Magdalena Cebularz gr. 20

Pojęcie siły, momentu siły. Przyczyny ruchów postępowych i obrotowych.

Wzajemne relacje między siłami zewnętrznymi i wewnętrznymi.

Pojecie siły i momentu siły:

Siła

Prostą definicje siły zawiera stwierdzenie, że jest to popychanie lub podciąganie (Brunnstrom 1975). Siły wywołują ruch lub zapobiegają ruchowi, lub tez maja ku temu tendencję. W ciele ludzkim siły wewnętrzne są wytworem skurczu mięśni i działają przez wewnętrzną aranżacje mięśni i ich ścięgien. Oraz innych struktur anatomicznych . W terapii w ćwiczeniach cielesnych i wszelkich innych aktywnościach ruchowych działają także zewnętrzne siły grawitacji, ale często tez siły zewnętrzne stosowane ręcznie lub dzięki działaniu różnych aparatów i urządzeń, opasek, podwieszek, ciężarków bloczków czy pasów.

Siłę można też nazywać wektorową wielkością fizyczną , będącą miarą oddziaływania ciał materialnych za pośrednictwem pól fizycznych. W mechanice i biomechanice również siła jest wielkością wywołującą zmianę ruchu ciał lub odkształcenia zgodnie z drugim prawem Newtona.

Jednostką siły w układzie SI jest niuton. Niuton jest to siła, która w kierunku jej działania nadaje masie jednego kilograma przyspieszenie jednego ^m/s², czyli

1 N = 1 kg x 1 ^m/s². Siłę wyraża się także w kilogramach bez uwzględnienia przyspieszenia (Lippert 1980). Aby całkowicie wyrazić lub opisać siłę, należy znać jej wielkość i kierunek, a także punkt przyłożenia, tzn. punkt kontaktu między siłą a ciałem, na które siła ta działa. Te charakterystyczne cechy siły, w pewien sposób skombinowane, wskazują na linię działania siły.

Inaczej mówiąc, siła jest wektorem ilości, ponieważ jest to ilość, która ma swą wielkość i kierunek. Ilość tę można Przedstawić graficznie a pomocą wektora, który jest linią prostą wrysowaną w skalę, ze strzałką wskazując jej kierunek. Wektor siły przedstawiany bywa jako pociągnięcie lub popychanie punktu, w którym działa siła.

Moment siły

Moment siły jest wektorem wyznaczonym przez iloczyn wektorowy odległości punktu przyłożenia siły od osi obrotu r i wektora siły F. Wartość tak zidentyfikowanego momentu siły zależy więc zarówno od wartości siły działającej na dźwignię, odległość punktu jej przyłożenia od osi obrotu, jak również od kierunku działania siły, czyli kąta przyłożenia siły względem dźwigni.

Pojęcie momentu siły można wyrazić także następująco: wartość momentu siły jest równa iloczynowi wartości siły F i jej ramienia r. Przez ramię siły będziemy rozumieć odległość r między kierunkiem działania siły F, a osią obrotu dźwigni. Odległość tę mierzy się od osi obrotu dźwigni wzdłuż prostej prostopadłej do kierunku działania siły F.

Przyczyny ruchów postępowych i obrotowych:

Budowa układu kostno-stawowego ogranicza możliwości ruchowe części ciała w stawach wyłącznie do ruchów obrotowych. Oznacza to, że dwie sąsiednie części ciała połączone stawem mogą poruszać się względem siebie tylko ruchem obrotowym. Jednocześnie oś stawu - stanowiącego element złożonego mechanizmu nazywanego łańcuchem kinematycznym - może przemieszczać się w przestrzeni wykonując ruch postępowy. W efekcie mamy więc do czynienie ze złożeniem dwóch rodzajów ruchów: postępowego i obrotowego. Nazywa się je ruchami niezależnymi z powodu odmiennej natury, oraz przyczyn je wywołujących - oznacza to, że nie mają one wspólnych składowych, czyli że jednego z nich nie można przedstawić jako kombinacji drugiego.

Dowolne ciało może poruszać się w zasadzie ruchem postępowym, obrotowym lub też jednym i drugim jednocześnie. W tym ostatnim przypadku, gdy mamy do czynienia z ruchem zawierającym składową postępową i obrotową, mówimy, że ciało porusza się ruchem dowolnym.

