Voimat eri suuntiin
- Puristava voima
- Vetovoima (jännitys)
- Leikkausvoima
- Vääntövoima (torsio)
- Taivutus
Newtonin periaatteet
Jotta voimme ymmärtää voimien vaikutusta ihmisten liikkeisiin, on hyödyllistä tuntea Sir Isaac Newtonin muotoilemat fysiikan lait, jotka säätelevät kaikkien esineiden liikettä.
Inertia: Kaikki liikkuu samalla nopeudella ja suuntaan, kunnes siihen kohdistuu voima. Toisin sanoen, voima, joka tarvitaan esineen liikkeelle saattamiseen ja kiinnittämiseen: Lapaluun keskiosa yläkulma vastustamaan tai pysäyttämään jo liikkeessä olevan esineen. Kehon inertia on verrannollinen sen massaan. Esimerkiksi, jos nostat painoja, raskaampi paino vaatii enemmän voimaa sekä sen liikkeelle saattamiseen että sen liikkeen hidastamiseen tai pysäyttämiseen kuin kevyt paino.
Kiihtyvyys ja liikevoima; F=ma Voima riippuu massasta ja kiihtyvyydestä. Tämä laki sanoo, että voima (F), joka vaikuttaa tiettyyn suuntaan liikkuvaan kappaleeseen, on yhtä suuri kuin kappaleen massa (m) kerrottuna kappaleen kiihtyvyydellä (a): F = ma.
Tästä voidaan nähdä, että kappaleen kiihtyvyys on verrannollinen käytetyn voiman suuruuteen: a = F / m. Kappaleen kiihtyvyys riippuu siis siitä, kuinka voimakkaasti sitä painetaan, jaettuna sen massalla. Mitä voimakkaammin jotain painetaan tai vedetään, sitä nopeammin se kiihtyy voiman suuntaan. Toinen laki koskee myös kappaleen nopeutta. Lineaarinen tai liikemäärä on liikkuvan kappaleen liikkeen määrä, joka on yhtä suuri kuin sen massa kerrottuna sen nopeudella. Tämä tarkoittaa, että kappaleen liikemäärä voi kasvaa lisäämällä sen massaa tai lisäämällä sen nopeutta. Joten kun nostat 10 kg:n painon ja sitten 20 kg:n painon samalla nopeudella, 20 kg:n painolla on enemmän vauhtia. 10 kg:n painon nostaminen suurella nopeudella vaatii enemmän voimaa kuin saman painon nostaminen pienemmällä nopeudella, vaikka vastus on sama. Mitä enemmän liikevoima kasvaa, sitä enemmän voimaa tarvitaan myös sen pysäyttämiseen tai suunnan muuttamiseen. Liikevoima voi olla positiivinen voima esimerkiksi jalkapallossa, jossa pelaajat kilpailevat kentällä ja toivovat, että vastustajat eivät pysty vastaamaan heidän nopeuteensa. Mutta progressiivisessa kuntoilussa oman kehon on pystyttävä pysäyttämään luomasi vauhti. Liiallinen vauhti voi aiheuttaa vammoja, etenkin kun treenataan painoilla. Voimaharjoittelu on suoritettava nopeuksilla, jotka ovat täysin lihasten hallinnassa. Toisin sanoen, jos "huijaat" aloittamalla liikkeen vauhdilla muusta ruumiinosasta kuin siitä, johon keskityt, liikkuvan niskan/pään painovoima voi olla suurempi kuin lihaksen kyky jarruttaa ja pysäyttää sitä.
Toiminta-reaktio-periaate: Kaikki voimat, jotka vaikuttavat levossa olevaan esineeseen, kumoaa yhtä suuri vastavoima. Näin ollen jokaiselle toiminnalle on olemassa vastaava ja vastakkainen reaktio. Tämä laki koskee voimia, jotka keho joutuu absorboimaan juoksun, hyppimisen ja voimakkaiden aerobic-liikkeiden kaltaisissa aktiviteeteissa. Ylikuormitus ja stressi voivat aiheuttaa olkapään nivelten vammoja, kun keho ei kykene vastustamaan iskuja ja reaktiovoimia. Vaikutus jalkoihin ja kehoon kasvaa nopeasti, erityisesti suurikokoisilla henkilöillä tai suurten kiihtyvyyksien aikana. Laskeutumisvoima on kehon massa (m) kerrottuna sen kiihtyvyyden (a) neliöllä. Keho kohdistaa voiman (m × a) maahan, ja maa kohdistaa yhtä suuren reaktiovoiman kehoon, joka on johdettava pois sen iskunvaimentavien rakenteiden kautta. Vammat syntyvät usein, kun keho on väärässä asennossa, jolloin voimat eivät jakaudu tasaisesti tai ne keskittyvät kudoksiin, jotka eivät ole tarkoitettuja absorboimaan niin voimakkaita voimia. Tämä selittää entisestään, miksi liikakäyttö- ja stressivammoja voi syntyä myös painoharjoittelussa, jossa suuri nopeus on tekijä: liikkeen pysäyttämiseen osallistuvien kudosten voiman on vastattava painon massaa ja kehon segmentin massaa kerrottuna painon ja kehon segmentin kiihtyvyydellä.
