المبادىء الميكانيكية الاولية
لدراسة حركة الجسم البشرى والقيام بعمليات التحليل الحركى هناك العديد من المصطلحات والرموز والمعانى التى يجب الالمام بها والتعرف على تفصيلها . وفيما يلى بعض المفاهيم المصطلحات الخاصة بالحركة :
القوة :
تعرف القوة بانها ذلك المتغير المكانيكى الذى يعبر عن مدى التاثير بين الاجسام سواء بالشد او بالدفع ، كما تعرف بانها العامل المؤثرة فى حدوث الحركة او الميل الى حدوثها او تغييرها ، وتقاس القوة بوحدة النيوتن فى النظام الشائع استخدمه فى مصر ويرمز لها بالرمز (f) فعلى سبيل المثال يحتاج فتح باب المنزل مثلا قوة مقدارها (22 نيوتن) وهكذا .
الضغط :
يعنى الضغط مقدار القوة المؤثرة عموديا على مساحة محددة ، ويميز النيوتن لكل سنتيمتر مربع او لكل متر مربع ، والضغط ليس مرادفا للقوة ولكنه صورة ميكانيكية مختلفة رغم انها متضمنة للقوة ، فاذا قلت المساحة الى النصف زاد ضغط القوة المعينة الى الضعف ، فالفرد الذى يرفع ثقلا يزيد على 400 نيوتن وهون يقف على كلتا القدمين ( حيث مساحة السطح السفلى للقدمين 200سم2) يبذل ضغطا مقداره (400 نيوتن / 200 سم 2) اى (2نيوتن/سم2) ، اما اذا قام باداء نفس العمل وهو يقف على قدم واحده فان الضغط هنا سوف يتضاعف ، حيث تقل المساحة الى النصف وبالتالى فان مقدار الضغط سوف يكون ( 400 نيوتن / 100 سم2) اى ( 4 نيوتن / سم2) .
الكتلة والوزن :
يحتوى كل جسم علة قدر محدد من المادة ، ويعرف هذا المقدار بالكتلة ، فالكتلة كتعريف تعنى مقدار ما يحتويه الجسم من مادة ،او بمعنى اخر مقدار ما يمكن ان يقام به الجسم اى نوع من الحركة تحت تاثير قوى خارجية ، وقد اصطلح على ان تسمى هذه المقاومة بالقصور الذاتى او الخاصية القصورية ، لذا فان الكتلة الاكبر يكون قصورا اكبر ، لى انها تكون قادرة على مقاومة الحركة بمعدل اكبر ، اى بمعنى اخر يتطلب تحريكها فى اى اتجاه مقدار اكبر من القوة الخارجية .
وتتخذ الخاصية القصورية وحدات الكيلوجرام بالنظام المترى اما وزن الجسم فهو مقياس للقوة الجاذبة بين مركز الارض وهذا الجسم لاسفل، لذا فان قوة الوزن تعمل دئما لاسفل مهما اختلف وضع الجسم او الحركات التى يقوم بها .
مما سبق يتضح لنا ان هناك تناسب طرديا بين الكتلة (m) والوزن (w) فالاجسام ذات الكتل الاكبر تكون ذات وزن اكبر تكون ذات وزن اكبر ، حيث انها الاكبر من حيث قوة شدتها لاسفل ، وهنا يجب الاخذ فى اعتبار ان الكتلة والوزن لا يتساويان من حيث القيمة ، فالوزن دائما عبارة عن قوة قد تتغير بتغير مقدار الجاذبية والتى قد تختلف من مكان لاخر ، فهى على سطح القمر 1/6 ما هى عليه سطح الكرة الارضية ، وقد اصطلح على توحيد قياس هذه القوة مهما اختلفت الظروف على سطح الارض ، حيث تجذب الارض اى جسم نحو مركزها بمعدل (9,81 متر /ث2) تقريبا . وهذا لا يعنى ان جميع الاجسام تتاثر بهذا المعدل من الجذب الا ان اختلاف اوزان الاجسام يتمثل فى مقدار ما تحويه من مادة (m) . وعلى ذلك فانه يمكن حساب وزن اى جسم بضرب كتلته فى معدل الجذب الثابت السابق الاشارة اليه والذى يرمز له بالرمز (g) فاذا افترضنا جسما كتلته (58 كيلو جرام ) يكون وزنه (568,98نيوتن) .
