Dr. Hasan Dursun

İlk derste söz edildiği gibi mekanik basitçe “ kuvvet altındaki cisimlerin denge ve hareketlerini” konu edinir. Mekanik statik ve dinamik olmak üzere iki ana dala ayrılır. Statik denge ile, dinamik ise hareket ile ilgilenir.

Dinamik de kinetik ve kinematik olmak üzere iki alt dala ayrılır. Kinetik hareketi nedenleri ve sonuçları ile birlikte, kinematik ise hareketi nedenlerini ve sonuçlarını dikkate almadan inceler.

Kinetiğin konusu daha çok harekete neden olan veya hareketin neden olduğu kuvvetlerdir. Kuvvet vücut üzerinde bir itme veya çekme etkisi olarak düşünülebilir. Biyomekanik çalışmaları ayrıca kasların doğurduğu kuvvetin istenilen hareketle uyumlu olup olmadığı ile de ilgilenir.

Bu derste atalet, kütle, ağırlık, basınç, hacim, yoğunluk, özgül ağırlık, tork, impuls gibi fiziğin temel kavramlarından söz edilecektir. Bu kavramları anlamak, kuvvetlerin etkilerini anlamaya yardımcı olur.

Newton'ın hareket yasaları

Bir cisim üzerine etki eden kuvvetler ve cismin hareketi arasındaki ilişkileri ortaya koyan bu yasalar klasik mekaniğin temelini oluştur ve temel kinetik kantitelerle yakından ilgilidirler. Bunlar;

1.Yasa (atalet, eylemsizlik, inertia yasası): Tüm cisimler bir kuvvet tarafından durumunu değiştirmeye zorlanmadıkça sabit pozisyonunu veya düzgün doğrusal hareketini korur. Buna göre hareket etmeyen bir cisim, üzerine bir net kuvvet etki edinceye dek hareket etmez. Hareketli bir cismin hızı, üzerine net bir kuvvet etki etmedikçe değişmez (ivmelenmez). Sürtünme ve hava direnci gibi kuvvetler hareket eden cisimleri engeller.

Ataletin ölçü birimi yoktur. Ancak kütle ile doğru orantılıdır. Daha masif objeler daha fazla durumlarını koruma eğilimindedirler ve durumlarını bozmak daha zordur.

2. Yasa (İvme yassı): Bir cismin momentumundaki değişim, cisim üzerine uygulanan kuvvet ile orantılıdır ve uygulanan kuvvetin yönünde olur. Hareketin değişimi, uygulanan kuvvet ile doğru, cismin kütlesi ile ters orantılıdır. Kütlesi 1 kg olan topa 10 N kuvvet uygulandığında ivmesi 10m/sn2’dir. Topun kütlesi 2 kg olsaydı, ivme 5m/sn2 olurdu.

3. Yasa (Etki-tepki yasası): Her kuvvete karşılık, her zaman eşit ve ters bir tepki kuvveti vardır veya iki cismin birbirine uyguladığı kuvvetler her zaman eşit ve zıt yönelimlidirler. Burada dikkat edilmesi gereken bu kuvvetlerin aynı doğrultu üzerinde olduğudur. Yürürken yeri iteriz, yer de bizi iter. Ayak tabanı ve zemin arasındaki temas yüzeyinde oluşan bu etki-tepki kuvvetleri kinetik ve kinematik analizlerde kullanılırlar.

Kütle (Mass, m)

Maddenin miktarı veya enerjisi ile ilgili içsel bir büyüklüktür ve kilogram (kg) ile gösterilir. Kütle, kısaca bir cismi oluşturan maddenin miktarıdır denebilir. Cismin herhangi bir kuvvet tarafından ivmelenmeye karşı gösterdiği direnç olarak da ifade edilebilir. Kütle, Einstein'ın E=mc2 yasasına göre ayrıca enerji olarak da düşünülebilir.

Kuvvet (Force, F)

Hareketin artmasına (akselerasyon), azalmasına (deselerasyon) ya da harekete eğilimin değişmesine neden olan etkiye kuvvet denmektedir. Cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir, birimi Newton’dur. 1 N, 1 kg kütlenin hızını 1 m/sn2 artırmak için gerekli kuvvet miktarıdır (F=m.a=kg.m/sn2; N=kg.m/sn2).

Kuvvet vektörel bir büyüklüktür; yani bir büyüklüğü, bir yönü ve bir tatbik noktası vardır. Bir cisme genellikle birden çok kuvvet etki eder. Net kuvvet, kuvvetlerin vektörel toplamıdır.

İnternal Kuvvet: Organizmaya etki eden kuvvetler orjinine göre internal ve eksternal olmak üzere iki alt gruba ayrılabilirler. İnternal kuvvet kas kontraksiyonu sonucu ortaya çıkar ve tendonlarla kemiklere aktarılır.

Kasların doğurduğu tensil kuvvet kemiğe taşındığında, vektörel olarak iki komponente ayrılır: (1) Komponentlerden biri ekleme doğrudur, eklemi stabilize (veya destabilize) eder, fakat harekete katılmaz. Buna inefektif komponent denmektedir. (2) Efektif komponent ise eklem üzerinde bir moment (tork) oluşturarak eklemi rotasyona zorlar.

