Kafli 4 Línulegur kraftur og hreyfing

Transcript

1 Kafli 4 Línulegur kraftur og hreyfing Kraftur (force) Ytri og innri kraftar. Við þurfum að beita miklum innri kröftum til mótvægis við ytri krafta og mikið álag á þessa innri krafta getur valdið vefjaskemmdum. => kraftur getur valdir þrýstingi sem svo getur valdið verkjum. Ytri kraftur er þyndarkraftur, umhverfi (skólatöskur, stóll), viðnámskraftur, núningskraftur Innri kraftur er t.d vöðvakraftur, eitthvað sem kemur innan frá okkur. Allar grunnhreyfingar eru snúningshreyfingar. Íhlutun iðjuþjálfa: Breyta kröftum minni verkir, bætt hreyfing eða líkamsstaða, aukin færni og starfsgeta. +10 N -10 N +10 N -10 N

2 Lögmál Newtons Tregðulögmál Newtons (law of inertia) Hlutur er kyrr eða hreyfist á jöfnum hraða nema á hann verki kraftur. Dæmi1 um manneskju í hjólastól. Þið eruð að aka stólnum og stoppið svo snögglega með handafli. Maðurinn í stólnum heldur áfram og það þarf kraft til að stöðva hjólastólinn. Dæmi 2 um mjaðmarflexion á göngu. Við þurfum flexora í mjöðm til að koma hreyfingu af stað. Hamstringsvöðvarnir bremsa hana svo af. Einfalt orðalag: Við þurfum kraft til að koma hlut á hreyfingu, breyta um stefnu eða hraða og til að stöðva hlut sem er á hreyfingu. Bolti => núningskraftur, loftmótstaða, þyngdarkraftur koma til með að stöðva boltann. Hröðunarlögmál Newtons (law of acceleration) Þegar ákveðnum krafti er beitt á mismunandi hluti þá hreyfast þeir á mismunandi máta. Hreyfingin er háð eiginleikum hlutar og að hve miklu leiti hann spornar gegn því að vera hreyfður. Þessi eiginleiki hlutar, sem spornar gegn hreyfingu, kallast tregða eða inertia. Á einföldu máli má segja að það þurfi meiri kraft til að hreyfa eða bremsa þungan hlut en léttan. Það þarf líka meiri kraft til að hreyfa ákveðinn massa hratt heldur en hægt. Hraði hlutar breytist í réttu hlutfalli við kraftinn sem að verkar á hann og í öfugu hlutfalli við massa hlutarins a = F/m. Dæmi: Einstaklingur með gifs eða spelku um handlegginn. Þar er auka þyngd sem gerir það að verkum að það er bæði erfiðara að koma hreyfingu af stað og stöðva hana. Því þarf að gæta að því að hafa þessa hluti sem léttasta. Ekki síst þar sem gifs eða spelka er á veikbyggðu fólki. F = m a, W = m g Klínískt er oft reynt að draga úr kröftum á líkama t.d. með því að minnka áhrif þyngdaraflsins. Það fæst með því að nota fatla, hreyfa á hálu og sléttu yfirborði eða framkvæma hreyfingu ofan í vatni. Meiri kraftur meiri hröðun Minni massi meiri hröðun. a = F/m F = m a Gagnvirknilögmál Newtons (law of action/reaction) Þegar hlutir snertast þá verka þeir á hvorn annan með jafn stórum en gagnstæðum kröftum. For every action there is an equal and opposite reaction. Kraftar vinna því oftast í pörum. Dæmi: Að halda 5 Newtona lóði í kyrrstöðu. Á meðan tveir hlutir snertast, þá verka þeir hvorn á annan með gagnstæðum og jafnmiklum krafti, á meðan hlutirnir eru kyrrir. Ef annar hluturinn er með meiri kraft, þá raskast jafnvægið og hreyfing verður.

