فیزیک پزشکی: بیومکانیک

فیزیک پزشکی: بیومکانیک

اسلاید 1: بیومکانیکمقدمه و شاخه های گوناگونفیزیک پزشکی

اسلاید 2: کاربرد قوانین مکانیکقوانین مکانیک در موارد زیر صادق می باشند:لغزش یک جعبه چوبی بر روی سطح شیب دارکار کرد موتور اتوموبیلآیا قوانین مکانیک در ارتباط با حرکت شخصی که در خیابان در حال راه رفتن است نیز صادقند؟ بلی

اسلاید 3: تعریف بیومکانیک و شاخه های مختلف این رشتهبیومکانیک یک زمینه میان رشته ای (interdisciplinary field) بسیار وسیع است.تعریف: مطالعه قابلیت تحرک انسان و بررسی علل مکانیکی آن.تخصص های گوناگون در زمینه بیومکانیک:ارتپدی، Orthopedics: با طراحی پروتز سر و کار داردامنیت راه و ترابری، بیومکانیک هوا-فضا: در این شاخه هدف تامین ایمنی به منظور تحمل شتاب های فیزیکی بزرگ (accelerations/decelerations) است.ارگونومیک، :Ergonomics دانش کاربردی طراحی تجهیزات برای محیط کار به منظور افزایش بهره وری از طریق کاهش خستگی و ناراحتی. هدف: تامین آسایش و ایمنی در محیط کارکاربرد بیومکانیک در دانش تربیت بدنی در ارتباط با درک مکانیک حرکت در فعالیت های بدنی انسان است و اهداف مشخص زیر را دنبال می کند:افزایش کارآیی در ورزش 2) افزایش ایمنی در ورزش و سایر فعالیت های بدنی انسان. دستیابی به این اهداف مستلزم استفاده از تکنیک های مناسب در انجام حرکات و طراحی مناسب تجهیزات است

اسلاید 4: کینماتیک (Kinematics) وانواع حرکتمکانیک شامل دو شاخه کینماتیک و سینتیک (kinetics) است.کینماتیک: درکینماتیک حرکت بدون توجه به علل آن مورد مطالعه قرار می گیرد.انواع حرکت: انتقال (translation) و دوران (rotation). حرکت کلی (general motion) ترکیبی از این دو نوع حرکت است.در انتقال هر نقطه از جسم به موازات با هر نقطه دیگر از جسم حرکت کرده و تمام نقاط مسافتی یکسان را می پیمایند .انتقال بر دو نوع است: حرکت انتقالی می تواند بر روی خط راست (rectilinear)، و یا بر روی خط منحنی (curvilinear) صورت گیرد.در دوران جهت حرکت تغییر می کند.

اسلاید 5: مثال هایی از بیومکانیک ورزشیحرکت انتقالی برروی خط منحنی: پرش با اسکیدوران: حرکت کلی:

اسلاید 6: کینماتیک خطی مطالعه انتقال بدون در نظر گرفتن علت آنکمیت های برداری اساسی: جابجایی(m)، سرعت(m/s)، و شتاب خطی (m/s2)Linear displacement, velocity, and accelerationجابجایی، r: موقعیت یک شیء در یک لحظه مشخص از زمانسرعت، v: نرخ تغییرجابجایی با زمان، شتاب، a: نرخ تغییر سرعت با زمان،

اسلاید 7: مثالی از انتقال: مسابقه شنامثال: حرکت انتقالی برروی خط راست در مسابقه شنای 100 متر در استخر 50 متری ،

اسلاید 8: نمودار جابجاییمحاسبه سرعت میانگین در رفت و برگشت: مقدار منفی نمایانگر جهت بردار است