Matematiksel olarak kuvvetin kasın çekme açısının kosinüsüyle çarpımı (F x Cosa) inefektif komponenti, sinüsüyle çarpımı (F x Sina) efektif komponenti verir. Buna göre çekme açısı 0° iken kas, sadece inefektif komponente sahiptir. Yani eklemi stabilize eder ancak harekete neden olmaz. 90°'lik çekme açısına sahip kas ise sadece rotasyon yaptırır, stabilizasyona yardımcı olmaz. Kuvvetin efektif ve inefektif komponentlere ayrılması kasın iş üretimini olumsuz etkiler.

 


Kas kuvvetinin rotator ve stabilizör/destabilizör komponentleri

 

Eksternal Kuvvet: Kas kontraksiyonunun (internal kuvvet) karşı koymak zorunda olduğu diğer kuvvetlere eksternal kuvvetler denilmektedir. Yer çekimi, atalet, moment, momentum, sürtünme, itme, çekme birer eksternal kuvvet olarak tanımlanabilir. Ekstremiteye uygulanan eksternal kuvvetler de komponentlere ayrılır:

Eksternal yükler eklem üzerinde bir kompresyona neden oluyorsa internal kuvvetlere benzer şeklide efektör (rotator) ve inefektif (stabilizör) komponentlere ayrılır. Kompresyona neden olmuyorsa inefektif komponent eklem yüzeylerini birbirinden ayrılmaya zorlar (destabilizör) zorlar.

Eksternal yükler vektörel değerler olduğundan, net kuvvet cisim üzerine etki eden tüm kuvvetlerin vektörel toplamı kadardır.

Yerçekimi ivmesi (gravitational acceleration, g)

Kütleler, aralarındaki mesafeye bağlı olarak birbirini çekerler (kütle çekim ivmesi). Dünya yeryüzündeki cisimleri (kütleleri) çekerek onlara bir ivme kazandırır (g=9,81 m/sn2). Serbest düşen cisimler yere sn’de 9,81 m/sn hızlanarak düşerler. Ancak birim kütle başına çekim aynı olduğu için serbest düşen cisimlerin ivmesi aynıdır.

Ağırlık (Weight, Wt)

Bir cisme etki eden yerçekimi ivmesinin (gravitasyonel akselerasyon) miktarıdır. Ağırlığın matematiksel tanımı kuvvetin genel tanımının bir modifikasyonudur (Ağırlık = kütle x yerçekimi ivmesi; Wt=m.a = kg.m/sn2 = N). Ekvatorda 80 kg olan biri, kutuplarda 81,5 kg, ayda 50 kg’dır.

Ağırlık bir kuvvet olduğu için büyüklüğü, yönü ve aplikasyon noktası vardır. Yönü daima dünyanın merkezine doğrudur. Vücudun kütlesi attıkça, orantılı olarak ağırlığı da artar. Birimi Newton’dur (N). Ağırlık pratikte, genellikle kg ile belirtilse de, kg kütle birimidir. Teknik olarak ağırlığı N, kütleyi ise kg’la belirtmek gerekir.

Hacim (volüme, v)

Bir cismin hacmi, kapladığı uzay boşluğunun miktarıdır. Boşluk üç boyutlu (en, boy, yükseklik) olarak düşünüldüğü için hacim birimi bu üç uzunluğun çarpımıdır. cm3, m3 veya litre olarak gösterilir. Hacim; kütle ve ya ağırlıkla karıştırılmamalıdır.

Yoğunluk (dansite, ρ ) ve özgül ağırlık (γ)

Yoğunluk birim hacim başına kütle olarak tarif edilir ve rho harfi ile gösterilir (ρ=kg/m3). Özgül ağırlık ise birim hacim başına düşen ağırlıktır. Ağırlık kütleyle orantılı olduğu için özgül ağırlık da yoğunluk ile orantılıdır. Özgül ağırlık, ağırlığın hacme bölünmesi ile bulunur ve gamma (γ) ile gösterilir (γ= ρ.g =N/m3)

Yerçekimi çizgisi (Ağırlık hattı)

Yerçekimi bir maddenin bütün atomlarına etki eder. Bu birbirine paralel ve yere dik minik kuvvetlerin toplamı toplam kuvveti (ağırlığı) verir. Bu toplam kuvvetin doğrultusuna yerçekimi çizgisi denmektedir. Yerçekimi çizgisi yere diktir ve daima ağırlık merkezinden geçer.

Ağırlık merkezi (Center of Gravity, yer çekimi merkezi, kütle merkezi)

Yerçekimi çizgisi, değişik pozisyonlarda maddenin değişik noktalarından geçer. Ancak cismin merkezinde, yer çekimi çizgisinin her pozisyonda geçtiği bir nokta vardır. Cisim sanki bu noktada konsantre olmuş gibi davranır ve bu noktadan asıldığında dengede kalır. Cismin ağırlığı bu nokta etrafında eşit olarak dağılmıştır. Ağırlık merkezi denen bu nokta maddenin dışında da olabilir.

Ağırlık merkezinin bilinmesi cisimlerin denge durumunun değerlendirilmesine yardımcı olur.