3 Kraftar í jafnvægi: Summan í öllum kröftum í kerfinu er = 0, þá er jafnvægi. Ef einhver aukakraftur kemur til, þá raskast jafnvægið og það verður hreyfing (hröðun). => ef það er hreyfing í gangi, þá er ekki jafnvægi! Σ F = 0 jafnvægi Isometrisk, concentrisk og eccentrisk vöðvavinna. Ef bakkinn er kyrr => ísómetrísk vöðvavinna (í deltoid) => krafturinn í deltoid er jafnmikill og þyngdarkrafturinn. Ef bakkanum er lyft upp, þá verður concentrísk vöðvavinna í deltoid vöðvanum. Deltoid verður meiri en þyngdarkrafturinn og það sem á bakkanum er. Ef bakkinn sígur, þá verður eccentrísk vöðvavinna á deltoid => þyngdarkrafturinn og það sem er á bakkanum, yfirvinnur krafta deltoid vöðvans. Normal kraftur Allir kraftar skiptast upp í það að vera normal eða samsíða kraftar. Normal kraftur verkar hornrétt á ákveðið yfirborð, upp eða niður. Þyngdarkraftur í jörðu verka hornrétt á manninn, þegar maðurinn stendur hann togar manninn niður. Tog (tension) => það myndast togkraftur t.d á olnboga þegar togað er í hendi. Samþjöppun (compression) => ef vöðvar í kringum liði taka mikið á, þá veldur það samþjöppun. Bæði tog og samþjöppun eru kraftar sem eru inni í líkamanum líka, eru líka innri kraftar. Þessir kraftar geta valdið þrýstingi í liðum. Þeir sem eru með liðagikt þola illa tog og getur það brotið niður vefi í líkamanum. Teygjanleiki (elasticity) => hver vefur hefur ákveðin teygjanleikastuðul. Þegar tognar í liðum, þá eru ákveðin mörk sem teygjan heldur, og gerir liðnum kleift að fara í fyrri stöðu aftur. (vöðvar eru teygjanlegri en liðir). En ef farið er yfir leyfileg eða hreyfimörk liðsins eða vöðvans, þá verður tognun. Samsíða kraftur Samsíðakraftar virka þvert á yfirborð og er t.d. núningskraftur, sem er stærsti samsíða krafturinn eða samsíða kraftur. Líkaminn er ekki vel búinn til að taka á við núningskraft (núningur á húð) eða samsíða kraft (samsíða högg á bein).

4 Spenna (stress) Mikill þrýstingur eða stór krafur á lítinn yfirborðsflöt => mikill þrýstingur og vefir geta farið að brotna niður. Stór kraftur og stór yfirborðsflötur => lítill þrýstingur. P = F/A Spenna (stress) Samþjöppun (compression) Þrýstingur (pressure) Eining: N/m 2 => Newton á fermetra, einnig pascal. Innri kraftar Innri kraftar eru myndaðir af vefjunum inni í líkamanum. Stærð => í insertio er upphafspunktur kraftsins, og hann fer í sömu stefnu og vöðvinn liggur. Stefna Mismunandi vöðvavinna => Þessir kraftar fara alltaf í sömu átt, hvort sem um er að ræða isometriska, concentríska eða eccentríska vöðvavinnu. Kraftamyndir Pectoralis major vöðvinn vinnur ekki beinni línu, en heildarkrafturinn er samt í ákveðna átt (horizonal - adduction og abduction). Þegar vöðvinn tekur á, til að vinna á móti þyngdarkrafti hlutar, þá verður samþjöppun í liðnum, sem mynda þá ákveðna krafta. Þættir sem ráða magni vöðvakrafts. Sjá box 4-2, bls 39. Því stærri sem vöðvinn er, því sterkari er hann. Í fáum orðum má segja að hver vöðvi hefur kraft sem svarar 100 N/cm 2, eða 10 kg/cm 2. Þættir sem ráða hreyfimörkum (excursion) vöðva. Sjá box 4-3, bls 39. -hvar vöðvarnir eru staddir í hreyfiferlinu. T.d. Munur á fusiform og pennate vöðvum => fusiform vöðvarnir liggja beint niður, en pennate vöðvarnir liggja á ská. Active insufficiency => þegar búið er að kreppa vöðva sem fer yfir mörg liðamót. Það þarf að stabilera ein liðamót svo hin geta unnið sem best. Passive insufficiency => antagonsitar eru komnir í það strekta stöðu, að agonistar ná ekki að mynda hreyfingu. Vöðvaþræðir sem ekki eru nógu langir, stöðva þá hreyfinguna. fusiform pennate

