Dai Cuong Sinh Co hoc

Đại cương Sinh cơ học Introduction to Biomechanics

ThS Tôn Thất Minh Đạt, BM PHCN, DH Y Huế Trang 1

CHƢƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ SINH CƠ HỌC

Mục tiêu:

Sau khi học xong chương này, học viên có thể:

Định nghĩa cơ học, sinh cơ học, vận động học, chuyển động học, động lực học…

Giải thích được tại sao phải nghiên cứu sinh cơ học

Phân biệt phân tích định lượng và định tính

Nắm vững các hệ quy chiếu và các khái niệm giải phẫu cơ bản mô tả vận động

của cơ thể người

1.1. Một số khái niệm về sinh cơ học và các các lĩnh vực nghiên cứu liên quan:

1.1.1. Sinh cơ học và Vận động học

Vận động học (kinesiology): là môn khoa học nghiên cứu vận động của con người nói

chung. Vận động học bao gồm nhiều môn học, nghiên cứu về các lĩnh vực như giải phẫu,

sinh lý, tâm lý, sinh cơ học… có liên quan đến vận động.

Sinh cơ học (biomechanics): là môn khoa học nghiên cứu vận động của hệ thống sinh học

bằng cách áp dụng cơ học. Như vậy sinh cơ học riêng biệt hơn vận động học.

(Nhắc lại: Cơ học: là một nhánh của vật lý học mô tả vận động và tác động của các lực

lên các vật thể và hệ thống cơ học).

1.1.2. Giải phẫu học và Giải phẫu học chức năng

Giải phẫu học: Nghiên cứu cấu trúc của cơ thể (chú trọng đến cấu trúc)

Ví dụ: nghiên cứu cơ nhị đầu

Giải phẫu học chức năng: nghiên cứu các thành phần của cơ thể cần để đạt được vận

động có mục đích (chú trọng vào chức năng)

Ví dụ: phân tích động tác co của cơ nhị đầu.

1.1.3. Vận động thẳng (tuyến tính) và vận động góc

Vận động thẳng (linear motion), còn được gọi là vận động tịnh tiến (translational

motion): là vận động dọc theo một đường thẳng hoặc cong trong đó tất cả các điểm của

cơ thể hoặc vật thể di chuyển cùng một khoảng cách trong cùng một thời gian.

Hình 1-1 Ví dụ về vận động thẳng. Các phương pháp áp dụng phân tích vận động thẳng

là đánh giá vận động (hướng, đường đi, tốc độ) của trọng tâm hoặc quỹ đạo của vật.



Vận động góc (angular motion): Là vận động quanh một điểm (trục xoay) làm cho các

vùng khác nhau của cùng một phân đoạn cơ thể hay vật thể không di chuyển cùng một

khoảng cách trong thời gian đã cho. Ví dụ hình 1-2.

Hình 1-2. Ví dụ về vận động góc. Vận động góc của cơ thể, vật thể hay phân đoạn xảy ra

quanh một trục qua một khớp (A), qua trọng tâm (B), hay quanh một trục bên ngoài (C).

Thông thường trong sinh cơ học, ta thường đánh giá các đặc điểm vận động thẳng của

một hoạt động và sau đó theo dõi bằng cách đánh giá kỹ hơn các vận động góc tạo nên và

góp phần vào vận động thẳng đó.

1.1.4. Chuyển động học và Lực động học

Phân tích sinh cơ học có thể là phân tích về chuyển động học hoặc lực động học.

Chuyển động học (kinematics): nghiên cứu các đặc điểm của vận động về mặt không gian

và thời gian mà không chú ý đến các lực gây nên vận động. Ví dụ vật thể di chuyển

nhanh hay chậm, độ cao, độ xa mà vật thể di chuyển. Vì vậy, chuyển động học quan tâm

đến phân tích vị trí, vận tốc, gia tốc của vận động. Ví dụ nghiên cứu chuyển động học

thẳng và chuyển động học góc của động tác đánh gôn (Hình 1-3). Thông qua đánh giá

chuyển động học thẳng và góc của vận động, chúng ta có thể xác định các phân đoạn liên

quan trong vận động đó cần phải cải tiến hoặc nhận xét về các cải tiến kỹ thuật của các

vận động viên hoặc chia một kỹ thuật thành các phần nhỏ hơn. Từ đó, chúng ta có thể

hiểu rõ hơn về vận động của con người.

Hình 1-3. Ví dụ về phân tích chuyển động học. Động tác đánh gôn dược phân tích về hai

khía cạnh: các thành phần góc (trái) và hướng và tốc độ của đầu gậy và quả bóng (phải).



Lực động học (kinetics): Xem xét các lực tác động lên một hệ thống, như cơ thể người,

hay bất kỳ một vật thể nào. Phân tích vận động bằng lực động học đánh giá các lực gây

nên vận động. Phân tích lực động học khó hơn phân tích chuyển động học vì lực không

thể thấy được; chúng ta chỉ có thể quan sát được những tác động của lực.

Hình 1-4 Ví dụ về phân tích lực động học của một vận động viên cử tạ. Sự phân tích động

tác nâng có thể được thực hiện bằng cách quan sát các lực đứng dọc tác động lên đất tạo

nên lực nâng (thẳng) và các lực xoay tạo ra ở ba khớp chi dưới tạo nên lực cơ cần cho

động tác nâng.

Đánh giá cả các thành phần chuyển động học và lực động học là cần thiết để hiểu đầy đủ

một vận động. Cũng cần nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển động học và lực động học

bởi vì bất kỳ tăng tốc nào của một chi, một vật thể, hay cơ thể người đều là kết quả của

một lực tác động lên một điểm nào đó, vào một thời điểm, với một độ lớn và thời gian

nhất định.



1.1.5. Phân tích tĩnh và động

Phân tích vận động ở trạng thái tĩnh là xem xét hệ thống không di chuyển hoặc di chuyển

ở cùng một tốc độ.

Ví dụ tư thế ngồi làm việc với máy tính. Ngay cả khi không có vận động, cũng có các lực

giữa lưng và ghế, giữa bàn chân và nền. Ngoài ra, lực cơ tác động khắp cơ thể để kháng

lại trọng lượng và giữ tư thế dầu và thân thẳng.

Hệ thống tĩnh được xem là đang ở trạng thái thăng bằng: không tăng/giảm tốc. Sự phân

tích vận động ở trạng thái tĩnh thường là phân tích về lực động học.

Phân tích vận động ở trạng thái động là xem xét hệ thống đang tăng giảm/ tốc. Ví dụ

phân tích dáng đi, chạy. Sự phân tích này có thể bao gồm cả phân tích chuyển động học

thẳng của cơ thể hay vận động góc của các phân đoạn của chi, và phân tích lực động học

mô tả các lực tác động lên đất, lên khớp khi đi hoặc chạy.

Hình 1-5 Các loại phân tích vận động. Vận động có thể được phân tích bằng cách đánh

giá vai trò của các thành phần giải phẫu đến vận động (giải phẫu học chức năng), mô tả

các đặc điểm của vận động (chuyển động học) hoặc xác định nguyên nhân của vận động

(lực động học).

1.2. Tại sao phải nghiên cứu sinh cơ học?

Nghiên cứu về sinh cơ học giúp chúng ta hiểu rõ hơn các vấn đề liên quan đến hoạt động

và sức khỏe con người để từ đó có thể:

- Đánh giá, điều chỉnh, cải thiện vận động (ví dụ trong thể thao)

- Phòng ngừa và điều trị các bất thường liên quan đến vận động (trong điều trị,

PHCN vận động)

Như vậy, sinh cơ học là một môn học hữu ích và không thể thiếu cho các giáo viên giáo

dục thể chất. huấn luyện viên, những người huấn luyện tập luyện cũng như các bác sĩ (vật

lý trị liệu, thể thao), kỹ thuật viên vật lý trị liệu.

1.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu sinh cơ học

Để nghiên cứu về vận động của cơ thể, có thể áp dụng phương pháp định tính hoặc định

lượng.

Phân tích định tính là phương pháp phân tích thường được sử dụng nhất, nghiên cứu

những đặc tính chất lượng của vận động (như tốt, xấu, dài, nặng, gập, xoay…) mà không

PHÂN TÍCH VẬN ĐỘNG

SINH CƠ HỌC

CHUYỂN ĐỘNG HỌC

THẲNG

TƯ THẾ

VỊ TRÍ

GIA TỐC

GÓC

TƯ THẾ

VỊ TRÍ

GIA TỐC

LỰC ĐỘNG HỌC

THẲNG

LỰC

GÓC

MOMENT

CỦA LỰC

(TORQUE)

VẬN ĐỘNG HỌC

GIẢI PHẪU HỌC

CHỨC NĂNG



đòi hỏi các con số chính xác. Phân tích định tính thường dựa trên quan sát trực tiếp và

không cần thiết bị đo lường phức tạp, chú ý vào thời gian và không gian.

Ví dụ:

Phân tích sự xoay của xương đùi trong động tác đánh gôn

Sự khép của xương cánh tay trong động tác bơi tự do.

Hình 1-6. Mô hình 4 nhiệm vụ của phân tích định tính (Knudson & Morrison, 2002)

Phân tích định lượng và phân tích bằng cách thu thập các số liệu đong đo đếm được của

vận động. Kết quả là các con số và thường dựa vào các trang thiết bị đo lường. Phân tích

định lượng thường chú ý vào lực.

Ví dụ:

Lực ép lên vai trong động tác ném bóng

Lực ép lên xương đùi trong khi nhảy xuống đất

Một số phương tiện để đo lường các số liệu về sinh cơ học

Ghi hình ảnh video (Cinematography & Videography)

Video chuẩn 30 khung hình/giây hoặc cao hơn và chuyển số liệu sang máy tính

Những hệ thống theo dõi vận động khác

Theo dõi bằng các đèn LED thời gian thực

Các camera theo dõi mục tiêu nối với máy tính

Các công cụ đánh giá khác

Thước đo góc hoặc thước đo góc điện tử

Đồng hồ, máy đo gia tốc

Lực kế, bản đo lực…

1.4. Một số khái niệm giải phẫu cơ bản mô tả vận động ngƣời

1.4.1. Các tư thế tham chiếu

- Tư thế giải phẫu

Là tư thế tham chiếu đứng, lòng bàn tay hướng về phía trước.

- Tư thế chức năng

Tương tự như tư thế giải phẫu nhưng tay thư giãn hơn, lòng bàn tay hướng vào trong.

Chuẩn bị

Quan sát

Lượng giá/

Chẩn đoán

Can thiệp



Hình 1-7. Tư thế khởi đầu giải phẫu và tư thế khởi đầu chức năng

1.4.2. Các hệ quy chiếu (tọa độ) và các loại góc

Để phân tích vận động, cần xác định một hệ quy chiếu không gian mà vận động đó xảy

ra.

+ Hệ tọa độ 2 D có hai trục tưởng tượng vuông góc với nhau (x,y). Hai trục này tạo nên

mặt phẳng x-y.

Mỗi điểm trong mặt phẳng này được biểu diễn bởi khoảng cách từ điểm đó đến trục y

hoặc x, (x,y).

+ Hệ tọa độ 3D dành cho các vận động trong không gian ba mặt phẳng (ví dụ động tác

gấp và dạng đùi). Trong hệ tọa độ 3D, thứ tự mô tả là (ngang, thẳng đứng, trong-ngoài;

hay x,y,z).

Có thể phân hệ tọa độ thành hai loại (hình 1-8):

- Hệ tọa độ tương đối: Vận động phân đoạn được mô tả tương đối (so) với phân

đoạn kế cận

- Hệ tọa độ tuyệt đối: Hệ tọa độ cố định trong môi trường.

Hình 1-8. Hệ tọa độ tuyệt đối và tương đối. Hình trái: hệ tọa độ tuyệt đối đo lường góc

phân đoạn tương quan với điểm xa. Hình phải, hệ tọa độ tương đối đo lường góc tương

đối (B) từ hai phân đoạn.

- Các loại góc

- Góc tuyệt đối: Là góc của phần cơ thể tương ứng với hệ tọa độ tuyệt đối (cố định trong

môi trường). Góc tuyệt đối thường được sử dụng trong phân tích sinh cơ học.



Hình 1-9. Các góc tuyệt đối: tay (a), thân (b), đùi (c), và cẳng chân (d) của một người

chạy.

Hình 1-10. Tọa độ của khớp háng, gối, cổ chân và các góc tuyệt đối của đùi và cẳng

chân được xác định trong một hệ tọa độ tuyệt đối.

- Góc tương đối:

Là góc giữa các trục dọc của hai phân đoạn và cũng được gọi là góc khớp. Góc tương đối

thường được sử dụng trên lâm sàng. Góc tương đối (ví dụ, góc khớp khuỷu) có thể mô tả

mức độ gập hoặc duỗi ở khớp đó. Tuy nhiên, góc tương đối không mô tả vị trí của các

phân đoạn trong không gian. Nếu một người có một góc tương đối 90° ở khớp khuỷu và

giữ góc đó, cánh tay có thể ở vị trí bất kỳ.

Hình 1-11: Góc tương đối khuỷu (A) và gối (B)

1.4.3. Các thuật ngữ tư thế tương đối

- Trong/Ngoài (di chuyển hướng về/ ra khỏi đường giữa cơ thể)

- Gần /xa

- Trên/ Dưới (hướng lên đầu/ hướng xuống bàn chân)

- Trước/ Sau (phía trước, phía bụng/ phía sau, phía lưng)

- Cùng bên/Đối bên



Hình 1-12. Một số thuật ngữ tư thế tương đối mô tả vận động

1.4.4. Các mặt phẳng và trục

Các mặt phẳng chính: Là các mặt phẳng vuông góc nhau và giao nhau ở trọng tâm

Trục xoay: là điểm quanh đó vận động xảy ra, vuông góc với mặt phẳng vận động.

Các mặt phẳng và trục chính (Hình 1-13)

- Mặt phẳng đứng dọc (Sagittal): Chia ra các nửa phải và trái. Trục trong -ngoài

- Mặt phẳng trán (Frontal) (coronal): Chia ra các nửa trước và sau. Trục trước -sau

- Mặt phẳng ngang (Transverse) (horizontal): Chia nửa trên và dưới. Trục dọc

Hình 1-13. Các mặt phẳng và trục chính ở cơ thể người

Sự phân tích vận động đơn giản có thể được tiến hành ở một mặt phẳng chủ yếu. Ví dụ

phân tích vận động các khớp ở chân trong động tác đi, chạy (hình 1-14).

Hình 1-14. Đánh dấu các mốc giải phẫu của video một người đang chạy để phân tích

chuyển động học chân phải ở mặt phẳng đứng dọc.



Hầu hết vận động ở cơ thể người xảy ra ở nhiều mặt phẳng và ở nhiều khớp đòi hỏi sự

phân tích ở cả ba mặt phẳng. Ví dụ động tác ném bóng (hình 1-15).

Hình 1-15. Vận động trong ba mặt phẳng ở động tác ném bóng. Vận động ở mặt phẳng

đứng dọc được quan sát từ phía bên, vận động ở mặt phẳng trán từ phía sau; vận động ở

mặt phẳng ngang từ phía trên.

1.4.5. Các vận động khớp:

- Gấp và duỗi: vận động trong mặt phẳng song song với mặt phẳng đứng dọc

Gấp: Giảm góc độ của khớp trong mặt phẳng đứng dọc.

Duỗi: Tăng góc độ của khớp trong mặt phẳng đứng dọc

Gấp quá: Gấp quá mức bình thường

Duỗi quá: Duỗi quá mức bình thường

- Dạng và khép: vận động trong mặt phẳng song song với mặt phẳng trán

Dạng: Vận động tách xa đường giữa

Khép : Vận động đến đường giữa

Dạng quá: Dạng quá điểm 180°

Khép quá: Khép quá điểm 0°

- Xoay: vận động trong mặt phẳng song song với mặt phẳng cắt ngang

Xoay trong/xoay ngoài

Xoay sang phải/ trái của đầu và thân

Hình 1-16. Các vận động khớp cơ bản

- Các thuật ngữ mô tả vận động khác

Gập bên: Dành cho nghiêng sang bên của đầu và thân

Xoay vòng: Vận động hình tròn

- Vận động của xương bả vai

Nâng bả vai/ hạ bả vai



Tách bả vai ra xa (Protraction) /Ép bả vai gần nhau (Retraction)

Xoay bả vai lên trên (Upward rotation)/Xoay bả vai xuống dưới (Downward

rotation)

- Một số mô tả vận động đặc biệt

Khép ngang: kết hợp khép và gấp

Dạng ngang : kết hợp duỗi và dạng

Ngữa/sấp

Nghiêng bên quay/ nghiêng bên trụ

- Gấp lòng bàn chân/gấp mu bàn chân

- Xoay bàn chân vào trong (Inversion)/ xoay bàn chân ra ngoài (Eversion)

- Sấp và ngữa bàn chân

Sấp ngữa bàn chân không đồng nghĩa với xoay bàn chân vào trong và ra ngoài

Sấp bàn chân gồm: Gấp mu bàn chân ở khớp cổ chân, Xoay xương cổ chân ra

ngoài, Dạng ở phần trước bàn chân

Ngữa bàn chân gồm: Gấp lòng bàn chân, Xoay trong ở khớp các xương cổ chân,

Khép phần trước bàn chân

1.4.6. Các độ tự do

Độ tự do (Degree of freedom, Df): Là số mặt phẳng mà một khớp có thể di chuyển

- 1 độ tự do: Một trục

Ví dụ: khớp khuỷu, gian ngón, quay trụ (khuỷu), cổ chân

- 2 độ tự do: Hai trục

Ví dụ: gối, bàn-đốt, cổ tay, khớp ngón cái

- 3 độ tự do: Ba trục

Ví dụ: vai, háng, cột sống

Kết luận

Sinh cơ học là ứng dụng các kiến thức của cơ học để nghiên cứu vận động con người và

như vậy là một môn học cần thiết cho những người làm việc có liên quan đến cải thiện,

tăng cường vận động hoặc phòng ngừa và điều trị các rối loạn liên quan đến vận động.

Để nghiên cứu vận động con người chúng ta có thể sử dụng phương pháp phân tích định

lượng hoặc định tính.



CHƢƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM SINH CƠ HỌC

CỦA XƢƠNG VÀ KHỚP

Mục tiêu: sau khi học xong chương này, học viên có thể:

- Trình bày được thành phần và cấu trúc của mô xương

- Nêu được những đặc điểm của quá trình tạo xương và cấu trúc xương cũng như

những thay đổi của sự tạo xương trong các tình huống khác nhau

- Liệt kê được các loại lực tác động lên xương

- Trình bày các đặc điểm cơ học của mô xương

- Phân loại được 7 loại khớp hoạt dịch

- Nêu các thành phần của khớp động và đặc tính sinh cơ học của dây chằng

2.1. Một số đặc điểm sinh học của xƣơng

2.1.1. Chức năng của mô xương

Các xương tạo nên khung xương, chiếm khoảng 20% trọng lượng cơ thể. Mô xương thực

hiện nhiều chức năng, bao gồm nâng đỡ, là các vị trí gắn (gân, cơ, dây chằng), đòn bẩy,

bảo vệ (não, các cơ quan), dự trữ chứa đựng (mỡ, khoáng chất), và tạo các tế bào máu.

