مقاله فارسی اصول علمي زيست مكانيك

اصول علمي زيست مكانيك

فصل اول: معرفي تجزيه هاي بيومكانيك
فصل دوم: ويژگي هاي مكانيكي مواد
فصل سوم: بيومكانيك استخوان
فصل چهارم: بيومكانيك عضله اسكلتي
فصل پنجم: بيومكانيك زردپي و رباط
فصل هفتم: بيومكانيك مفاصل
فصل اول:
اين فصل، اصول پايه اي به كار گرفته شده در سرتاسر اين كتاب را براي درك ساختار و عملكرد سيستم اسكلت يا عضلاني به خواننده معرفي مي كند. بيومكانيك مطالعه ي سيستم هاي بيولوژيكي توسط اجراي قوانين فيزيك مي باشد. اهداف اين فصل مرور اصول و ابزار تجزيه هاي مكانيكي و توضيح رفتار مكانيكي بافت هايي است كه سيستم اسكلت عضلاني را مي سازند. اهداف ويژه ي اين فصل موارد زير مي باشد:
مرور اصولي كه اساس قواعد بيومكانيكي بدن هاي استوار را شكل داده اند.
مرور رويكرد هاي رياضي به كار گرفته شده براي انجام قواعد اسكلت استوار.
بررسي مفاهيم به كار رفته براي ارزيابي ويژگي هاي مواد دگرديس پذير
توضيح ويژگي هاي بافت هاي بيولوژيكي اوليه
مرور اجزاء و رفتار مجموعه ي مفاصل
با ادراك اصول قواعد بيومكانيكي و ويژگي هاي زيستي بافت هاي اوليه ي سيستم اسكلت- عضلاني، خواننده در جهت اجراي اين اصول براي هر قسمت بدن آماده خواهد شد تا مكانيك هاي حركت نرمال هر قسمت
را بداند و تأثيرات اختلالات پاتومكانيك يا مكانيك بيماري را در مورد جابه جايي احساس كند.
معرفي اصول بيومكانيك، دكتر اَندرو آركادونا.
اگرچه بدن انسان يك سيستم پيچيده ي بيولوژيكي باورنكردني است كه با تريليون ها سلول ساخته شده، موضوعي است كه مشابه قوانين بنيادي، بر ساختارهاي ساده فلزي يا پلاستيك حكومت مي كند. مطالعه ي جوابگويي سيستم هاي بيولوژيكي به نيروهاي مكانيكي اشاره به يك عنوان بيومكانيكي دارد. با اين كه تا قرن بيستم به عنوان يك رشته علمي رسمي شناخته نشده بود، ولي بيومكانيك توسط علاقه منداني چون لئوناردوداوينچي، گليلئو گاليله، و آريستوتل مورد تحقيق قرار گرفته شده بود. به كارگيري بيومكانيك براي سيستم اسكلت عضلاني منجر به درك بهتر عمل و بد عملي اتصالات بدن شد و در نتيجه تجهيزات و شيوه هايي چون سيستم هاي اورتوپلاستي يا مفصل سازي و حل ورم مفاصل بهبود يافت. به علاوه، مفاهيم بيومكانيكي اسكلت- عضلاني براي متخصصين باليني از قبيل جرّاحان ارتوپد و متخصصان درمان شناسي و **** مهم مي باشند.
بيومكانيك گاهي اوقات به اتصال ميان ساختار و عملكرد اشاره مي كند. ماداميكه يك درمان شناسي به
طور نمونه يك بيمار را از منظره ي حركت شناختي بدن ارزيابي مي كند، گاهي اجراي يك تجزيه ي كامل بيومكانيكي عملي يا ضروري نمي باشد. امّا يك دانش جامع از بيومكانيك و آناتومي (كالبدشناسي) براي درك چگونگي عملكرد سيستم عضلاني ضروري مي باشد. بيومكانيك همچنين مي تواند در ارزيابي انتقادي درمان ها و سنجش هاي پيشنهادي جديد و رايج براي بيمار، مفيد واقع شود. در نهايت يك درك كلّي از بيومكانيك براي فهميدن برخي اصطلاحات علمي همراه با حركت- شناسي (مثل: توركو، دَم و …) لازم است.