5 Samsetning krafta (composition) Hreyfingar mannslíkamans: Oftast margir kraftar samtímis að verki. Summukraftur = resultant force => margir kraftar sem vinna saman eru teknir og laggðir saman og úr verður heildarkraftur sem lýsir hreyfingunni og kraftinum sem verður. Summukraftur ræður hreyfingu. Einfaldasti krafturinn (eða kraftakerfi) sem getur haft sömu áhrif og margir kraftar sem vinna saman. R = Σ F => summan af öllum kröftum sem verka. Myndrænt eða stærðfræði. FORCE RESOLUTION Samsíða kraftar (parallel) Kraftar sem mynda horn hver við annan (angular) Hornafræði! Summukraftur => miðlínan (þessi svarta) fer niður þar til jafnvægi næst milli samsíða og normal krafts. Fv Fh Samlagning krafta (innri og ytri) Samsíða kraftar (parallel forces) Samlagning krafta (innri og ytri) Útreikningur á innri vöðvakrafti: + 23 M H = 0,25 kg F H = 2,5 N M G = 0,5 kg F G = 5 N F = 0 => jafnvægi Hamborgari og glas - - F H + F g + F B = (-2,5) + (-5) + F B = 0 F B = 0 + 2,5 + 5 F B = 7,5 Samlagning krafta (innri og ytri) Concurrent kraftar. Verka á sama punkt en koma úr ólíkum áttum. Hornaföll og regla Pythagoresar. 125 N 125 N 257 N 225 N 225 N A 2 + B 2 = C = = C 2 = => C = C = 257 N

6 Teikna inn á hlutfallslega stærð og stefnu kraftanna við mismunandi vöðvavinnu: Að brjóta krafta upp í frumeindir. resultant force. Hornaföll bls Algengar jöfnur í lífaflfræði bls A ) Concentrískur vöðvasamdráttur => vöðvinn spennist og styttist og vöðvakrafturinn verður meiri en mótstaðan. Fjarlægðin milli insertio og origio vöðvan styttist. B) Ísometriskur vöðvasamdráttur => vöðvinn spennist, en það verður engin hreyfing vegna þess að vöðvakraftur og mótstaðan er jafn stór. Fjarlægðin milli origio og insertio er háð því í hvaða stellingu vöðvinn er?? C) Eccentrískur vöðvasamdráttur => vöðvinn spennist og lengist og mótstaðan verður meiri en vöðvakrafturinn. Fjarlægðin milli insertio og origio lengist.