2.1.2. Thành phần của mô xương

Mô xương là một vật liệu với các đặc tính lý tưởng cho các chức năng nâng đỡ và vận

động. Xương nhẹ nhưng có sức chịu căng và đè ép cao, và một mức đàn hồi đáng kể.

Xương cũng là một vật liệu rất năng động trong đó các chất khoáng thường xuyên thay

đổi. Mỗi ngày ở khung xương người lớn có đến nửa gam canxi đi vào hoặc đi ra. Mô

xương liên tục thay đổi về cấu trúc và hình dạng.

Mô xương là mô mạnh và là một trong những cấu trúc cứng nhất của cơ thể vì nó kết hợp

các thành phần vô cơ và hữu cơ. Xương bao gồm một cơ chất (matrix) kết hợp giữa các

muối vô cơ và collagen (hữu cơ). Các khoáng chất, bao gồm canxi và phosphate

(Calcium carbonate và Calcium phosphate), cùng với các sợi collagen, chiếm khoảng

60% to 70% mô xương. Nước chiếm khoảng 25% to 30% trọng lượng của mô xương.

Collagen đem lại cho xương khả năng mềm dẻo và sức chịu lực căng, trong khi khoáng

chất làm xương cứng và chịu lực ép.

Các tế bào xương gồm 2 loại, tạo cốt bào và hủy cốt bào. Hủy cốt bào phân rã xương và

chuyển muối canxi thành dạng hòa tan để đi vào máu, trong khi tạo cốt bào tạo nên các

sợi hữu cơ để cho muối canxi lắng đọng. Sự cân bằng hoạt động của hai loại tế bào duy

trì khối xương không đổi.

2.1.3. Cấu trúc đại thể của xương

Xương bao gồm hai loại mô: xương vỏ (cứng) ở ngoài và xương xốp ở trong (hình 2-1).

2.1.3.1. Xương vỏ

Xương vỏ (thường gọi là xương đặc) chiếm 80% khung xương. Xương vỏ nhìn có vẻ

cứng, nhưng nhìn kỹ sẽ thấy nhiều lối cho thần kinh và mạch máu đi qua. Lớp ngoài của

xương rất đặc và cứng hơn.

Xương vỏ gồm những hệ thống ống rỗng gọi là lamellae được đặt lồng bên trong ống

khác. Lamellae gồm các sợi collagen, tất cả chạy theo một hướng. Các sợi collagen của

lamellae kế cận luôn luôn chạy theo các hướng khác nhau. Nhiều lamellae tạo nên một

osteon hay hệ thống Havers. Osteon là các cấu trúc như cột trụ có hướng song song với

các lực tác động lên xương. Sự sắp xếp những cột trụ chịu lực này và đậm độ của xương

vỏ làm cho hệ xương cứng và mạnh.

Xương vỏ có thể hấp thụ được các lực căng nếu các sợi collagen song song với lực tải.

Thường thì collagen được xắp xếp theo các lớp chạy theo hướng dọc, vòng và chéo. Điều



này cho phép chịu các lực căng ở các hướng khác nhau bởi vì càng nhiều lớp thì xương

càng mạnh và cứng. Xương vỏ dày hơn ở cạnh các xương dài (chịu được nhiều sức

mạnh), mỏng hơn ở hai đầu xương dài, các xương ngắn, nhỏ.

Hình 2-1 Cắt dọc đầu gần xương đùi cho thấy xương vỏ và xương xốp. Chú ý đường cong

ở bè xương, làm tăng khả năng chịu lực.

2.1.3.2. Xương xốp

Mô xương bên trong xương vỏ là xương xốp. Xương xốp được thấy ở hai đầu xương dài,

trong thân đốt sống, và ở xương chậu, xương vai. Cấu trúc xương xốp yếu hơn và không

cứng bằng xương vỏ. Xương xốp không đậm đặc như xương vỏ vì nó có nhiều khoảng

trống. Các mảnh xương dẹt, nhỏ tạo nên các khoảng trống là các bè xương, thích ứng với

hướng của lực tác động lên xương và cung cấp sức mạnh cho xương mà không tăng thêm

nhiều trọng lượng. Collagen chạy dọc theo trục của bè xương và làm cho xương xốp có

sức chống lại lực căng và ép.

Sự rỗ nhiều của xương xốp giúp nó có khả năng dự trữ năng lượng cao, do đó loại xương

này trở thành thành phần chính hấp thụ năng lượng và phân bố lực khi lực tải tác động

vào cấu trúc xương. Loại xương này có hoạt tính chuyển hóa cao hơn và đáp ứng hơn với

kích thích so với xương vỏ. Xương xốp không mạnh bằng xương vỏ, và do đó người già

có tỷ lệ gãy xương xốp cao. Điều này là do giảm khả năng chịu lực ép bởi vì xương bị

mất chất khoáng (loãng xương).

2.1.5. Sự tạo xương

Xương là một vật liệu có tính thích nghi cao, rất nhạy cảm với không dùng, bất động,

hoặc các hoạt động mạnh và chịu lực tải lớn. Xuyên suốt cuộc đời, xương liên tục được

tối ưu với vai trò chịu lực tải qua sự tái cấu trúc thích ứng chức năng. Điều này đặc biệt

quan trọng với các xương chi để tăng khả năng chịu tải. Mô xương tự sửa chữa và có thể

thay đổi các đặc tính và cấu trúc của nó để đáp ứng với yêu cầu cơ học. Điều này được

Wolff mô tả trong thuyết phát triển xương, được gọi là định luật Wolff: mỗi thay đổi

trong hình dạng và chức năng hoặc của chỉ chức năng của xương được theo sau bởi

những thay đổi xác định về cấu trúc bên trong và những thay đổi tương ứng ở hình dạng

bên ngoài, theo các luật toán học.

Sự tạo xương (cốt hóa) là một quá trình phức tạp và không được trình bày chi tiết ở tài

liệu này. Xương luôn luôn được tạo nên bởi sự thay thế một số mô trước đó. Ở bào thai,

hầu hết các mô trước đó là sụn hyaline. Sự cốt hóa là sự hình thành xương bởi hoạt động

của các tạo cốt bào và hủy cốt bào. Trong bào thai, sụn từ từ được thay thế bởi quá trình

này và vào lúc sinh, nhiều xương đã được cốt hóa một phần.

Các xương dài phát triển từ lúc sinh đến lúc thanh thiếu niên qua hoạt động ở sụn liên

hợp. Quá trình tạo xương ở sụn liên hợp thường hoàn tất vào khoảng 25 tuổi.



Sự cấu trúc xƣơng (modeling) xảy ra trong khi phát triển để tạo xương mới với sự hấp

thu xương và sự tạo xương xảy ra ở các vị trí khác nhau làm thay đổi hình dạng và kích

thước xương. Trong xương đang phát triển, các đặc tính của xương chịu ảnh hưởng bởi

nhu cầu phát triển về kích thước và các thay đổi của lực căng và lực ép tác động lên

xương. Trong quá trình tái hấp thu xương, mô xương cũ bị phân hủy và tiêu hóa bởi cơ

thể. Quá trình này không giống nhau ở các xương và ngay cả trên cùng một xương. Ví

dụ, trong khi xương ở đầu xa xương đùi được thay thế mỗi 5-6 tháng, xương ở thân được

thay thế chậm hơn.

Hình 2-2: Một ví dụ mô tả định luật Wolff. X quang của một trường hợp gãy cổ xương

đùi đã phẫu thuật. Chú ý sự tái cấu trúc xương quanh các đinh vít.

Mô xương luôn luôn trải qua quá trình tái cấu trúc (remodelling) trong đó cơ chất xương

thường xuyên được di chuyển thay thế. Độ dày và sức mạnh của xương phải liên tục

được duy trì, và điều này được thực hiện bằng cách thay thế xương cũ bằng xương mới.

Sau khi qua giai đoạn phát triển, tốc độ lắng đọng và tái hấp thu xương là bằng nhau, giữ

cho khối xương toàn bộ tương đối không đổi. Tuy vậy, thông qua tập luyện, ta có thể gia

tăng khối xương ngay cả khi không còn thời thanh niên. Sự lắng đọng xương nhiều hơn

tái hấp thu khi cần nhiều sức mạnh hơn hay khi xảy ra chấn thương.

Quá trình tái xây dựng liên tục này tiếp tục đến tuổi 40, khi hoạt động tạo cốt bào chậm

lại và xương trở nên dễ gãy. Sự tái cấu trúc có hai hiệu quả chính: chỉnh lại hình dạng của

khung xương để đáp ứng với các lực trọng lực, cơ và lực bên ngoài, và duy trì nồng độ

canxi máu cho các chức năng sinh lý bình thường.

* Tác dụng của hoạt động và bất động lên sự tạo xương

Tác động của hoạt động thể lực lên sự tạo xương

Xương cần các lực cơ học để phát triển và mạnh lên. Vì thế, hoạt động thể lực là một

thành phần quan trọng của sự phát triển và duy trì sự toàn vẹn và sức mạnh khung xương.

Sự co cơ trong hoạt động chủ động cùng với lực bên ngoài tạo lực ép lớn lên xương.

Không phải vận động nào cũng có hiệu quả như nhau, các lực quá tải phải tác động vào

xương để kích thích và thích ứng lực, và sự thích ứng liên tục đòi hỏi quá tải liên tục.

Nói chung, lực tải động thì tốt cho sự hình thành xương hơn lực tải tĩnh, lực tải ở tần số

cao thì hiệu quả hơn. Lực tải xương lập lại trong các hoạt động quen thuộc có ít vai trò

trong duy trì khối xương và có thể làm giảm khả năng tạo xương vì mô xương bị mất

nhạy cảm. Hoạt động mạnh từng đợt thời gian ngắn có hiệu quả hơn hoạt động liên tục

trong việc kích thích gia tăng khối xương.



Tác động của hoạt động thể lực lên gia tăng khối xương thay đổi theo lứa tuổi: trong một

khung xương đang phát triển, các lực tác động lên xương kích thích nhiều hơn xương đã

trưởng thành. Ở người già với khối xương thấp, tập luyện chỉ có hiệu quả tương đối lên

tạo xương. Mục đích là đạt tối đa đậm độ khoáng hóa xương trong ba mươi năm đầu tiên

và sau đó giảm thiểu sự suy giảm sau tuổi 40. Khối xương đạt mức tối đa giữa tuổi 18-35

và sau đó giảm khoảng 0,5% sau tuổi 40.

Tác dụng của bất động lên xương

Giảm hoạt động có thể gây mất xương một lượng đáng kể. Khi bị giảm tải như cố định

phẫu thuật, nằm giường, khối xương bị hấp thụ, dẫn đến khối lượng xương giảm và

xương mỏng đi do hoạt động của hủy cốt bào, làm giảm lượng canxi xương, giảm sức

mạnh và trọng lượng xương. Hệ xương cảm nhận sự thay đổi lực tải và thích nghi để chịu

tải hiệu quả nhất với ít khối xương nhất. Trong tình trạng không trọng lượng, các phi

hành gia bị giảm hoạt động và mất tác động của trọng lượng cơ thể làm khối xương mất

khá nhiều trong thời gian tương đối ngắn

2.2. Các lực tác động lên xƣơng

Hệ xương chịu một số lực khi xương chịu tải ở các hướng khác nhau. Các lực được tạo ra

khi mang trọng lượng, trọng lực, các lực của cơ, các lực bên ngoài. Bên trong, các lực tải

có thể tác động lên xương qua khớp thông qua các chổ nối dây chằng hoặc gân cơ, và các

lực tải này thường dưới mức gãy xương. Bên ngoài, xương chịu nhiều lực từ môi trường

mà không có hạn chế về độ lớn hoặc hướng nào.

Có 5 loại lực tạo tải lên xương đó là sức ép, căng, xé, gập, và xoắn. Những lực này được

mô tả ở hình 2-3.

Hình 2-3 Các lực tác động lên xương. A. Lực ép gây làm ngắn và bè rộng. B. Lực kéo

căng gây làm hẹp và dài ra. C và D. Lực xé và xoắn vặn tạo biến dạng góc. E. Lực gập

có thể gây tất cả các thay đổi kết hợp.

2.2.1. Lực nén ép

Lực đè ép cần cho sự phát triển của xương.

Nếu lực ép quá lớn nhiều hơn giới hạn chịu đựng của cấu trúc, nó có thể gây tổn thương

xương và gây gãy do nén ép. Ví dụ: đau do đè ép xương bánh chè-đùi, gãy đè ép ở cột

sống thắt lưng…

2.2.2. Lực kéo căng



Khi cơ tạo lực căng đến xương qua gân, collagen trong mô xương tự sắp xếp theo hướng

(dọc) với lực kéo căng của gân.

Gãy xương thường xảy ra ở vị trí bám của cơ. Các lực căng cũng có thể gây bong dây

chằng kèm mảnh xương, thường xảy ra ở trẻ em (bong điểm bám)

Lực căng thường là nguyên nhân gây tổn thương gân và dây chằng. Ví dụ tổn thương dây

chằng ngoài cổ chân do chẹo chân.

2.2.3. Lực xé

Lực xé là nguyên nhân của một số bệnh lý đĩa đệm, như trượt đốt sống ra trước.

Ví dụ của gãy xương do lực xé: ở lồi cầy xương đùi và mâm chày. Cơ chế tổn thương của

hai loại này thường là do căng quá mức của gối thông qua bàn chân bị cố định và lực tác

động vào bên trong hoặc ngoài đùi hoặc cẳng chân. Ở người lớn, lực xé này có thể gây

gãy xương và/hoặc tổn thương dây chằng. Ở trẻ em, lực xé có thể gãy xương sụn liên hợp

(Hình 2-4).

-

Hình 2-4 Gãy sụn liên hợp đầu xa xương đùi thường gây bởi lực xé, thường do lực gây

nghiêng ngoài tác động lên đùi hoặc cẳng chân khi bàn chân bị cố định và khớp gối duỗi.

2.2.4. Lực gập

Các lực tải gây gập có thể được tạo ra bởi nhiều lực tác dụng vào các vị trí khác nhau của

xương. Thường những tình huống này được gọi là lực ép 3 điểm hay 4 điểm. Xương

thường bị gãy ở điểm giữa các lực đối diện.

Ví dụ ở Hình 2-5: gãy xương đùi do lực gập:

Hình 2-5 Ví dụ lực tải gập 4 điểm lên xương đùi, gây nên gãy xương ở điểm yếu nhất



2.2.5. Lực xoắn vặn

Gãy xương do lực xoắn vặn có thể xảy ra ở xương cánh tay khi ném vật không đúng kỹ

thuật gây xoắn vặn ở cánh tay và ở chi dưới khi bàn chân chạm đất và cơ thể thay đổi

hướng. Hậu quả là gãy xoắn vặn. Ví dụ Hình 2-6. Các lực xoắn vặn ở chân cũng là

nguyên nhân của tổn thương sụn khớp gối và dây chằng, xảy ra khi bàn chân giữ chặt

trong lúc xoay thân.

Hình 2-6 Lực xoắn vặn tác động lên xương cánh tay, tạo nên lực xé qua bề mặt xương.

2.2.6. Lực kết hợp

Lực căng, nén ép, xé, gập, và xoắn vặn là các kiểu lực tải đơn giản. Cơ thể thường chịu

các lực kết hợp của các lực tải kể trên.

2.3. Các đặc tính cơ học của xƣơng

Các đặc tính cơ học của xương khá phức tạp và thay đổi theo các thành phần của chúng.

Sức mạnh, sự cứng và năng lượng của xương phụ thuộc cả vào thành phần vật liệu và các

đặc tính cấu trúc của xương. Ngoài ra, các đặc tính cơ học cũng thay đổi theo tuổi tác,

giới tính và vị trí của xương, như xương cánh tay khác với xương chày. Những yếu tố

khác góp phần vào sự thay đổi này là hướng lực tải tác động lên xương, tốc độ áp dụng

lực, loại lực.

Xương phải có khả năng chịu đựng được cùng một lúc với nhiều loại lực. Ở tư thế tĩnh,

xương kháng lại trọng lực, nâng đỡ trọng lượng cơ thể, và hấp thụ hoạt động cơ tạo ra để

duy trì tư thế tĩnh. Khi vận động như chạy, các lực tăng gấp nhiều lần và trở thành đa

hướng.

2.3.1. Sức mạnh và tính cứng của xương

Xương cần phải cứng nhưng vẫn phải mềm dẻo và mạnh nhưng vẫn nhẹ. Sức mạnh cần

để chịu tải, và nhẹ cần để vận động. Sức mạnh ở xương chịu trọng lượng là khả năng

chống lại bị gập. Mềm dẻo cần để hấp thu các lực tác động cao, và đặc tính đàn hồi của

xương cho phép nó hấp thụ năng lượng bằng cách thay đổi hình dạng (mà không bị gãy

vỡ) và trở về chiều dài bình thường của nó.

Hành vi của bất kỳ vật liệu nào khi bị chịu lực tải được xác định bởi sức mạnh và tính

cứng của nó. Khi một lực bên ngoài tác động vào xương, một phản ứng bên trong xảy ra.

Sức mạnh có thể được đánh giá bằng đánh giá mối liên hệ giữa lực tải bên ngoài và mức

biến dạng (phản ứng bên trong) xảy ra ở vật liệu. Điều này được thể hiện ở đường cong

lực tải-biến dạng (hình 2-7).



Hinh 2-7. Các vùng trong đồ thị lực tải-biến dạng của một vật liệu đàn hồi.

Lúc bắt đầu chịu tải, xương có đáp ứng đàn hồi tuyến tính. Khi tác động lực tải, đầu tiên

xương biến dạng thông qua thay đổi chiều dài hoặc hình dạng góc. Xương biến dạng

không quá 3%. Đây được xem là vùng đàn hồi của đường cong lực tải-biến dạng bởi vì

khi lấy đi lực tải, xương phục hồi và trở về hình dạng hoặc chiều dài ban đầu. Nếu tiếp

tục tác động lực tải, mô xương đạt đến điểm tới hạn (giới hạn đàn hồi), và sau đó các sợi

bên ngoài bắt đầu bị rách và tách cầu nối. Giai đoạn này được gọi là vùng dẻo của đường

cong lực tải-biến dạng. Mô xương bắt đầu biến dạng vĩnh viễn và cuối cùng là gãy xương

nếu tiếp tục tác động lực tải lên vùng dẻo. Như thế, khi lực tải bị lấy đi, mô xương không

trở lại chiều dài ban đầu của nó mà vẫn bị biến dạng. Mặc dù xương có thể có đáp ứng

dẻo, lực tải bình thường vẫn nằm trong vùng đàn hồi. Xương đáp ứng chủ yếu như là một

vật liệu giòn dễ vỡ, khoảng từ biến dạng dẻo đến gãy rất nhỏ.

