۴- استخوانهای متصل کننده: مفاصل

مفصل در جایی که دو استخوان در بدن با هم ملاقات می‌کنند و یا کنار هم، وجود دارد. سه طبقه بندی اصلی مفصل، توضیح میدهد که بین استخوانهای درحال صحبت، چه مقدار حرکت مجاز است: غیر قابل حرکت، کمی قابل حرکت، آزادانه قابل حرکت. میزان حرکت ممکن در یه مفصل، دامنه حرکت (range of motion - ROM) نامیده میشه. مفاصل قابل حرکت به استخوان امکان میدن تا نسبت به حرکت کنن و در عین حال، حامی بدن هم هستن. مفصلهای متحرک آزاد، یه ROM بزرگ رو بین استخوانها ارایه میدن و به عنوان اهرم عمل میکنن و نقش جالبی تو حرکت انسان بازی میکنن. من بیشترین توضیح رو در مورد این نوع مفصل میدم که غالبا بهش مفصل سینوویال (synovial) گفته میشه.

۳- جنس و ساختار استخوانها

کلمه استخوان هم بخش فیزیکی، ساختار قابل شناسایی هر استخوان اسکلت و هم بافتی که بخش فیزیکی (ساختار قابل شناسایی که به طور معمول به "استخوان" معروفه) رو میسازه، توضیح میده. یه استخوان فیزیکی شامل بافت استخوان و بافتهای دیگه مثل مغز (ماده چربی مانند که درون استخوان رو پر میکنه) و خون ه. استخوانها به صورتی غنی بوسیله رگهای خونی تغذیه میشن که بهشون اجازه میده که وقتی آسیب میبینن، ترمیم بشن.

بافتها با هم کار میکنن تا به استخوان فیزیکی اجازه بدن که چند تا نقش رو در سیستم اسکلتی انجام بدن. در این بخش، یه خلاصه از بافت استخوان رو میگم و بدش ساختار فیزیکی استخوان تو در نظر میگیرم.

۲ - چگونگی طبقه بندی استخوانها

دو بخش اصلی در سیستم اسکلتی وجود داره (همونطور که در شکل ۱-۱۳ نشون داده شده):
اسکلت محوری: اسکلت محوری در بخش مرکزی یا محوری اسکلت قرار داره، اسکلت محوری شامل جمجمه، قفسه سینه، و استخوانهای ستون فقرات میشه.
اسکلت زائده ای: اسکلت زائده ای به اسکلت محوری متصل یا اضافه شده. اسکلت زائده ای شامل بازوها و پاها، همچنین کتف - scapulae (تیغه های شانه که هر استخوان یک scapulaست) و لگن است. scapulae رابط های بین بازوها و اسکلت محوری هستند، در حالی که لگن، پاها و اسکلت محوری را متصل میکند.

۱ - کارهای سیستم اسکلتی

سیستم اسکلتی پنج نقش اصلی دارد:

تولید سلول خونی: بیشتر سلول‌های قرمز و سفید که خون را می‌سازند، درون استخوان‌ها تولید می‌شوند.

ذخیره مواد معدنی: استخوان‌ها شامل مواد معدنی بسیاری (بیشتر کلسیم) هستند. کلسیم به استخوان‌ها استقامت می‌بخشد. کلسیم همچنین توسط ماهیچه‌ها حین روند ایجاد تنش یا نیروی ماهیچه‌ای و در سیستم عصبی برای انتقال سیگنال‌ها بین عصب‌ها استفاده می‌شود. استخوان‌ها منبعی از کلسیم را برای استفاده هنگامی‌که ذخیره کافی در دسترس ماهیچه‌ها و اعصاب نیست را ارائه می‌دهد. کلسیم از استخوان‌ها خارج می‌شود تا کمبود را جبران کن. بااین‌حال، خروج بیش‌ازحد کلسیم می‌تواند به کاهش استقامت استخوان منجر شود.

مراقبت از ارگان‌های مهم: ارگان‌های حیاتی شامل

• سیستم عصبی مرکزی (مغز توسط جمجمه و نخاع به‌وسیله مهره‌های ستون فقرات، که به تیره پشتی هم معروف ست و درواقع از ۲۶ استخوان جدا تشکیل‌شده، محافظت می‌شود)
• ارگان‌های داخلی، مثل قلب، شش‌ها، کبد، و طحال که همگی به‌وسیله قفسه سینه محافظت می‌شوند.
• کلیه‌ها، مثانه، و ارگان‌ها تولیدمثل که به‌وسیله استخوان‌های لگن محافظت می‌شوند.

اجازه حرکت: استخوان‌ها یه سیستم محکم اهرمی (رابط‌ها) ارائه میکنن که درمفاصل و با گشتاور ایجادشده به‌وسیله نیروی ماهیچه‌ها کنترل می‌شوند. گشتاور ایجادشده به‌وسیله ماهیچه‌ها، سبب ایجاد، جلوگیری، و کنترل چرخش بخش‌های مرتبط میشه تا اجازه ارتباط با محیط رو بده. فصل ۸ توضیح می‌ده که چجوری نیروی ماهیچه‌ای یه گشتاور یا اثر چرخشی رو در مفصل ایجاد میکنه.

