مقدمة :
تُعد البايوميكانيك الرياضي أحد أهم العلوم التطبيقية التي تفسر كيفية تفاعل جسم الإنسان مع محيطه البيئي والفيزيائي لتحقيق أفضل كفاءة حركية. إن الفهم العميـق للحركات والوضعيات البشرية لا يتأتى بمعزل عن دراسة القوى المؤثرة عليها بدقة، سواء كانت قوى خارجية تنظمها قوانين الطبيعة (كالجاذبية وردود الفعل ومقاومة الوسط)، أو قوى داخلية تنبثق من الجهازين الحركي والعضلي. ويسعى هذا الموضوع إلى دراسة التحليل البايوميكانيكي للقوى الخارجية والداخلية المؤثرة على جسم الإنسان، وتفكيك الأسس التشريحية والفسيولوجية والفيزيائية للعمل العضلي؛ بدءاً من الخصائص المرنة للأنسجة وبنية العضلات وأشكالها وتأثيرها على محصلة القوى، مروراً بتحديد العوامل المؤثرة على قوة العضلة وعزومها ومكوناتها (الشعاعية والمماسية) داخل المفاصل باختلاف الزوايا، وصولاً إلى آليات العمل العضلي الثابت والديناميكي والتنسيق العصبي العضلي.”
عند التحليل البايوميكانيكي لحركات أو وضعيات جسم الإنسان يجب في المقام الأول أخذ تأثير القوى في الإعتبار سواء كانت خارجية أو داخلية.
تُسمى القوى الخارجية بالقوى المطبقة على الجسم من الخارج ، يمكن أن يتسبب تأثير القوى الخارجية في حركة الجسم بأكمله (مركز ثقله) و أجزائه الفردية ، و تشمل القوى الخارجية في المقام الأول قوة الجاذبية الأرضية (P) (الشكل رقم :01 ) و التي تساوي وزن الجسم و المطبقة في مركز ثقله (C) ، تعمل هذه القوة بإستمرار وتكون موجهة عمودياً على الأفق ( سطح الأرض) و القوة التي تقاوم الجاذبية هي رد فعل الدعم (R) و هو مساوٍ لها و معاكس لها في الإتجاه ، لا يقاوم رد فعل سطح الإسناد ( هنا سطح الأرض) عند الوقوف الإعتيادي قوة الجاذبية فحسب بل يقاوم أيضاً أي ضغط على سطح الإستناد ( سطح الأرض) وعند تغيير إتجاه و حجم الضغط يتغير إتجاه و حجم رد فعل سطح الإستناد ، وهو ما يُلاحظ أثناء حركة الجسم ، في الحالة التي لا يكون فيها رد فعل سطح الإستناد موجهاً بشكل عمودي إلى الأعلى بل بزاوية حادة ما بالنسبة للأفق ( سطح الأرض) يمكن تحليله إلى مكوناته من القوى ، و في هذه الحالة يُسمى المكون الأفقي قوة الإحتكاك (T) و المكون الرأسي قوة الضغط العادي ( N ) و أثناء حركة الجسم تنشأ أيضاً قوة مقاومة الوسط بالإضافة إلى قوة القصور الذاتي.
تشمل القوى الداخلية القوى التي تنشأ داخل الجسم نفسه و تؤثر داخله ويشمل ذلك القوى السلبية (مثل قوة التماسك، والقوى المرنة للأنسجة والأعضاء، وغيرها) والقوة النشطة (شد العضلات) ، تحدث حركات الجسم نتيجة لتفاعل القوى الداخلية والخارجية.
تنشأ القوى الداخلية للجسم بشكل رئيسي في الجهاز الحركي الذي ينقسم إلى جهاز سلبي و جهاز نشط تشمل الأجزاء السلبية العظام و الأربطة تُظهر العظام مقاومة لقوى الضغط و الشد ، و بناءً على تأثير هذه القوى يحدث تغيير في كل من البنية الداخلية للعظام و شكلها الخارجي ، يقاوم الجهاز الرباطي التمدد ويخدم لتعزيز إتصالات العظام أما الجهاز النشط فيشمل عضلات الهيكل العظمي التي تحرك بسحبها أجزاء الجسم الفردية بعضها بالنسبة لبعض أو تثبتها في وضعيات محددة.