Sức mạnh (bền) của xương (hoặc các vật liệu khác) được định nghĩa bởi điểm suy yếu

(=gãy xương) hoặc lực tải chịu được trước khi suy yếu. Khả năng chịu lực tải của xương

phụ thuộc vào nó có đủ khối lượng với đầy đủ các đặc tính về vật liệu cũng như sự sắp

xếp sợi có khả năng kháng lại lực tải ở các hướng khác nhau hay không. Sự suy yếu của

xương có thể do hoặc là một sự kiện chấn thương duy nhất (dẫn đến gãy xương) hoặc tích

tụ các vi chấn thương (mỏi xương). Sức mạnh của xương phụ thuộc mức khoáng hóa của

mô xương: hàm lượng khóang mô càng cao thì vật liệu càng cứng và mạnh hơn. Tuy

nhiên nếu xương bị khoáng hóa quá mức, nó trở nên giòn và không chịu được nhiều lực

tải. Sức mạnh chịu lực ép của xương vỏ lớn hơn bê tông, gỗ, hoặc thủy tinh. Sức mạnh

xương xốp thấp hơn xương vỏ, nhưng nó có thể chịu đựng biến dạng nhiều hơn trước khi

suy.

Tính cứng, hay là suất Young của vật liệu, được xác định bởi độ dốc của đường cong lực

tải-biến dạng trong vùng đáp ứng đàn hồi và được định nghĩa là tỉ lệ giữa lực tải và biến

dạng trong vùng đàn hồi của đường cong. Kim loại là vật liệu vừa có độ cứng cao vừa dễ

uốn, và khi lực tải vượt quá điểm tới hạn, nó có đặc tính dễ uốn nắn và chịu biến dạng

dẻo lớn trước khi suy gãy. Thủy tinh là vật liệu giòn, cứng nhưng dễ vỡ, không có vùng

dẻo. Xương không cứng như gương hoặc kim loại, và không như những vật liệu trên, nó

không đáp ứng một cách tuyến tính bởi vì nó biến dạng một cách không đồng nhất trong

giai đoạn tải. Xương có mức cứng thấp hơn kim loại và thủy tinh nhiều và gãy sau biến

dạng dẻo rất nhỏ (hình 2-8).



Hình 2-8 Đường cong lực tải-biến dạng mô tả sự khác nhau của vật liệu dễ uốn nắn (A),

vật liệu giòn (B), và xương (C).

2.3.2. Các đặc tính không đẳng hướng (Anisotropic Characteristics)

Mô xương là một vật liệu không đẳng hướng, nghĩa là hành vi của xương thay đổi tùy

theo hướng tác dụng tải. Sự khác nhau của các đặc tính của xương xốp và xương vỏ góp

phần vào tính không đẳng hướng của xương. Vai trò của xương xốp và xương vỏ đến sức

mạnh nói chung thay đổi tùy vị trí giải phẫu bởi vì thành phần các xương này ở các vị trí

đó khác nhau. Xương xốp giúp chống lại lực gập, và xương vỏ giúp chống lại lực đè ép

nhiều hơn. Cho dù các đặc tính của xương phụ thuộc vào hướng, nói chung, mô xương

dài có thể chịu được lực lớn nhất theo hướng dọc và ít nhất theo hướng ngang bề mặt.

2.3.3. Các đặc tính keo-đàn hồi (Viscoelastic Characteristics)

Xương có đặc tính keo-đàn hồi, nghĩa là đáp ứng của nó phụ thuộc vào tốc độ và thời

gian của lực tải. Với lực tốc độ cao, xương cứng hơn và chắc hơn vì nó có thể hấp thụ

nhiều năng lượng hơn nếu lực tải càng nhanh. Điều này thường thấy ở các hoàn cảnh chịu

tác động cao như khi ngã hoặc tai nạn giao thông. Hình 2-9 cho thấy một xương chịu tải

chậm bị gãy ở lực tải khoảng bằng một nửa lực gây gãy ở tốc độ nhanh.

Mô xương là một vật liệu keo- đàn hồi mà các đặc tính cơ học bị ảnh hưởng bởi tốc độ

biến dạng. Các đặc tính dễ uốn nắn của xương là do thành phần collagen của nó. Thành

phần collagen làm cho xương chịu được các lực căng. Xương cũng dễ vỡ, và sức mạnh

của nó phụ thuộc vào cơ chế lực tải. Tính giòn của xương là do các thành phần khoáng

của xương, giúp xương chịu được lực đè ép.

Hình 2-9 Xương có đặc tính keo-đàn hồi vì nó đáp ứng khác nhau khi chịu tải ở các tốc

độ khác nhau. A. khi bị tải nhanh, xương cứng hơn và có thể chịu tải lớn hơn trước khi bị

gãy. B. khi bị tải chậm, xương không cứng và mạnh bằng, bị gãy với lực thấp hơn.



2.4. Đặc điểm sinh cơ học của khớp

Khả năng vận động của một đoạn chi được xác định bởi cấu trúc và chức năng của khớp

hoạt dịch của đoạn chi đó. Khớp hoạt dịch tạo nên sự nối khớp hai phần xương với độ ma

sát thấp và có thể chịu lực ăn mòn. Phần này trình bày một số điểm cần lưu ý về đặc điểm

cấu trúc và sinh cơ của khớp động.

2.4.1 Phân loại khớp động (hoạt dịch)

Người ta chia khớp động thành 7 loại dựa trên sự khác nhau ở bề mặt khớp, các hướng

vận động có được ở khớp và loại vận động xảy ra giữa các phân đoạn. (hình 2-10).

Hình 2-10. Các loại khớp hoạt dịch.

- Khớp mặt phẳng (khớp trượt)

Ví dụ: các khớp xương cổ tay, cổ chân

Vận động ở khớp này được gọi là không trục vì nó gồm hai mặt phẳng trượt lên nhau chứ

không quay quanh trục.

- Khớp bản lề (Hinge Joint)

Ví dụ: các khớp ngón tay, khớp cánh tay-trụ

Đây là khớp vận động theo một mặt phẳng (gấp/duỗi), một trục.

- Khớp xoay (Pivot Joint)

Ví dụ: khớp chẩm-đội, khớp quay trụ trên và dưới



Khớp xoay cũng cho phép vận động trong một mặt phẳng (xoay trong/xoay ngoài,

sấp/ngữa), là khớp một trục.

- Khớp lồi cầu (Condylar Joint)

Vận động chủ yếu ở một mặt phẳng (gập và duỗi) với một ít vận động ở một mặt phẳng

khác (xoay). Ví dụ như các khớp bàn đốt, gian ngón, thái dương hàm. Khớp gối cũng

được xem như là khớp lồi cầu vì khớp giữa hai lồi cầu xương đùi và mâm chày. Tuy

nhiên, bởi vì có các dây chằng hạn chế vận động, khớp gối có thể được xem là khớp bản

lề thay đổi.

- Khớp dạng elip (Ellipsoid Joint)

Vận động trong hai mặt phẳng (gập-duỗi, dạng-khép) và là hai trục. Ví dụ như khớp quay

cổ tay, khớp bàn ngón.

- Khớp yên ngựa (Saddle Joint)

Khớp yên ngựa, chỉ thấy ở khớp cổ bàn đốt ngón cái, cho phép vận động hai mặt phẳng

(gấp/duỗi, dạng/khép) và một ít vận động xoay. Chức năng tương tự như khớp dạng elip.

- Khớp ổ-cầu:

Khớp ổ cầu cho phép vận động ở cả ba mặt phẳng và là khớp vận động nhiều nhất. Ví dụ

khớp vai, khớp háng.

2.4.2. Cấu tạo của khớp động (Hình 2-11)

Hình 2-11 Các thành phần của khớp hoạt dịch.

Bao phủ hai đầu xương là bản tận (end plate) khớp, một lớp mỏng xương vỏ nằm trên

xương xốp. Phủ trên bản tận là sụn khớp. Sụn khớp này chuyển lực ép qua khớp, làm

khớp vững chắc hơn, cải thiện sự ăn khớp của mặt khớp, bảo vệ xương bên dưới, và cho

phép khớp vận động với sự ma sát nhỏ nhất (bôi trơn).

Sụn khớp là một chất không mạch máu chứa 60% đến 80% nước và một chất nền đặc

gồm collagen và proteoglycan. Collagen là một protein cung cấp các đặc tính cơ học như

độ cứng, chịu lực…. Proteoglycan là chất gel ngậm nước.

Sụn khớp có đặc tính không đẳng hướng, nghĩa là nó có các đặc tính vật liệu khác nhau

với những hướng khác nhau tương ứng với bề mặt khớp. Các đặc tính của sụn phù hợp để

chống lại lực xé bởi vì nó đáp ứng với lực tải theo kiểu keo-đàn hồi. Nó biến dạng ngay

khi chịu một lực tải nhẹ hoặc vừa, và nếu nhanh chóng chịu tải, nó cứng hơn và biến

dạng trong thời gian dài hơn. Sự phân bố lực qua diện tích khớp xác định lực ép lên sụn

và sự phân bố lực phụ thuộc vào độ dày của sụn.

Một thành phần quan trọng khác của khớp hoạt dịch là bao khớp, một mô liên kết sợi

trắng được tạo thành chủ yếu từ collagen giúp bảo vệ khớp. Phần dày lên của khớp tạo

nên dây chằng thường thấy khi cần nâng đỡ thêm. Bao khớp xác định khớp, tạo nên phần

trong khớp với áp suất âm.



Lót mặt trong của bao khớp là màng hoạt dịch, một mô liên kết tiết chất hoạt dịch vào

trong khớp để bôi trơn và cung cấp chất dinh dưỡng cho khớp.

Sự vững chắc trong một khớp hoạt dịch là do các cấu trúc dây chằng bao quanh khớp,

bao khớp, sụn khớp, và các gân quanh khớp, áp lực âm trong khớp…..

2.4.3. Đặc điểm sinh cơ học của dây chằng:

Dây chằng là một dải ngắn mô liên kết xơ chắc gắn kết xương với xương và được tạo

thành từ các sợi collagen, elastin, và reticulin. Dây chằng thường giúp nâng đỡ theo một

hướng và hòa lẫn với bao khớp. Dây chằng có thể nằm ở bao khớp, ngoài bao khớp hoặc

trong khớp. Các dây chằng bao khớp đơn giản chỉ là phần dày lên ở thành bao khớp, như

các dây chằng ổ chảo-cánh tay. Các dây chằng ngoài bao khớp nằm ngoài khớp, như các

dây chằng bên ở khớp gối. Các dây chằng trong khớp, như dây chằng chéo ở khớp gối

nằm bên trong khớp.

Hình 2-12 Đường cong lực tải-biến dạng của một dây chằng. Ban đầu (gọi là vùng toe),

các sợi collagen của dây chằng ở dạng lượn sóng. Sau đó, trong vùng đàn hồi (thẳng),

các sợi kéo thẳng ra. Trong vùng dẻo, một số sợi collagen bị đứt rách.

Lực tối đa mà một dây chằng có thể chịu được liên quan đến diện tích cắt ngang của nó.

Dây chằng có đặc tính keo-đàn hồi, giúp kiểm soát sự phân tán lực và kiểm soát khả năng

chấn thương. Dây chằng đáp ứng với lực tải bằng cách trở nên càng lúc càng mạnh hơn

và cứng hơn. Các sợi collagen trong dây chằng được sắp xếp sao cho dây chằng có thể

chịu được cả lực căng và lực xé, tuy nhiên tốt nhất vẫn là lực căng. Hình 2.12 mô tả đặc

tính keo-đàn hồi của dây chằng. Các sợi collagen trong dây chằng có cấu trúc gần như

song song. Khi không chịu tải, chúng có dạng lượn sóng. Với lực tải thấp, sự lượn sóng

trong các sợi collagen của dây chằng biến mất. Lúc này, dây chằng đáp ứng gần như

tuyến tính, hơi căng và trong giới hạn sinh lý. Với các lực lớn hơn, dây chằng rách, một

phần hoặc toàn bộ. Nói chung, khi lực căng tác động vào khớp rất nhanh, dây chằng có

thể phân tán lực nhanh và khả năng bị tổn thương dễ xảy ra ở xương hơn là dây chằng.

Mức tải sinh lý bình thường của hầu hết các dây chằng là biến dạng căng 2-5%, tương

đương với tải khoảng 500 N ở dây chằng chéo trước¸ trừ những dây chằng đòi hỏi tính

đàn hồi cao như dây chằng vàng ở cột sống (có thể kéo dãn đến hơn 50% chiều dài khi

nghỉ). Mức biến dạng tối đa của hầu hết các dây chằng và gân là khoảng 8-10%.

Ở cuối tầm vận động khớp, dây chằng căng để kết thúc vận động. Các dây chằng là vật

cản thụ động và chuyển lực đến xương. Bởi vì dây chằng làm vững, kiểm soát, và giới

hạn vận động khớp, tổn thương dây chằng sẽ ảnh hưởng vận động khớp. Tổn thương dây

chằng có thể dẫn đến lỏng lẻo khớp (không vững), do đó làm thay đổi chuyển động học

của khớp, thay đổi sự phân bố lực tải và làm khớp dễ bị chấn thương.



2.4.4. Các tư thế khớp khóa và khớp lỏng (Close-Packed versus Loose-Packed Positions)

Khi vận động qua một tầm vận động, vùng tiếp xúc thật sự giữa các mặt khớp thay đổi.

Tư thế khớp làm cho hai mặt xương vừa khít nhau và tiếp xúc tối đa gọi là tư thế khóa

khớp. Đây là tư thế đè ép tối đa của khớp, các dây chằng và bao khớp căng. Ví dụ như

gối duỗi hết tầm, duỗi cổ tay, duỗi khớp gian ngón, gấp mu chân tối đa. Tất cả những tư

thế khớp khác được gọi là tư thế khớp lỏng bởi vì hai đầu xương ít tiếp xúc nhau và diện

tiếp xúc thường xuyên thay đổi. Ở tư thế khớp lỏng hai đầu xương trượt và lăn nhiều hơn,

cho phép vận động liên tục, giảm ma sát trong khớp.

A B

Hình 2-13: Tư thế khớp khóa (A) và khớp lỏng (B) ở khớp gối.

Mặc dù tư thế khớp lỏng ít vững hơn tư thế khớp khóa, nó ít bị chấn thương bởi vì tính

vận động của nó, trong khi ở tư thế khóa, khớp rất vững nhưng dễ bị chấn thương bởi vì

các cấu trúc bị căng và hai mặt khớp ép vào nhau. Khớp dễ bị chấn thương nếu bị tác

động bởi một lực ngoài, như đánh vào gối khi gối duỗi.



Chƣơng 3: ĐẶC ĐIỂM SINH CƠ HỌC CỦA CƠ VÀ THẦN KINH CƠ

Mục tiêu: Sau khi học xong chương này, học viên có khả năng:

- Kể được 4 đặc tính của mô cơ và 4 chức năng của cơ

- Trình bày được những đặc điểm cấu trúc của cơ và các thành phần liên quan: các

loại sợi cơ, đơn vị vận động, mô hình Hill về đơn vị cơ-gân

- Nắm vững ba loại co cơ và các vai trò của cơ trong một vận động

- Trình bày sự tạo lực và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo lực

- Nêu khái niệm về sức mạnh, sức bền, công và hiệu suất của cơ

Mô cơ là một mô kích thích được và đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo nên lực của vận

động. Chương này trình bày những vấn đề sinh cơ học liên quan đến mô cơ xương.

3.1. Các đặc tính của mô cơ

Các đặc tính này là chung với các loại cơ: cơ trơn, cơ vân, cơ tim.

3.1.1. Tính có thể kích thích (Irritability)

Tính có thể kích thích là khả năng đáp ứng với kích thích (điện hoặc cơ học). Mô cơ

xương rất nhạy, chỉ đứng sau mô thần kinh.

3.1.2. Tính co thắt (Contractility)

Tính co là khả năng của cơ tạo sức căng và làm ngắn lại khi nó nhận đủ kích thích. Cơ có

thể ngắn đến 50% -70% so với chiều dài khi nghỉ (trung bình là 57%).

3.1.3. Tính kéo dãn được (Extensibility)

Tính kéo dãn được là khả năng của cơ dài ra, hoặc kéo căng vượt quá chiều dài khi nghỉ.

Bản thân cơ không thể tự làm dài mà cần có hoạt động của cơ khác hoặc lực bên ngoài.

Mức độ kéo dãn của cơ được xác định bởi mô liên kết xung quanh và trong cơ

3.1.4. Tính đàn hồi (Elasticity)

Tính đàn hồi là khả năng của sợi cơ trở về chiều dài khi nghỉ khi không còn bị kéo căng.

Tính đàn hồi của cơ phụ thuộc vào các mô liên kết trong cơ (hơn là bản thân sợi cơ). Các

đặc tính đàn hồi và kéo dãn được là những cơ chế bảo vệ giúp duy trì sự toàn vẹn và

chiều dài cơ sở của cơ. Tính đàn hồi cũng góp phần tạo nên lực co cơ (lực đàn hồi) nếu

cơ bị kéo căng.

(So sánh với dây chằng: dây chằng (chủ yếu là collagen) ít đàn hồi, và nếu bị kéo căng

quá chiều dài lúc nghỉ, nó sẽ không trở lại chiều dài ban đầu mà bị dài ra, gây lỏng lẻo

khớp.)

3.2. Các chức năng của cơ

3.2.1.Tạo nên vận động

Vận động của xương được tạo nên bởi hoạt động của cơ tạo nên sức căng (lực) chuyển

đến xương (qua gân).

3.2.2. Duy trì tư thế

Hoạt động cơ có thể được dùng để duy trì tư thế. Hoạt động duy trì tư thế thường ở

cường độ nhẹ hơn và liên tục.

3.2.3. Làm vững khớp

Hoạt động cơ cũng góp phần làm vững khớp (thành phần làm vững động). Ví dụ ở khớp

vai, gối.

3.2.4. Các chức năng khác

Các cơ cũng tạo nên 4 chức năng khác không liên quan trực tiếp đến vận động con người:

nâng đỡ, bảo vệ các cơ quan nội tạng và bảo vệ các mô bên trong khỏi bị chấn thương;

sức căng do cơ có thể thay đổi và kiểm soát áp lực trong các khoang; cơ góp phần duy trì

thân nhiệt bằng cách tạo nhiệt; tham gia đưa vào/ra (nuốt, tiểu tiện)



3.3. Thành phần và cấu trúc của cơ xƣơng và đơn vị vận động:

Cơ thể con người có khoảng 434 cơ, chiếm 40-45% tổng trọng lượng cơ thể người lớn

trưởng thành, trong đó có 75 cặp cơ chịu trách nhiệm cho các vận động cơ thể và tư thế.