اهداف اين فصل:
مرور بعضي از اصول كلي رياضي به كار رفته در بيومكانيك
توضيح نيروها و لحظه ها
بحث راجع به اصولِ قواعد ايستا
ارائه ي مفاهيم اصولي در جنبش شناسي و مسائل سينتيك (جنبشي)
قواعد محدود به مطالعه در حيطه ي اسكلت استوار يا بدن سالم مي باشد. بدن هاي دگرديس پذير را در فصول 2 و 6 مورد مطالعه قرار خواهيم داد. موارد اين فصل مرجع مهمي براي فصل هاي تجزيه هاي نيرو در سرتاسر متن مي باشد.
مرور اجمالي به رياضيات
اين بخش به عنوان دور برخي مفاهيم اصولي رياضي به كار گرفته شده در بيومكانيك انتخاب شده است. با وجود اينكه، در صورت آشنايي خواننده با اين موارد بالا و پايين مي رود ولي، حداقل به دور اين فصل كمك به سزايي مي كند.
واحد هاي اندازه گيري
اهميّت واحدهاي اندازه گيري به تنهايي كافي نمي باشد. اندازه گيري بايد همراه با واحدي باشد كه مفهوم فيزيكي داشته باشد. برخي اوقات شرايطي وجود دارند كه واحدهاي خاصّي حذفي مي شوند. اگر يك متخصص باليني از قد بيمار بپرسد و جواب «5-6» باشد، انصافاً فرض مي كند كه بيمار 5 فيت، 6 اينچ قد دارد. با اين وجود كه اگر بيمار در اروپا باشد، جايي كه سيستم متري به كار مي رود، اين تفسير اشتباه است. همچنين شرايطي موجود است كه فقدان يك واحد، عددي را به كلي بي فايده مي سازد. اگر به بيماري گفته مي شد كه تمرينات دنباله داري را براي 2 انجام دهد، بيمار نظري نداشت كه معناي 2، 2 روز، هفته، ماه يا حتي سال باشد. استفاده ي واحدها در بيومكانيك مي تواند به 2 گروه تقسيم شود. اول، 4 واحد اساسيِ طول، جرم، زمان و دما وجود دارند كه بر حسب استانداردهاي جهاني پذيرفته شده، تعريف شده اند. هر واحد ديگري، يك واحد
اشتقاقي در نظر گرفته شده است و مي تواند در شرايط اين واحدهاي اساسي، تعريف شوند. براي مثال سرعت برابر طول تقسيم بر زمان است و نيرو برابر جرم ضرب در طول تقسيم بر مجذور زمان مي باشد. ليستي از واحدهاي ضروري براي بيومكانيك در جدول 1-1 تهيه شده است.
جدول 1-1 واحدهاي به كار رفته در بيومكانيك
اززماني كه زاويه ها در تجزيه ي سيستم اسكلت عضلاني مهم محسوب شده اند، مثلثات يكي از مفيدترين ابزارهاي بيومكانيك است. واحد پذيرفته شده براي سنجش زوايا در درمانگاه درجه است. در يك دايره ْ360 درجه وجود دارد، يا به بيان ديگر دايره ْ360 است. اگر فقط يك بخش از دايره در نظر گرفته شود، آنگاه زاويه ي تشكيل شده بخشي از ْ360 است. به عنوان مثال، دايره شامل يك زاويه ي ْ 90 است. اگرچه، در كل، درجه ي واحد مسئله ي مورد بحث اين متن است، زوايا نيز مي توانند در قسمت راديان توضيح داده شوند. از زماني كه راديان در يك دايره وجود دارد، در هر راديان ْ3/57 است. وقتي از يك ماشين حساب استفاده مي كنيم، تعيين اين كه وقت استفاده از درجه راديان است مهم مي باشد.
به علاوه، برخي برنامه هاي كامپيوتر از قبيل Microsoft Excel ، براي محاسبه ي مثلثات از راديان استفاده مي كنند. عملكردهاي مثلثات در بيومكانيك براي حل و رفع نيروها به اجزاء آنها توسط زواياي مربوط به فواصل در يك زاويه ي قائم خيل مفيد هستند (يك مثلث ْ90 دارد). اصولي ترينِ اين روابط (سينوس، كسينوس، تانژانت) در شكل 1 1A تشريع شده اند. يك مرور ساده براي كمك به يادآوري اين معادلات Sohcatoa، (sine) سينوس طرف معكوس است تقسيم بر h وتر (hypotenuse)، (cosine) كسينوس طرف مقابل است a (adjacent) تقسيم بر (h) وتر (hypotenuse)، و (tangent) (t) تانژانت طرف معكوس تقسيم بر (adjacent)a.