بما أن جسمنا يتكون من أجزاء منفصلة متصلة ببعضها بشكل متحرك، فيمكن إعتباره كنظام من الأجسام على سبيل المثال إذا قمت بتحريك ذراعك أثناء الوقوف فيمكن تقسيم الجسم إلى نظامين: الأول هو الجسم بأكمله و حزام الكتف والآخر هو الذراع المتحركة (الشكل رقم :02) ، في مثل هذه الحالة فإن شد العضلات التي لها دعم على حزام الكتف (على سبيل المثال: الجزء الأمامي من العضلة الدالية – Deltoid ) سيكون بمثابة قوة خارجية للذراع ، أما شد العضلات التي لها كلا موضعي التثبيت على أجزاء الذراع (على سبيل المثال: العضلة العضدية الكعبرية Brachioradialis-) فسيكون قوة داخلية و لكن إذا قمنا بتثبيت الكتف (الشكل رقم: 02- ب)، فسيتضمن النظام الثاني الساعد واليد فقط ، في هذه الحالة سيكون شد العضلة العضدية الكعبرية التي لها دعم (إستناد) على الكتف قوة خارجية للساعد ، و نتيجة لذلك أثناء حركات أجزاء الجسم الفردية يمكن أن يكون شد العضلات إعتماداً على الظروف إما قوة خارجية أو قوة داخلية ، أما إذا كان المقصود هو حركة الجسم بأكمله عندما يتم إعتباره ككل واحد فسيكون شد كل عضلة قوة داخلية.
كما هو معروف يتكون عضلة الهيكل العظمي من الأنسجة العضلية (ألياف عضلية مخططة) و الأنسجة الضامة تتميز الألياف العضلية بخاصية فيزيائية هي المرونة ، و بسبب المرونة تساهم العضلة المشدودة في وضع معين للمفصل الذي تمر عبره في تقوية المفصل ، فضلاً عن تخفيف الصدمات أثناء الحركات ، مرونة الألياف العضلية ليست ثابتة فهي تكون في أعلى مستوياتها لدى الأطفال و تتناقص بشكل كبير مع تقدم السن ، كما أن بعض الظروف الفسيولوجية لدى نفس الشخص مثل التعب و العوامل الفيزيائية الخارجية (درجة حرارة البيئة المنخفضة) تقلل من مرونة العضلات.
تتميز الأنسجة الضامة الكثيفة بمرونة أقل وضوحاً مقارنة بالأنسجة العضلية، وهي تقاوم الشد بشكل أكبر و مرونتها ليست كاملة لأنه عند تمددها لا تعود ألياف الكولاجين الخاصة بها إلى طولها الأصلي ، توجد في الأوتار واللفافات (الفاشيا) و الصفاق ألياف نسيج ضام مرنة تتمتع بمرونة تامة .
الخائص الفيزيولوجية للعضلات تتمثل في الإستثارة (القابلية للإستثارة) و التي بموجبها تتقلص الألياف العضلية إستجابةً للمؤثرات (الميكانيكية، الحرارية، الكهربائية، وغيرها) أو للإشارة العصبية القادمة إلى العضلة عبر العصب الحركي من الجهاز العصبي المركزي ، و لإحداث تقلص في الألياف العضلية يجب أن يمتلك المؤثر قوة معينة و بما أن الإستثارة للألياف العضلية الفردية داخل العضلة ليست متطابقة، فإن المؤثر الضعيف يؤدي إلى تقلص عدد ضئيل فقط من الألياف و لكي يغطي التقلص جميع ألياف العضلة، يجب أن يكون المؤثر ذو قوة كبيرة ، و أثناء التقلص تقصر الألياف العضلية و تزداد سماكتها و بالتالي لا يتغير حجم العضلة ، و عندما تتقلص تطور العضلة قوة شد موجهة بقوة متساوية نحو كلا موضعي تثبيتها ، و نتيجة لذلك، تقترب نقاط تثبيتها عند التقلص ، وإذا كانت المقاومة في مواضع التثبيت أكبر من قوة شد العضلة فإن الألياف العضلية و بدلاً من أن تقصر وهي مشدودة، تتمدد ، و أما عند وجود مقاومة تساوي قوة الشد العضلية فلن يتغير طول العضلة.