3.3.1. Cấu trúc một cơ

Cấu trúc của cơ được mô tả ở Hình 3-1. (Xem lại phần sinh lý cơ).

Hình 3-1. Cấu tạo của cơ. A.Mỗi cơ nối với xương thông qua gân cơ. B. bên trong cơ,

các sợi được bó thành bó cơ (fascicle). Mỗi bó có thể chứa tới 200 sợi cơ. C. Mỗi sợi cơ

là một tế bào thật sự mà bào tương chứa các dải tơ cơ (myofibril) chạy dọc chiều dài sợi

cơ. D. Đơn vị co thắt thật sự là sarcomere. Nhiều sarcomere được nối với nhau liên tiếp

dọc chiều dài mỗi tơ cơ. Sự rút ngắn cơ xảy ra ở trong sarcomere khi các sợi trong

sarcomere, actin, và myosin trượt lên nhau.

Về đại thể, mỗi sarcomere có: các đường Z, đường M, dải A (sợi myosin), dải I (sợi

actin), vùng H.

3.3.2. Các lọai sợi

Mỗi cơ gồm nhiều sợi kết hợp và các sợi được phân thành sợi co chậm (type I) hoặc sợi

co nhanh (type II). Sức căng tối đa ở các sợi co nhanh đạt được trong thời gian bằng 1/7

lần so với sợi co chậm. Thành phần mỗi sợi khác nhau ở mỗi cơ và ở các người khác

nhau.



Loại sợi co chậm (type I): Các sợi này chứa hàm lượng myoglobin trong cơ cao. Những

sợi này có thời gian co chậm và phù hợp nhất với các công việc cường độ thấp, kéo dài.

Các vận động viên sức bền có tỷ lệ số sợi co chậm cao.

Các sợi co nhanh, (type II) được chia thành type IIa, và type IIb. Sợi type IIa là sợi cơ đỏ

còn được gọi là sợi co nhanh trung gian vì nó có thể chịu hoạt động với thời gian dài. Sợi

type IIb màu trắng có khả năng tạo lực nhanh và nhanh mỏi hơn.

Các cơ thường chứa cả hai loại sợi. Ví dụ cơ rộng ngoài có ½ sợi co nhanh và ½ sợi co

chậm. Tập luyện có thể thay đổi tỷ lệ các loại sợi trong cơ. Ví dụ các vận động viên nhảy

cao và nhảy xa thường có tỷ lệ sợi co nhanh nhiều hơn ở những cơ thường sử dụng như

cơ bụng chân. Ngược lại, vận động viên chạy đường dài thường có các sợi co chậm nhiều

hơn.

3.3.3. Đơn vị vận động và sự kiểm soát thần kinh-cơ.

- Khái niệm về đơn vị vận động (motor unit):

Cơ xương được tổ chức thành các nhóm chức năng được gọi là các đơn vị vận động. Một

đơn vị vận động gồm một nhóm các sợi cơ được phân bố bởi cùng một neuron (tế bào

thần kinh) vận động. Đơn vị vận động có thể chỉ gồm vài sợi cơ hoặc đến vài ngàn sợi cơ.

Tỷ lệ thông thường của neuron/sợi cơ là 1:10 với cơ mắt, 1:1600 với cơ bụng chân, 1:500

với cơ chày trước, 1:1000 với cơ nhị đầu cánh tay, 1:300 với cơ gian cốt mu tay, và 1:96

với cơ giun bàn tay. Số sợi cơ được kiểm soát bởi một neuron được gọi là tỷ lệ phân bố

(innervation ratio). Các sợi có tỷ lệ phân bố nhỏ có thể thực hiện các hoạt động tinh vi,

còn những sợi có tỷ lệ phân bố cao chỉ có thể kiểm soát vận động thô.

Tín hiệu co cơ được truyền từ neuron vận động đến cơ được gọi là một điện thế hoạt

động. Khi một neuron vận động bị kích thích đủ để gây co thì tất cả các sợi cơ được

neuron vận động đó chỉ huy đều co trong vòng vài milli giây. Điều này được gọi là quy

luật tất cả hay là không. Kích thước của điện thế hoạt động và hoạt động co cơ tương ứng

với số sợi trong đơn vị vận động. Gia tăng lực cơ cần gia tăng số đơn vị vận động được

hoạt hóa.

Các sợi cơ thuộc các đơn vị vận động khác nhau đan xen với nhau làm cho lực tác động

lên gân vẫn không đổi ngay cả khi các sợi cơ khác nhau đang co hoặc giãn. Trương lực

cơ ở trạng thái nghỉ được duy trì bằng hoạt động co một cách ngẫu nhiên của các đơn vị

vận động.

Hoạt động của đơn vị vận động phụ thuộc vào các xung động mà nó nhận được. Đó là

những mệnh lệnh gây kích thích từ các neuron vận động anpha cũng như các xung động

ức chế và kích thích từ các neuron khác.

- Các loại đơn vị vận động:

Có ba loại đơn vị vận động, tương ứng với ba loại sợi cơ. Sự khác nhau về kích thước và

khả năng hoạt động của chúng được mô tả ở hình 3-2. Tất cả ba loại sợi đều được thấy ở

các cơ, nhưng với tỷ lệ khác nhau tùy cơ. Tất cả các sợi cơ trong cùng một đơn vị vận

động đều cùng một loại.

- Đơn vị vận động co nhanh đường phân (type IIb) được phân bố bởi tế bào thần

kinh anpha kích thước lớn. Do đó, những đơn vị vận động lớn này thường tạo ra

hoạt động co cơ nhanh, tạo sức căng cao, và nhanh mỏi. Những đơn vị vận động

này thường có tỷ lệ tế bào thần kinh/sợi cơ cao và được thấy ở một số cơ lớn như

cơ tứ đầu đùi. Các đơn vị vận động này hữu ích trong các vận động như nhảy,

nâng vật nặng….

- Đơn vị vận động co nhanh oxy hóa (type IIa) cũng có thời gian co nhanh, nhưng

kháng lại mệt mỏi tốt hơn so với đơn vị vận động đường phân. Những đơn vị vận

động kích thước trung bình này có thể tạo nên sức căng vừa phải trong thời gian



dài hơn. Các đơn vị vận động này hữu ích trong các hoạt động như bơi, đạp xe và

làm việc trong nhà máy.

- Đơn vị vận động co chậm oxy hóa (type I) truyền xung động chậm hơn, tạo thời

gian co cơ chậm hơn. Những đơn vị vận động này có thể tạo sức căng nhỏ nhưng

có thể duy trì sức căng này trong một thời gian dài. Các sợi loại I hiệu quả hơn hai

loại sợi kia. Kết quả là, đơn vị vận động co chậm, loại đơn vị nhỏ nhất, rất hữu ích

để duy trì tư thế, làm vững khớp, và thực hiện các hoạt động lặp lại như đánh chữ,

và các hoạt động thô như chạy bộ.

Hình 3-2 A. Đơn vị vận động co chậm có thể duy trì lực co cơ thấp trong thời gian dài. B.

Đơn vị vận động co nhanh oxy hóa cũng có thể duy trì co cơ trong thời gian dài với lực

co lớn hơn. C. đơn vị vận động co nhanh đường phân không thể giữ co cơ thời gian dài

nhưng có thể tạo cường độ lực lớn hơn.

- Motor Pool:

Tập hợp các neuron ở tủy sống phân bố cho một cơ duy nhất được gọi là một motor pool.

Kích thước của pool thay đổi từ vài trăm đến một ngàn phụ thuộc vào kích thước của cơ.

Các tế bào thần kinh vận động trong pool khác nhau về các đặc tính điện học, độ lớn

xung động mà chúng nhận và các đặc tính co thắt (như tốc độ, tạo lực, sự kháng mệt).

3.3.4. Các đặc tính của gân cơ và khái niệm đơn vị cơ-gân (muscle tendon unit, MTU)

Gân chuyển lực từ cơ đến xương. Gân nối với cơ ở chỗ nối gân-cơ, ở đó các sợi cơ đan

xen vào các sợi collagen của gân. Gân mạnh và truyền lực tải lớn đến xương qua các kết

nối với xương. Gân có thể kháng lại sức căng, mềm dẻo, và có thể chuyển góc khi qua

sụn, xương chêm, hoặc bao hoạt dịch. Gân có thể được xắp xếp như một dây hay thành

dải và có thể hình tròn, bầu dục hay dẹt.

Về cấu tạo, gân gồm một bó các sợi collagen không đàn hồi được sắp xếp song song với

hướng tác dụng lực của cơ. Cho dù là sợi không đàn hồi, gân có thể đáp ứng theo kiểu

đàn hồi nhờ tính đàn hồi của mô liên kết. Gân có thể chịu được lực căng cao của cơ, và



có tính chất keo-đàn hồi khi chịu tải. Gân Achilles có thể chịu sức căng tương đương

hoặc lớn hơn thép có cùng kích thước.

Đáp ứng lực tải-biến dạng của gân có dạng keo-đàn hồi. Nghĩa là, gân có đáp ứng không

tuyến tính và biểu hiện tính trễ (hysteresis) (hình 3-3). Gân tương đối cứng và mạnh

nhiều hơn các cấu trúc khác. Sự cứng này được cho là liên quan đến tỷ lệ collagen cao.

Gân cũng rất đàn hồi và tương đối ít trơ hoặc mất năng lương. Những đặc tính này là cần

thiết cho chức năng của gân.

Hình 3-3. Đường cong lực-biến dạng của gân bị kéo căng với tốc độ nhanh và chậm với

cùng một chiều dài. Lực ở giai đoạn kéo căng (đường đậm) lớn hơn lực được giải phóng

ở giai đoạn thả (đường gạch). Một vật liệu keo-đàn hồi có độ cứng khác nhau ở tốc độ

biến dạng khác nhau. Kéo căng nhanh tạo nên nhiều lực ở gân hơn so với kéo căng

chậm. Hiện tượng trễ (hysteresis) là công và năng lượng bị mất khi phục hồi trạng thái

ban đầu và có thể được xem là vùng giữa giai đoạn tải và thả tải của gân.

Gân phải cứng và mạnh đủ để chuyển lực đến xương mà không bị biến dạng nhiều. Bởi

vì tính trễ thấp của gân, chúng có thể dự trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi. Hình 3-4

biểu diễn sự khác nhau về các đặc tính của cơ, gân và xương.

Hình 3-4. Đường cong lực- biến dạng của cơ, gân và xương.

Trái: cơ có đặc tính keo-đàn hồi, biến dạng dưới lực tải thấp và sau đó đáp ứng cứng.

Giữa: gân có thể chịu tải cao. Tại giới hạn đàn hồi của gân cũng là giới hạn cuối của

sức mạnh (không có giai đoạn dẻo).

Phải: Xương là mô giòn có đáp ứng cứng và sau đó biến dạng ít trước khi suy-gãy).

- Các ảnh hưởng của gân lên sự tạo lực (Các đặc tính Lực- Thời gian)

Khi cơ bắt đầu tạo sức căng qua thành phần co thắt của cơ, lực tác động lên xương tăng

lên không tuyến tính với thời gian bởi vì các thành phần đàn hồi thụ động ở trong gân và

các mô liên kết bị kéo căng và hấp thu một phần lực. Sau khi các thành phần đàn hồi bị

kéo căng, sức căng của cơ tác động lên xương tăng lên một cách tuyến tính theo thời gian

đến khi đạt lực tối đa.

Thời gian để đạt được lực tối đa và độ lớn của lực thay đổi tùy theo tư thế khớp. Ở tư thế

này, lực tối đa có thể được tạo ra rất nhanh, nhưng ở tư thế khác, nó có thể xảy ra chậm



hơn khi co. Điều này phản ánh sự thay đổi tính lỏng lẻo của gân, không phải những thay

đổi trong khả năng tạo sức căng của các thành phần co thắt. Nếu gân chùng, lực tối đa

xảy ra muộn hơn và ngược lại.

- Mô hình cơ học của cơ: Đơn vị cơ-gân

Hill đã mô hình hóa hoạt động cơ-gân gồm ba thành phần. Các thành phần đó là thành

phần co thắt (contractile component - CC), thành phần đàn hồi song song (parallel elastic

component - PEC), và thành phần đàn hồi liên tiếp (series elastic component -SEC) (hình

3-5). Mô hình Hill cho phép ta hiểu rõ hơn chức năng của cơ đã tạo nên sức căng như thế

nào.

Hình 3-5. Mô hình đơn vị cơ-gân của Hill gồm ba thành phần: Thành phần co thắt, thành

phần đàn hồi liên tiếp (SEC), và thành phần đàn hồi song song (PEC).

Thành phần co thắt là thành phần chuyển kích thích từ hệ thần kinh thành lực và phản

ánh sự làm ngắn của cơ qua các cấu trúc actin và myosin. Thành phần co thắt có các đặc

tính cơ học xác định hiệu quả của hoạt động co, nghĩa là tín hiệu từ hệ thần kinh chuyển

sang lực hiệu quả như thế nào (mối liên hệ giữa kích thích và hoạt hóa, mối liên hệ lực-

tốc độ và mối liên hệ lực- chiều dài).

Thành phần đàn hồi trong cơ được biểu diễn là các thành phần đàn hồi song song và liên

tiếp. Bởi vì SEC nối liên tục với thành phần co thắt, bất cứ lực được tạo nên bởi CC cũng

được tác động lên SEC. SEC là cấu trúc đàn hồi không tuyến tính cao, ví dụ như gân cơ.

Cơ biểu hiện đặc tính đàn hồi ngay cả khi thành phần co thắt không tạo ra lực. Một lực

bên ngoài tác động vào cơ làm cơ kháng lại, nhưng cơ cũng bị kéo dãn ra. Đáp ứng đàn

hồi không chủ động này được tạo nên bởi những cấu trúc song song với cơ thay vì thành

phần liên tục với cơ. Chúng được gọi là thành phần đàn hồi song song (PEC), ví dụ như

các mô liên kết bao quanh cơ. PEC cũng có đặc tính đàn hồi không tuyến tính cao và gia

tăng độ cứng khi cơ dài ra. Cả hai cũng đáp ứng giống như lò xo khi hoạt động nhanh.

3.4. Các hoạt động cơ và các vai trò của cơ trong vận động

3.4.1. Các hoạt động cơ (các loại co cơ):

Ta có thể chia sự co cơ làm ba loại dựa trên sự thay đổi chiều dài của cơ: co cơ đẳng

trường, co cơ hướng tâm và co cơ ly tâm

- Co cơ đẳng trường

Nếu cơ hoạt động và tạo nên sức căng mà không thay đổi tư thế khớp, hoạt động cơ được

gọi là đẳng trường.

- Co cơ hướng tâm

Co cơ tạo nên sức căng và rút ngắn cơ. Trong co cơ hướng tâm, lực cơ tạo vận động cùng

hướng với thay đổi góc khớp, nghĩa là các cơ đồng vận đang kiểm soát cơ. Sự vận động



chi tạo nên bởi co cơ hướng tâm được gọi là dương bởi vì cơ co thường kháng lại trọng

lực hoặc là một sức cản nào đó.

- Co cơ ly tâm

Khi cơ chịu một lực xoay bên ngoài lớn hơn lực mà cơ tạo ra, cơ bị dài ra, và co ly tâm.

Nguồn lực bên ngoài thường là trọng lực hoặc hoạt động của một nhóm cơ đối vận.

Hình 3-6. Co cơ đẳng trường, hướng tâm và ly tâm của cơ delta.

Trong co cơ ly tâm, lực cơ tạo nên sự xoay có hướng ngược với thay đổi góc khớp, nghĩa

là các cơ đối vận đang điều khiển cơ. Vận động chi trong co cơ ly tâm được gọi là âm bởi

vì các hoạt động khớp thường đi xuống do trọng lực hoặc đang điều khiển chứ không

phải là khởi phát vận động.

Phần lớn các vận động đi xuống, trừ phi rất nhanh, được kiểm soát bởi hoạt động ly tâm

của các nhóm cơ đối vận. Ví dụ động tác hạ thấp người thành ngồi xổm (gập háng và gối)

đòi hỏi sự kiểm soát bởi các cơ duỗi háng và duỗi gối co ly tâm. Ngược lại, vận động

duỗi lên chống lại trọng lực được tạo nên bởi các cơ duỗi co hướng tâm.

Co cơ ly tâm cũng được sử dụng để làm chậm lại một động tác. Khi duỗi nhanh đùi, như

khi đá, các cơ đối vận (cơ gập) co ly tâm để kiểm soát và làm chậm hoạt động gần cuối

tầm vận động gập (để bảo vệ khớp). Do đó có thể nguy cơ gây chấn thương trong một

vận động đòi hỏi giảm tốc nhanh với những người có khiếm khuyết cơ ly tâm đối vận.

Co cơ ly tâm trước khi co cơ hướng tâm làm gia tăng khả năng tạo lực bởi vì sự phân bối

năng lượng đàn hồi trong cơ. Ví dụ như trong động tác ném, thân mình, chân và vai xoay

trong là đang co ly tâm chủ động (lấy đà). Năng lượng đàn hồi được dự trữ trong các cơ

này, do đó gia tăng giai đoạn co hướng tâm trong động tác ném.

Các hoạt động co cơ này không được sử dụng riêng rẽ mà thường phối hợp. Điển hình, co

cơ đẳng trường dùng để cố định một phần cơ thể, co cơ hướng tâm và ly tâm dùng để gia

tăng dự trữ năng lượng và vận hành cơ. Chuỗi tự nhiên của chức năng cơ này, trong đó

co cơ ly tâm đi trước co cơ hướng tâm, được gọi là chu kỳ kéo căng- co ngắn (SSC).

Ba hoạt động cơ cơ này khác nhau về tiêu hao năng lượng và tạo lực. Co cơ ly tâm có thể

tạo cùng lực như hai loại hoạt động cơ kia với ít sợi cơ được hoạt hóa hơn và tiêu thụ ít

oxy hơn hai loại co cơ còn lại.

Co cơ hướng tâm tạo lực kém nhất trong ba loại co cơ. Lực liên quan đến số lượng các

cầu nối bắt chéo được tạo ra trong tơ cơ. Trong co cơ đẳng trường, số các cầu nối được

gắn vẫn không đổi. Khi cơ ngắn lại, số các cầu nối được gắn bị giảm đi làm giảm lực tạo

ra của cơ.