اگرچه بيشتر ماشين حساب ها مي توانند براي محاسبه ي اين عملكردها استفاده شوند، برخي يادآوري هاي با ارزش اينجا هستند.
(معادله ي 2-1) 1=)ْ90)sin و )ْ0)sin
(معادله ي 2-2) 0=)ْ90) cos و 1=)ْ0)cos
(معادله ي 3-2) 1= )ْ45)tan
به علاوه تئوري فيثاغورثي اظهار مي كند كه براي يك مثلث قائمه، مجموع مجذور دو ضلع مجاور زاويه ي قائمه برابر با مجذور در وتر مي باشد. (شكل 1. A1) اگرچه به طور معمول كمتر به كار مي رود،
همچنين معادلاتي موجودند كه زوايا و اضلاع مجاور براي مثلث ها شامل يك زاويه راست نمي شوند.
قواعد بردار
پارامترهاي بيومكانيكي مي توانند به عنوان كميّت يا بردار ارائه شوند. يك كميت به آساني توسطِ اندازه اي كه دارد ارائه مي شود. جرم، زمان و طول مثال هايي از كميّت مي باشند، يك بردار معمولاً به عنوانِ دامنه يا جهت ياب معرفي مي شود. به علاوه يك تعريف كلي از بردار همچنين شامل جهت آن (مسير) و نقطه ي اجراي آن است. نيروها و لحظه ها مثال هايي از كميّت هاي برداري هستند. شرايط يك مرد lb160 را كه به مدت 10 ثانيه روي يك صندلي نشسته است را در نظر بگيريد. نيرويي كه وزن او روي صندلي اعمال مي كند، توسط يك بردار به بزرگي lb160، جهت (عمودي)، مسير (رو به پايين)، و نقطه ي اجرا يا حركت (جايگاه صندلي)، ارائه خواهد شد. با اين وجود، زمان سپري شده روي صندلي يك كميّت عددي است و مي تواند با مقدار مقدار آن تعيين شود (10 ثانيه). براي جلوگيري از اشتباه، در تمام اين متن، براي (A) بردارهاي مشخص شده، جسورانه بيان مي كنيم.
(B) براي كميت ها- بيان ديگر براي بردارها در ادبيات پيدا مي شود (و در كلاس ها جايي كه بيان جسورانه سخت است) مثل كشيدن يك خط زير حرف (A) يك
خط بالاي يك پيكان بالاي حرف بزرگي بردار (A) توسط حرف مشابه ارائه مي شود نه گستاخ. به علاوه رايج ترين استفاده از بردارها در بيومكانيك ارائه ي نيروهايي از قبيل عكس العمل عضله و مفصل و نيروهاي پايداري است.
اين بردارها مي توانند با استفاده از يك خط يا يك پيكان در يك طرف آن نشان داده شوند (شكل1.A2) طول خط بزرگي آن را نشان مي دهد. شرايط زاويه اي خط مسير آن را ارائه مي دهد، موقعيت نوك پيكان جهت آن را ارائه مي دهد و موقعيت خط در فضا نقطه ي آغاز آن را بيان مي كند. متناوباً، اين بردار مشابه مي تواند از لحاظ رياضي با استفاده از مختصات (قطبي) يا تجزيه ارائه شود. مختصات اندازه و جهت آن را نشان مي دهد. در مختصات قطبي، بردار مشابه 5 شمال در ْ37 افقي مي باشد (شكل 1.B2). در اين مثال بردار A به اجزايش تجزيه شده است Ax=4N و Ay=3N (شكل 1.c2(. گاهي اوقات تجزيه كردن بردارها به اجزايشان كه در يك رديف با جهت هاي تشريحي قرار دارند كار مناسبي است. براي مثال، محورهاي y,x ممكن است به ترتيب به جهت هاي بالايي و پيشين مربوط باشند. با وجود اين كه ارائه ي هندسي بردارها براي اهدافِ فكري مفيدند، ارائه ي تحليلي خيلي مناسب است. توجه داشته باشيد كه اطلاعات
هدايتي بردار همچنين در اين اطلاعات جاسازي شده اند. شكل 1.c2 برداري است با Ax=-4N و Ay=-3N يا N5*ْ217
جمع برداري
وقتي بيومكانيك اسكلت عضلاني را مطالعه مي كنيم، در نظر گرفتن بيش از يك نيرو طبيعي است بنابراين فهم چگونگي كار كردن با بيشتر از يك بردار مهم است. وقتي كه دو بردار را جمع يا از هم كم مي كنيم، ويژگي هاي مهمي هستند كه بايد در نظر گرفته شوند. جمع برداري جابه جايي پذير است.