بما أن قوة شد العضلة لها قيمة و إتجاه و نقطة تطبيق فإنه يتم التعبير عنها كأي قوة أخرى بمتجه ، و تتمثل نقطة تطبيق قوة شد العضلة في مركز مساحة تثبيتها على الحلقة ( المجموعة) المتحركة.
قوة العضلة تعتمد على البيانات التشريحية والفسيولوجية إتجاه عملها وهو أمر مهم بشكل خاص أخذه بعين الإعتبار عند تحليل الحركات، يتم تحديده من خلال مسار محصلة شد الألياف العضلية الفردية و لتحديد المحصلة فإن الشكل العام للعضلة وترتيب أليافها لهما أهمية كبيرة.
بحسب شكل البطن من المعروف أن العضلات تنقسم إلى طويلة وقصيرة و عريضة ، يكمن إختلافها الوظيفي في أن العضلات الطويلة تتقلص على طولها بالكامل (مثل العضلة العضدية الكعبرية) بينما يمكن للعضلات العريضة أن تتقلص بالكامل أو بشكل معزول في أجزاء منفصلة مما يمنحها تنوعاً كبيراً في عملها (مثل العضلة الدالية) و أثناء التقلص تحدث العضلة حركة يتوقف إتجاهها على نسبة محصلة مسار أليافها إلى محور المفصل.
في العضلات الطويلة توضع الألياف إما: 1)- متوازية لبعضها البعض على طول البطن ، أو 2)- بزاوية بالنسبة لطول البطن مع بقائها متوازية لبعضها البعض، أو أخيراً 3)- تتقارب الألياف بزاوية تجاه بعضها البعض على شكل ريشة ، في العضلات ذات الألياف المتوازية تسير محصلة شد الألياف العامة على طول العضلة و بالتالي عند تقلص العضلة يحدث الشد دائماً في إتجاه واحد ، الأمر نفسه ينطبق على العضلات ذات الترتيب الريشي للألياف حيث تُلغي المكونات الأفقية لشد الألياف بعضها البعض (الشكل رقم :03) و أثناء تقلص العضلات الريشية يحدث نقل الحمولة مع فقدان للطاقة ، و كلما كانت الألياف مائلة بشكل أكبر (أي كلما كان المكون الأفقي للشد أكبر) زاد هذا الفقد ، نقل الحمولة يكون صغيراً لكن القوة الرافعة لهذه العضلات هائلة و كلما كانت زاوية إقتراب الألياف العضلية من الوتر أكثر حدة كلما قل فقدان القوة وتُعد شكل العضلة المستطيلة (مثل العضلة الرباعية الرؤوس للفخذ – Quadriceps)، والتي تشكل “حزمة متوازية” الأكثر ملائمة من حيث إظهار الشد في إتجاه واحد لأن محصلة شد الألياف تساوي مجموعها.
يمكن أن تكون العضلات العريضة ذات شكل معيني ( معين) أو مروحي ( مروحة) أو على شكل صفائح ذات مسار مستقيم للألياف أو أخيراً ذات ألياف تسير بشكل شعاعي (الحجاب الحاجز) ، في العضلات ذات الشكل المعيني (مثل العضلات المعينية ، و رابعات الضلوع)، تسير محصلة الشد بزاوية حادة بالنسبة للعظم و بالتالي تحركه إما في إتجاه الشد العام أو في إتجاهات مكوناته ، و في العضلات ذات المسار المروحي ( الريشي) للألياف عند التقلص المتزامن لجميع الأجزاء يتوافق إتجاه الشد مع مسار المحصلة العامة وفي هذه الحالة يحدث فقدان لقوة العضلة.
إذا تم تحليل قوة شد الألياف وفقاً لقواعد متوازي الأضلاع للقوى فإن أحد مكونات الشد سيسير على طول العضلات رأسياً والآخر أفقياً.