Destek Alanı

Maddenin dengede kalabilmesi için mutlaka bir ya da daha fazla noktasından bir yüzeyle temas etmesi gerekir. Bu temas yüzeyi ve temas eden noktalar arasında kalan alana destek alanı denmektedir. Baston gibi yardımcı araçlar kullanıldığında destek alanı ayaklar ve bastonun temas yüzeyleri ile bunların arasında kalan alandır. Yani destek alanı genişler.

Stabilite ve Denge Kriterleri

Stabilite denge kriterleri ile yakından ilgili bir kavramdır; akselerasyona direnç veya dengenin bozulmasına direnç olarak tanımlanır. Stabilite için cismin mutlaka bir yere temas ediyor olması gerekir.

Cismin kütlesi ve temas yüzeyi arasındaki sürtünme stabiliteyi etkiler. Kütlesi daha büyük cisimler daha stabildir, bu cisimleri hareket ettirmek için daha fazla kuvvet gerekir. Aynı şekilde cisim ile temas yüzeyi arasında sürtünme faza ise hareketi başlatmak ve devam ettirmek için yine daha fazla kuvvet gerekir.

Stabiliteyi etkileyen bir başka faktör ağırlık merkezi ile destek alanı alasındaki ilişkidir. Ağırlık merkezi (dolayısı ile yerçekimi hattı) destek alanının dışına çıkarsa tork oluşur, gövde angüler harekete zorlanır ve stabilite bozulur.

Ağırlık merkezi desek alanından yüksekte ve destek alanının sınırına yakın ise veya destek alanı küçük ise ağırlık merkezi kolaylıkla destek alanı dışına çıkar, yani denge instabildir.

Ağırlık merkezi ile destek alanı arasındaki mesafe (yükseklik) az, ağırlık merkezi destek alanın merkezine yakın ve destek alanı geniş ise denge stabildir.

İnsanda ağırlık merkezi, yer çekimi hattı ve destek alanı

İnsanda ağırlık merkezi, boy ve kiloya göre değişmekle birlikte, yaklaşık S2 vertebra üzerindedir. Pozisyon değiştiğinde ağırlık merkezinin yeri de değişir. Ayrıca vücudun her parçasının; gövdenin ve ekstremitelerin de birer ağırlık merkezi vardır. Pratikte proksimalden distale doğru uzunluğun 4/9'una uyan nokta, ekstremitenin ağırlık merkezi olarak kabul edilmektedir. Gövde, baş ve kollardan oluşan vücudun üst kısmının ağırlık merkezi yaklaşık T11 vertebra üzeridir. Bu noktaların bilinmesi, egzersiz esnasında fizyoterapistin işini oldukça kolaylaştır.

Anatomik pozisyonda destek alanı, ayakların yere temas yüzeyi ve ayaklar arasında kalan dar bir alandır. Yer çekimi çizgisi ise verteksten başlar, dışkulak düzleminden, C4, L3, S2 vertebraların üzerinden, kalça eklemi düzleminden, dizin ve ayak bileğinin önünden geçer. Destek alanının dar, ağırlık merkezinin yüksekte olması nedeni ile insanda denge instabildir. Bu instabilite değişik pozisyonlarda daha da artar. Ancak vücut refleks olarak bu pozisyonlara uyum sağlar ve denge korunur. Baston, koltuk değneği gibi yardımcı araçlar destek alanını genişleterek stabiliteye yardımcı olurlar.

M. rektus femoris, servikal ve lomber erektör kaslar, gluteal kaslar ve iliopsoas erekt postürü sağlayan antigravite kaslarıdır. Hamstringler ve ön abdominal kaslar antigravite kaslarını dengelerler. Bu denge sistemi erekt postürün her üç planda korunması için gerekli kas aktivitesinin minimumda kalmasını sağlar.

Postür (Duruş)

Postür, vücudun gerilmesi veya koordineli çalışması ile sağlanan duruş biçimidir. İstirahat veya uyku esnasındaki postüre “inaktif postür” adı verilir. İnaktif postürde tüm temel kas aktiviteleri minimuma inmiştir Günlük aktiviteler için gerekli postüre ise “aktif postür” denmektedir. Aktif postürü korumak için birçok kasın uyum içinde, statik veya dinamik olarak çalışması gerekmektedir.

Postür sabit ise “statik postür”, sürekli değişiyorsa “dinamik postür” adını alır. Dinamik postür harekete bağlıdır ve ortaya çıkan yeni duruma göre ayarlanır.

Postür nöromusküler sistemin bir fonksiyonudur. Postürün sağlanması ve korunması için gerekli kasların dağılımı ve çalışması bireyin duruş şekline ve fiziksel özelliklerine göre değişir. En sık antigravite kasları kullanılır.

Nöromusküler koordinasyon, kasların kompleks refleks mekanizmalarla uygun şekilde innervasyonuyla sağlanır.

Postürel refleksler kas iğciği, golgi tendon organı, göz, iç kulak ve eklem çevresindeki yapılardan gelen uyarılarla oluşur. Tüm bu impulslar merkezi sinir sistemine taşınır ve koordine edilerek kasların uygun bir şekilde kasılması sağlanır.