Ruch postępowy

Ruchem postępowym nazywamy taki ruch, w którym wszystkie punkty ciała poruszają się po jednakowych i wzajemnie równoległych torach, w tych samych przedziałach czasu doznając jednakowych przemieszczeń.

Z definicji tej wynika, że ruchem postępowym może poruszać się ciało nie zmieniające swej geometrii, czyli sztywne i skoro jego punkty poruszają się po tych samych torach z jednakowymi prędkościami chwilowymi, to do opisu ruchu postępowego ciała wystarczy obserwować i opisać ruch jednego z tych punktów. Wypływa stąd również następny wniosek: własności ciał w ruchu postępowym w sposób wystarczający można modelować za pomocą punktu materialnego, w którym zbiegają się wszystkie siły działające na interesujące nas ciało. Skutki działania tych sił opisuje II zasada dynamiki Newtona mówiąca, że przyspieszenie jakiemu podlega ciało o masie m, jest wprost proporcjonalne do działającej na nie wypadkowej siły F (sumy sił), a odwrotnie proporcjonalne do masy ciała m. Mówić obrazowo, zasada ta powiada, że do zmiany parametrów ruchu postępowego ciała (czyli zmiany wartości, zwrotu lub kierunku prędkości) konieczne jest użycie siły, a uzyskane efekty będą zależały od wartości użytej siły, czasu jej działania, a także masy ciała.

Ruch obrotowy

Ruchem obrotowym nazywamy taki punkt, w którym wszystkie punkty ciała przemieszczają się po okręgach współśrodkowych, doznając w jednakowych odstępach czasu tych samych przemieszczeń kątowych.

Z powyższej definicji wynika, że ruchem obrotowym może poruszać się ciało sztywne, ruch odbywa się wokół osi obrotu, zatem punkty ciała leżące na niej są nieruchome, pozostałe zaś poruszają się z jednakowymi prędkościami kątowymi. Miarą drogi przebytej w ruchu obrotowym jest kąt zakreślony przez promień łączący obserwowany punkt z osią obrotu (wierzchołek tego kąta leży na osi obrotu). Przyczyną wywołującą ruchy obrotowe ciał jest moment siły. Skutki działania momentów sił na ciała opisuje tzw. równanie ruchu obrotowego bryły sztywnej

gdzie:

- wypadkowy moment siły działającej na bryłę;

I - moment bezwładności bryły;

- przyspieszenie kątowe wywołane działaniem momentu M.

Wzajemne relacje między siłami zewnętrznymi i wewnętrznymi.

Do sił wewnętrznych zaliczamy siły generowane przez czynny układ ruchu oraz wywołane przez nie opory np. tkanek biernego układu ruchu. Do czynnego układu ruchu należą mięśnie szkieletowe, a więc to one wywołują siły czynne. Siłami biernymi mogą być takie siły, jak opór odkształcalnych tkanek (więzadeł, torebki stawowej), tarcie wewnętrzne, opór wywołany przez mięśnie antagonistyczne i bezwładność poruszanego segmentu ciała. Wartość oporu tkanek zależy np. od temperatury wewnętrznej ciała oraz elastyczności (sztywności), a bezwładność, np. kończyny dolnej czy górnej, zmienia się wraz z wzajemną konfiguracją jej członów.

Siłami zewnętrznymi będą wszystkie siły działające na zewnątrz układu, czyli ciała człowieka. Do sił zewnętrznych czynnych zaliczamy siłę grawitacji, siły oporu wywołane przez przeciwnika lub partnera, prąd wody czy tez wiatr. Siły czynne na zasadzie reakcji, wywołują siły bierne, np. w postaci tarcia, reakcji podłoża, oporu powietrza i wody.

Bibliografia:

1. Bober Tadeusz, Zawadzki Jerzy. Biomechanika układu ruchu człowieka

2. Błaszczyk Jerzy Wiesław. Biomechanika kliniczna. Podręcznik dla studentów medycyny i fizjoterapii.

3. Zagrobelny Zdzisław, Woźniewski Marek. Biomechanika kliniczna część ogólna.

---