نظرًا لأن أجزائها الفردية تعارض بعضها البعض على سبيل المثال تسحب الجزء العلوي من العضلة الصدرية الكبيرة نحو الأعلى و الداخل بينما يسحب الجزء السفلي منها نحو الأسفل و الداخل، و عند تقلص العضلة بأكملها يلغي الشد السفلي والعلوي أحدهما الآخر و في المقابل تُعطي العضلات ذات الألياف المروحية أكبر تنوع في الحركات و يتم إستخدامها بأفضل شكل ممكن في المفاصل ذات المحاور الثلاثة للحركة لأن محصلة الأجزاء الفردية للعضلة تقطع مختلف محاور المفصل و نتيجة لذلك تؤدي العضلة الحركة على طول المحاور الأساسية والإنتقالية (على سبيل المثال: العضلات الأليوية المتوسطة والصغرى).
يتوقف إظهار قوة العضلة عند إنقباضها على الظروف التشريحية والفسيولوجية و الميكانيكية ، تشريحياً، تُحدد قوة العضلات من خلال بنيتها: فكلما زاد عدد الألياف العضلية داخل العضلة و كلما كانت أسمك ( سميكة) ، كانت قوة العضلة أكبر ، و بناءً على ذلك، تتناسب قوة العضلة طردياً مع مقطعها العرضي مع تساوي الظروف الأخرى (Fiber) ، أظهرت الأبحاث أن القوة المطلقة للعضلة البشرية أي أقصى قوة لتوتر العضلة لكل ( 01 سنتمتر) مربع من مقطعها العرضي الفسيولوجي عند أقصى تعصيب و أنسب طول تتراوح من 04 إلى 16.8 كلغم ، على سبيل المثال تبلغ القوة المطلقة للعضلة ثلاثية الرؤوس للساق (العضلة التوأمية الثلاثية) وفقاً لبيانات (Fiber) مع تصحيحات هينكه 04 كلغم و وفقاً (German and Beck) – 06.24 كلغم و وفقاً (Rice) – 05.6 كلغم ، و بالتالي فإن القوة المطلقة للعضلة ثلاثية الرؤوس للساق تختلف بين الأفراد المختلفين ، و إذا أخذنا القوة المطلقة لعضلات مختلفة فإن الفارق هنا يكون أكبر بكثير ، فوفقاً (Beck) تبلغ القوة المطلقة لبسطات الرقبة 09 كلغم و العضلة الماضغة – 10 كلغم، و العضلة ثنائية الرؤوس للعضد (العضلة ذات الرأسين العضدية) – 11.4 كلغم، و العضلة العضدية – 12.1 كلغم والعضلة ثلاثية الرؤوس للعضد – 16.8 كلغم.
فيسيولوجياً يحدث تغير قوة العضلة إعتماداً على درجة تمددها الأولي نظراً لأن العضلة المتمددة تظهر قوة أكبر (Shobo) ، علاوة على ذلك وفقاً لقانون شڤان فإن قوة شد العضلة تقل تدريجياً مع زيادة التقصير و عند أقصى قصر لها تصبح مساوية للصفر ، حدد (Rice) تغير قوة الثاني الثلاثي للساق (العضلة ثلاثية الرؤوس للساق) بدرجات مختلفة من التمدد و حصل على الأرقام التالية:
-زاوية مفصل الكاحل 140 درجة ثني أخمصي : قوة العضلة 384 كلغم .
-زاوية مفصل الكاحل 102 درجة ثني أخمصي : قوة العضلة 463 كلغم .
-زاوية مفصل الكاحل 90 درجة (الوضع الطبيعي): قوة العضلة 560 كلغم .
-زاوية مفصل الكاحل 78 درجة ثني ظهري: قوة العضلة 598 كلغم.
و بالتالي فإن قوة العضلة تزداد مع تمددها ، و لكن هذا الوضع يكون صحيحاً فقط عند تمدد العضلة حتى حد معين ، فالتمدد المفرط للعضلة يقلل من قوة إنقباضها (Lyman).
من جهة أخرى كما ذكر أعلاه فإن درجة تحفيزها ( إثارتها) لها أهمية كبيرة في ظهور قوة العضلة ، فالتحفيز الضعيف يثير إستجابة لدى جزء فقط من الألياف العضلية و مع زيادة التحفيز يمتد الإنقباض ليشمل عددًا أكبر فأكبر من الألياف، وعند التحفيز القوي تتقلص جميع الألياف بالفعل وتظهر العضلة أقصى قوة لها في ظل البيانات التشريحية والفسيولوجية والميكانيكية المحددة.