Sonuçta minimum çaba ile maksimum verim alınıyorsa “İyi Postür” söz konusudur. Postür verimsiz ise, yanı istenilen duruş biçimini sağlamak için aşırı çaba gerekiyorsa postür “Kötü Postür”dür.

Rotasyonel Kuvvetler

Tork (Moment): Sabit bir eksene uygulanan kuvvetin etkili komponenti, eksene rotasyon yaptırır. Bu etkili komponente rotasyonal kuvvet, moment ya da tork (torque), kuvvetin uygulandığı eksene ise kaldıraç kolu (manivela, lever) denmektedir. Tork, lineer kuvvetin açısal eşdeğeridir. Bu değer, kuvvetle kuvvetin eksenden uzaklığının (kaldıraç kolu) çarpımına eşittir (F=kuvvet x kaldıraç kolu= kg.m).

Kaldıraç kolunun uzunluğu 0 ise, yanı kaldıraç kolu yoksa rotasyon aksına gelen kuvvet tork oluşturmaz.

Tork özellikle kaldıraç sistemleri ve kaldıraç sistemi gibi çalışan eklem fonksiyonlarını incelemek açısından önem taşımaktadır.

 


Moment (Tork ve Denge

 

Kaldıraç Sistemleri ve Mekanik avantaj (leveraj)

Ağır yükleri hareket ettirebilmek için kaldıraç sistemleri kullanılır. Kaldıraç kolu destek noktası denen sabit bir nokta (pivot) üzerinde hareket eden sabit bir çubuktur.

Kas iskelet sistemi bir kaldıraçlar sistemidir. Destek (pivot) noktası, hareket eden eklem; kuvvetin uygulama noktası, kasın yapışma yeri; yük ise hareket ettirilecek bölümün ağırlık merkezindeki ağırlık ve varsa diğer eksternal kuvvetlerdir.

Yük, kuvvet ve destek noktasının kompozisyonuna göre üç tip kaldıraç sistemi vardır:

1.Destek noktası kuvvetle yük arasındadır. Yük kuvvetle aynı yönde hareket eder. Kafatası ve vertebralar faset eklemleri üzerinde bu şekilde bulunur.

2.Yük kuvvetle destek arasındadır. Bu durumda yük kolu daha kısadır ve yük kuvvetle zıt yönde hareket eder. Bu sistem kuvvet yönünden avantajlı, hız yönünden dezavantajlıdır. M. brakioradialis, radial stiloid çıkıntıya tutunur ve dirseği fleksiyona getirir. Kuvvetin etkili noktasının ağırlık merkezinden distalde olması kuvvet yönünden avantaj sağlar.

3.Kuvvet yükle destek arasındadır. İnsan vücudundaki eklemler genellikle hız yönünden avantaj, kuvvet yönünden dezavantajlı olan bu sisteme benzer.

 


Kaldıraç sistemleri

 

Mekanik avantaj: Bir kaldıracın kuvvet kolu ile yük kolu arasındaki oran, onun mekanik etkinliğini gösterir ve mekanik avantaj/dezavantaj olarak ifade edilebilir. (Mekanik avantaj = kuvvet kolu / yük kolu. Kuvvet kolu yük kolundan uzun ise mekanik avantaj oranı yüksektir ve yük, kendisinden daha az bir kuvvetle hareket ettirilebilir. İnsan vücudundaki kaldıraç sistemleri genellikle kuvvet kolu kısa olan 3. tiptir ve mekanik olarak dezavantajlıdır.

Mekanik etki ve cisimlerin mekanik davranışları

Sürtünme (Friksiyon): İki yüzeyin birbiri üzerinden kaymasını engelleyen kuvvete sürtünme denmektedir. Sürtünen yüzeylerin hareketi birbirine ters yöndedir. Sürtünmenin miktarı sürtünen yüzeylerin kaymaya karşı gösterdikleri dirence (sürtünme katsayısı) ve yüzeye uygulanan basınca bağlıdır. Sürtünme katsayısı maddenin moleküler yapısı ve yüzeyin girinti-çıkıntı şeklindeki kompozisyonuna bağlıdır. İdeal ortamda bu katsayı sıfırdır. Bugün elde edilen en kaygan yüzeylerde bile bu katsayı 0,1-0,5 arasında değişirken, sinoviyal eklemlerde 0,002, total kalça protezlerinde yaklaşık 0,01kadardır.

Viskozite:Bir maddenin iç sürtünmeden dolayı şekil değiştirmeye karşı gösterdiği dirence viskozite denmektedir. Kaslar elastik oldukları kadar şekil değiştirmeye karşı da bir direnç gösterirler. Yani visköz dokudurlar.

Momentum (p): Newton momentumu, hareketin miktarı olarak tanımlamıştır. Kütle ile hızın çarpımına eşittir (p=kg.m/sn = N. sn). Yani bir cismin kütlesinden ve hızından dolayı sahip olduğu kuvvettir. Vektörel bir kantitedir. Yani bir büyüklüğü ve bir yönü vardır.