3.4.2. Các vai trò của cơ

- Các cơ chủ vận và cơ đối vận (Agonists và Antagonists)

Các cơ tạo nên cùng một vận động khớp được gọi là các cơ chủ vận. Ngược lại, các cơ

đối lại hoặc tạo nên vận động khớp đối diện được gọi là cơ đối vận. Các cơ đối vận phải

thư giãn để cho vận động xảy ra hoặc co đồng thời với cơ đồng vận để kiểm soát hoặc

làm chậm lại vận động. Vì thế, những thay đổi xảy ra nhiều nhất trong vị trí tương đối

của cơ là ở các cơ đối vận. Ví dụ khi đưa đùi ra trước lên trên (gập), các cơ chủ vận tạo

vận động là các cơ gập háng (thắt lưng-chậu, thẳng đùi, may, lược, cơ thon). Các cơ đối

vận là các cơ duỗi háng (ụ ngồi cẳng chân và cơ mông lớn). Các cơ đối vận kết hợp với

tác động của trọng lượng làm chậm vận động gấp háng và chấm dứt vận động. Cả hai cơ

chủ vận và đối vận đang kiểm soát hoặc điều hòa vận động.

Khi một cơ đóng vai trò là một cơ đối vận, nó dễ bị chấn thương ở vị trí gắn của cơ hay

bản thân cơ, bởi vì cơ này đang co để lại chậm động tác trong khi lại bị kéo dài ra.

- Các cơ làm vững (Stabilizers) và các cơ trung hòa (Neutralizers)

Các cơ cũng có thể đóng vai trò làm vững, giữ vững một phân đoạn để một vận động

khác ở một khớp kế cận có thể xảy ra. Ví dụ như các cơ làm vững đai vai để cho vận

động cánh tay hiệu quả hơn, hoặc cơ làm vững ở vùng đai chậu và háng khi đi. Khi một

chân đặt lên mặt đất khi đi hoặc chạy, cơ mông nhỡ co để giữ vững đai chậu.

Nhóm vai trò cơ cuối cùng là cơ đồng vận, hoặc trung hòa, nghĩa là co cơ để loại trừ một

hoạt động khớp không mong muốn của một cơ khác.

Một số vai trò của cơ trong vận động dạng cánh tay đơn giản được mô tả ở hình 3-7.

Hình 3-7. Vai trò của các cơ trong động tác dạng vai. Cơ delta: chủ vận. Cơ lưng rộng:

đối vận. Cơ thang: làm vững và giữ bả vai. Cơ tròn bé: trung hòa động tác xoay trong

của cơ lưng rộng.

3.5. Sự tạo lực trong cơ và các yếu tố ảnh hƣởng

3.5.1. Sự co cơ

- Sự tạo và lan truyền kích thích thần kinh đến cơ: sự lan truyền của điện thế hoạt động

(xem tài liệu sinh lý học).

- Sự chuyển kích thích thần kinh thành quá trình co thắt (kết hợp kích thích-cơ thắt):

+ Sự khử cực màng tế bào cơ, giải phóng ion Ca2+

vào quanh tơ cơ,

+ Sự tạo các cầu nối chéo giữa sợi actin và myosin (thuyết trượt sợi cơ), tạo sự rút ngắn

sarcomere và cơ.

Một điện thế hoạt động duy nhất hoạt hóa một sợi cơ sẽ tạo một lực tăng rồi giảm đi gọi

là một co thắt đơn lẻ (twitch). Nếu một kích thích thứ hai xảy ra trước khi co thắt ban đầu

chấm dứt thì sẽ tạo ra một co thắt đơn lẻ khác lên trên co thắt ban đầu. Khi tăng tần số

kích thích, lực liên tục được tạo và tạo thành một trạng thái được gọi là co cơ liên tục

không hòa lẫn (unfused tetanus). Nếu tăng tần số kích thích đến một mức độ nhất định,



lực cơ không tăng được nữa và cơ ở trạng thái co liên tục (tetanus). Điều này được mô tả

ở hình 3-8.

Hình 3-8 Khi có một kích thích, cơ tạo nên một co thắt đơn lẻ (twitch). Khi có nhiều kích

thích liên tiếp, lực cơ tăng lên và cơ co liên tục không hòa lẫn. Khi tần số tiếp tục tăng,

cuối cùng lực cơ đạt đến một giới hạn và cơ co hòa lẫn (tetanus).

3.5.2. Tiến trình gia tăng tạo lực ở cơ.

Sự tạo lực cơ có thể được gia tăng bằng hai cách. Một là, gia tăng sự huy động số đơn vị

vận động, hai là gia tăng tần số kích thích.

- Sự huy động các đơn vị vận động (motor unit recruitment)

Hệ thần kinh trung ương phối hợp tốc độ và cường độ co cơ sao cho phù hợp với đòi hỏi

của vận động.

Sức căng hay lực do cơ tạo ra được quyết định bởi số đơn vị vận động bị kích thích ở

cùng một thời điểm và bởi tần số mà đơn vị vận động đang kích thích. Sự huy động, thuật

ngữ dùng để mô tả trình tự hoạt hóa của đơn vị vận động, là cơ chế chính của sự tạo lực

cơ. Sự huy động này thường đi theo một trình tự nhất định tùy theo hoạt động chức năng

mà cơ đang tiến hành.

Trình tự huy động đơn vị vận động thường theo nguyên lý kích thƣớc, các tế bào thần

kinh vận động nhỏ, co chậm được huy động trước, theo sau bởi các đơn vị vận động co

nhanh oxi hóa và cuối cùng là co nhanh đường phân. Điều này là bởi vì các tế bào thần

kinh vận động nhỏ hơn có ngưỡng thấp hơn các tế bào lớn hơn. Như vậy những tế bào

thần kinh vận động nhỏ được sử dụng tạo sức căng lan rộng trước khi các sợi vừa và lớn

hơn được huy động.

Ví dụ như khi đi, các đơn vị vận động ngưỡng thấp được sử dụng cho hầu hết chu kỳ

dáng đi, trừ một số huy động ngắn các đơn vị vận động trung gian trong thời gian hoạt

hóa tối đa. Các đơn vị vận động co nhanh ngưỡng cao thường không được huy động trừ

khi cần thay đổi nhanh về hướng hay khi vấp ngã.

Khi chạy, nhiều đơn vị vận động hơn được huy động, và một số đơn vị ngưỡng cao được

huy động vào những lúc cần lực mạnh nhất trong chu kỳ. Ngoài ra, các đơn vị ngưỡng

thấp được huy động cho các hoạt động như đi hoặc chạy, và các sợi nhanh được huy

động trong các hoạt động như nâng tạ. Trình tự huy động khi đi và các bài tập có cường

độ khác nhau được trình bày ở hình 3-9.

Trình tự huy động đơn vị vận động diễn tiến từ tế bào thần kinh vận động nhỏ đến lớn,

chậm đến nhanh, lực nhỏ đến lực lớn, và cơ kháng mệt đến cơ mau mệt. Sau khi một đơn

vị vận động được huy động, nó vẫn còn hoạt động cho đến khi lực giảm, và khi lực giảm,

các đơn vị vận động bị bất hoạt theo trình tự đảo ngược với hoạt hóa, nghĩa là các tế bào

thần kinh vận động lớn sẽ bị bất hoạt trước. Lực được tạo ra trong sự huy động không gia

Tần số tới hạn



tăng một cách giật cục bởi vì các tế bào thần kinh vận động lớn hơn không được đưa vào

hoạt động cho đến khi cơ cần tạo một lượng lực lớn.

Hình 3-9. Trình tự hoạt hóa các đơn vị vận động (sự huy động) thường tuân theo nguyên

tắc kích thước. Đầu tiên là sợi nhỏ co chậm, theo sau bởi sợi co nhanh oxi hóa và cuối

cùng là sợi co nhanh đường phân. A. Hoạt động cơ của ba loại sợi trong thì tựa trong

động tác đi. Các sợi co chậm được sử dụng hầu hết chu kỳ dáng đi, với một ít huy động

các sọi cơ nhanh trong lúc cần lực mạnh.

- Sự thay đổi tần số kích thích hay Mã hóa Tốc độ (Rate Coding)

Tần số kích thích của đơn vị vận động cũng có thể ảnh hưởng mức độ lực hay sức căng

của cơ. Điều này được gọi là mã hóa tần số hay mã hóa tốc độ. Trong trường hợp co cơ

với sức căng không đổi hay tăng chậm, tần số kích thích thay đổi từ 15-50 xung động mỗi

giây. Tần số có thể tăng đến 80 -120 xung động mỗi giây trong co tốc độ nhanh. Ở các cơ

nhỏ, tất cả các đơn vị vận động thường được huy động và hoạt hóa khi lực bên ngoài của

cơ ở mức chỉ 30% đến 50% mức co cơ chủ động tối đa. Qua mức này, lực của cơ tăng lên

thông qua gia tăng mã hóa tốc độ, làm cho cơ co chính xác và trơn tru hơn.

Ở những cơ lớn, sự huy động các đơn vị vận động xảy ra qua tất cả tầm lực tổng, làm cho

cơ vẫn đang huy động nhiều đơn vị vận động hơn ở mức co cơ chủ động 100%. Ví dụ cơ

delta, cơ tứ đầu đùi.

Mã hóa tốc độ cũng thay đổi với loại sợi và các thay đổi với loại vận động. Ví dụ mã hóa

tốc độ của các sợi cơ ngưỡng thấp và cao được trình bày ở hình 3-10.

Hình 3-10. Sự tạo sức căng trong cơ chịu ảnh hưởng bởi tần số mà đơn vị vận động bị

hoạt hóa, gọi là mã hóa tốc độ. A. Trong co cơ dưới mức tối đa và giữ, các sợi co nhanh

ngưỡng cao gia tăng tốc độ hoạt hóa trong giai đoạn dốc nhiều hơn các đơn vị ngưỡng

thấp. Tần số hoạt hóa của đơn vị vận động giảm trong giai đoạn giữ, và các đơn vị

ngưỡng cao ngừng hoạt hóa. B. Trong co cơ mạnh hơn và giữ lại, mã hóa tốc độ gia tăng

và duy trì lâu hơn trong cả các đơn vị vận động ngưỡng cao và thấp.



3.5.3. Các yếu tố ánh hưởng đến sự tạo lực và tốc độ co cơ

- Các yếu tố xác định sự tạo lực trong cơ là:

Sự hoạt hóa thần kinh của cơ và loại sợi cơ: Mức lực tạo ra ở cơ được xác định bởi số

các cầu nối bắt chéo được tạo ra ở mức sarcomere. Bản chất của kích thích của đơn vị

vận động và loại đơn vị vận động được huy động đều ảnh hưởng đến tạo lực. Lực tạo

ra tăng từ mức nhẹ đến mức cao hơn khi sự huy động đơn vị vận động lan rộng từ sợi

type I co chậm đến sợi type Iia và IIb co nhanh. Huy động nhiều hơn số đơn vị vận

động hoặc các sợi co nhanh làm tăng lực tạo ra. Loại sợi co nhanh tạo nhiều lực hơn

và co nhanh hơn sợi co chậm.

Thiết diện ở từng sợi cơ và thiết diện của toàn bộ cơ: Nói chung, sức mạnh cơ và khả

năng tạo lực phụ thuộc chủ yếu bởi kích thước của cơ, cơ càng lớn tạo càng nhiều lực.

Sự sắp xếp sợi cơ: Khả năng tạo lực còn phụ thuộc vào sự sắp xếp sợi cơ (dọc hoặc

hình lông chim). Trong cơ hình lông chim, các sợi thường ngắn hơn và không thẳng

với đường kéo. Do đường kính và thiết diện cắt ngang lớn hơn, cơ hình lông chim có

thể tạo nhiều lực hơn cơ dọc có sợi song song cùng kích thước (Hình 3-11).

A. Sắp xếp sợi cơ kiểu dọc B. Sắp xếp sợi cơ hình lông chim

Hình 3- 11. Sắp xếp sợi cơ kiểu dọc (A) và lông chim (B).

Tải lực cơ trước khi co thắt: Nếu co cơ hướng tâm sau một co cơ ly tâm (trong một

khoảng thời gian hợp lý), hoạt động co cơ hướng tâm đó có thể tạo lực lớn hơn và

được gọi là chu kỳ kéo dãn- làm ngắn (SSC) nhờ dự trữ năng lượng đàn hồi ở các

thành phần đàn hồi liên tiếp (Hình 3-12). Hiệu quả của điều hợp SSC so với co cơ

hướng tâm đơn thuần thường từ 10 đến 20%.

Hình 3-12. Chu kỳ kéo dãn- co thắt (SSC). Nếu kéo căng cơ trước khi co hướng tâm,

lực tạo ra sẽ lớn hơn.

- Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo nên tốc độ trong cơ là:



Chiều dài cơ: Một cơ có tỉ lệ chiều dài cơ/chiều dài gân lớn hơn có khả năng làm ngắn

ở mức lớn hơn. Do đó, cơ gắn với xương qua gân ngắn (như cơ thẳng bụng) có thể di

chuyển khoảng cách làm ngắn lớn hơn cơ có các gân dài (như cơ bụng chân). Cơ

xương có thể làm ngắn đến khoảng 30% - 50% chiều dài của nó.

Tốc độ rút ngắn của sợi cơ: tùy thuộc loại sợi cơ

Sự sắp xếp sợi cơ: Các sợi song song có chiều dài sợi dài hơn, tạo nên tầm vận động

lớn hơn và tốc độ co cơ cao hơn. Do các sợi sắp xếp song song với đường kéo, nhiều

sacomere hơn được nối tận tận theo chuỗi. Điều này dẫn đến gia tăng chiều dài sợi cơ

và khả năng tạo tốc độ làm ngắn lớn hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng khác ảnh hưởng đến tạo nên lực và tốc độ co cơ như sự mỏi cơ,

giới tính, tuổi tác và các yếu tố tâm lý.

- Các mối liên hệ giữa lực với tốc độ, chiều dài cơ và thời gian

+ Mối liên hệ lực – tốc độ:

Như hình 3-13 mô tả, trong co cơ hướng tâm tốc độ làm ngắn cơ tỷ lệ nghịch với lực tác

dụng bên ngoài. Tốc độ lớn nhất khi lực tác dụng bằng zero. Khi lực gia tăng đến một giá

trị bằng với lực tối đa mà cơ có thể tạo ra, tốc độ làm ngắn cơ bằng zero và cơ đang co

đẳng trường. Điều này mô tả mối liên hệ lực-tốc độ co cơ. Một sự gia tăng thêm lực dẫn

đến một sự gia tăng chiều dài cơ khi nó co ly tâm và do đó tốc tộ làm dài gia tăng với lực

tác dụng.

Hình 3-13. Mối liên hệ lực- tốc độ.

+ Mối liên hệ lực- chiều dài (chiều dài- sức căng)

Độ lớn của lực được tạo ra bởi cơ trong khi co cũng liên quan đến chiều dài của cơ đang

co. Chiều dài cơ có thể tăng, giảm hoặc không thay đổi trong khi cơ phụ thuộc vào lực

đối lập bên ngoài. Chiều dài cơ bị hạn chế bởi giải phẫu của vùng và điểm bám lên

xương. Sức căng tối đa có thể tạo ra trong sợi cơ xảy ra khi một cơ được hoạt hóa ở chiều

dài lớn hơn một ít so với chiều dài khi nghỉ, khoảng từ 80% đến 120% của chiều dài khi

nghỉ. Bởi vì khi đó các thành phần co thắt tạo sức căng tối ưu và các thành phần thụ động

đang dự trữ năng lượng đàn hồi và bổ sung vào sức căng tổng của đơn vị gân-cơ. Một

trong những mục đích của khởi động là làm kéo dãn cơ để tạo thuận sự tạo lực cơ trong

vận động.

Hình 3-14 cho thấy mối liên hệ chiều dài- sức căng và minh họa sự đóng góp của các

thành phần thụ động và chủ động trong cơ trong co cơ.



Hình 3-14. Sợi cơ không thể tạo lực căng lớn trong trạng thái rút ngắn bởi vì các sợi

actin và myosin bị bị chồng lên nhau tối đa. Sức căng lớn nhất trong sợi cơ có thể được

tạo ra ở chiều dài lớn hơn một ít so với chiều dài khi nghỉ. Ở cơ bị kéo dài, các sợi không

thể tạo sức căng bởi vì các cầu nối bắt chéo bị kéo xa nhau. Tuy nhiên, sức căng toàn bộ

của cơ tăng vì các thành phần đàn hồi tăng tạo sức căng.

+ Mối liên hệ lực- thời gian:

Một đặc tính cơ học quan trọng khác của cơ liên quan đến sự chậm trễ của quá trình tạo

nên sức căng cơ của toàn bộ đơn vị gân- cơ và có thể được biểu diễn bằng thời gian từ lúc

bắt đầu điện thế hoạt động đến lúc tăng hoặc sức căng cơ tối đa. Trong nghiên cứu điện

cơ mối liên hệ lực –thời gian được gọi là chậm trễ điện- cơ.

Sự chậm trễ thời gian trong mối liên hệ lực-thời gian có thể được chia thành hai phần;

phần đầu liên hệ đến sự gia tăng kích thích cơ đôi lúc được gọi là động học kích thích.

Trong các vận động nhanh và lực cao, hệ thần kinh cơ có thể được rèn luyện để nhanh

chóng tăng kích thích cơ (đến khoảng 20ms). Phần thứ hai của chậm trễ liên quan đến sự

tạo sức căng thực sự mà đôi khi được gọi là động học co thắt. Độ dài thời gian phụ thuộc

nhiều vào nỗ lực ý chí của cá nhân, sự rèn luyện, loại hoạt động cơ, và sự hoạt hóa trước

đó của nhóm cơ. Hình 3-15 ghi lại sơ đồ điện cơ và lực của động tác gồng cơ tứ đầu. Lực

cơ đẳng trường tối đa đạt được khoảng 250-400 ms sau khi kích hoạt cơ.

Thời gian (ms)

Hình 3-15. Tín hiệu điện cơ đồ của cơ tứ đầu đùi và lực duỗi gối đẳng trường. Sự chậm

trễ giữa hoạt hóa (REMG) và tạo lực trong toàn bộ cơ là sự chậm trễ điện cơ và biểu

diễn mối liên hệ lực- thời gian của cơ. Cần đến 250-400 ms để đạt đến lực tối đa sau khi

nhóm cơ được hoạt hóa.

3.6. Sức mạnh, công và sức bền cơ (xem thêm chƣơng 5,6)

3.6.1. Sức mạnh cơ

Là khả năng của một nhóm cơ tạo moment lực (xoay) ở một khớp cụ thể.



Có hai thành phần (hình 3-16):

- Thành phần xoay: vuông góc với xương, tạo nên vận động xoay ở khớp

- Thành phần song song với xương: làm vững hoặc trật khớp

Hình 3-16. Phân tích lực cơ nhị đầu thành thành phần xoay và song song với xương

Sức mạnh cơ phụ thuộc vào:

- Mức độ căng mà cơ có thể tạo ra (xem 3.4.3).

- Cánh tay đòn của các cơ góp phần vận động so với trục khớp (phụ thuộc vào khoảng

cách giữa điểm gắn giải phẫu của cơ đến xương và trục xoay ở trung tâm khớp, góc của

cơ bám vào xương).