اسلاید 9: نمودار سرعتمنحنی خط چین: نمایانگر سرعت متوسط در هر طول استخر

اسلاید 10: نمودار سرعت لحظه ایشیب نمودار سرعت لحظه ای نمایانگر شتاب است

اسلاید 11: مسابقه دو سرعت: دونده تازه کاررابطه جابجایی، سرعت، و شتاب سرعت لحظه ای: شیب نمودار جابجایی، شتاب: شیب نمودار سرعت، علامت انحنا یا جهت واگرایی (تقعر) در نمودار جابجایی،نمودار حرکت مرکز ثقل دونده (جابجایی بصورت درصدی از مسافت مسابقه نمایش داده شده است): سرعت: منحنی خط چین، شتاب: منحنی آبیدونده با تجربه: سرعت تا نزدیکی انتهای مسابقه در مقدار بیشینه ثابت می ماند

اسلاید 12: کینماتیک زاویه ای مطالعه دوران بدون در نظر گرفتن علت آنکمیت های برداری اساسی: جابجایی(rad)، سرعت(rad/s)، و شتاب زاویه ای (rad/s2)Angular displacement, velocity, and accelerationجهت بردار سرعت زاویه ای: قانون دست راست؛ دوران را نمیتوان بوسیله یک بردار بر اساس قانون دست راست تعریف نمود! رابطه بین سرعت خطی و سرعت زاویه ای: مثال: دوران (روی دایره بزرگ) در حرکت بر روی میله بلند (high bar) در ژیمناستیک؛ کل بدن و تک تک اعضای بدن دوران پیدا می کنند، زیرا جهت حرکت آنها تغییر حاصل میکند. در واقع تک تک نقاط در بدن ( برای مثال نقطه ای روی یکی از انگشتان پا) هم حرکت دورانی و هم حرکت انتقالی (بر روی خط منحنی، curvilinear motion) انجام می دهند.

اسلاید 13: جهت بردار سرعت زاویه ای: قانون دست راستانگشتان جهت دوران را دنبال میکنند و انگشت شست جهت بردار سرعت زاویه ای را نشان میدهدجهت بردار سرعت زاویه ای جهت بردار سرعت زاویه ای

اسلاید 14: حرکت بر روی میله بلند (high bar) در ژیمناستیک

اسلاید 15: سینتیک خطی مطالعه انتقال و علل آناینرسی: تمایل اجسام به ادامه سکون در صورت ساکن بودن و ادامه به حرکت در صورتی که در حال حرکت باشند. جرم مقیاس اینرسی است (اینرسی بوسیله جرم اندازه گیری میشود).نیرو: نمایانگر عمل یک جسم بر روی جسمی دیگر.قوانین نیوتن: قانون اول، بیان دقیق مشاهده گالیله، قانون اینرسی. قانون دوم: قانون سوم: برابری و تضاد عمل و عکس العمل.بیان دیگری از قانون دوم : ضربه خطی برابر است با تغییر در اندازه حرکتبه بیان ریاضی ساده:نکته: تولید سرعت زیاد مستلزم نیروی زیاد و/ یا عملکرد نیرو برای مدت طولانی است. مدت طولانی به طور ضمنی بیانگرحرکت با برد زیاد است.

اسلاید 16: مرکز ثقل Center of Gravity (Mass)تعریف: مرکز ثقل نمایانگر موقعیت متوسط جرم کل جسم است. نیروی وزن به مرکز ثقل اعمال میشود. چند نکته:مرکز ثقل بطور ثابت در یک نقطه مشخص از جسم واقع نمیشود.مرکز ثقل می تواند در خارج از جرم مادی واقع شود.مثال: پرش ارتفاع

اسلاید 17: نمودار ایستاییمفهوم سیستم: یک شیء یا گروهی از اشیاء را میتوان بطور دلخواه بعنوان ”سیستم“ مورد مطالعه انتخاب کرد.نمودار ایستایی نیروهای مربوط را در ارتباط با سیستم مورد نظر مشخص می کند. مثال: میله بولینگ بعنوان یک سیستممثال: یک جفت میله بولینگ بعنوان یک سیستم: نیروهای برونی و درونی