والكتلة لاتتغير بتغير موضعها ، اما الوزن باعتباره قوه تتجه دائما نحو مركز الارض فقد يتغير تغيرات طفيفة بتغير الموضع ، ولكن هذه التغيرات لاتؤخذ فى الاعتبار فى الحسابات الميكانيكية .
الحجم والكثافة :
كثيرا ما يختلط الامر بين مفهوم الكتلة والحجم ، الا انه يمكن القول ان الحجم هو الحيز المكانى الذى يشغله الجسم ، والمقصود بالحيز المكانى هو نسبة ما يشغلة الجسم من طول وعرض وارتفاع ، وليس بالضرورة ان يكون الجسم لاكبر حجما اكبر كتلة ، فكيلو الخشب يشغل حجما اكبر من كيلو الحديد الذى يشغل حجما اكبر من كيلو الزئبق وهكذا ، كما ان تساوى الاحجام لاتعنى تساوى الاوزان او الكتل فعلى الرغم من تساوى كل من كرة الجولف وكرة الطاولة تقريبا الا ان الاولى تزن اكثر من عشرة اضعاف وزن الاخيرة .
لذا فان مصطلح الكثافة يستخدم فى التعبير عن الكتلة بالنسبة لوحدة الحجم حيث : w/v =m =م
حيث (m) هى الكتلة (v) هى الحجم ، ومصطلح الكثافة يساعد على التعرف على ما يسمى الوزن النسبى ، اى وحدات الوزن بالنسبة لوحدات الحجوم ؟ ، فالوزن النسبى للماء (9.8نيوتن) لكل لتر فى حين ان الوزن النسبى للهواء (0.01نيوتن)لكل لتر .
مركز الجاذبية :
بالرجوع الى ان الكرة الارضية تؤثر بقوة جذب على جزء من اجزاء الجسم ، وهذه القوة تتناسب مع كتلة الجزء او الجسم فان التاثير النهائى لقوة جذب الارض لاى جسم يتركز الجاذبية او بمركز ثقل الجسم ، كما ان مركز توزيع الكتل يسمى بمركز الكتل وهو المركز الذى يفترض ان تتعادل عنده كل كتل اجزاء الجسم .
وبغض النظر عن شكل الجسم فقد اصبح من المتعارف علية سهولة تحديد موضع مراكز ثقل الاجسام المنتظمة الشل والتوزيع ، كالاجسام المخروطية او الاسطوانية او المكعبه والموصنوعة من مادة ما ، امما بالنسبة لمركز ثقل جسم الانسان فقد اجريت العديد من الدراسات علة مدى اكثر من 150 سنة للوصول الى طرق محددة فى التعرف على موضع هذه النقطة .
ومركز ثقل الجسم ، هو مركز تعادل اجزاء ذلك الجسم بالتعادل هنا توازن الجسم او الجزء عند تعليقه من نقطة ما تكون هى موضع مركز ثقله . وسوف نتناول هذا الموضوع بعد ذلك بالتفصيل .
الشغل :
يحسب الشغل بمقدار القوة المبذولة لمسافة معينة تعمل فيها هذه القوه لتحريك ثقل معين
W=f.d
حيث w هى الشغل ويسمى بالشغل الميكانيكى ، (f) هى القوة و(d) هى المسافة ، فاذا حركت قوة مقدارها 10نيوتن جسما لمسافة 5 امتار فان الشغل البذول هنا يساوى 50 نيوتن . متر، اما اذا لم تتمكن ذه القوه من تحريك الجسم فيبقى قيمة الشغل (صفر) .
· الطـاقة :
هي الطاقة التي يكتسبها الجسم أو الأداة نتيجة لحركته ويعبر عنها بالمعادلة. KE = m v 2
2
حيث (m) هى كتلة الجسم ، v)) هى سرعته .
فطاقة حركة ثقل يزيد عن 10 كيلو جرام مثلا ، ويتحرك بسرعة 3متر/ث تكون 45 نيوتن ، متر بناء على المعادلة . وتتحول طاقة الحركة إلى طاقة حرارية فى حالات اتصال الأجسام.