3.6.2. Công của cơ

Là tích của lực cơ và tốc độ làm ngắn cơ.

Bởi vì tốc độ giảm đi khi sức cản gia tăng, công tối đa xảy ra khi cơ co ở tốc độ đạt

khoảng 1/3 tốc độ tối đa và lực cơ đạt khoảng 1/3 lực cơ hướng tâm tối đa (hình 3-17).

Hình 3-17. Mối liên hệ lực, vận tốc và công.

Để rèn luyện cho vận động viên về công, huấn luyện viên phải hoạch định các hoạt động

ở tốc độ cao ở mức lực bằng 30% lực tối đa. Sự tạo công cũng gia tăng bằng tăng các sợi

co nhanh, có thể tạo công nhiều hơn 4 lần so với sợi chậm.

3.6.3. Sức bền của cơ

Khả năng tạo sức căng trong một khoảng thời gian.

Thay đổi tùy theo loại vận động: chạy, đạp xe…

Chiều dài thời gian phụ thuộc vào lực và tốc độ đòi hỏi của vận động

Tập luyện bao gồm lập lại nhiều lần với sức cản nhẹ.

3.6.4. Sự mỏi cơ

Đối lập với sức bền

Đặc trưng bởi:

- Giảm tạo lực

- Giảm tốc độ làm ngắn cơ

- Các đơn vị vận động thư giãn kéo dài trước khi huy động



Phụ thuộc vào loại sợi cơ

3.6.5. Tác động của nhiệt độ cơ

Gia tăng nhiệt độ cơ thể làm gia tăng tốc độ dẫn truyền thần kinh và chức năng cơ

Cần ít đơn vị vận động hơn để duy trì lực tải

Quá trình chuyển hóa nhanh hơn

Có ích lợi để gia tăng sức mạnh cơ, công và sức bền.

Điểm cần lưu ý: cần phải khởi động (làm nóng) trước vận động

3.7. Các tác động của bất động, không dùng và chấn thƣơng cơ

3.7.1. Tác động của bất động:

Cơ có thể thay đổi rất nhanh khi không sử dụng hoặc bất động. Teo cơ là một trong

những dấu hiệu đầu tiên của bất động chi, có thể đến 20-30% thiết diện sau 8 tuần bất

động. Sự không sử dụng dẫn đến teo vì cơ tái tổ chức, dẫn đến mất protein và các thay

đổi trong chuyển hóa cơ. Những thay đổi nhiều nhất xảy ra trong những tuần đầu của

không sử dụng, và cần chú ý điều này trong PHCN và tập luyện.

3.7.2. Chấn thương cơ:

Chấn thương cơ có thể gây đau, sưng nề, bất thường giải phẫu, giảm chức năng vận động.

Khi một cơ bị chấn thương, khả năng tạo lực thường giảm. Sự bù trừ xảy ra ở những cơ

khác hoặc thay đổi hoạt động để giảm sử dụng cơ bị chấn thương. Ví dụ như chấn thương

cơ mông lớn (duỗi háng) có thể chuyển hoạt động duỗi háng cho cơ mông nhỡ và

hamstring. Mất chức năng của một cơ có thể ảnh hưởng đến tất cả các khớp trong các

phân đoạn liên kết nhau như ở chi dưới, do đó cần chú ý rèn luyện lại cả toàn bộ hệ thống

cơ xương

Những chấn thương cơ thường gặp

- Rách: mức độ nhẹ, vừa hoặc nặng

- Bầm dập

- Viêm xương can xi hóa

- Vọp bẻ

- Đau cơ khởi phát muộn

- Hội chứng chèn ép khoang

Nguyên nhân và vị trí của chấn thương cơ

- Nguyên nhân: Vận động quá mạnh, vận động cơ quá lâu, hoặc co cơ ly tâm, dẫn

đến chấn thương vi thể ở trong sợi cơ. Các cơ dễ bị chấn thương nhất: các cơ hai

khớp, các cơ hạn chế tầm vận động, các cơ co ly tâm.

- Vị trí tổn thương: có thể là ở sợi cơ nhưng thường là mô liên kết như là bao cơ,

gân cơ, dây chằng. Thực tế là một vị trí thường gặp của rách cơ là chỗ nối gân-cơ

(như cơ bụng chân, ngực lớn, thẳng đùi, khép dài, tam đầu cánh tay, bán gân, nhị

đầu đùi).

Những người có nguy cơ cao bong gân-cơ là:

- Mỏi cơ do hệ thần kinh cơ mất khả năng kiểm soát lực tạo lên hệ thống.

- Cơ bị yếu do các hoạt động trước đó mà chưa phục hồi đầy đủ (sau hoạt động

mạnh thời gian nghỉ có thể 1 tuần hoặc hơn, bình thường nếu sử dụng vừa phải cơ

có thể phục hồi trong vòng 1-2 ngày).

- Nếu hoạt động mới sử dụng lần đầu, dẫn đến đau, sưng, giảm tầm vận động sau

hoạt động. Sưng nề và chấn thương này thường xảy ra ở các thành phần thụ động

của cơ và giảm dần khi quen với bài tập.

- Người có bị tổn thương trước dễ bị tái chấn thương hoặc bị chấn thương nơi khác

do các hoạt động bù trừ



CHƢƠNG 4. CHUYỂN ĐỘNG HỌC THẲNG

VÀ CHUYỂN ĐỘNG HỌC GÓC

Mục tiêu: Sau khi học xong chương này, học viên có khả năng:

- Mô tả mối liên hệ giữa các tham số chuyển động học thẳng như vị trí, dịch chuyển,

vận tốc, gia tốc

- Mô tả mối liên hệ giữa các tham số chuyển động góc như vị trí, vận tốc góc, gia tốc

góc

- Trình bày mối liên hệ giữa các tham số chuyển động thẳng và chuyển động góc

Nhánh cơ học mô tả các thành phần không gian và thời gian của vận động được gọi là

chuyển động học. Mô tả chuyển động học xem xét tư thế, tốc độ và sự thay đổi tốc độ của

vật thể mà không xét đến các lực tạo nên vận động. Sự phân tích chuyển động học có thể

là định lượng hoặc định tính.

Vận động ở người có thể được phân loại thành vận động tuyến tính hoặc vận động góc.

Hầu hết các vận động trong sinh cơ học là sự kết hợp của chuyển động tịnh tiến và

chuyển động xoay, tạo nên mẫu vận động chung. Vận động thẳng (hoặc tịnh tiến) là vận

động dọc theo một đường thẳng hoặc đường cong và khi mà tất cả các phần của cơ thể di

chuyển cùng một hướng với cùng một tốc độ. Vận động góc là vận động quanh một trục

(tưởng tượng hoặc có thật) trong đó tất cả các phần cơ thể (hoặc phần cơ thể) di chuyển

với cùng một góc trong cùng một thời gian.

4.1. Các thuật ngữ mô tả chuyển động học thẳng (tuyến tính)

4.1.1 Vị trí, quãng đường và dịch chuyển (độ dời)

+ Vị trí: Vị trí của vật thể trong không gian tương ứng với hệ quy chiếu nào đó. Đơn vị

đo chiều dài (m) được sử dụng để đo vị trí của một vật so với trục của hệ quy chiếu.

+ Quãng đường (distance): chiều dài mà vận động trải qua (có thể không phải là đường

thẳng).

+ Độ dời: khoảng cách ngắn nhất giữa vị trí này và vị trí khác khi vận động.

Ta có: Độ dời = vị trí (tọa độ) lúc cuối – vị trí lúc đầu

Hay : Δs=scuối-sđầu

Sự dịch chuyển (Displacement) được định nghĩa gồm cả độ dời và hướng di chuyển. Đó

là một đại lượng vector.

Hình 4-1: Độ dời và quãng đường



4.1.2. Vận tốc và tốc độ

+ Tốc độ (speed): cho biết vật di chuyển nhanh hay chậm, được tính bằng quãng đường

đi được chia thời gian (s=l/t). Tốc độ là đại lượng vô hướng. Đơn vị đo lường là m/s,

km/h…

+ Vận tốc (trung bình): Được định nghĩa là tốc độ thay đổi vị trí theo thời gian (V=d/t).

Vận tốc là đại lượng vector (có hướng và độ lớn). Đơn vị là m/s hay m.s-1

Ta có:

độ ờ

ờ

ế ê ị í

ế ê ờ

ị í ú ố ị í ú đầ

ờ ở ị í ú ố ờ ở ị í ú đầ

Δ

Δ

+ Vận tốc tức thời:

Đôi khi người ta cần biết vận tốc tại một thời điểm nào đó. Đại lượng này được gọi là vận

tốc tức thời.

Vận tốc tức thời tại một thời điểm t đặc trưng cho chiều và độ nhanh chậm của chuyển

động tại thời điểm đó. Vectơ vận tốc tức thời trong chuyển động thẳng nằm trên đường

thẳng quỹ đạo. Giá trị đại số của vận tốc tức thời trên trục Ox gọi là vận tốc tức thời vx

với vx= dx/dt hoặc lim vx khi dt tiến tới zero. Tương tự như vậy, giá trị đại số của vận tốc

tức thời trên trục Oy là vy = dy/dt hoặc lim vy khi dt tiến tới zero.

Trên một đồ thị tọa độ theo thời gian, độ dốc và hướng của độ dốc chứng tỏ là vận tốc

tăng, giảm hay bằng không

Nhận xét: Khi dt rất nhỏ thì độ lớn của độ dời dx bằng quãng đường đi được, ta có:

(khi Δt rất nhỏ). Tức độ lớn của vận tốc tức thời bằng vận tốc tức thời.

4.1.3. Gia tốc:

Gia tốc (ký hiệu a) là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự biến đổi nhanh chậm của vận tốc.

Gia tốc là một đại lượng có hướng. Vectơ gia tốc có cùng phương với quỹ đạo, có giá trị

đại số là:

Hay

Δ

Δ

Giá trị đại số xác định độ lớn và chiều của vectơ gia tốc trung bình.

Đơn vị của gia tốc là m/giây bình phương m/s2 or m.s

-2.

Gia tốc dương là khi vận tốc tăng lên trong một thời gian. Gia tốc âm là khi vận tốc giảm

trong một thời gian.

+ Gia tốc tức thời

Bởi vì gia tốc biểu diễn sự thay đổi vận tốc theo thời gian, khái niệm vận tốc tức thời

cũng được áp dụng cho gia tốc. Gia tốc tức thời có thể được định nghĩa giống như vận tốc

tức thời, nghĩa là gia tốc tức thời là độ dốc của đường biểu diễn vận tốc theo thời gian

hoặc là một giới hạn (lim):



với gia tốc ngang và

với gia tốc dọc. (dv là sự thay đổi của vận tốc).

Trên một đồ thị vận tốc-thời gian, độ dốc và hướng của độ dốc chứng tỏ là gia tốc dương,

âm hay bằng không.

3.1.4. Ví dụ minh họa:

Bảng 4-1trình bày các dữ liệu của một vận động viên chạy 100 m (được chia thành từng

quãng 10 m với thời gian tương ứng).

Quãng đường

(m)

Thời gian tích lũy

(s)

Thời gian (s) Vận tốc trung bình (m/s)

mỗi quãng 10m

10 1,66 1,66 6,03

20 2,84 1,18 8,47

30 3,88 1,04 9,62

40 5,00 1,12 8,92

50 5,95 0,95 10,50

60 6,97 1,02 9,80

70 7,93 0,96 10,40

80 8,97 1,04 9,62

90 10,07 1,10 9,09

100 11,09 1,02 9,30

Bảng 4-1: Dữ liệu chạy 100 m của một vận động viên

Cách tính vận tốc trung bình từng quãng:

Vận tốc trung bình 10 m đầu tiên:

v(0-10m) = 10m/1,66s = 6,03 m/s

vận tốc trung bình giữa 10-20m:

v (10-20m) = 10 m/1,18s = 8,47 m/s

v (0-100m) = 100/11,09 = 9,01 m/s

Phân tích kết quả vận tốc:

Trong giây đầu tiên của vận động (5 m), vận tốc tăng nhanh

Trong 4,75 giây tiếp theo, vận tốc tăng tới giá trị tối đa khoảng 10m/s (ở điểm

60m)

Vận tốc tối đa (quanh 10m/s) được duy trì khoảng 1 giây đến 70m

Vận tốc giảm đều đặn từ 10m/s đến 9,2 m/s ở 30 m cuối cùng.

Cách tính gia tốc:

Gia tốc giữa giây thứ 0 và 7





Sự thay đổi vị trí, vận tốc, gia tốc theo thời gian được biểu diễn ở đồ thị 4-1.

A.

B.

C.

Đồ thị 4-1: Đồ thị biểu diễn dịch chuyển/thời gian (A), vận tốc/thời gian (B) và gia

tốc/thời gian (C)



Quan sát các đồ thị này, có thể thấy rằng vận tốc của vận động viên gia tăng từ lúc xuất

phát và đạt tối đa khoảng vị trí 60m của đường đua (hoặc khoảng 7 giây). Ở điểm này

vận động viên giữ tốc độ tối đa trong khoảng 1 giây đến 70 m rồi sau đó vận tốc giảm

cho đến 100 m. Điều này được khẳng định trên đồ thị gia tốc/thời gian với giá trị dương

(chứng tỏ tăng vận tốc) cho đến 60 m. Mặc dầu có vẻ là đồ thị gia tốc/thời gian đang

giảm trong đoạn này, các giá trị vẫn dương và do đó chứng tỏ rằng vận động viên đang

tăng tốc. Đồ thị gia tốc/thời gian sau đó đi qua điểm zero (ở điểm này gia tốc bằng zero),

vì vận động viên có vận tốc không đổi trong khoảng thời gian ngắn 1 giây. Sau đó, đồ thị

gia tốc/thời gian chuyển sang âm, chứng tỏ có một sự giảm tốc hoặc chạy chậm dần (từ

70-100m). Đặc tính tăng tốc đến 1 điểm quanh 60 m, giữ tốc độ này trong khoảng 1 giây

và sau đó chậm lại khi về đích 100 m là điển hình và thấy ở nhiều mức thi đấu khác nhau

(nghiệp dư đến quốc tế) của chạy 100m. Có thể thấy rằng các phân tích sinh cơ học đem

lại nhiều thông tin có ý nghĩa quan trọng trong huấn luyện và thi đấu.

4.2. Các thuật ngữ mô tả chuyển động học góc (chuyển động tròn)

Vận động góc xảy ra khi tất cả các phần của một vật di chuyển cùng một góc nhưng

không dịch chuyển thẳng như nhau. Môn chuyển động học nghiên cứu vận động góc gọi

là chuyển động học góc, mô tả vận động góc mà không tính đến nguyên nhân của vận

động. Ví dụ vận động của một bánh xe quanh trục.

Hầu hết các vận động của người đều có liên quan đến sự quay của các phân đoạn của cơ

thể với các khớp tạo trục quay. Ví dụ phân đoạn cẳng tay quay quanh khớp khuỷu trong

động tác gấp và duỗi khuỷu. Khi ta di chuyển, thường thì các phân đoạn vừa xoay vừa

dịch chuyển. Sự kết hợp liên tục của các vận động góc của nhiều phân đoạn có thể dẫn

đến vận động thẳng của điểm cuối của phân đoạn được thấy trong động tác ném và nhiều

vận động khác khi mà vận tốc điểm cuối là quan trọng.

4.2.1. Vị trí và độ dời góc

- Vị trí góc (ký hiệu θ) của một vật thể liên quan đến vị trí của nó tương đối với một hệ

tọa độ không gian xác định.

Để mô tả vị trí góc, ta có thể sử dụng ba mặt phẳng (3D). Với một hệ tọa độ 3D ở khớp

vai, trục y dương là hướng lên, trục x dương là từ sau ra trước, trục z dương là từ trong ra

ngoài. Các vận động khớp dương tương ứng quanh các trục này là gấp/duỗi, xoay

trong/xoay ngoài, dạng/khép. Hệ thống này phù hợp để mô tả các góc khớp nhưng thiếu

chính xác khi mô tả những vận động phức tạp. Trong sinh cơ học, người ta thường sử

dụng góc tuyệt đối tương ứng với một hệ tọa độ cố định trong môi trường.

- Độ dời góc (Δθ) là sự khác nhau giữa vị trí góc ban đầu và cuối cùng của vật thể xoay.

Hướng xoay ngược chiều kim đồng hồ là dương, thuận chiều kim đồng hồ là âm.

Độ dời hoặc quãng đường góc thường được biểu diễn theo đơn vị độ. Tương tự, vận tốc

góc và gia tốc góc thường được biểu diễn theo đơn vị độ/giây (°/s) và độ/giây bình

phương (°/s2). Một đơn vị khác thường được sử dụng trong sinh cơ học là radian. Radian

được định nghĩa là đơn vị đo góc bằng một cung bằng với chiều dài của bán kính đường

tròn.

Một radian tương đương với 57.3°. Để chuyển một góc theo độ thành radian, ta chia góc

với 57.3.

Nếu góc tuyệt đối của một phân đoạn, theta (θ), được tính với các vị trí liên tiếp theo thời

gian, thì độ dời góc (Δθ) bằng:



Hình 4-2. Quãng đường góc và độ dời góc. “Cánh tay” AB xoay theo chiều kim đồng hồ

được 3150 (quãng đường góc là 315

0). Độ dời góc ở đây là 45

0 ngược chiều kim đồng hồ.

Tuy nhiên để giá trị tính vận tốc góc, ta phải lấy quãng đường góc đi được (ở đây là

3150) chia cho thời gian.

4.2.2. Tốc độ góc và vận tốc góc

Tốc độ góc và vận tốc góc tương tự với tốc độ và vận tốc chuyển động thẳng về ý nghĩa

và định nghĩa.

Vận tốc góc (ký hiệu ω) là các vector có hướng được xác định theo quy luật bàn tay phải

(hình 4-3), có giá trị bằng độ dời góc chia cho thời gian vận động xảy ra.

Hình 4-3. Quy luật bàn tay phải để xác định dấu của vận tốc góc của diễn viên trượt

băng khi xoay. Các ngón của bàn tay phải chỉ theo hướng xoay, và ngón cái chỉ hướng

của vector vận tốc góc. Vector vận tốc góc vuông góc với mặt phẳng xoay.

Ví dụ tính vận tốc góc của bài tập duỗi gối được minh họa ở hình vẽ 4-4. Bệnh nhân duỗi

gối, đưa chân từ gập 900 (thẳng đứng) đến giữa tầm vận động. Nếu chúng ta đo góc của

cẳng chân, ta thấy bệnh nhân đã di chuyển cẳng chân được 40º trong thời gian 0,5 giây.

Vận tốc góc duỗi gối trung bình trong trường hợp này là:

ω =θ/t = 400/0,5s = 80

0/s.

