۳ - دویدن مثل پیشینیان مان

دویدن یک شیوهٔ رایج از حرکت ه. دویدن در ورزش‌های مختلف استفاده می‌شه، و به تنهایی،  فعالیتِ تفریحیِ رایج برای میلیون‌ها نفره. متأسفانه، با وجود مزایایش برای تندرستیِ قلبی-عروقی، دوندگان همچنان از انواع مختلفِ آسیب‌هایِ اضافه کاریِ ناشی از بارگذاریِ تکراری با هر تماس با زمین رنج می‌برند.

دویدن، موضوع قابل توجه تحقیقات در بیومکانیک بوده. بخش قابل توجهی از تحقیقات اولیه شامل تجزیه و تحلیل سینماتیک توصیفیِ دویدن، با استفاده از ضبط‌ فیلمیِ دوندگان و تمرکز بر دامنه حرکتِ زاویه‌ای در مفاصلِ مچ پا، زانو و باسن و هماهنگیِ زمانی عملکردهای مشترک مفاصل بوده.

همانطور که پلتفرم‌های نیرو (که در فصل ۱۷ توضیح داده شده است) به طور گسترده در بیومکانیک استفاده شدند، تحقیقات روی تاریخچه نیرو-زمانِ نیروهایِ واکنشیِ زمین، در مرحلهٔ "حمایتی" دویدن (زمانی که پا با زمین تماس می‌گیرد تا زمانی که انگشتان پا زمین را ترک می‌کنند) متمرکز شد.

۲ - ترمیم رباط صلیبی قدامی

مردم، اغلب، رباط‌ها که بافتهای متصل کننده استخوان به استخوان و پشتیبانی کننده مفصل هستند را ملتهب می‌کنند. صدمات رباط‌ها در فصل ۱۳ توضیح داده شده است.

مفصل زانو یکی از پر آسیب ترین مفاصل، حین فعالیت‌های بدنیه، و تَرَک درجه-سه، یا پاره‌شدن کامل رباط صلیبیِ قدامی (ACL) - که از پشت فمور (استخوان ران) به جلوی تیبیا (استخوان ساق) در مفصل زانو می‌گذره، همانطور که در شکل ۱۸-۱ نشان داده شده است - یکی از مهلک‌ترین آسیب‌ها است.

ACL شکل ۱۸-۱: جراحی ترمیمی 

ACL پاره شده باعث ناپایداری زیاد زانو می‌شه، که عملکرد را محدود می‌کند و خطر بروز بیماری مفصلیِ تخریبی را افزایش می‌دهد (همچنین در فصل ۱۳ توضیح داده شده است). تا اواسط دهه ۱۹۸۰، پاره شدن ACL، یک آسیب تهدید کننده حرفه‌ای برای یک ورزشکار بود.

۱ - تمرین در فضا

 با اینکه تصاویر فضانوردان، در حالِ شناور شدن در ایستگاه فضایی جذاب است، اما بار گرانشی صفر که مسئولِ محیطِ بدونِ وزن سفر فضایی است، چالشی بلندمدت برای سلامتِ استخوان و عضلات ایجاد می‌کند. بدون نیاز به مقابله با بار گرانشِ دایمی، چگالی استخوان و قدرت عضلات کاهش پیدا میکنه. چگالیِ معدنیِ استخوان و قدرت عضلانی کمتر، مشکلات قابل توجهی را برای یک فضانورد، پس از بازگشت به زمین و پس از سفرهای فضایی بلند مدت ایجاد می‌کند.

چالش اینه که تجهیزات تمرین برای استفاده در فضا طراحی بشن که امکان حفظ قدرت عضلات و چگالی استخوان را فراهم کند. طبیعتا از دمبل و باربِل های آهنی نمی‌شه استفاده کرد، زیرا بارها و صفحه ها در فضا بدون وزن هستند، مانند فضانورد! به جاش، ماشین‌های تمرین و تردمیل‌ها، با استفاده از کابل‌های لاستیکی طراحی شده‌اند. کار کردن بر خلافِ مقاومت کابل‌ها، برای ایجادِ بار خارجی روی استخوان و عضلات وحین تمرین تعبیه شدن.