إن مدى الحركات في المفاصل التي تنتجها العضلة عند إنقباضها يعتمد مع تساوي الظروف الأخرى على طول ألياف العضلة ، إستجابةً للتحفيز يقصر الأليف العضلي بنسبة محددة من طوله ، على سبيل المثال: إذا كانت طول ألياف عضلة ما يساوي 09 سنتمتر و أخرى 03 سنتمتر فعند إنقباض بمقدار ثلث طول الأليف ستقصر العضلة الأولى بمقدار 03 سنتمتر والثانية بمقدار 01 سنتمتر و من هنا فإن مدى الحركة التي تنتجها هاتان العضلتان سيختلف بشكل كبير.
مثلما تؤثر الظروف الميكانيكية لعمل العضلات بشكل كبير على ظهور قوة العضلة فإنها تؤثر أيضاً على مدى الحركة في المفصل التي تنتجها.
بما أن الحركات في المفاصل هي حركات دورانية ، فإنها تتم دائماً بواسطة زوج من القوى (الشكل رقم:04) ، فمن جهة تعمل قوة شد العضلة و من جهة أخرى تعمل قوة رد فعل المفصل (R) المساوية لقوة (F) و المعاكسة لها في الإتجاه يمكن أن تُحدث الحركة في المفصل ليس فقط العضلة بل أيضاً قوة ثقل الجزء أو أي قوة خارجية أخرى ، إن قوة رد فعل المفصل موجودة دائماً نظراً لأن الحركة في المفصل لا تكون ممكنة إلا بشرط تلامس السطوح المفصلية (الروابط الصلبة)، و عليه يمكن ضمنياً إفتراض قوة رد الفعل والإكتفاء بدراسة عزوم القوى المؤثرة فقط والتي تسبب قوى رد الفعل في المفصل.
إذا تم إجراء الحركة في المستوى الأفقي ، فإنها تتم بفضل قوة شد العضلات المسببة للحركة و كذلك بفضل العضلات المضادة لها ، و في هذه الحالة يكون دور العضلات المضادة التي تتمدد تدريجياً كبيراً جداً. ، أما إذا تم إجراء الحركة في المستوى الرأسي ، فإن قوة الجاذبية تؤثر بشكل كبير على حركة الحلقة “الوصلة الحركية” (العضو)، إما في اتجاه الحركة أو في الإتجاه المعاكس لها ، على سبيل المثال عند ثني الساعد لليد المتدلية ( أنظر الشكل رقم:05) تعيق قوة الجاذبية الحركة و عند بسط (خفض) الساعد المثني تتسبب قوة الجاذبية في حدوث الحركة ، في الحالة الأولى تتغلب قوة شد العضلات على قوة الجاذبية (تتقلص العضلات القابضة و تؤدي عملاً “نشطاً”) ، بينما في الحالة الثانية يخضع التوتر العضلي لقوة الجاذبية و تنظم الحركة (تتمدد العضلات القابضة مؤدية ما يسمى بالعمل “السلبي” ) (أنظر الشكل رقم:05) ، إذا كان البسط سريعاً (مثل ضرب المطرقة المحمولة ) فإن البسط يحدث بتأثير كل من قوة الجاذبية وإنقباض العضلات الباسطة ، و في هذه الحالة تساعد الجاذبية العمل العضلي.
عند التغلب على المقاومة (مثل قوة الجاذبية) فإن تأثير عمل العضلة يتوقف ميكانيكياً على نسبة عزم قوة شد العضلة إلى عزم قوة المقاومة.
إذا إفترضنا أن توتر العضلة (f) ثابت عند تحديد عزم قوة العضلة، فحينئذٍ يكون عزم قوة العضلة في كل حالة متناسباً مع ذراعها (r) (أنظر الشكل رقم:06) ، و عند تغير وضع المفصل يتغير طول ذراع قوة العضلة (r1، r2، r3) و بالتالي يتغير عزمها.