Vận tốc góc là dương bởi vì động tác xoay ngược chiều kim đồng hồ. Như vậy vận tốc

góc trung bình của động tác duỗi gối trong khoảng thời gian nửa giây là 80º/s. Lưu ý là



vận tốc góc duỗi gối tối đa trong bài tập này có thể xảy ra ở giữa tầm vận động, và sau đó

vận tốc duỗi gối phải chậm dần đến zero vào cuối tầm vận động.

Hình 4-4. Vận tốc góc trung bình của bài tập duỗi gối có thể được tính từ thay đổi trong

dịch chuyển góc chia thay đổi thời gian

4.2.3 Gia tốc góc

Gia tốc góc là tốc độ thay đổi vận tốc góc theo thời gian và được biểu diễn bằng chữ

anpha (α).

Gia tốc góc = thay đổi của vận tốc góc/thay đổi thời gian

α= ế ú đầ

ờ ể ế ú – ờ đ ể đầ

Δω

Δ

Đơn vị: độ/giây bình phương (deg/s2), hoặc radian/ giây bình phương (rad/s

2).

Theo ví dụ ở hình 4-4, gia tốc tốc trung bình là:

α= ế ú đầ

ờ ể ế ú – ờ đ ể đầ

0/s2

α= 160/57,3 = 2,79 rad/s2

Đồ thị chuyển động học góc đem lại những thông tin rất hữu ích để mô tả sự vận động.

Hình 4-5 mô tả đồ thị sự dịch chuyển góc và vận tốc góc của động tác duỗi và gập khuỷu

ở mặt phẳng đứng dọc của một sinh viên vươn tay lấy một cuốn sách. Dữ liệu dịch

chuyển góc cho thấy khớp khuỷu duỗi (dịch chuyển góc dương) từ khoảng 37º đến

khoảng 146º để nắm cuốn sách. Vận động duỗi mất khoảng 0,6 giây. Sau đó khuỷu gập

lại nhưng với vận tốc chậm hơn nhiều. Đồ thị vận tốc góc–thời gian tương ứng biểu diễn

tốc độ duỗi (dương) hoặc tốc độ gập (âm). Vận tốc góc duỗi khuỷu đạt tối đa khoảng

3000/s (vào giây 0.27) và dần dần chậm lại. Vận tốc gập khuỷu tăng và giảm chậm hơn

duỗi khuỷu. Gia tốc là độ dốc trong đồ thị vận tốc. Hãy nhìn đồ thị vận tốc góc và ghi

nhận các giai đoạn thay đổi vận tốc (gia tốc). Các vận động bắt đầu bằng gia tốc dương

(tăng tốc). Giai đoạn 2 là gia tốc âm (đồ thị đi xuống) đầu tiên làm chậm duỗi khuỷu và

sau đó bắt đầu gập khuỷu. Giai đoạn ba là gia tốc góc dương nhỏ làm chậm gập khuỷu

khi sách đến gần đầu. Ba giai đoạn gia tốc góc này tương ứng với hoạt động cơ điển hình

trong vận động này. Vận động này thường sẽ tạo ra mẫu ba giai đoạn của các cơ duỗi

khuỷu, gập và duỗi.



Hình 4-5. Độ dời góc và vận tốc góc của động tác duỗi gối/gấp gối để lấy một cuốn sách.

4.3. Mối liên hệ giữa chuyển động thẳng và chuyển động góc

Trong nhiều vận động, trong khi kết quả của vận động là chuyển động thẳng thì vận động

của các phân đoạn là chuyển động góc. Chẳng hạn, trong động tác đưa thức ăn vào

miệng, chuyển động của bàn tay là chuyển động thẳng, nhưng nó phụ thuộc vào vận động

góc của các phân đoạn của chi trên. Điều này gợi ý mối liên hệ giữa vận động thẳng và

vận động góc.

4.3.1. Mối liên hệ giữa dịch chuyển thẳng và dịch chuyển góc

Khi định nghĩa đo lường góc (radian), ta thấy:

Với theta (đơn vị radian) là góc tia của một cung chiều dài s bằng với bán kính của đường

tròn. Bằng cách sắp xếp lại phương trình này, chiều dài của cung có thể được tính là:

Như vậy, quãng đường (độ dài cung tròn) = bán kính xoay * dịch chuyển góc

Xét sự thay đổi của góc rất nhỏ; thì chiều dài của cung, có thể xấp xỉ một đường thẳng.

Do đó, mối liên hệ giữa dịch chuyển góc và thẳng có thể được viết như sau:

Dịch chuyển thẳng = bán kính xoay * Dịch chuyển góc

Hay

Trong ví dụ ở hình 4-6, nếu đoạn cẳng tay (khuỷu-cổ tay) dài 0,13 m quay quanh khớp

khuỷu với một khoảng cách góc 0,23 radian, khoảng cách thẳng mà cổ tay di chuyển là:

Δs=rΔθ = 0,23(rad)* 0,13(m) =0,03m

Hình 4-6. Mối liên hệ giữa dịch chuyển thẳng và dịch chuyển góc.



4.3.2. Mối liên hệ giữa vận tốc thẳng và vận tốc góc

Mối liên hệ vận tốc thẳng và góc tương tự mối liên hệ dịch chuyển thẳng và góc

Như vậy, vận tốc thẳng ở một điểm đang xoay là tích của khoảng cách từ điểm đó đến

trục xoay và vận tốc góc của vật. Vận tốc thẳng tức thời của vật tiếp tuyến với đường đi

của vật và được gọi là vận tốc tiếp tuyến hay vT (Hình 4-7).

Ví dụ, nếu đoạn cẳng tay có chiều dài r = 0,13 m quay quanh với một vận tốc góc 2,4

rad/s, vận tốc của cổ tay là:

vT = rω

vT = 0,3 m * 2,4 rad/s

vT = 0,31 m/s

Hình 4-7. Vận tốc tiếp tuyến của điểm đang xoay vuông góc với trục xoay

Mối liên hệ giữa vận tốc góc và thẳng cung cấp thông tin quan trọng với vận động, đặc

biệt với người ném một vật. Để tăng vận tốc thẳng của quả bóng, người đá bóng có thể

tăng vận tốc góc của các phân đoạn chi dưới hoặc tăng chiều dài của chi bằng cách duỗi

khớp, hoặc cả hai.

4.3.3. Mối liên hệ giữa gia tốc thẳng và gia tốc góc

Ở trên ta biết rằng vector vận tốc thẳng có thể được tính từ tích của bán kính và vận tốc

góc là tiếp tuyến với đường cong và có thể gọi là vận tốc tiếp tuyến:

Như vậy, mối liên hệ giữa gia tốc tiếp tuyến với gia tốc góc anpha là:

Gia tốc tiếp tuyến, cũng như vận tốc tiếp tuyến, là vector tiếp tuyến với đường cong và

vuông góc với đoạn xoay (hình 4-8).

Hình 4-8. Gia tốc tiếp tuyến của một đoạn đang xoay vuông góc với chi thể đang xoay



Ngoài gia tốc tiếp tuyến đã trình bày, còn một loại gia tốc khác tạo ra khi xoay một phân

đoạn là gia tốc hướng tâm, aC (hình 4-9) với giá trị là:

Vì v = ω/r, ta có thể viết phương trình trên dưới dạng:

Từ biểu thức này, có thể thấy là gia tốc hướng tâm sẽ tăng nếu vận tốc tiếp tuyến tăng

hoặc nếu bán kính xoay giảm. Ví dụ, sự khác nhau giữa đường chạy (tròn) trong nhà và

ngoài trời là đường chạy trong nhà nhỏ hơn và có bán kính nhỏ hơn. Nếu vận động viên

chạy cố gắng giữ cùng một tốc độ chạy vòng trong nhà như vòng đường chạy ngoài trời,

gia tốc hướng tâm sẽ lớn hơn để vận động viên thực hiện vòng chạy. thường thì vận động

viên không thể thực hiện vòng chạy cùng vận tốc như ở ngoài trời, do đó thời gian chạy ở

các đường chạy trong nhà chậm hơn đường chạy ngoài trời.

Hình 4-9. Gia tốc tuyến tính (aT) và gia tốc hướng tâm (aC) vuông góc nhau. Kết quả là

vận động theo một đường cong.

Vì gia tốc hướng tâm và gia tốc góc là các thành phần của gia tốc thẳng, chúng phải

vuông góc với nhau. Ta có thể dựng được vector gia tốc của những thành phần này. Gia

tốc tổng hợp (Hình 4-10) được tính theo công thức Pythagor như sau:

Hình 4-10. Vector gia tốc thẳng tổng hợp (aR) gồm cả gia tốc hướng tâm và tuyến tính.



CHƢƠNG 5. LỰC ĐỘNG HỌC THẲNG VÀ LỰC ĐỘNG HỌC GÓC

Mục tiêu: Sau khi học chương này học viên sẽ có khả năng:

- Nắm được khái niệm về lực và các đặc điểm của lực

- Trình bày được ba định luật cơ bản của Newton về vận động thẳng

- Trình bày các loại lực xuất hiện khi phân tích vận động học ở người và lược đồ

lực

- Nắm vững ứng dụng của định luật Newton trong chuyển động thẳng: mối liên hệ

xung lượng- động lượng và định luật bảo toàn động lượng

- Nắm được khái niệm về moment của lực (torque) và các đặc tính của nó, cặp đối

lực

- Trình bày sự tương đồng của các định luật Newton trong trường hợp vận động

góc

Nhánh cơ học liên quan đến nguyên nhân của vận động được gọi là động lực học.

Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu về nguyên nhân của vận động

5.1. Động lực học thẳng (tuyến tính)

5.1.1. Các khái niệm về lực:

- Định nghĩa:

Lực là một khái niệm khó định nghĩa. Chúng ta thường định nghĩa từ lực như là bất kỳ

một sự tương tác nào (kéo hoặc đẩy) giữa hai vật mà có thể làm cho vật thay đổi trạng

thái vận động (hoặc vận động, ngừng vận động, thay đổi tốc độ hoặc hướng vận động).

- Các đặc tính của lực

Lực là các vector, có hướng và độ lớn. Lực còn có hai đặc điểm quan trọng khác là điểm

tác dụng và đường tác dụng. Hướng của đường tác dụng thường được ghi theo hệ thống

Oxy là một góc gọi là góc tác dụng theta (θ) (Hình 5-1).

Hình 5-1 Các đặc tính của một lực. Lực cơ bên trong (A) và lực bên ngoài tạo lên nền đất

trong động tác nhảy cao (B).

- Phân tích lực và tổng hợp lực

Lực là các đại lượng vector có cả hướng và độ lớn. Với mỗi lực, ta có thể phân tích nó

thành hai thành phần vuông góc nhau (với lực là cạnh huyền).

Nếu nhiều lực tác động lên một vật, chúng ta có thể tổng hợp các vector để cho ra một

hợp lực tổng quát đại diện cho tổng hợp các tác động lực.

5.1.2. Các định luật của Newton về vận động.

5.1.2.1. Định luật thứ nhất

Mọi vật đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều

mãi mãi nếu không bị buộc phải thay đổi trạng thái bởi một ngoại lực tác động trên vật.



Theo định luật này mọi vật đều có một Quán Tính, hay một thói quen mà vật ở trạng thái

cân bằng.

Định luật quán tính nêu lên một đặc tính quan trọng của một vật chuyển động, đó là

khuynh hướng giữ nguyên trạng thái chuyển động (quán tính). Yếu tố quyết định tạo

quán tính này là khối lượng của vật (ký hiệu là m). Trạng thái chuyển động ở đây được

đặc trưng bởi vận tốc của chuyển động. Nếu không chịu tác dụng bởi một tổng lực khác

không thì một vật đang đứng yên sẽ đứng yên mãi mãi, và một vật đang chuyển động sẽ

chuyển động thẳng đều mãi mãi.

Định luật I chỉ ra rằng lực không phải là nguyên nhân cơ bản gây ra chuyển động của các

vật, mà đúng hơn là nguyên nhân gây ra sự thay đổi trạng thái chuyển động (thay đổi vận

tốc/động lượng của vật).

Định nghĩa này có thể viết bằng công thức:

Nếu ∑F = 0 thì Δv = 0

Với ∑F là lực tổng tác động lên vật.

Thắng được quán tính của những vật đó đòi hỏi một lực bên ngoài lớn hơn sức ì của vật.

Chẳng hạn để nâng một quả tạ nặng 70 kg, cần tạo một lực lớn hơn 686,7 N, hay là tích

của sự gia tốc của trọng trường (9.81 m/s2) với 70 kg. Bởi vì khối lượng vật xác định sức

ì, với một người có khối lượng lớn hơn cần phải có lực bên ngoài lớn hơn để thắng được

sức ì và làm thay đổi vận động.

5.1.2.2. Định luật thứ hai

Để một vật thay đổi trạng thái, phải có một Lực tác động trên vật đó

Phương trình mô tả quan hệ giữa lực tác động lên vật, khối lượng của vật, và gia tốc của

vật như sau:

∑F = ma

Phương trình này để định nghĩa đơn vị của lực (N = newton); newton = kg.m/s2. Nếu

tổng lực là zero, gia tốc cũng sẽ là zero, và đây là trường hợp mà định luật I mô tả. Nếu

tổng lực tạo gia tốc, vật thể sẽ di chuyển theo một đường thẳng dọc theo đường tác dụng

của tổng lực.

Ta có thể viết lại phương trình của định luật II thành:

∑F =

hay ∑F =

Tích của khối lượng (m) và vận tốc (v) được gọi là động lượng của một vật (số lượng vận

động của vật). Động lượng thường được biểu diễn bằng chữ p và có đơn vị là kg.m/s.

Do vậy, định luật II Newton có thể được biểu diễn lại:

∑F =

Biến thiên động lượng của một vật theo thời gian tỉ lệ với tổng lực tác dụng lên vật, và có

hướng là hướng của tổng lực.

5.1.2.3. Định luật thứ ba

Khi có một Lực tác động trên một vật, thì vật sẽ cho một Phản lực chống lại lực tác động.

Theo định luật này, nếu có một lực F tác động trên một vật, vật đó sẽ cho một phản lực

bằng với lực tác động nhưng ngược chiều.

Định luật III Newton chỉ ra rằng lực không xuất hiện riêng lẻ mà xuất hiện theo từng cặp

động lực-phản lực. Nói cách khác, lực chỉ xuất hiện khi có sự tương tác qua lại giữa hai

hay nhiều vật với nhau. Cặp lực này là cặp lực trực đối. Chúng có cùng độ lớn nhưng

ngược chiều nhau.

∑FA lên B = - ∑F B lên A

Ngoài ra, lực –tác dụng và đối lực – phản ứng tác động lên các vật thể khác nhau. Do đó

hai lực này không triệt tiêu nhau bởi vì chúng tác động lên các vật khác nhau và có thể có

http://vi.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%A1n_t%C3%ADnh

http://vi.wikipedia.org/wiki/V%E1%BA%ADn_t%E1%BB%91c

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Chuy%E1%BB%83n_%C4%91%E1%BB%99ng_th%E1%BA%B3ng_%C4%91%E1%BB%81u&action=edit&redlink=1

http://vi.wikibooks.org/wiki/L%E1%BB%B1c

http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90%E1%BB%99ng_l%C6%B0%E1%BB%A3ng

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=T%E1%BB%95ng_l%E1%BB%B1c&action=edit&redlink=1

http://vi.wikibooks.org/w/index.php?title=Ph%E1%BA%A3n_l%E1%BB%B1c&action=edit&redlink=1



các tác động khác nhau lên các vật. Ví dụ một người đang nhảy xuống đất từ bậc thang

tác động lên quả đất một lực, và quả đất tác động một lực bằng và ngược lại trên người

đó. Vì quả đất quá lớn, tác động lên người là lớn hơn tác động lên quả đất. Do đó không

thể so sánh kết quả các lực này với nhau.

5.1.3. Các loại lực

5.1.3.1. Các lực không tiếp xúc

- Trọng lực

Trọng lực là một phần của lực hấp dẫn, được phát biểu như sau: lực của trọng trường tỷ

lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các vật hấp dẫn, và tỉ lệ thuận với tích khối

lượng của chúng:

F=

Với

G = hằng số hấp dẫn, 6.67 * 10

-11 Nm

2/kg

2

m1 = khối lượng của vật 1

m2 = khối lượng của vật 2

r = khoảng cách giữa tâm khối của hai vật.

Lực hút của trái đất lên một vật được gọi là trọng lượng của vật đó. Lực của trọng lực tác

động lên vật làm cho vật có gia tốc hướng đến trái đất với giá trị 9.81 m/s2. Với cơ thể,

trọng lượng cơ thể là một lực có điểm áp dụng ở trọng tâm và đường tác dụng từ trọng

tâm hướng xuống trung tâm trái đất. Trọng tâm còn được gọi là tâm khối, một điểm mà

khối lượng của tất cả các phân đoạn của cơ thể được phân bố bằng nhau.

Với công thức F = ma, ta có W(trọng lượng) = mg

Với g là gia tốc do trọng trường (9.81 m/s2).

5.1.3.2. Các lực tiếp xúc

Là do sự tương tác của hai vật thể:

- Phản lực nền (GRF, ground reacting force)

Trong hầu hết các vận động của chúng ta ở trên mặt đất, chúng ta bị tác động bởi phản

lực nền. Đây là lực phản ứng từ bề mặt mà trên đó chúng ta đang di chuyển. Chúng ta

đẩy lực xuống nền, và nền đẩy ngược lại với cùng một lực theo hướng ngược lại để tạo

nên vận động mong muốn (đi lại, chạy nhảy). Phản lực nền thay đổi độ lớn, hướng, và

điểm tác động trong giai đoạn cơ thể tiếp xúc với bề mặt nền.

Phản lực nền có thể được phân tích thành các thành phần thẳng đứng Fz, trước-sau Fy, và

trong-ngoài Fx. Các thành phần trước-sau và trong-ngoài được xem là các thành phần lực

xé vì chúng song song với mặt phẳng đất (Hình 5-2).

Hình 5-2. Các thành phần của Phản lực nền (GRF).



Phản lực nền là tổng các tác động của tất cả các khối lượng của các phân đoạn (cơ thể)

nhân với gia tốc do trọng lực. Tổng này phản ánh trung tâm khối của cơ thể. Do đó, GRF

tác động lên trung tâm khối của cơ thể (Hình 5-3). Chia lực với khối, ta có gia tốc.

Phương trình phản ánh GRF thẳng đứng gia tốc theo định luật II Newton là:

∑F = ma; hay a = ∑F/m

Giá trị này phản ánh gia tốc của trung tâm khối. (Như vậy nếu biết được phản lực nền, ta

có thể tính được gia tốc của cơ thể).

Hình 5-3. Vector của phản lực nền tác động đi qua trung tâm khối của cơ thể.

- Phản lực khớp (Joint Reaction Force): nếu chúng ta phân tích lực tác động tại một khớp

hoặc một phân đoạn, lực phản ứng ở đây được gọi là lực phản ứng khớp. Hình 5-4 cho

thấy lực phản ứng ở khớp gối gồm thành phần xé và thành phần ép.