Momentum özellikle çarpışma içeren durumlarda önemli bir mekanik kantitedir. Statik cisimlerde (hızı sıfır olan) momentum yoktur. Kütle veya hızdaki değişim momentumda değişime neden olur. Aynı hızla giden iki cisimden kütlesi büyük olanın momentumu daha büyüktür. İnsanda, momentumdaki değişiklikler, kütle sabit olduğu için hızdaki değişikliklerin sonucudur. Eksternal bir kuvvet yoksa total momentum sabit kalır. Ancak sürtünme ve hava direnci eksternal kuvvetlerdir ve mevcut momentumun total miktarını azaltırlar.

İtme kuvveti (thrust: Newton itme’yi hareket ettirici kuvvet olarak tanımlamıştır. İtme; bir kuvvetin bir zaman aralığı boyunca tatbiki sonucu oluşan hareketi (momentumu) verir. (F= d (mv) / dt=kg.m/sn2). İtmenin yönü kuvvetin uygulandığı düz çizgi doğrultusundadır.

Uyarı (impuls): Uygulanan eksternal kuvvet bir sistemde var olduğu düşünülen momentumu değiştirir. Bir cisme bir kuvvet uygulandığında ortaya çıkan hareket (momentum) sadece kuvvetin büyüklüğüne değil, uygulandığı süreye de bağlıdır. Kuvvet (F) ve zaman’ın (t) etkisine impuls (J) denir. (J=F.t) Bir objenin hareketini değiştirmek için düşük kuvvetlerin nispeten uzun veya büyük kuvvetlerin kısa süreli tatbiki gerekir.

Çarpma (impact): Beyzbol topu ile beyzbol sopası arasındaki temas impakt (çarpma) olarak bilinir. İmpakt iki cismin, nispeten büyük kuvvetlerle, çok kısa bir süre içinde çarpışmasını içerir. Bu objelerin çarpmadan sonraki davranışları sadece kollektif momentumlarına değil, aynı zamanda çarpmanın natürüne de bağlıdır. Hipotetik olarak mükemmel elastik çarpma durumunda, iki cismin çarpmada sonraki hızları, çarpmadan önceki hızları ile aynıdır. Mükemmel plastik çarpmada ise cisimlerden en az biri deforme olur, orijinal şekline geri dönemez ve cisimler birbirinden ayrılmazlar. Çarpmaların çoğu ne mükemmel elastik, ne de mükemmel plastiktir, ikisinin arasında bir yerdedir. Restitution (eski haline geri dönme) katsayısı; çarpmaya göre elastisiteyi açıklar. Bu 0 ile 1 arasında bir sayıdır. Restitüsyon katsayısı 1’e yakınsa çarpma daha elastik, 0’a yakınsa daha plastiktir.

Basınç (Pressure, Pa, bar): Belli bir alana yayılmış kuvvetin, birim alana düşen miktarıdır. Paskal (Pa) ile gösterilir. Basınç= kuvvet/alan (Pa= N/cm2 veya P= kg/m.sn2). Yüksek basınç değerleri onluk sisteme göre kPa, MPa, GPa şeklinde katlanarak gider. 1 bar 100.000 Pa’a eşittir. Deniz seviyesinde atmosfer basıncı 101325 Pa’dır.

Stres ve Strain: Şekil değiştirebilir (yumuşak, elastik, plastik) cisimlere uygulanan basınca stres, cismin uzunluğundaki değişim oranına strain denmektedir. 

Basınç katı bir cisme uygulanan eksternal kuvvetin yüzeydeki dağılımını, stres ise cismin iç dokusundaki dağılımını temsil eder. Stres basınç ile aynı şekilde ölçülür; birim alana düşen kuvvet. Belli bir kuvvet küçük bir alanda, büyük bir alandan daha fazla stres oluşturur.

İnsan vücudunda dokuların yaralanma ihtimali stresin büyüklüğüne ve yönüne bağlıdır. Kompressif stres, tensil stres ve makaslama stresi stresin etki yönünü gösteren terimlerdir. Lomber vertebralar torasik vertebraya göre daha fazla vücut ağırlığı taşıdığı için, mantıksal olarak dik pozisyonda bel bölgesindeki kompressif stres daha fazla olacaktır. Ancak stresin miktarı taşınan yükün miktarı ile doğru orantılı değildir. Çünkü lomber vertabralarda yük taşıyan yüzey, daha yukardaki vertabralardan daha fazladır. Yüzeydeki bu artış mevcut stresi azaltır.


Vertebra gövdesi genişledikçe daha çok ağırlık taşıyabilir.

 

Sıkıştırma (kompresyon), germe (tension) ve makaslama (kesme, shear): Basınç (pressure), bir sıkıştırma kuvveti (compression) olarak düşünülebilir. Bir kitabın yaprakları arasına bir kır çiçeği koyup, üzerine kitaplar yığıldığında, kitapların ağırlığı kompressif kuvvet oluşturur. Aynı şekilde vücut ağırlığı, onu destekleyen kemiklere kompressif kuvvet uygular. Dik postürde omurganın her vertebrası, üzerindeki vücut bölümünün ağırlığını taşır.