على سبيل المثال أظهرت أبحاث (براون و أخرون) و (فيشر) أنه مع تغير زاوية الثني في مفصل الكعبرة (الكوع) يتغير ذراع قوة للعضلة ذات الرأسين العضدية (Biceps brachii) بالشكل التالي:
عند زاوية (00) درجة في مفصل الكوع ذراع قوة العضلة يساوي(11.5 ميلمتر).
– عند زاوية (20) درجة في مفصل الكوع ذراع قوة العضلة يساوي (16.8 مليمتر) .
– عند زاوية (40) درجة في مفصل الكوع ذراع قوة العضلة يساوي(26.9 ميلمتر) .
– عند زاوية (60) درجة في مفصل الكوع ذراع قوة العضلة يساوي(43.5 ميلمتر).
– عند زاوية (100) درجة في مفصل الكوع ذراع قوة العضلة يساوي(45.5 ميلمتر) .
– عند زاوية (120) درجة في مفصل الكوع ذراع قوة العضلة يساوي(39.2 ميلمتر) .
أي أنه عند ثني الكوع ، عندما يكون الزاوية تساوي (100) درجة فإن ذراع قوة العضلة ذات الرأسين يكون أكبر بأربعة أضعاف تقريباً مقارنة باليد الممدودة ، مما يعني أن توتر العضلة يكون أقل بأربعة أضعاف عند نفس عزم قوتها.
في معظم الحالات تقترب محصلة قوة شد العضلة من العظم بزاوية لا تساوي زاوية قائمة ، و نتيجة لذلك يمكن تحليل قوة شد العضلة وفقاً لقاعدة متوازي الأضلاع إلى مركباتها المكونة (a،b) (أنظر الشكل رقم:07- أ- ب ) في هذه الحالة يجب أن يمتد أحد مكونات الشد و هو المكون الشعاعي (b) على طول العظم في إتجاه أو آخر ، و وفقاً لزاوية إرتباط العضلة و طريقة تثبيتها بالعظام، سيتم توجيه المكون الشعاعي إما نحو المفصل بشكل “إيجابي”، و بالتالي سيحدث ضغطاً في المفصل مما يضغط العظام على بعضها البعض و يقوي المفصل أو في الإتجاه المعاكس بعيداً عن المفصل بشكل “سلبي” حيث يسعى لإبعاد الأسطح المفصلية عن بعضها البعض ، و إذا لم يحدث انفصال للأسطح المفصلية فذلك يرجع فقط إلى التأثير المقرب لعضلات المفصل الأخرى.
أما في مفصل الكوع فإن نسبة الأسطح المفصلية تكون بحيث أنه حتى في الإتجاه السلبي يتسبب المكون الشعاعي في ضغط الأسطح المفصلية على بعضها البعض. أما المكون الثاني (a)- و هو المكون المماسي أو مكون الحركة – فسيكون عمودياً على المكون الشعاعي و سيقوم بإحداث الحركة في المفصل أو مقاومة المقاومة.
حيث يسعى لإبعاد الأسطح المفصلية عن بعضها البعض ، و إذا لم يحدث إنفصال للأسطح المفصلية فذلك يرجع فقط إلى التأثير المقرب لعضلات المفصل الأخرى ، أما في مفصل الكوع ( المرفق) فإن نسبة الأسطح المفصلية تكون بحيث أنه حتى في الإتجاه السلبي ، يتسبب المكون الشعاعي في ضغط الأسطح المفصلية على بعضها البعض ، أما المكون الثاني (a) – و هو المكون المماسي أو مكون الحركة – فسيكون عمودياً على المكون الشعاعي و سيقوم بإحداث الحركة في المفصل أو مقاومة المقاومة.
عند هذه القيمة للمكون المماسي ، تكون عمل العضلة أكبر كلما كان إرتكاز العضلة أبعد عن محور المفصل (شكل رقم: 7 – أ- ب) أي كلما كبر ذراع القوة لمكون الحركة (a) وهو العمود النازل من مركز المفصل على المكون المماسي للعضلة ، و في حال كانت محصلة العضلة تتعامد مع العظم فإن قوة العضلة بأكملها تُستهلك في إحداث الحركة أو مقاومة المقاومة.