· طاقة الوضع (طاقة الجاذبية) :
عند وجود الجسم أو الأداة فى وضع يسمح بسقوطه أو انخفاضه عن الوضع الموجود عليه تحت تأثير الجاذبية الأرضية ، فإنه يكون مكتسباً لطاقة وضع مرتبطة بارتفاعه عن سطح الأرض ، ويشار إلى حسابات طاقة الوضع كميا بالمعادلة التالية :
PE = W.h
حيث w هى وزن الجسم (h) هو ارتفاعه عن سطح الأرض .
فلاعب الغطس الذي يزن 400 نيوتن يكتسب طاقة وضع مقدارها 4000 نيوتن متر عند وجوده على سلم قفز بارتفاع عشرة أمتار ، 1200 نيوتن مترا فى حالة استخدامه سلم القفز بارتفاع ثلاثة أمتار.
وعندما يبدأ جسم اللاعب فى السقوط فى اتجاه الأرض فإنه يبدأ فى فقد طاقة وضع تعادل ما تحولت إليه هذه الطاقة إلى صورة وهى طاقة الحركة التي بدأ الجسم فى اكتسابها بمجرد سقوطه . وعند لحظة دخول الماء ، تكون كل طاقة الجسم طاقة حركية ، وتؤدي هذه الطاقة إلى الشغل الذي يسبب إزاحة كمية كبيرة من الماء عند دخوله ، هذا بالإضافة إلى تحول جزء من هذه الطاقة إلى حرارة ولكن فى الواقع لا يشعر اللاعب بهذه الصورة من الطاقة أثناء دخوله الماء .
· طاقة الوضع (طاقة الإجهاد :
وهى قدرة الجسم أو الأداة على بذل شغل عند وقوعه تحت تأثير اجهادات سواء كانت بالامتطاط أو بالضغط أو باللف فكل الأجهزة بما فيها الكرات التي تستخدم فى المجال الرياضي وتتميز بدرجة من المطاطية أو القدرة على العودة إلى حالتها الأصلية مما ينتج عنها قوة .
فالسلم المتحرك أو الترامبولين أو حتى نعل الحذاء الرياضي لها القدرة على الارتداد ، وعظام الجسم البشري و العضلات ، والأنسجة الضامة تتمتع ببعض من هذه القدرة ، وقد اضاف الله سبحانه وتعالى هذه الخاصية لأجزاء الجسم أو أي جزء من أجزائه إلى طاقة حركية مؤداها تغيير فى الشكل عن طريق الامتطاط أو الضغط أو اللف فإنها تتحول إلى طاقة اجهادية فى حدود خصائص هذه الأنسجة ، هذا بالإضافة الى ان جزءا منها يتحول الى طاقة حرارية .
· القدرة :
فى المجال الرياضي اصطلح ان يستخدم مصطلح القدرة فى التعبير عن القوة المميزة بالسرعه التي سببتها هذه القوة فالانقباض العضلي الأقوى والأسرع له قدرة أعلى عنه فى حالة أداء نفس الانقباضية وبكن بسرعة أقل.
“ومن ناحية أخرى فإن القدرة عبارة عن معدل بذل الشغل لذا فإن كلا المصطلحين يعبر عنهما بنفس المعادلة “:
B = F . d
t
وفي مجال الميكانيكا الحيوية لا ينظر إلى القدرة باعتبارها معدلا لبذل الشغل بقدر استخدامها كقوة مرتبطة بالسرعة ، فعلى سبيل المثال ، ناتجها (200 نيوتن متر/ث) وهى القدرة الناتجة عن بذل هذا المقدار من القوة بهذا المقدار من السرعة .
ونظرا إلى أن القدرة ناتج كلا من القوة والسرعة ، فمحاولة الحصول على مقدار أعلى من القدرة فى أداء معين لا تعني الوصول الى الحد الأقصى فى أى من المتغيرين على حساب الآخر كأن نصل بالقوة الموائمة بين كلا المتغيرين للارتفاع بمستوى القدرة ، وتمثل هذه الموائمة شكلا أساسيا في الكثير من الأداءات التي تتطلب مقادير عالية من القدرة وسوف نتناول ذلك بالتفاصيل فى فصل لاحق .
