KASSAL KUVVET VE VÜCUDA ETKİ EDEN KUVVETLER Prof. Dr. Mustafa Emre Ç.Ü. Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı

Biyomekanik Biyomekanik; Canlı organizmanın; 1. Hareket, 2. Kuvvet, 5. Enerji, 6. Ağırlık merkezi, 7. Denge ve 8. Kaldıraç sistemlerini inceler. İSKELET KASININ FONKSİYONLARI 1.Hareket 2.Koruma 3.Isı üretimi 4.Mekanik iş yapabilme yeteneği 5.Postürü sağlama Hareket:Bir cismin sabit bir noktaya göre yerinin zamana karşı değişimidir. Hareketle ilgilenen bilim alanları, mekanik ve kinematik olarak sınıflandırılabilir. Mekanik, kuvvet ve kütle üzerindeki etkisi incelenirken, kinematik de, kütlenin konumu, hızı gibi nitelikler incelenir. Kuvvet:Hareketin artmasına (akselerasyon), azalmasına (deselerasyon) ya da hareket eğilimin değişmesine neden olan etkiye kuvvet denmektedir. Kuvvet hareket eden cismin kütlesi ile ivmesinin çarpımına eşittir.

VÜCUDA ETKİ EDEN KUVVETLER Canlı organizmaya etki eden kuvvetler orijinine göre internal ve eksternal kuvvetler olmak üzere iki alt gruba ayrılırlar.  İNTERNAL KUVVETLER Kas kontraksiyonu sonucu ortaya çıkar ve tendonlarla kemiklere aktarılarak eklemlerde rotatuvar hareketlere neden olur. Bu kuvvet kemiğe taşındığında iki bileşene ayrılır: (1) İnefektif bileşeni (Cosα x F): ekleme doğrudur, eklemi stabilize eder, ancak harekete katılmaz. Çekme açısı 0° iken kas, sadece inefektif bileşene sahiptir. (2) Efektif bileşeni (Sinα x F) ise eklem üzerinde bir moment (tork) oluşturarak eklemi rotasyona zorlar. 90°'lik çekme açısına sahip kas ise sadece rotasyon yaptırır, stabilizasyona yardımcı olmaz.

EKSTERNAL KUVVETLER-1 Yer Çekimi (Gravite): Bir madde üzerine etki eden yerçekimi o maddenin ağırlığıdır ve kg veya N ile gösterilir. Eylemsizlik momenti (atalet momenti): Duran bir madde ağırlığından ve hacminden dolayı bir kuvvete sahiptir. Bu, kütle ile yarıçapının karesinin çarpımına eşittir (m.r²=kg.m²). m kütleli noktasal bir cisim r uzaklığındaki bir eksen etrafında dönerse bu cismin eylemsizlik momenti m.r²olarak tanımlanır. Momentum: Bir maddenin ağırlığından ve hızından dolayı sahip olduğu kuvvete momentum denmektedir. Momentumdaki değişim miktarı maddeye uygulanan kuvvetle orantılıdır ve değişim uygulanan kuvvetin yönünde olur. kg. m/s

EKSTERNAL KUVVETLER-2 Tork (Dönme Momenti): Sabit bir eksene uygulanan kuvvetin efektif bileşeni eksene rotasyon yaptırır. Bu kuvvete rotasyonal kuvvet, moment ya da tork değeri denmektedir. Bu değer, kuvvetle kuvvetin eksenden uzaklığının çarpımına eşittir (yük x yük kolu=kg.m). Moment özellikle kaldıraç sistemleri ve kaldıraç sistemi gibi çalışan eklemlerin fonksiyonlarını incelemek açısından önem taşımaktadır. Normal yükler, moment sonucu, eklemlerde yüksek kompresyonlara neden olabilir.

EKSTERNAL KUVVETLER-3 Sürtünme (Friksiyon): İki yüzeyin birbiri üzerinden kaymasını engelleyen kuvvete sürtünme denir. Sürtünen yüzeylerin hareketi birbirine ters yöndedir. Sürtünmenin miktarı sürtünen yüzeylerin konfigürasyonuna ve yüzeye uygulanan basınca (kg/cm2) bağlıdır. Bir yüzeyin kaymaya karşı gösterdiği dirence o yüzeyin sürtünme katsayısı denir. Sürtünme katsayısı maddenin moleküler yapısı ve yüzeyin girinti-çıkıntı şeklindeki kompozisyonuna bağlıdır. İdeal ortamda bu katsayı sıfır, sinoviyal eklemlerde ise, 0,02-0,002 arasındadır. Dejeneratif eklem hastalıklarında sürtünme katsayısı artar.

EKSTERNAL KUVVETLER-4 Aksiyon (Etki) ve Reaksiyon (Tepki): Bir maddeye etki eden kuvvete karşı, ona eşit ve ters yönde yeni bir kuvvet (tepki=reaksiyon) oluşur. Kompresyon: Bir yüzeye etki eden yerçekimi kuvvetini ifade eder. Eklem yüzeyine uygulanan kompresyon kuvveti, eklemin taşıdığı yük ve moment sonucu oluşur. Normalde intermitan kompresyonlar ekstrasellüler sıvı sirkülasyonunu artırarak biyolojik dokuların beslenmesini kolaylaştırır. Kompresyon, ayrıca proprioseptif duyuyu uyarmak amacıyla da uygulanmaktadır (aproksimasyon). Ancak anormal yüksek kompresyonlu yükler, ligament, tendon, kas, kemik veya kıkırdak dokuda bozulmalaraa neden olabilir.