حمایت از بدن هنگام استراحت و هنگام حرکت: استخوان‌ها و رباط‌ها به‌وسیله ماهیچه‌ها کشیده میشن تا با اثر همیشه حاضر نیروی جاذبه که بدن رو به پایین میکشه، مقابله کنه. بدون سیستم اسکلتی، تنها صاف ایستادن هم غیر ممکنه.

سه نقش آخری، نقش‌های مکانیکی سیستم اسکلتی هستند.

۰ - استخوان سازی بایومکانیک اسکلتی

در این فصل

• درک نقشی که استخوان‌ها بازی می‌کنند
• نگاه به اینکه استخوان‌ها از چه درست‌شده‌اند
• تمرکز روی شکل استخوان‌ها
• مدل‌سازی و بازسازی استخوان‌ها

سیستم اسکلتی شامل استخوان‌ها، مفاصل - جایی که دو استخوان به هم می‌رسند، و غضروف و رباط‌ها در مفاصل می‌شوند. این فصل روی نام تقریباً ۲۰۶ استخوان، ۳۶۰مفصل و ۹۰۰ رباط بدن انسان متمرکز نیست. به‌جایش، بایومکانیک اسکلتی به این نگاه می‌کند که چگونه سیستم اسکلتی ساختار عمومی بدن را ارائه می‌کند، تکیه‌گاه ارائه میکنه و اجازه حرکت می‌دهد. سیستم اسکلتی بسیار پویاست، تعامل با انواع نیروها ایجادشده در طول زندگی را تحت تأثیر قرار می‌دهد و به آنها پاسخ می‌دهد. سیستم اسکلتی بسیار پیچیده‌تر از سفینه فضایی ست و حتی توانایی‌اش برای سازگاری و تعمیرش بسیار شگفت‌انگیز است.

بایومکانیک اسکلتی توضیح می‌دهد که چگونه ساختار و معماری استخوان‌ها و رباط‌هاو غضروف‌ها در مفاصل، اتکا و حرکت بدن را تحت تأثیر قرار می‌دهد یا تحت تأثیرآن قرار می‌گیرد. این فصل همچنین توضیح می‌دهد که چگونه سیستم اسکلتی تحت تأثیراسترس مکانیکی قرار می‌گیرد که می‌تواند خوب (مثلاً هنگام تمرین) یا بد (مثلاً وقتی آسیب‌ها و بیماری‌ها رخ می‌دهند) باشد.

اگر به نام تک‌تک استخوان‌ها و عمل مفصل علاقه دارید، Anatomy & Physiology For Dummies، ویرایش دوم، نوشته Maggie Norris و Donna Rae Siegfried (انتشارات Wiley)، شروع خوبی ست.

۴- کشیدگی از استرس: رابطه استرس-کشیدگی

همونطور که از اسمش پیداست، رابطه استرس-کشیدگی، رابطه بین استرس تحمیلی و کشیدگی ایجاد شده از یه بار تحمیلی رو بیان میکنه. معمولا از یه دستگاه تست ماده برای اعمال استرس های معلوم روی یه نمونه ماده آماده شده و در حالی که کشیدگی اندازه گیری میشه، استفاده میشه. مقادیر استرس تحمیلی و کشیدگی اندازه گیری شده روی نمودار کشیده میشن (استرس روی محور عمودی و کشیدگی روی محور افقی). با وصل کردن نقاط یه منحنی داریم که رابطه استرس و کشیدگی برای ماده رو نشون میده. شکل ۹-۱۲ منحنی یه رابطه استرس-کشیدگی مفهومی رو نشون میده. برای مشخص کردن جنبه های مختلف منحنی استفاده شده برای هر نوع ماده ارجاع میدم که با مناطق الاستیک و پلاستیک شروع میکنم.

۳- پاسخ به نیروی داخلی: کشیدگی

مثل همه نیروها، استرس قابل دیدن نیست، اما تاثیر استرس قابل دیدن و اندازه گیریه. استرس تمایل داره که سبب تغییر شکل بدن بشه. تغییر شکل یعنی تغییر دادن شکل. بعضی وقتا تغییر شکل بزرگه، مثل وقتی که با انگشتتون روی پوستتون فشار میارید. بعضی وقتا تغییر شکل کوچیکه، مثل زمانی که روی ناخنتون فشار میارید. کشیدگی مقیاسِ تغییرِ شکلِ یه بدن در پاسخ به استرس تحمیل شده است. میزان تغییر شکل یه ماده به نوع ماده و استرس تحمیلی بستگی داره.