Kompressif kuvvetin tersi tensil kuvvet veya germe’dir (tension). Tensil kuvvet uygulandığı objede gerilim yaratan çekme kuvvetidir. Salıncakta oturan çocuğun ağırlığı, salıncağın zincirlerinde gerilim yaratır. Tensil kuvvet zincirin direnci (sertlik, stiffness, tensile strenght) ile karıştırılmamalıdır.

Kesme (shear) üçüncü bir kuvvet kategorisidir. Kompressif ve tensil kuvvetler bir kemiğin veya başka bir yapının longitüdinal aksı boyunca etki ederken, kesme kuvveti longitüdinal aksa dik, ancak kesit yüzeyine paralel veya teğet etki eder. Kesme kuvveti objenin bir kısmını diğer kısmından kaydırmak, ayırmak veya kesmek eğilimindedir. Mesela diz eklemine etki eden bir kuvvet, tibia platosuna paralel etki ediyorsa makaslama kuvvetidir. Kayakla iniş esnasındaki çarpma kuvvetinin bir komponenti ön taraftan tibiaya makaslama kuvveti uygular, bu da ön çapraz bağda stresi artırır.

 

Bükülme (bending), burulma (torsion) ve kombine yükler: Oldukça karmaşık bir yüklenme tipi de bükülmedir (bending). Bir yapıya eksantraik (non-aksiyel) kuvvet uygulanırsa yapı eğilir, bir tarafta kompressif kuvvet, karşı tarafta tensil stres oluşur.

Bir ucu sabit olan bir yapı longitüdinal aksı boyunca bükülürse torsiyon (burulma) ortaya çıkar.

Tibiada burulma kırıkları futbol ve kayak kazalarında nadir değildir. Ayaklar sabitken gövdenin bükülmesi ile oluşur.

Birden fazla yüklenme formu kombine yüklenme olarak bilinir. Günlük aktivilteler esnasında insan vücuduna simültane etki eden sayısız kuvvet ettki ettiğinden en çok kombine yüklenme görülür.

Bükülen cismin bir tarafında kompresyon, diğer tarafında gerilim ortaya çıkar. Burulan cisimlerde ise nötral aksta stres oluşmazken, nötral aksın periferinde makaslama stresi oluşur.

 

Yüklenmenin etkileri

Bir objeye bir kuvvet etki ettiğinde iki potansiyel etkisi olur; akselerasyon ve deformasyon. Deformasyonun büyüklüğü kuvvetin büyüklüğüne ve objenin sertliğine bağlıdır.

İnsan vücuduna eksternal yük uygulandığında yaralanma olabilir. Bu bir çok faktöre bağlıdır. Kuvvetin büyüklüğü, yönü ve dağıldığı alan bunlar arasındadır. Ayrıca vücut dokularının materyal özellikleri de önemlidir. Anatomik yapılara uygulanan kuvvetin büyüklüğü ve yapıların cevabı arasındaki ilişki yük-deformasyon eğrisinde gösterilmiştir.

Nispeten küçük yükler deformasyon oluşturabilir, fakat yanıt elastiktir. Yani yük kalktıktan sonra doku orijinal boyut ve şekline geri döner. Daha sert dokular belli bir yük altında daha az deforme olurlar ve elastik bölgedeki yük-deformasyon eğrisi daha diktir. Kuvvet, dokunun dayanma sınırını ya da elastik limitini aşarsa plastik yanıta neden olur, yani bir miktar deformasyon kalır. Deformasyon nihai dayanma noktasını aşarsa yapıda mekanik yetmezliğe neden olur. Bunun anlamı kemik kırılır, yumuşak dokular kopar.

 

Kuvvet uygulanığında yapı deforme olur veya şekli değişir. Bu deformasyon elastik bölgede geçici, plastik bölgede kalıcıdır. Bir noktadan sonra yapı bütünlüğü bozulur.

Yükün büyüklüğü yaralanma ihtimalini artırır, tekrar sayısı azaltır.

 

Tekrarlı yükler ve akut yüklerin etkisi

Tekrarlı ve akut yükler arasında ayrım yapmak önemlidir. Eğer tek bir yük biyolojik dokularda yaralanmaya neden olacak kadar büyükse yaralanmaya akut yaralanma ve neden olan kuvvete makrotravma denir. Düşme, otomobil kazası ile oluşan kuvvetler kemik kırıkları için yeterli olabilir.

Yaralanma nispeten küçük kuvvetlerin sürekli tekrarlanmasına bağlı olabilir. Mesela yürürken ayaklar sürekli olarak yere, vücut ağırlığının yaklaşık 2-3 katı bir kuvvetle vurur. Tek bir kuvvetin büyüklüğü sağlıklı kemiklerde kırığa neden olmasa da, böyle bir gücün çok sayıda tekrarı alt ekstremitede bir yerde, sağlıklı kemikte de kırıklara neden olabilir. Tekrarlı veya kronik yüklenmenin neden olduğu bu yaralanmaya kronik injüri veya stres yaralanması denir ve neden olan mekanizmaya mikrotravma adı verilir.

Sürekli uygulanan yükün büyüklüğü ve frekansı ile yaralanma ihtimali arasındaki ilişki yandaki grafikte gösterilmiştir.