Esimerkkejä kehon vipuvarsijärjestelmistä
X = Kiertokeskipiste
F (Hauislihaksen lyhennys) = Voima
R (Kädessä oleva paino) = Vastavoima
Fa (Hauislihaksen voima × hauislihaksen kiinnityskohdan etäisyys kiertokeskipisteestä) = Voiman vipuvarsi
Ra (Paino × etäisyys kiertokeskipisteestä) = Vastuksen vipuvarsi
Kun voima vaikuttaa vipuvarteen jonkin matkan päässä pyörimisakselista, tuloksena on kiertovaikutus. Tätä kiertovaikutusta kutsutaan vääntömomentiksi. Vääntömomentin suuruus saadaan kertomalla voiman suuruus vipuvarsen pituudella (kulma-asennossa oleva etäisyys pyörimisakselista). Siksi F × Fa on vääntömomentti voiman (biceps) kohdalla ja R × Ra on vääntömomentti vastuksen kohdalla. Pyöriminen tapahtuu suuntaan, jossa vääntömomentti on suurempi.
Esimerkki laskelmasta vääntömomentti
Asiakas, joka pitää painoa kädessään, pyydetään pitämään sitä vakaana 90 asteen kulmassa kyynärpääliitoksessa. Painon ja käsivarren segmentin voima on 10 kg. Kyynärpääliitoksen flexorien vaikutusetäisyys kyynärpääliitoksesta on 5 cm. Vipuvarsin pituus (paino + käsivarsi) on 38 cm. Mikä on kyynärvarren koukistajien vääntömomentti tasapainotetussa järjestelmässä?
Laske kyynärpään flexoreiden vääntömomentti seuraavalla kaavalla:
R × Ra = F × Fa
10 kg × 38 cm = 380 kg-cm
Tasapainotetussa järjestelmässä vastuksen vääntömomentti ja kyynärpään koukistajien vääntömomentti olisivat yhtä suuret kuin 380 kg-cm.
Vastaus kysymykseen, kuinka paljon voimaa tarvitaan 10 kg:n painon pitämiseksi vakaana, ratkaistaan seuraavasti: F:
Rx × Ra = F × Fa
10 kg × 38 cm = F × 5 cm
380 kg-cm = F × 5 cm
380 kg-cm / 5 cm = F
F = 76 kg
R = vastus, Ra = vastusvarsi, F = voima; Fa = voima varsi
Lihaksen voimantuotto
Pituus-jännitys-suhde
Kuva 1. Pituus-jännitys- suhde. Kuinka lihas tuottaa voimaa sen nykyisen pituuden mukaan.
Lihaksen pituuden ja jännityksen suhde
Lihaksen pituus-jännitys-suhde on kuitujen pituuden ja kuidun tällä pituudella tuottaman voiman välinen suhde. Tämä pituus viittaa eristetyn kuidun pituuteen ja riippuu aktiini- ja myosiinifilamenttien sijainnista sarkomeereissa, kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty.
Voima-nopeuskäyrä
Kuva 2 Voiman ja nopeuden suhde. Kuinka lihas tuottaa voimaa suhteessa supistumisnopeuteen ja supistumisen tyyppiin.
Yllä esitetty voima-nopeus-käyrä kuvaa eristettyjen lihassyiden käyttäytymistä. Vaikka useimmat ihmiset olettavat, että tämä suhde säilyy kehon lihas-/hermosto-segmenteissä, se on itse asiassa paljon monimutkaisempi. Esimerkiksi joissakin liikkeissä on näyttöä siitä, että samalla kun lihaksen kokonaispituus kasvaa (näyttää eksentriseltä supistukselta), lihassyyt itse asiassa supistuvat konsentrisesti (lyhenevät), ja ero syntyy lihaksen supistumattomien osien (jänteet ja sidekudoskalvo) venymisestä. Koska voiman tuotantoon vaikuttavat suuresti nämä rakenteet, todellisuus on monimutkaisempi kuin klassinen voima-nopeussuhde.
Lihakset ja voiman tuotanto
Lihassyiden lukumäärä ja koko, syiden tyyppi ja muoto sekä neurologinen harjoittelu ja rekrytointi ovat kaikki tekijöitä, jotka vaikuttavat lihaksen kykyyn tuottaa voimaa. Lihaksia on useita erilaisia, mukaan lukien penniformiset (unipennate, bipennate, multipennate) ja pitkittäiset (fusiform) lihakset. Penniformiset lihakset on suunniteltu tuottamaan enemmän voimaa kuin pitkittäiset lihakset. Suurin osa kehon lihaksista on penniformisia, joissa kuidut ovat vinossa suhteessa vetosuuntaan, jota pidetään yleensä suorana linjana lihaksen kahden kiinnityskohdan välillä.
Kynämainen lihas mahdollistaa suuremman määrän kuituja tiiviisti pakattuna tiettyyn poikkipinta-alaan, mikä mahdollistaa useamman kuidun osallistumisen voiman tuotantoon. Quadriceps on esimerkki kynämäisestä lihaksesta, joka voi tuottaa huomattavia voimamääriä, ja sen kiinnityskohdat ovat suhteellisen kaukana liikkuvista nivelistä.
Pitkittäiset lihakset ovat pitkiä ja kapeita, ja niiden kuidut kulkevat samansuuntaisesti lihaksen kanssa. Tämäntyyppinen rakenne mahdollistaa nopeat supistukset, mutta koska poikkileikkaus on pieni, supistumisvoima on rajallinen. Sartorius ja Rectus Abdominis ovat esimerkkejä pitkittäisistä lihaksista.
Anatomiset, fysiologiset ja biomekaaniset tekijät ovat tärkeitä asiakkaan sopivan vastuksen määrittämisessä ja harjoitusohjelman laatimisessa. Lihaksen rakenne antaa paljon tietoa sen pääasiallisesta toiminnasta ja siitä, miten sitä tulisi harjoittaa.