با این حال، راه‌اندازی یک منطقه تمرینی در ایستگاه فضایی مشکله. زیرا تمامِ ایستگاه فضایی، بدون وزن است، بنابراین یک دستگاه تمرین یا تردمیل که به کف یا دیوارهای ایستگاه فضایی بسته شده، زمانی که توسط یک فضانورد استفاده می‌شود، ارتعاشات قابل توجهی در سراسر ایستگاه فضایی ایجاد می‌کند. این ارتعاش می‌تواند بر تحقیقات دیگری که در ایستگاه فضایی انجام می‌شوند و تحقیقاتی که از گرانشِ صفر بهره‌مند می شوند، تأثیر منفی بگذارد و ممکن است به خود ایستگاه فضایی هم آسیب برساند.

۰ - توسعه‌ی بیومکانیک: کاربردهای تحقیقاتی

در این فصل

• بررسی تمرین در فضا
• استفاده از بیومکانیک برای بهبود جراحی برای رگ‌های صلیبی پاره‌شده
• طراحی بهتر  کفش‌های دویدن
• ایجاد کلاه‌های محافظ تر 
• بررسی تعادل 

تحقیق، فرآیندی است که به صورت سیستماتیک، دانش ما را درباره چیزی افزایش می‌دهد. تحقیق اصولا از کنجکاوی نشأت می‌گیرد و شامل بررسی این است که چگونه و چرا چیزها به عمل می‌آیند. این فرآیند شامل ارائه یک سوال، انجام مشاهدات دقیق و اندازه‌گیری‌های دقیق برای جستجوی یک پاسخ، و نوشتن و تعاملِ نتایج با دیگران به منظور ارزیابی و در نظرگیری منتقدانه به عنوان پاسخی برای سوال مطرح شده است. پاسخ‌های پذیرفته‌شده، نشان دهنده دانش ما از جهان هستند. با این حال، دانش منحصر به فرد نیست. هدف تحقیق، اصلاح و گاهی چالشِ قبول‌شده‌های ما است. 

تحقیق با استفاده از بیومکانیک، بخشی اساسی از درک این است که چگونه و چرا موجودات زنده، همانطور که هستند حرکت می‌کنند و آسیب می‌بینند. سوالاتی که توسط بیومکانیک‌شناسان بررسی می‌شود بسیار متنوع است و بازتابِ راه‌های مختلفی هستند که بیومکانیک می‌تواند برای درک عملکرد انسان و محدودیت‌ها مورد استفاده قرار گیرد. در این فصل، نگاهی کلی به برخی از کاربردهای گذشته و کنونی بیومکانیک در تحقیقات از زمینه‌های مختلف می‌دهم.

۴ - ضبط فعالیت ماهیچه ای: الکترومایوگرافی

سیستم عصبی مرکزی، تنشِ ماهیچه رو با مخابره سیگنال های کم ولتاژ (میلی ولت)، که پتانسیل عمل (action potential) نامیده میشن، کنترل میکنه (فصل ۱۴ رو ببینید). الکترومایوگرافی (EMG) مطالعه فعالیت ماهیچه ای ه و شامل ضبط و کمی سازی پتانسیل های عملی میشن که یه ماهیچه رو فعال میکنن. 

معمول ترین وسیله مورد استفاده برای اندازه گیریِ فعالیت ماهیچه ای، شامل یه سنسور و یه تقویت کننده میشه که برای تشخیص و تقویت ولتاژِ پتانسیل های عمل ن و نرم افزاری که روی کامپیوتر نصب میشه تا داده جمع آوری شده، که الکترومایوگرام (electromyogram) نامیده میشه، رو نمونه برداری، ضبط و پردازش کنه. تو این بخش، مبانی جمع آوری و پردازش الکترومایوگرام سطحی رو شرح میدم.