يعتمد نسب حجم مكونات شد العضلة من جهة على زاوية إقتراب العضلة من العظم (α) و من جهة أخرى على طريقة إرتكاز العضلة في العظم المتحرك و الثابت، فإذا كان إرتكاز العضلة في العظم الثابت أبعد عن المفصل مقارنة بالعظم المتحرك (أنظر الشكل رقم: 7 – أ-) فإنه عند زاوية (90 درجة = α) ذهب كل قوة شد العضلة نحو الحركة ، و كلما إنحرفت زاوية إقتراب العضلة عن العظم عن (90 درجة) قلّ مكون الحركة و زاد المكون الشعاعي ، و عند الزاوية الحادة يتجه المكون الشعاعي بشكل “إيجابي” و عندما تكون الزاوية أكبر من (90 درجة) يتجه بشكل “سلبي” ، أما إذا كان الإرتكاز في العظم الثابت أقرب إلى المفصل مقارنة بالعظم المتحرك (أنظر الشكل رقم: 7 – ب-) فإن مكون الحركة في كل وضعيات المفصل يكون أقل من المكون الشعاعي و يبقى الأخير دائماً موجباً.
أما فيما يخص زاوية اقتراب العضلة من العظم (α) ، فهي لا تعتمد فقط على وضع المفصل بل تعتمد أيضاً على طريقة إرتكاز العضلة: فإذا كانت العضلة ترتكز على نتوءات عظمية (مثل العضلة ذات الرأسين العضدية) أو وُجدت في وترها عظمة سمسمية (مثل العضلة المستقيمة الفخذية) تكون الزاوية (α) أكبر. كما يساهم في زيادة الزاوية (α) كون النهايات المفصلية للعظام التي تمر عبرها العضلات أكبر (في محيطها) من جسم العظم.
تتغير الظروف الميكانيكية لعمل العضلة أثناء حركة الوصلة ( الحركية) المعنية، مما يؤدي إلى زيادة أو تقليل ذراع قوة العضلة ، و إذا كان عزم القوة يجب أن يظل ثابتاً حسب ظروف العمل أو يتغير بنسبة طردية مع تغير الذراع ، تتغير درجة توتر العضلة التي ينظمها الجهاز العصبي المركزي ، و كل تغير في طول العضلة و توترها و كذلك في درجة شد الأربطة و الأوتار يتم نقله إلى الجهاز العصبي المركزي عبر الألياف العصبية الخاصة بحاسة الشد (المستقبلات الحسية العميقة) الموجودة في العضلات، و الأوتار، و الأربطة بين أليافها ، و إستجابةً للتهيج عبر الألياف الحسية العميقة ، يرسل الجهاز العصبي المركزي نبضات بقوة محددة عبر الأعصاب الحركية إلى العضلات المعنية.
في كل حركة تشارك مجموعة من العضلات في تشكيل محدد (خاص) ولا يوجد عمل معزول لعضلة فردية حيث لا يوجد “صراع ميكانيكي بين العضلات المتضادة (المناهضة)” .
إن عملية تنسيق عمل العضلات بأكملها تحدث داخل الجهاز العصبي المركزي من خلال تبادل الإستثارة و التثبط مما ينتج عنه في النهاية الأثر الحركي.
فالمراكز التي تتحكم في العضلات المتضادة توجد في تفاعل متبادل محدد ، و نتيجة لذلك يمنح الجهاز العصبي المركزي سيراً منظماً و متوافقاً لكل من الحركات البسيطة و المعقدة أي أنه يوفر التنسيق المتزامن والمتتابع (التنسيق العضلي العصبي).
ملاحظة: يُقصد بالمستقبلات الحسية العميقة (Proprioceptors) نهايات الأعصاب الحسية الموجودة في العضلات والأوتار.
عند التدرب على حركة معقدة للمرة الأولى يُستهلك الكثير من الطاقة الزائدة فمن ناحية يتم إشراك عضلات في العمل لا حاجة لها لتنفيذ هذه الحركة أو أنها تعيقها، و من ناحية أخرى يتم عمل العضلات بتوتر مفرط ، و مع التمرس ( التكراراو التجارب السابقة) يتم استبعاد العضلات غير الضرورية من العمل ويتم اكتساب مهارة جرعة توتر العضلات بدقة ، و بهذه الطريقة يتم تطوير تنسيق الحركات، أي قدرة الجهاز العصبي المركزي على إرسال المنبهات إلى مجموعات عضلية معينة بتتابع معين وبقوة محددة.