7 Markmið og prófspurningar úr 4 kafla: Gefið dæmi um hin þrjú lögmál Newtons. Tregðulögmál Newtons (law of inertia) Hlutur er kyrr eða hreyfist á jöfnum hraða nema á hann verki kraftur. Dæmi: manneskja í hjólastól. Þið eruð að aka stólnum og stoppið svo snögglega með handafli. Maðurinn í stólnum heldur áfram og það þarf kraft til að stöðva hjólastólinn. Hröðunarlögmál Newtons (law of acceleration) það þarf meiri kraft til að hreyfa eða bremsa þungan hlut en léttan. Það þarf líka meiri kraft til að hreyfa ákveðinn massa hratt heldur en hægt. Dæmi: Einstaklingur með gifs eða spelku um handlegginn. Þar er auka þyngd sem gerir það að verkum að það er bæði erfiðara að koma hreyfingu af stað og stöðva hana. Því þarf að gæta að því að hafa þessa hluti sem léttasta. Ekki síst þar sem gifs eða spelka er á veikbyggðu fólki Gagnvirknilögmál Newtons (law of action/reaction) Þegar hlutir snertast þá verka þeir á hvorn annan með jafn stórum en gagnstæðum kröftum. Dæmi: Að halda handlóðum í kyrrstöðu. Hvað er lífaflfræði og lífaflfræðileg greining? Lífaflfræði er fræði sem fjallar um krafta (force) og áhrif þeirra á líkamann. Lífaflfræðileg greining => greina líkamsstöðu og hreyfingar út frá kröftum. Lýst hvernig kraftar, sem verka á manneskju sem situr í stól (í hvíld), eru í jafnvægi. Summan í öllum kröftum í kerfinu er = 0, þá er jafnvægi. Ef einhver aukakraftur kemur til, þá raskast jafnvægið og það verður hreyfing. 6o kg manneskja sem situr í stól gefur kraft upp á 600 N niður á við. Stóllinn gefur sama kraft á móti til þess að halda manneskjunni í jafnvægi. Gert grein fyrir hvað verður um origio og insertio flexor vöðva þegar utanaðkomandi kraftur togar liðamótin sem vöðvinn liggur yfir í extension. Þegar utanaðkomandi kraftur togar í liðamót og extenderar þann lið, tökum sem dæmi olnbogalið, þá lengist vöðvinn, biceps brachii, insertio, sem er á radius, færist fjær origio, sem er á scapulunni. Ef togað er of fast, getur vöðvinn tognað, og þá verður skemmd á vefjunum inni í vöðvanum.

8 Sýnt dæmi um þrjár mismundandi tegundir af vöðvasamdrætti og borið saman hvernig fjarlægð milli origio og insertio vöðva breytist við mismunandi tegundir vöðvasamdráttar. Innri kraftar eru myndaðir af vefjunum inni í líkamanum. Í insertio er upphafspunktur kraftsins, og hann fer í sömu stefnu og vöðvinn liggur. Ísometriskur vöðvasamdráttur => vöðvinn spennist, en það verður engin hreyfing vegna þess að vöðvakraftur og mótstaðan er jafn stór. Fjarlægðin milli origio og insertio er háð því í hvaða stellingu vöðvinn er?? Concentrískur vöðvasamdráttur => vöðvinn spennist og styttist og vöðvakrafturinn verður meiri en mótstaðan. Fjarlægðin milli insertio og origio vöðvan styttist. Eccentrískur vöðvasamdráttur => vöðvinn spennist og lengist og mótstaðan verður meiri en vöðvakrafturinn. Fjarlægðin milli insertio og origio lengist. Lýst áhrifum hreyfimarka (excursion) vöðva á styrk hans í concentriskum samdrætti. Vöðvakraftur sem að vöðvi getur myndað í einum hamarks vöðvasamdrætti er háður lengd vöðvan (excursion) vöðvans í upphafi samdráttarins (bls 51). Lengd vöðvans ákvarðar hversu vel actin og myosin moliculin í vöðvanum ná að tengjast. Lýst áhrifum hreyfimarka Hvað getur vöðvinn lengst mikið og hvað getur hann styst mikið. Skiptir máli að vöðvinn sé ekki of langur og ekki of stuttur, svo myosinið og actinið ná að tengjas sem best Ef of langur eru actin og myosin of langt frá hvor öðrum og ná ekki að tengjast vel - eins ef vöðvar ná yfir fleiri en ein liðamót. Ef við teygjum á öllum liðamótunum, þá veikjum við vöðvann, actin og myosin ná rétt saman. Ef það er of stutt á milli moleculanna, þá ná mólekúlin heldur ekki að tengjast vel, og hreyfingin verður ekki eins markviss. Það skiptir máli hvar vöðvarnir eru staddir í hreyfiferlinu. T.d. Munur á fusiform og pennate vöðvum => fusiform vöðvarnir liggja beint niður, en pennate vöðvarnir liggja á ská. Active insufficiency => þegar búið er að kreppa vöðva sem fer yfir mörg liðamót. Það þarf að stabilera ein liðamót svo hin geta unnið sem best. Passive insufficiency => antagonsitar eru komnir í það strekta stöðu, að agonistar ná ekki að mynda hreyfingu. Vöðvaþræðir sem ekki eru nógu langir, stöðva þá hreyfinguna.