نکته: سنسورهای مورد استفاده برای EMG، معمولا الکترود نامیده میشن، اما عبارتِ الکترود ممکنه به این اشاره کنه که احتمالا یه شوک الکتریکی قراره اتفاق بیوفته (مردم زیاد فیلم ترسناک نگاه میکنن). استفاده از عبارت سنسور، کمتر ترسناک ه و این ترس ناموجه رو از بین میبره.

۳ - اندازه گیری کینه تیک: سیستم های صفحه نیرو

کینه تیک، شاخه مکانیکه که نیروهای عمل کننده روی بدن رو برای ایجاد تغییر در حرکت، تشریح میکنه. متغیرهای معمول که تو کینه تیک اندازه گرفته میشن، شامل نیروهائی که سبب ایجاد تغییر در حرکت خطی و همچنین، اثر چرخشی یه نیرو، که تورک نامیده میشه و سبب ایجاد تغییر در حرکت زاویه ای میشه، هستن. (فصل های ۴ و ۶ رو برای اطلاعات بیشتر در مورد نیرو و فصل ۸ رو برای اطلاعات بیشتر در مورد تورک ببینید.)

متداول ترین وسیله اندازه گیری نیرو، سیستم صفحه نیرو (force platform system) ه که شامل صفحه نیرو و نرم افزار نصب  شده روی کامپیوتره که اطلاعات نیرو رو ثبت و پردازش میکنه. تو این بخش، جمع  آوری و پردازش ساده داده رو با سیستم صفحه نیرو توضیح میدم.

۲ - اندازه گیری کینه ماتیک: سیستم های ضبط حرکت

کینه ماتیک، شاخه مکانیکه که حرکت رو شرح میده. متغیرهای معمول در آنالیز کینه ماتیک، شامل موقعیت، سرعت و شتاب میشن. (فصل ۵ رو برای کینه ماتیک خطی و فصل ۹ رو برای کینه ماتیک زاویه ای ببینین.)

معمول ترین وسیله برای اندازه گیریِ کینه ماتیک خطی و زاویه ای، سیستم ضبط حرکت (motion-capture) ه. اساسا یه سیستم ضبط حرکت، شامل یه سیستم "دوربینی"، برای تبدیل A/D حرکت ادامه دار به یه سری تک تصویر، و نرم افزار نصب شده روی کامپیوتر، برای پردازش تصویر به متغیرهای کینه ماتیک دلخواهه. تو این بخش، جمع آوری و پردازش داده ساده با یه سیستم ضبط تصاویر رو شرح میدم.

۱ - تبدیل داده ادامه دار به اعداد

اندازه گیری چیزها یعنی اختصاص دادن یه مقدار بهشون، در یه لحظه خاص در زمان. هر اندازه گیری، به عنوان نمونه شناخته میشه و اینکه اون اندازه ها با چه تکراری گرفته میشن رو نرخ نمونه گیری (sampling rate) یا فرکانس نمونه گیری (sampling frequency) میگن. فرکانس نمونه گیری رو با هرتز (Hertz - Hz) گزارش میکنن. اگه چیزی ۱۰۰ بار در ثانیه اندازه گرفته بشه، نرخ نمونه گیری ۱۰۰ Hz ه و زمان بین هر نمونه به صورت ۱ ثانیه/Hz حساب میشه؛ برای فرکانس نمونه گیری ۱۰۰ Hz، زمان بین نمونه ها ۱ ثانیه/۱۰۰ یا ۰/۰۱ ثانیه ست.

در حرکتهای مورد نظر بیومکانیک، متغیرهایی مثل موقعیت، نیرو و فعالیت ماهیچه ای، به طور مداوم تغییر میکنن. متغیری که طول زمان دائما تغییر میکنه رو سیگنال آنالوگ (analog signal) مینامن. نمونه گیری یه سیگنال آنالوگ، یه مقدار دیجیتال (عددی) اون سیگنال رو در لحظه ای از زمان میده. روند نمونه گیری یه سیگنال آنالوگ برای تولید یه مقدار دیجیتال، تبدیل آنالوگ به دیجیتال (analog to digital conversion) یا به اختصار تبدیل A/D  نامیده میشه. چون روند تبدیل A/D، یه نوع فرکانس نمونه گیری ه، اونو با هرتز گزارش میکنن.