İş (work), güç (power) ve enerji ilişkisi

Cisimlerin pozisyonlarını değiştirebilen kuvvet enerji, enerjinin ortaya çıkardığı hareket tir. Güç ise yapılan işin oranıdır; yani birim zamanda yapılan işin miktarını verir.

İş (Work)

Mekanik açıdan iş, bir cisme uygulanan kuvvet ve cismin pozisyonundaki değişim miktarının çarpımıdır (W=F.d; J=N.m). Cismin pozisyonundaki değişim kuvvet doğrultusunda olur.

Eğer cisim uygulanan eksternal kuvvetin etksi ile belli bir mesafe katetmiş ise, cisim o kadar iş yapmıştır. İşin miktarı uygulanan kuvvetin büyüklüğü ve cismin katettiği mesafe kadardır. Sürtünme veya cismin ağırlığı nedeni ile hareket olmaz ise mekanik olarak iş yapılmamıştır.

Kasların doğurduğu gerilim bir segmentte harekete neden oluyorsa, o segmentte bir iş üretiyordur. Kasların doğurduğu bu iş hakim kasların eylem türüne göre negatif iş veya pozitif iş olarak karakterize edilebilir. Eğer kasın net torku ve eklemin angüler hareketi aynı yönde ise yapılan iş pozitiftir. Net tork ve angüler hareketin yönü zıt ise yapılan iş negatif olarak tanımlanır. Birçok hareket agonist ve antagonist kaslar arasında ko-kontraksiyonu içerir. Ancak konsantrik kasılmanın hakim olduğu iş pozitif, eksantrik kasılmanın hakim olduğu iş negatiftir.

Güç (Power)

Güç belli bir zamanda yapılan işim miktarıdır.( Güç=iş/zaman dilimi=kuvvet x mesafe / zaman dilimi). Birim zamanda katedilen mesafe hızı verir. Bu nedenle güç kuvvet x hız olarak da gösterilir. (P=F.v).  Güç birimi iş biriminin zaman birimine bölümüdür ve watt olarak bilinir. W=J/sn).

Gülle atma, yüksek atlama, sürat koşusu gibi aktivitelerde mekanik güç (kuvvet ve hız kombinasyonu) gereklidir. Pik güç (pik power) büyük ölçüde maksimum izometik kuvvete bağlıdır.

Enerji

Enerji genellikle iş yapma kapasitesi olarak tanımlanır. Bu nedenle mekanik enerji mekanik iş yapabilme kapasitesidir. Mekanik enerji birimi mekanik iş birimi ile aynıdır (Joule). Mekanik enerjinin kinetik ve potansiyel olmak üzere iki türü vardır.

Kinetik enerji (KE) hareket enerjisidir. KE formülü cismin kütlesinin yarısının, hızının karesi ile çarpımıdır. (KE=1/2 m.v2). Cisim hareketsiz ise kinetik enerjisi sıfırdır. Kinetik enerji hızın karesi ile ifade edildiğinden hızın artması, kinetik enerjiyi dramatik olarak artırır.

Potansiyel enerji (PE) pozisyon enerjisidir. PE formülü cismin ağırlığı ile referans yükseklikle çarpımıdır (PE=Wt.h). Diğer bir formül de kütle, yer çekimi ivmesi ve yüksekliğin çarpımıdır (PE=m.ag.h).

Vücut ağırlığı sabit olduğu için biyomekanik uygulamalarda PE değişikliği vücudun yüksekliğindeki değişime bağlıdır. PE enerji depolanan enerji olarak da düşünülebilir. Potansiyel terimi, kinetik enerjiye dönüşme potansiyelini vurgular.

Potansiyel enerjinin özel bir formu strain enerjisi (SE) veya elastik enerjidir. Strain enerjisi (SE=1/2k.x2) şeklinde gösterilir. Bu formülde k, materyalin sertliğini veya deformasyonla enerji depolama yeteneğini gösteren yay sabiti ve x ise deforme olan materyaldeki esneme miktarıdır.

Obje gerildiğinde, büküldüğünde veya başka bir şekilde deforme olduğunda daha sonra kullanılmak üzere potansiyel enerji depolar. Mesela insanlarda kas ve tendon gerildiğinde depolanan enerji bir sonraki kontraksiyonda ortaya çıkan kuvveti artırır. Kaslardan daha ekstansible olduğu için elastik enerjiyi primer olarak tendonlar toplar ve bırakır. Bu fonksiyon uzun tendonlarda kısa tendonlardan daha etkindir. Özellikle aşil tendonun depolayıp serbest bıraktığı büyük miktardaki enerji yürümek için gerekli işin büyük bir kısmından sorumludur. 