العمل الذي تؤديه العضلة عند انقباضها يكون من نوعين : “ثابت” و”ديناميكي” .
يظهر العمل العضلي الثابت عند تثبيت المفاصل في وضعية أو أُخرى ، و في هذه الحالة قد تكون العضلات متوترة ومقصرة – عمل “نشط” أو متوترة وممتدة – عمل “سلبي” ، و نظراً لأن العمل العضلي الثابت يُستهلك في معادلة المقاومة ، فإنه يُحدد بتساوي عزم قوة شد العضلة و عزم المقاومة و كذلك بزمن معادلة المقاومة.
إذا أخذنا الذراع مع عضد مثبت فإن الساعد و اليد (لنعتبرهما نظاماً واحداً) سيكونان في توازن سلبي فقط عندما يكون مركز ثقلهما واقعاً تماماً تحت الدعامة ( سطح الإستناد) أي على خط واحد مع مفصل الكوع ( المرفق) و ما إن نثني الساعد قليلاً أي نخرج مركز ثقله من تحت الدعامة ( سطح الإستناد) حتى يتطلب الأمر توتراً عضلياً للحفاظ على الساعد في هذا الوضع ، و كلما إبتعد مركز ثقل الساعد عن العمود المرور عبر محور الدوران (أنظر الشكل رقم: 08 – أ) كان توتر العضلات أكبر أي كلما زاد عزم قوته (أنظر الشكل رقم: 08 – ب) ، ذراع قوة الجاذبية للساعد أو القوة (P) يساوي المسافة (r′) من مركز المفصل إلى مركز ثقل الساعد (C) مضروبة في جيب زاويّة انحراف الساعد عن الرأسية ، و عليه فإن عزم قوة ثقل الساعد يساوي (Pr= sinα) تصل الزاوية (α) إلى أكبر قيمة لها عند الوضع الأفقي للساعد و بالتالي سيكون ذراع قوة الجاذبية في هذا الوضع هو الأكبر.
الخاتمة:
وفي الختام، يتبين جلياً أن الأداء الحركي للإنسان ليس مجرد استجابة ميكانيكية عشوائية، بل هو نتاج معقد لتكامل محكم بين الخصائص التشريحية، والقدرات الفسيولوجية للعضلات والأنسجة، والقوانين الفيزيائية الناظمة للحركة. إن الإدراك الدقيق لطبيعة القوى الداخلية والخارجية، وتغيرات عزوم القوى بإختلاف زوايا المفاصل، والدور الحاسم للجهاز العصبي المركزي في تحقيق التنسيق العضلي العصبي المتزامن والمتتابع، يمثل الركيزة الأساسية لفهم الاقتصاد الحركي وتطوير المهارات الرياضية بكفاءة عالية. وبذلك، تظل دراسة البايوميكانيك أداة استراتيجية لا غنى عنها للمدرب والباحث العلمي لتوجيه الأحمال البدنية بدقة، والارتقاء بالمستوى الرياضي مع الوقاية الفعالة من الإصابات.
إعداد : أ.سفاري سفيان
sefianeseffari@gmail.com
المراجع :
Bartlett, R. (2014). Introduction to Sports Biomechanics: Analysing Human Movement Patterns (3rd ed).
Oatis, C. A. (2009). Kinesiology: The Mechanics and Pathomechanics of Human Movement (2nd ed.).
McGinnis, P. M. (2013). Biomechanics of Sport and Exercise (3rd ed.).
Neumann, D. A. (2016). Kinesiology of the Musculoskeletal System: Foundations for Physical Rehabilitation (3rd ed.).
Nordin, M., & Frankel, V. H. (2012). Basic Biomechanics of the Musculoskeletal System (4th ed.).
Winter, D. A. (2009). Biomechanics and Motor Control of Human Movement (4th ed.).
Enoka, R. M. (2015). Neuromechanical Basis of Human Movement (5th ed).
Hamill, J., Knutzen, K. M., & Derrick, T. R. (2014). Biomechanical Basis of Human Movement (4th ed.)