برای درک یه حرکت، متغیر های مورد نظر باید حین اجرا، چندبار نمونه گیری بشن تا یه تاریخچه زمانی متغیر رو درست کنن. یه تاریخچه زمانی شاملِ چندین تک مقدارِ متغیرهایِ نمونه گیری شده ست، که نشون میده که حین اجرا چجوری عوض میشه.

یه ایده حیاتی وقتی که متغیر نمونه بندی میشه اینه که یه فرکانس نمونه بندی اونقدر بالا انتخاب بشه که سری مقادیر گسسته توی تاریخچه زمانی، یه نماینده واقعی از چگونگی تغییر متغیر در طول اجرا باشه. اگه فرکانس نمونه بندی خیلی کم باشه، تاخیر زمانی بین نقاط داده یعنی که تغییری در یه مقدار مهم، ممکنه از دست بره و اون تاریخ زمانی نشون دهنده اجرا نیست. اگه فرکانس نمونه بندی به اندازه کافی بالا باشه و زمان بین نمونه ها کم، تاریخ زمانی میتونه به عنوان یه سری مقادیر فوری متغیر، حین اجرا، در نظر گرفته بشه.

همونطور که تکنولوژی مورد استفاده برای کمی سازی کینه ماتیک، کینه تیک و فعالیت ماهیچه ای رو توضیح میدم، به فرکانس نمونه بندی در بخش های بعدی اشاره میکنم و نمونه هائی از تاریخ زمانی این متغیرها رو نشون میدم.

۰ - شماره گذاری اجرا: آنالیز کمی

در این فصل:

• نمونه گیری داده 
• ضبط داده کینه ماتیکی 
• اندازه گیری نیرو 
• ضبط و آنالیز فعالیت ماهیچه ای 

آنالیز کمی (quantitative analysis) در بایومکانیک شامل اندازه گیری جنبه های اجرا و شماره دار کردن آنهاست. یه آنالیز کمی به ما میگه "چقدر" و میتونه به سادگیِ شمردن تعداد دورهای انجام شده توسط یه دونده، مقدار زمانی که طول میکشه که یه بازیکن فوتبال ۴۰ متر (m) رو بدوه یا اندازه گیری طول یه شوت باشه. آنالیز کمی میتونه شامل استفاده از وسایل پیچیده برای اندازه گیری کینه ماتیک، کینه تیک، یا فعالیت ماهیچه ای هم باشه.

هدف آنالیز کمی، ارایه درک بهتر چگونگی حرکت بدنه که میتونه بدون اندازه گیریها به دست بیاد. اختصاص دادن یه مقدار عددی، مقایسه اجراهای مختلف رو راحت میکنه. به جای اینکه در مورد بیماری که از آسیب زانوش داره خوب میشه بگیم که داره سریعتر میشه, میشه گفت که سرعت رو به جلو، ۰/۲ متر بر ثانیه (m/s) زیاد شده یا نسبت به اندازه گیری قبلی ۶ درصد افزایش داشته.

یه آنالیز کمی شامل جمع آوری داده و پردازش داده ست. تو این فصل، سیستم هایی برای کمی سازی کینه ماتیک (الگوهای حرکتی)، کینه تیک (نیروهای تماسی حین حرکت) و فعالیت ماهیچه ای معرفی میکنم.

۴ - مداخله برای بهبود اجرا

مداخله شامل برداشتن قدمهایی برای بهبود اجراست. مداخله میتونه روی غلبه بر محدودیت ها یا دادن بازخورد مرتبط با تکنیک، با هدفِ بهبودِ تکانه تولیدی توسط اجراگر، تمرکز کنه.