۲- اعمال نیروی داخلی: استرس

استرس، اندازه میگیره که نیروی داخلی، چجوری روی ساختار داخلی بدن توزیع شده. فرض بر اینه که نیروی داخلی (F_int) به طور مساوی، روی مقطع عرضیِ (A) سطح آنالیز (که بر اون اعمال شده) توزیع شده. به صورت فرمول،

استرس مساوی F_int تقسیم بر A.

واحد استرس پاسکال (Pa)ه و ۱ پاسکال مساویِ ۱ نیوتون بر متر مربع استرسه.

استرس، نیروی داخلی بر منطقه واحد رو اندازه میگیره، F_int تقسیم بر A

واسه یه نیروی معین، استرس روی سطح کوچکتر بیشتر از سطح بزرگتره. استرس به صورت معکوس با سطحی که نیرو بر اون اعمال میشه رابطه مستقیم داره. کسی دوست نداره که کسی روش راه بره، اما اگه بخواین بین یه نفر با کفش پاشنه بلند و همون فرد با کفش ورزشی، یه نفر رو انتخاب کنید، کدوم رو انتخاب میکنین؟ شما سناریو کفش ورزشی رو انتخاب میکنین چون استرس کمتر خواهد بود، چون کفش ورزشی سطحه بزرگتری داره.

۱ - مصور سازی بارهای درونی یه بدن

وقتی که یه نیروی خارجی اعمال میشه، یه نیروی داخلی درون یه بدن تشکیل میشه (فصل ۴ رو برای نیروهای داخلی و خارجی ببینید). برای محاسبه نیروی داخلی درون یه بدن، یه خط آنالیز، در یه نقطه درون بدن مشخص میشه. خط آنالیز یه برش فرضی در یه بدن در یه نقطه مورد علاقه ست. شکل ۱-۱۲ یه سیلندر جامد رو نشون میده که از یه تک ماده درست شده. دو نیروی همراستا F₁ که ۱۰۰۰+ نیوتون و F2 که ۱۰۰۰- نیوتون در حال فشار در جهت مخالف در دو ته سیلندر هستن. سیلندر در حال استراحته (در تعادله؛ در مورد تعادل در فصل ۸ بخونید)، پس جمع نیروها صفره. ریاضی وار ΣF = F₁ + F₂ = ۰.

۰ - استرس و کشش: مکانیک مواد

در این فصل

تجسم بار درونی

تعریف استرس و کشش

رابطه استرس-کشش

تا حالا شده که مچ پاتون رگ به رگ شده باشه یا حداقل "پیچ" خورده باشه؟ فکر میکنین که جواب رباط ها حین پیچ خوردگی چیه؟ طولشون تغییری میکنه؟ آیا برخی از تارهای رباط اینقدری کش اومدن که پاره شدن؟ کدومشون رو میشه آسونتر کشوند: یه رباط یا یه استخوان؟

بخش ۴ - آنالیز "بایو" در بایومکانیک

در این بخش ...

• فهمیدن اینکه در مکانیک مواد، چجوری استرس و کشش به هم مربوط‌اند.
• کشف چهارچوب آناتومیکی سیستم عصبی ماهیچه‌ای
• استفاده از استخوان‌ها برای حمایت، حفاظت، و حرکت.
• طرح کلی سیستم عصبی به عنوان سیستم ارتباطی و کنترلی حرکت انسان.
• مشخص کردن اینکه چگونه رشته‌های پروتئینی میکروسکوپی درون ماهیچه‌ها، تنش ماهیچه‌ای ایجاد می‌کنند.
• استفاده از ماهیچه و تاندون برای حرکت مؤثر با چرخش کشش-کوتاهی.

۲ - در نظر گرفتن نیرو به خاطر حرکت در مایع

وقتی یه بدن در یه مایع مثل آب یا هوا حرکت میکنه، بر اساس قانون سوم نیوتون، بدن روی مایع و مایع روی بدن، نیرو وارد میکنن (فصل ۳ را ببینید). چون بدن و مایع حرکت میکنن، نیروها، نیروهای مایع پویا نامیده میشن. وقتی یه بدن در حال حرکت با مایع تعامل پیدا میکنه، دو اثر زیر رخ میدن:

• مایع باید به سمت مایع در بدن متحرک، تغییر جهت داده بشه؛ این اثر کشش ساختاری (form drag) و بالابری (lift) رو ایجاد میکنه.
• مایع در حال رد شدن از رو ولی در تماس مستقیم با سطوح بدن، با سطوح تعامل برقرار میکنه تا یه نیرو به اسم کشش سطحی رو ایجاد کنه.

در این بخش، توضیح می‌دم که کشش ساختاری، کشش سطحی، و بالابری، چجوری حرکت بدن رو تحت تأثیر قرار میدن، و فاکتورهایی که هر نیرو رو تحت تأثیر قرار میدن رو توضیح می‌دم. در آخر، قانون برنولی و اثر مگنوس، موردهای خاص نیروی بالابری، که با شکل بدن و چرخش بدن ایجاد میشن رو توضیح می‌دم.