EKSTERNAL KUVVETLER-5 Traksiyon: Traksiyon, eksternal yüklerle, eklem yüzeylerinin birbirinden ayrılmaya zorlanmasıdır. Bu kuvvetlerin efektif komponenti çekmeye (distraksiyona) neden olurken, inefektif komponenti eklemi rotasyona ya da eklem yüzeylerini birbiri üzerinde kaymaya (gliding) zorlar, yani stabiliteyi azaltır. Distraksiyon, ağrıyı azaltmak, eklem kapsülünü germek ve proprioseptif duyuyu uyarmak amacıyla kullanılan bir kuvvettir. Esneklik (Fleksibilite-Elastisite): Bir etkiyle şekli değişen bir maddenin, etki ortadan kalktıktan sonra eski şekline dönme eğilimine esneklik, buradaki etkiye stres (basınç), oluşan değişime de gerilim (strain – elstik deformasyon) denmektedir. Maddenin eski halini almasının mümkün olmadığı esneklik sınırına kadar, uygulanan stres strain ile doğru orantılıdır (Hooke yasası). Stres çok arttığında strain elastik deformasyon sınırını aşar ve doku eski uzunluğuna dönemez. Başta kaslar olmak üzere hemen bütün dokular değişik esneklik derecelerine sahiptirler.

EKSTERNAL KUVVETLER-6 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 vizskos dokudurlar.

AĞIRLIK MERKEZİ VE DENGE KRİTERLERİ Ağırlık Hattı (Yerçekim Çizgisi): Yer çekim kuvveti bir maddenin bütün atomlarına etki eder. Bu şekilde, birbirine paralel ve yere dik minik kuvvetlerden oluşan ağırlığın doğrultusu da yere diktir. Bu doğrultuya yerçekim çizgisi denir. Ağırlık Merkezi: Yerçekim çizgisi pozisyona bağlı olarak cismin değişik noktalarından geçerken, her halükarda bir noktayı keser. Cisim bir noktadan asıldığında dengede kaldığı noktadır. Ağırlık merkezi denen bu nokta cismin dışında da olabilir. Destek Alanı:  Cisim/vücut 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 denir.

DENGE KRİTERLERİNE İNSANDA ÖRNEKLER  Bir cismin/vücudun dengede kalabilmesi için; ●destek alanı geniş, ● ağırlık merkezi destek alanına yakın, ● ağırlık hattı destek alanının merkezinde olmalıdır. Destek alanı küçük, ağırlık merkezi destek alanından uzakta ve ağırlık hattı destek alanını terk etme eğilimindeyse denge instabildir. İnsanda ağırlık merkezi, boy ve kiloya göre değişmekle birlikte, yaklaşık S2 vertebra üzerindedir. Pozisyon değiştiğinde ağırlık merkezinin yeri de değişir. Vücudun her parçasının; gövdenin ve ekstremitelerinde birer ağırlık merkezi vardır. Proksimalden distale doğru, uzunluğun 4/9'una uyan nokta, pratikte ekstremitenin ağırlık mekezi olarak kabul edilmektedir (4/9 kuralı). Gövde, baş ve kollardan oluşan vücudun üst kısmının ağırlık merkezi yaklaşık T11 vertebra üzeridir.

DENGE KRİTERLERİNE İNSANDA ÖRNEKLER Anatomik pozisyonda vücudun destek alanı, ayakların yere temas yüzeyi ve ayaklar arasında kalan dar bir alandır. Yer çekimi çizgisi ise başın verteksinden 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.       Rectus femoris, servikal ve gluteal kaslar postürü sağlayan antigravite kaslarıdır. Abdominal kaslar antigravite kaslarını dengelerler. Bu denge sistemi postürün üç boyutlu planda korunması için gerekli kas aktivitesinin minimumda kalmasını sağlar.

Anteroposterior Denge

AĞIRLIK MERKEZİ VE DENGE KRİTERLERİ

KALDIRAÇ SİSTEMLERİ Bir noktasına kuvvet uygulandığında, başka bir noktasında yeni bir kuvvet doğuran sistemlere kaldıraç denir. Eklemleri oluşturan kemikler birer kaldıraç sistemi gibi çalışırlar. Kaldıracın destek noktası →eklem; kuvvet noktası→ kasın tutunduğu yeri (insersiyo); yük noktası ise→ mobil kısmın ağırlık merkezidir.  Yük, kuvvet ve destek noktalarının durumuna göre üç tip kaldıraç sistemi vardır: (1) Destek noktası kuvvetle yük arasındadır. Yük kuvvetin aksi yönünde 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 aynı yönde hareket eder. Bu sistem kuvvet yönünden avantajlı, hız yönünden dezavantajlıdır. Kuvvetin etki noktasının ağırlık merkezinin distalinde olması kuvvet yönünden avantaj sağlar. (3) Kuvvet yükle destek arasındadır. İnsan vücudundaki eklemler genellikle hız yönünden avantaj, kuvvet yönünden dezavantajlı olan bu sisteme benzer.  Bir ekstremite çalıştırılırken, distal uçtan kuvvet uygularsa yüksek moment oluşur ve kuvvet yönünde mekanik avantaj sağlanır. Kuvvet proksimalden uygulanırsa, daha fazla enerji harcanır, ancak hareketin denetimi kolaylaşır.