(معادله 4-2) A+B=B+A
(معادله 5-2) A-B=A+(-B)
جمع برداري شركت پذير است.
(معادله 6-2) A+(B+C)=(A+B)+C
بر خلاف عددي ها كه فقط مي توانستند با خودشان شوند، اندازه و جهت يك بردار بايد با هم جمع شوند. روش پر جزئيات براي اضافه كردن دو بردار A+B=C در جعبه ي 1-1 نشان داده شده است. روش هندسي از شيوه ي “tiptotail” يا سروته يا دنباله رو استفاده مي كند.
مرحله ي اول كشيدن بردار اول است، A. آنگاه بردار دوم B كشيده مي شوند به طوري كه دُم آن روي نوك محور يا بردار اول مي نشيند. نمايش برداري C خلاصه
ي اين دو بردار است به طوري كه دُم اولي A به سر دومي B وصل مي شود و بردار C را مي سازد. به اين دليل كه جمع برداري جابه جايي پذير يا مبادله اي است، راه حل مشابه، در صورتي كه بردار B بردار اول باشد، به دست مي آيد. در هنگام استفاده از مختصات قطبي، بردارها به روش هندسي كشيده مي شوند و آنگاه قانون cosine كسينوسي براي تعيين اندازه ي C و قانون sines سينوسي براي تعيين جهت C به كار مي رود (شكل 1-1 را براي تعاريف اين قانون مشاهده كنيد.)
براي روش تفكيك اجزاء، هر بردار به اجزاي x , y مربوط به خود تجزيه مي شود. اجزاء اندازه ي بردار را در آن جهت ارائه مي كند. y , x فرضي هستند.
(معادله ي 7-2) Cx=Ax+Bx
(معادله ي 8-2) Cy=Ay+By
بردار، مي تواند با اجزايش باقي بماند Cy , Cx يا به يك اندازه تبديل شود C با استفاده از نظريه ي فيثاغورث و جهت، با استفاده از مثلثات. اين روش موثرترين روش از 3 مورد ارائه شده است و در سرتاسر متن به كار مي رود.
ضرب برداري
ضرب يك بردار توسط يك عدد نسبتاً آسان است. در اصل هر جزء بردار به تنهايي در عدد ضرب مي شوند و
بردار ديگري را ايجاد مي كند. براي مثال اگر بردار شكل 1-2 در 5 ضرب شود نتيجه:
.N15=N 3*5=Ay و N20=N 4*5=Ax
شكل ديگر ضرب برداري حاصلضرب ضربدري است، كه دو بردار در هم ضرب شوند و در نتيجه بُردار جديدي خواهد شد. ( (B*(C=A . جهت C طوري است كه آن متقابلاً عمود به B,A است. اندازه ي C اين طور محاسبه مي شود كه زاويه ي بين B,A را بيان مي كند و * علامتِ ضرب عددي است. اين روابط در شكل 1-3 بيان شده اند.
سيستم هاي مختصات
يك تجزيه ي سه بعدي براي ارائه ي كاملِ حركت انسان ضروري است. چنين تجزيه هايي يك سيستم مختصاتي را لازم دارد كه به طور نمونه از محورهايي تركيب شده بود كه به طور خودكار در يك رديف قرار گرفته بودند، مياني/افقي (ML)، جلوي/عقبي(AP) و بالايي/پاييني(SI).
گاهي اوقات در نظر گرفتن فقط يك تجزيه يا طرح دوبعدي خيلي مناسب است كه فقط 2 يا 3 محور در نظر گرفته مي شوند. در بدن انسان سه صفحه تشريحي عمودي وجود دارد كه به عنوان صفحه هاي كاردينال معرفي شده اند. صفحه سهمي به وسيله ي محورهاي AP , SI، صفحه ي جلويي با محورهاي SI , ML و صفحه ي عرضي

فایل : 14 صفحه

فرمت : Word