9 Active og passive insufficiency Active insufficiency => er þegar vöðvinn styttist of mikið, þ.e. það verður of stutt bil á milli actin og myosin filamentana til þess að þeir virki eins og þeir eigi að gera. Á myndinni fyrir ofan, veldur flexion í hné, ásamt extension í mjöðm því að hamstrings vöðvahópurinn styttist, og á vöðvinn því erfiðara að mynda spennu og starfa eðlilega. Það eru agonistarnir sem valda active insufficiency Passive insufficiency => er þegar vöðvinn lengist of mikið, þ.e það teygist mikið á vöðvanum. Það verður því of mikið bil milli actin og myosin filamentana, svo vöðvinn virkar ekki sem skyldi. Á myndinni fyrir ofan er mjöðmin komin í flexion og hnéð í extension, og því hefur teygst mikið á hamstrings vöðvahópnum. Hamstrings eru hérna antagonistar þeirra vöðva sem sjá um að flektera mjöðm sem balda passive insufficiensy Active insufficiensy Passive insufficiensy Skilgreint og borið saman stærð krafts, stefnu hreyfikrafts og stefnu vöðva (innri) krafts. Innri kraftar eru myndaðir af vefjunum inni í líkamanum. Stærð krafts => kraftur vöðva er í samræmi við lengd og stærð vöðvans. Því lengri sem vöðvinn er, því sterkari er hann. Krafturinn fer einnig eftir því hversu margar virkir vöðvaþræðir eru í vöðvanum. Stefna hreyfikrafts => hreyfikraftar fara alltaf í sömu áttina og vöðvinn liggur, þ.e. frá festu vöðvans (insertio) til upptaka hans (origio), hvort sem um er að ræða isometriska, concentríska eða eccentríska vöðvavinnu. En þetta gerist aðeins ef vöðvinn er stabiliseraður, heldur við, eykur stöðugleika. Á myndinni má sjá brachialis vöðvann toga (flexera) lóð að öxlinni, sem er stabiliseruð af scapular vöðvum. Insertio færist nær origio. Stefna vöðva => Kraftur vöðvans fer einnig eftir því í hvaða átt trefjarnar í vöðvunum vinna. Pectoralis vöðvinn hefur lögun eins og tigull, og vöðvaþræðirnir vinna ekki allir í sömu átt.