اسلاید 18: سینتیک زاویه ای مطالعه دوران و علل آنمقایسه علل انتقال، حرکت کلی، و دوران بر اساس موقعیت عملکرد نیرو نسبت به مرکز ثقل:جفت نیرودورانحرکت کلینیروی خارج از مرکزنیروی مرکزیانتقال

اسلاید 19: گشتاورگشتاور، سنجشی از تمایل به دورانکه در آن r و F‌ به ترتیب نمایانگر بازوی گشتاور و نیرو می باشند

اسلاید 20: محاسبه گشتاوردر صورت وجود یک محور دوران ثابت،‌ گشتاور نسبت به آن محاسبه میشود.در صورتی که یک محور ثابت و مشخص برای دوران وجود نداشته باشد،‌ گشتاور نسبت به مرکز ثقل محاسبه میشود.

اسلاید 21: برآیند گشتاورها

اسلاید 22: تعادل ایستایی Static Equilibriumشرایط تعادل ایستایی:ونسبت به هر نقطه

اسلاید 23: تعادل ایستایی مثال: ژیمناستیک، میله های موازی

اسلاید 24: ممان اینرسی (Moment of Inertia)در سینتیک زاویه ای (یعنی در مطالعه دوران) ممان اینرسی معادل اینرسی در سینتیک خطی است.بیان ساده از اثر ممان اینرسی: اجسام را به سختی میتوان به چرخش وا داشت، و هنگامی که جسم در حال دوران است به سختی میتوان آن را به حالت سکون باز گرداند.تعریف ممان اینرسی: ممان اینرسی کوچک نسبت به مفصل شانهممان اینرسی بزرگ نسبت به مفصل شانه

اسلاید 25: معادلات بیان کننده کمیت های زاویه ایاندازه حرکت زاویه ای (معادل اندازه حرکت خطی در انتقال): برداری با جهتی یکسان با جهت سرعت زاویه ای تعریف:شتاب زاویه ای (معادل شتاب خطی در انتقال) تعریف: ضربه زاویه ای (معادل ضربه خطی در انتقال) تعریف:ضربه زاویه ای

اسلاید 26: قوانین زاویه ای نیوتونمعادل قوانین نیوتن در سینتیک خطیقانون زاویه ای اول: یک جسم با اندازه حرکت زاویه ای ثابت دوران میکند مگرآنکه یک گشتاور بیرونی به آن اعمال شود. این قانون را میتوان نتیجه اصل بقای اندازه حرکت زاویه ای محسوب کرد. مثال: اصل بقای اندازه حرکت زاویه ای در اسکیت روی یخ

اسلاید 27: قانون زاویه ای دوم قانون زاویه ای دوم: اگر گشتاوری به یک جسم اعمال شود، جسم شتابی زاویه ای را تجربه خواهد کرد. شتاب زاویه ای حاصل با اندازه گشتاور متناسب است و با ممان اینرسی جسم نسبت معکوس دارد.بیان دیگر قانون زاویه ای دوم بر مبنای مفهوم ضربه زاویه ای استوار است و معادل بیان قانون دوم نیوتن برحسب ضربه خطی در انتقال است. مثال: شیرجه، از آنجا که در هوا اندازه حرکت زاویه ای ثابت است، مقدار مطلوب اندازه حرکت می بایست قبل از جدا شدن از تخته وبا اعمال ضربه زاویه ای مناسب اخذ شود

اسلاید 28: مثالی از کاربرد قانون زاویه ای دوم نیوتون شیرجه

اسلاید 29: قانون زاویه ای سومقانون زاویه ای سوم: گشتاورهای عمل و عکس العملسیستم دوم: بازوها سیستم اول: بقیه بدن بقیه بدن گشتاوری در جهت خلاف عقربه های ساعت بر بازوها اعمال میکندعکس العمل بازوها اعمال گشتاوری درجهت عقربه های ساعت بر بقیه بدن است