İş ve enerji prensibi

Mekanik iş ve mekanik enerji miktarı arasında spesifik bir ilişki vardır. Bu ilişkiye “iş ve enerji prensibi” denir. Buna göre bir kuvvetin ürettiği iş, etki ettiği objenin enerjisindeki değişime eşittir. İş ve enerji prensibi matematiksel olarak W =KE +PE+TE şeklinde formüle edilir. Bu formülde KE kinetik enerji, PE potasiyel enerji ve TE termal enerjidir (ısı). Bu formüle göre; bir kuvvet tarafından üretilen enerji formlarının toplamındaki değişim kantitatif olarak bu kuvvetin yaptığı mekanik işe eşittir. Bir tenis topu, bir top atma makinesi ile havaya fırlatıldığında, makinenin yaptığı iş topun kinetik enerjisinde artışa neden olur. Atılmadan önce topun potansiyel enerjisi ağırlığı ve yüksekliği kadar, kinetik enerjisi ise sıfırdır. Makine topa ilave kinetik enerji vererek total mekanik enerjiyi artırmıştır. Termal enerjideki (topun ısısı) artış önemsizdir.

İş-enerji ilişkileri, insan vücudunun hareketleri sırasında da görülmektedir. Mesela ayağın arkları koşarken deformasyon ve eski haline geri gelme döngüleri şekline strain enerjisini depolayan ve serbest bırakan bir yay gibi çalışır. Arkların bu yay şeklinde çalışma yeteneği, yürüme esnasında kasların yapmak zorunda olduğu iş miktarını azaltır.

Vücuttaki iki eklemli kaslar da mekanik enerjiyi bir eklemden diğer ekleme transfer edebilirler. Böylece ikinci eklemi geçme esnasında kasların yapması gereken mekanik iş azalır. Mesela vertikal sıçrama için doğrulurken kalça ekstansörleri konsantik kasılırken, rektus femoris izometrik kasılırsa, ikinci bir etkisi dizde ekstansör tork doğurmaktır. Bu durumda, rektus fgemorisin boyu değişmediği sürece kalça ekstansörleri dizde ekstansör torka neden olur.

Kasılmasının konsantrik ya da eksantrik olması, enerjinin vücut segmentleri arasında transferi, elastik enerjinin depolanması ve yeniden kullanılması, eklem hareket açıklığında kısıtlanma gibi mekanik ve fizyolojik özellikler insan vücudundaki iş ve enerji arasındaki ilişkinin kanitatif ölçümünü karmaşık hale getiriyor. Kaslar tarafından harcanan enerjinin yaklaşık %25’i işe dönüşür. Kalanı ısı değişikliklerinde veya vücudun kimyasal süreçlerinde kullanılır.

Not: Mekanik enerji veya mekanik iş üretimini kimyasal enerji veya kalori tüketimi ile karıştırmamak lazım.

Kinetik ölçüm araçları

Biyomekenik araştırmalarında genellikle kas kuvveti ile yürüme ve diğer aktiviteler esnasında ayakların yere karşı doğurduğu kuvvetler incelenmektedir.  Bu kuvvetlerin araştırılmasında genellikle elektromiyografi veya dinamografi kullanılmaktadır.

Elektromiyografi (EMG): EMG, kaslarda üretilen elektrik aktivitenin (miyoelektrik aktivite) kaydedilmesidir. EMG hareket esnasında hangi kasların çalıştığı, belirli kas veya kas gruplarının hangi hareketler esnasında daha az veya daha çok gerildiği gibi nöromusküler çalışmalarda kullanılır. EMG ayrıca nöromusküler sistem patolojilerinin tanı ve takibinde sinir ileti hızlarının ve kas yanıtlarının ölçümünde de kullanılır.

EMG işleminde; elektrod denen ve miyoelektrik aktiviteyi algılayan transduserler kullanılır. İhtiyaca göre yüzeyel veya ince iğne elektrodlar kullanılır. Yüzeyel elektordlar iletken materyalden oluşan küçük bir disk içerir. Bunlar kas veya kas grupları üzerindeki deriye yerleştirilerek global miyoelektrik aktivite toplanır. Daha lokalize veri toplamak istendiğinde ince iğne elektod doğrudan kasın içine batırılır. Elektrodlardan gelen bilgi amplifiye edilerek, grafik şekline veya rakamlara dönüştürülür ve elde edilen değerler standart verilerle karşılaştırılır.

Dinamografi: Ayağın plantar yüzeyindeki basıncın ve kuvvetlerin ölçülmesi için çeşitli tipte platformlar ve portatif sistemler geliştirilmiştir. Bunlar öncelikle yürüme analizinde olmak üzere, denge ve sporda start, sıçrama, iniş, salınım gibi fenomenleri araştırmada da kulnaılmaktadır. Bu kuvvet platformları ve basınç platformları tipik olarak kinetik değerleri hesaplayan bir bilgisayarla arayüzü olan, düzgün sert bir yüzeyden oluşur.

Kuvvet platformları genellikle vertikal, lateral ve ön-arka yönlerdeki zemin reaksiyon kuvvetlerini ölçmek üzere tasarlanmıştır. Basınç platformları ise ayakların plantar yüzeyindeki basıncın dijital veya grafiksel haritalarını çıkarır. Kuvvet platformları göreceli olarak sofistike enstrümanlardır, fakat pratikte kullanımları çeşitli güçlükler nedeni ile kısıtlıdır.

 

Ayakkabı, tabanlık veya ayak tabanına yapıştırılan ince transduser şeklinde portatif sistemler vardır. Bu sistemler laboratuvar dışında bilgi toplama açısından avantajlıdır, ancak yerleşik platformlar gibi hassas değildirler.