10 Nefnt og lýst stuttlega mismunandi tegundum af ytri kröftum sem gert er grein fyrir í kafla 3 í kennslubókinni. Ytri kraftar: geta verið núningskraftar, þyngdarkraftar, viðnámskraftar, loftþrýstingur, þungi osfrv. Þyngdarkraftur, vindur, núningur... Ytri kraftar geta síðan flokkast sem shear og/eða normal. Ytri kraftar geta líka valdið stress, strain eða pressure (N/m2) Það má taka alla þessa krafta og brjóta þá upp í normal kraft og samsíða kraft. Þeir eru samt hlutar af innri kröftum líka. Útskýrt afhverju talað er um hreyfimörk (excursion) vöðva tengt hreyfanleika liðamóta. Sérhver hreyfing um liðamót krefst þess að vöðvafrumur styttist. Því meira sem liðamót geta hreyfst (hreyfanleiki liðamóta) því stærri þurfa hreyfimörk vöðvans að vera ( Sjá active and passive muscle excursion box 4-3, bls 51). Vöðvi sem liggur yfir marga liði getur auðveldlega lent í því að hreyfimörk hans duga ekki til að hreyfa alla liðina á sama tíma (excursion requirement is too large). Þegar virk hreyfimörk (active muscle excursion) vöðva duga ekki til að hreyfa þá liði sem þeir stjórna í gegnum fullan feril kallast það active insufficiency (bls. 52). Passive insufficiency verður þegar antagonistar geta ekki gefið næginlega eftir (lengjast ekki nóg) til að agonisti geti hreyft liðamótin sem skyldi. Active insufficiency á því við um agonsita í hreyfingu. Passive insufficiency á við um antagonista. Hreyfing er samspil vöðva og liðamóta. Stór hreyfimörk => geta hreyft sig mikið á allan hátt. Vöðvi yfir of mörg liðamót => active insufficiency. => quadriceps femoris (rectus femoris) flexorar mjöðm og extenderar hné. Ef hnéð er rétt, þá er rectus vöðvinn aflausari en þegar hnéð er bogið. Active insuffiency. Gerist samt ekki oft í daglega lífinu. Passive => til að rectus geti flekterað mjöðm og extendera hné, þá þurfa antagonistar að gefa eftir hinum megin (extenderar í mjöðm og flekterar í hné). Greint á milli þess sem ákvarðar vöðvakraft og hreyfimörk vöðva. Kraftur => hversu margar vöðvafrumur eru myndaðar, hversu mikill kraftur Hreyfimörk => hversu stóra breydd vöðvinn hefur til þess að styttast og lengjast => hversu langir vöðvarnir eru. hvernig er stefna vöðvaþráðanna. Vöðvakraftur: Fjöldi virkjaðra vöðvaþráða þverskurðarflatarmál vöðva + Vöðvalengd eða hreyfimörk vöðva. Hreyfimörk vöðva: Lengd vöðvaþráðanna, teygjanleiki passivra hluta vöðvans (sinar).

11 Notið dæmi úr reiptogi til að útskýra hvernig heildarkraftur er fundinn út með því að leggja saman krafta eða draga þá frá hvor öðrum. Ef að tveir kraftar stefna báðir í sömu átt verður heildarkrafturinn summa kraftanna tveggja. Ef að tveir kraftar stefna í gagnstæða átt verður heildarkrafturinn mismunur þeirra og stefnan verður sú sama og á stærri kraftþættinum Í reipitogi erum við með samsíða krafta, en þeir fara í sitthvora áttina. Við leggjum saman krafta sem fara í sömu Átt (500 N N) og (800 N og 300 N) Útkoman verður 1000 N vinstri en 1100 N til hægri (frá okkur séð). Mismunurinn og heildarkrafturinn úr reipitoginu er því 100 N til hægri. 500 N 500 N 800 N 300 N 500 N 500 N 800 N 300 N 100 N Útskýrið hvernig nota má bæði paralellogram og polygon aðferðir við að finna út heildarkraftinn þegar tveir einstaklingar hjálpast að við að ýta vagni á undan sér Parallelogram er samsíðungur þar sem tveir kraftar verka hornrétt hvor á annan (A og B) og til þess að vita stærð heildarkraftsins (punktalínan) eru þessir tveir kraftar lagðir saman (A+B). Polygon er hins vegar marghyrningur, þrí-, fer-, fimm- og sexhyrningur og allt þar fyrir ofan. Polygon er notað til að útskýra misstóra krafta sem verka mismunandi á hlutinn sem verið er að færa. Til að leggja saman vektora þarf fyrst að sundurgreina þá í x og y liði og svo leggja saman x-liði og y-liði. Þegar tveir einstaklingar eru að ýta vagni á undan sér, þá er auðveldlega hægt að sýna það myndrænt með Parollelogram, því þeir virka eins og samsíðungur þegar þeir ýta hvor á sína hlið vagnsins. Til þess að finna svo út heildarkraftinn er hægt að leggja A og B saman (upphafspunktur á einum mætir endanum á hinum) og reikna þannig út stærð hans, það er gert með reglustiku, t.d. 1 sm fyrir hvern metra og reikna svo út miðlínuna. Auðveldara er að nota Pythagorasregluna til þess að áætla heildarkraftinn. Þá er A og sett í annað veldi og við fáum út C 2. Svo finnum við bara af C 2 og þá erum við komin með heildarkraftinn. => A 2 + B 2 = C 2