hypotenuse)، (cosine) كسينوس طرف مقابل است a (adjacent) تقسيم بر (h) وتر (hypotenuse)، و (tangent) (t) تانژانت طرف معكوس تقسيم بر (adjacent)a.