Hình 5-4. Phản lực khớp của khớp gối gồm các thành phần lực xé và lực ép.

- Lực cơ

Cơ chỉ có thể tạo lực căng hoặc kéo và do đó chỉ có một hướng. Người ta có thể đơn giản

hóa lực kéo của cơ thành một thành phần xoay và một thành phần cùng hướng đầu xa chi

thể (có tác dụng làm vững hoặc làm trật khớp) (xem hình 3-16). Ở góc 900, lực xoay là

lớn nhất.

- Lực quán tính

Trong nhiều trường hợp vận động cơ thể, một phân đoạn có thể tạo một lực lên một phân

đoạn khác, gây nên vận động trong phân đoạn đó không do hoạt động cơ. Thường thì

phân đoạn gần hơn tạo một lực quán tính lên phân đoạn xa.

- Lực ma sát

Ma sát là lực song song với giao diện hai bề mặt tiếp xúc nhau trong vận động hoặc một

bề mặt vận động trên bề mặt khác.

Lực ma sát (Ff) tỷ lệ với lực bình thường giữa các bề mặt và có giá trị bằng:

Ff=μN

Với µ là hệ số ma sát và N là lực bình thường hay lực vuông góc với bề mặt. Nói chung,

độ lớn hệ số ma sát phụ thuộc vào loại vật liệu tạo nên các bề mặt tiếp xúc và bản chất



của những bề mặt đó (sự trơn láng, gồ ghề..). Giá trị lực ma sát còn thay đổi tùy thuộc

trạng thái nghỉ (ma sát nghỉ), chuyển động (ma sát trượt, ma sát lăn).

Ma sát là lực phức tạp nhưng có ảnh hưởng quan trọng đến vận động con người. Đi trên

một mặt nền đòi hỏi hệ số ma sát phù hợp giữa đế giày và mặt nền để khỏi trượt ngã.

Trong các vận động hàng ngày, tùy theo loại hoạt động mà ta có thể muốn tăng hoặc

giảm hệ số ma sát. Ví dụ vận động viên trượt băng thích băng lạnh vì nó có hệ số ma sát

thấp; ngược lại, thủ môn mang bao tay có độ nhám để tăng hệ số ma sát và chụp bóng tốt

hơn.

- Lực đàn hồi

Khi một lực được tác động lên một vật liệu, vật liệu thay đổi chiều dài tùy theo độ cứng

của vật liệu.

F=kΔs

Với k là hệ số đàn hồi, biểu diễn độ cứng, hoặc khả năng của vật liệu bị ép hoặc kéo

căng, Δs là mức độ biến dạng của vật.

Trong hầu hết các trường hợp, các mô sinh học (cơ, gân, dây chằng) không vượt quá giới

hạn đàn hồi của chúng. Trong giới hạn này, những mô này có thể dự trữ lực khi chúng bị

kéo căng, cũng như sợi cao su đàn hồi. Khi lấy đi lực tải, lực đàn hồi có thể trở lại, và

cùng với lực cơ, góp phần vào tổng lực của hoạt động (xem chương 5).

5.1.4. Trình bày các lực tác động lên hệ thống- Lược đồ lực (free body diagram)

Khi phân tích vận động, cần phải tính đến các lực tác động lên hệ thống. Để đơn giản và

dễ hiểu, người ta thường vẽ một lược đồ lực. Đó là một hình biểu diễn các đại diện vector

của các lực tác động lên hệ thống (toàn bộ cơ thể hoặc bộ phận cơ thể và các vật thể khác

quan trọng để phân tích). Sau khi đã xác định hệ thống, cần xác định và vẽ các lực bên

ngoài. Hình 5-5 mô tả lược đồ lực cơ thể tự do của một người đang chạy. Các lực bên

ngoài tác động lên người chạy là phản lực nền, lực ma sát, lực cản không khí và trọng lực

phản ánh bởi trọng lượng cơ thể người chạy. Các vector lực được vẽ thành hình mũi tên ở

điểm tác dụng.

Hình 5-5. Lược đồ lực của một người đang chạy không mang vật nặng (A) và mang vật

nặng ở tay (B).

Lược đồ lực cơ thể rất hữu ích để phân tích lực trong sinh cơ học qua đó giúp ta phân tích

và tính toán giá trị lực cụ thể ở nhiều động tác của cơ thể ở trạng thái động hoặc tĩnh.

5.1.5. Mối liên hệ xung lượng- động lượng (impulse-momentum relationship)

Mối liên hệ này cho ta hiểu rõ hơn về tác dụng của lực trong một khoảng thời gian để xác

định các đặc tính của vận động hoặc khả năng gây tổn thương của vận động.

Từ định luật II Newton, ta có F = ma



Hay F =

Với v: vận tốc kết thúc (m/s) đo ở thời điểm t2

u: vận tốc ban đầu (m/s) đo ở thời điểm t1

Với t= t2-t1, ta có Ft = m(v-u)

Hay Ft = mv-mu

Xung lƣợng (impulse) được định nghĩa là lực nhân với thời gian mà lực tác động (Ft),

được đo bằng Newton giây (Ns). Động lƣợng thẳng (linear momentum, p) được định

nghĩa là khối lượng của vật nhân với vận tốc thẳng (mv), được đo bằng (kg.m/s). Như

vậy, vật (hoặc cơ thể người) càng di chuyển càng nhanh (vận tốc tăng) thì động lượng

càng cao. Trong phương trình trên (Ft = mv - mu), vế phải biểu diễn sự thay đổi động

lượng (mv - mu), mà trong trường hợp vận động ở người chủ yếu là di sự thay đổi vận tốc

(vì khối lượng tương đối hằng định). Vế trái (Ft) cho thấy rằng sự thay đổi động lượng

này có thể bị ảnh hưởng bởi sự tăng hoặc giảm lực hoặc thời gian mà lực tác động.

Hình 5-6: Mối liên hệ xung lượng- động lượng. Để quả bóng bay xa, cầu thủ tác động

một lực lên quả bóng trong một thời gian (Ft= xung lượng)

Hình 5-6 minh họa động tác đá bóng của một cầu thủ. Để quả bóng bay xa (vận tốc lớn),

anh ta có thể tăng lực tác dụng lên quả bóng hoặc tăng thời gian tiếp xúc giữa bàn chân

và bóng. Tăng lực tác dụng thường bằng cách tăng sức mạnh cơ (và do vậy thường tăng

cả khối lượng¸ hoặc cũng có thể bằng cách di chuyển chân nhanh hơn ((ΣF =ma). Để tăng

thời gian tiếp xúc với bóng, cầu thủ sẽ sử dụng các kỹ thuật như là đá bóng ở một tư thế

cho phép theo bóng để bàn chân tiếp xúc bóng lâu hơn, hoặc tiếp xúc bên, xoắn với giày.

Tuy nhiên thời gian tiếp xúc giữa bàn chân với bóng thường rất ngắn (một phần của

giây), và nếu cố gắng tiếp xúc với bóng càng lâu hơn thì lực trung bình tác dụng sẽ nhỏ

lại và do đó động lượng sẽ giảm (ví dụ nếu bạn đá bóng với một cái gối buộc ở chân, mặc

dù bạn có thể tăng thời gian tiếp xúc, gối tác dụng như một hấp thụ lực làm giảm lực đá

bóng, và do đó giảm động lượng tác động lên quả bóng).

Quan hệ xung lượng-động lượng của cho phép ta hiểu rõ hơn khả năng chấn thương và

phương pháp phòng ngừa chấn thương (tức làm giảm lực tác động). Ví dụ một thủ môn

đang đứng bắt một quả bóng. Nếu người đó đứng yên và đưa thẳng hai tay ra bắt (giữ

cứng hai tay) thì sẽ cảm thấy một lực rất lớn tác động lên bàn tay và cánh tay. Lý do là

khi bóng tiếp xúc với bàn tay, cần phải có một xung lượng tác động lên quả bóng để làm

bóng ngừng lại (tức thay đổi động lượng). Mức xung lượng cần để thay đổi động lượng

quả bóng rất lớn (bóng đang bay nhanh đột nhiên bị giữ ngừng lại), tất nhiên phụ thuộc

vào trọng lượng của quả bóng vào vận tốc trước khi tác động của nó. Như vậy, lý do mà

người đó cảm thấy chấn động với lực lớn là vì thời gian tiếp xúc giữa tay và bóng rất

ngắn qua tư thế trên cần phải tác động lên bóng một lực lớn, và bóng lại gây phản lực lên

tay người chụp bóng với một lực tương tự (định luật III Newton). Ngược lại, nếu anh ta

chụp bóng bằng cách di chuyển hai tay theo hướng bóng đang di chuyển, thời gian tiếp

xúc sẽ tăng lên và do đó lực tác động sẽ giảm (nghĩa là chụp dễ hơn). Một số ví dụ khác

để giảm lực tác động được biểu diễn ở Hình 5-7.



Hạ người khi nhảy xuống Mang giày chống sốc khi chạy Di chuyển theo hướng bóng

bằng cách gập gối để tăng hoặc gấp gối khi tiếp xúc trong bóng đá khi dùng ngực

thời gian tiếp xúc để giảm lực tác động để nhận bóng

Hình 5-7. Một số ví dụ làm giảm chấn thương bằng cách kéo dài thời gian lực tác dụng.

5.1.6. Định luật bảo toàn động lượng và ứng dụng

Trong vận động ở người, có nhiều tình huống mà trong đó có sự va chạm giữa hai vật xảy

ra, hoặc là giữa người và người (như hai cầu thủ), hoặc giữa người và vật (như cầu thủ và

quả bóng). Để phân tích sự va chạm đó, ta thường sử dụng định luật bảo toàn động lượng.

Xét hệ kín gồm hai vật có khối lượng m1 và m2 tương tác với nhau, ban đầu chúng có

vector vận tốc lần lượt là v1 và v2, sau thời gian tương tác Δt, các vector vận tốc biến đổi

thành v1’ và v2’.

Lực F1 do vật 2 tác dụng lên vật 1 là:

F1 = m1a1 = m1Δv1/Δt = m1 (v1’-v1)/ Δt

Tương tự lực F2 do vật 1 tác động lên vật 2 là:

F2 = m2a2 = m2Δv2/Δt = m2 (v2’-v2)/ Δt

Theo định luật III Newton thì F1 = - F2

Vậy m1 (v1’-v1) = - m2 (v2’-v2)

Hay m1v1+ m2 v2 = m1v1’ + m2v2’

Ta có thể viết lại công thức trên dưới dạng

p1 + p2 = p’1 + p’2 hay p = p’

Định luật bảo toàn động lượng phát biểu rằng trong bất kỳ hệ thống nào có các vật va

chạm nhau (có thể có nhiều hơn hai vật) hoặc tác động một lực lên một vật khác, tổng

động lượng trong bất kỳ hướng nào vẫn không đổi (vector tổng của động lượng được bảo

toàn) trừ khi một lực bên ngoài tác động lên hệ thống theo hướng đó.

Hình 5-8: Sự va chạm giữa thủ môn và quả bỏng

Hình 5-8 minh họa động tác bắt bóng của một thủ môn (thủ môn bắt bóng trên không bởi

vì nếu thủ môn đứng trên mặt đất cần phải xét các lực bên ngoài khác).

Ta thấy,



Trước khi va chạm,

động lượng của bóng + động lượng của thủ môn

= [khối lượng của bóng x vận tốc ngang của bóng]

+ [khối lượng của thủ môn x vận tốc ngang của thủ môn]

(ghi chú: vì ta đang xét động lượng theo hướng ngang nên có thể bỏ qua tác động của

trọng lực (một lực bên ngoài)

Sau khi va chạm

Động lượng của bóng + thủ môn kết hợp

= [khối lượng của bóng và thủ môn x vận tốc ngang của bóng và thủ môn kết hợp]

Theo định luật bảo toàn động lượng, thì tổng động lượng trước và sau va chạm bằng

nhau. Dựa vào các số liệu đã cho, ta có thể tính như sau:

Động lượng trước va chạm = động lượng sau va chạm

(0,5 x 15) + (75 x 0) = (75+0,5) x 0,1

7,5 + 0 kg.m/s = 7,5 kg.m/s

Như vậy, nếu chúng ta không biết vận tốc của bóng và thủ môn sau va chạm, ta có thể

dùng phương trình này để tính vận tốc của bóng trước va chạm.

Hình 5-9 mô tả nhiều tình huống khác nhau có thể xảy ra: vật thể cùng di chuyển với các

vận tốc khác nhau, vật thể dội lại, và vật thể di chuyển với vận tốc kết hợp. Trong tất cả

các tình huống, động lượng trước va chạm đều bằng động lượng sau va chạm. Thông qua

phương trình của định luật bảo toàn động lượng, ta có thể tính được động lượng hoặc

thay đổi động lượng của cơ thể va chạm hay là lực tạo ra do xung lượng bởi các va chạm

đó.

Bóng và cầu thủ di Hai cầu thủ va chạm Bóng và cầu thủ

chuyển cùng hướng với dội lại và di chuyển tiếp tục di chuyển

vận tốc khác nhau với vận tốc khác nhau với cùng vận tốc

Hình 5-9: Một số ví dụ về va chạm của cơ thể trong vận động

5.2. Lực động học góc

5.2.1. Moment của lực hay torque

Khi một lực làm cho một vật xoay, vật sẽ xoay quanh một trục nào đó, và đường tác dụng

của lực tác động cách trục đó một khoảng. Khi đó, tích của lực đó và khoảng cách vuông

góc với đường tác dụng của nó được gọi là moment của lực hay torque (Hình 5-10).

Torque không phải là lực, mà chỉ là hiệu quả của một lực đang gây nên sự xoay. Một

Torque được định nghĩa là xu hướng của một lực gây nên sự xoay quanh một trục nào đó.

Đơn vị moment của lực là N.m.

Hình 5-10. Torque và moment của lực



Hai thành phần quan trọng của moment của lực (torque, T) là độ lớn của lực (F) và

khoảng cách ngắn nhất (hay vuông góc) từ điểm xoay đến đường tác dụng lực (gọi là

cánh tay đòn, moment arm, r).

Ta có T= F*r

Nếu một vật bị đẩy bởi một lực đi qua tâm khối của nó thì vật đó sẽ di chuyển theo một

đường thẳng (vận động thẳng) cùng hướng với lực tác dụng (Hình 5-11A). Tuy nhiên,

nếu một vật bị đẩy bởi một lực cách tâm khối một khoảng tiếp tuyến thì nó sẽ vừa xoay

(quanh một trục xoay) và tâm khối của vật sẽ dịch chuyển (di chuyển theo một đường

thẳng) (Hình 5-11 B và C).

Hình 5-11. Khi một lực tác động lên vật, nó không tạo ra sự xoay nếu nó tác động qua

trục hoặc tâm khối (A), hoặc nó tạo ra một lực xoay nếu lực tác động cách trục một

khoảng (B và C). Cánh tay đòn (MA) là khoảng cách vuông góc từ đường tác động của

lực đến trục xoay.

Trong Hình 5-11B, một lực 20 N được tác động vuông góc với một đòn bẩy ở điểm cách

trục 1,1 m. Bởi vì lực không tác động xuyên qua trục xoay, khoảng cách ngắn nhất đến

trục là khoảng cách vuông góc từ điểm tiếp xúc của lực đến trục. Torque được tạo ra bởi

lực này có thể được tính như sau:

T= F* r = 20N* 1,1 m = 22 Nm

Trong Hình 5-11C, lực 20N tác động cách trục xoay 1,44 m với một góc 50° so với đòn

bẩy. Để tính moment xoay của lực, chúng ta có thể tính cánh tay đòn bằng cách nhân sin

của góc với khoảng cách mà lực tác động so với trục xoay. Tích này chính là khoảng

cách tiếp tuyến của đường tác dụng của lực với trục xoay.

T= F*sinθ* r = 20N*sin500*1,44m =20N*0,766*1,44m

T=22Nm

Như vậy trong trường hợp C, khoảng cách vuông góc của cánh tay đòn là 1.1 m và

moment xoay bằng với moment trong ví dụ B.

Trong vận động ở người và khoa học tập luyện, torque tạo nên gia tốc góc dẫn đến các

vận động xoay của chi thể và các phân đoạn. Những vận động xoay này xảy ra quanh các

trục xoay. Ví dụ, các vận động xoay xảy ra khi đá bóng sẽ xảy ra quanh khớp cổ chân

(phân đoạn bàn chân), khớp gối (phân đoạn cẳng chân), và khớp háng (phân đoạn đùi).

Moment xoay là một đại lượng vector và do đó có độ lớn và hướng. Hướng được quy

định theo nguyên tắc ngón cái bàn tay phải (xoay ngược chiều kim đồng hồ là dương,

xoay thuận chiều kim đồng hồ là âm).

Dựa vào phương trình tính torque, có thể thấy rằng để tăng torque, và do đó tăng tác dụng

xoay lên vật, ta có thể tăng lực tác dụng hoặc tăng khoảng cách lực tác dụng so với trục

xoay. Cũng như vậy, để giảm lượng torque tác động lên một hệ thống ta có thể giảm lực

tác dụng hoặc giảm cánh tay đòn. Ví dụ, để tập mạnh cơ gập khuỷu, KTV có thể sử dụng



kỹ thuật kháng trở bằng tay. Đầu tiên KTV có thể kháng động tác gập khuỷu bằng cách

tác động lực ở giữa cẳng tay, tạo một torque mà bệnh nhân cần phải thắng. Khi cơ lực

bệnh nhân cải thiện, KTV có thể tác động một lực tương đương ở mức cổ tay thay vì giữa

cẳng tay. Bằng cách gia tăng cánh tay đòn trong khi giữ lực không đổi, người đó đã tăng

moment của lực và do đó tăng kháng trở lên người bệnh.

Cặp đối lực (Force Couple)

Trong nhiều tình huống chúng ta thấy có các cặp lực tác động lên một phân đoạn hay

quanh một trục xoay. Hai lực bằng nhau và ngược chiều cùng tác động lên một hệ thống

được gọi là một cặp đối lực. Hình 5-12 cho thấy tác dụng của một cặp đối lực lên hai vật

(một cái hộp và một đòn bẩy). Trong hai ví dụ này, một cặp đối lực cùng tác dụng lên

vật. Trong cả hai trường hợp, hai vật đều xoay theo chiều kim đồng hồ (cái hộp) và

ngược chiều kim đồng hồ (đòn bẩy) và đều không có sự dịch chuyển (chuyển động

thẳng) bởi vì tổng lực lên hệ thống là zero (định luật I Newton). Tuy nhiên, chúng sẽ

xoay quanh trục xoay tương ứng bởi vì các cặp lực tạo torque và tác dụng xoay kết hợp.

Cơ thể người thường sử dụng cặp đối lực trong các hoạt động, ví dụ như khi sử dụng

ngón cái và ngón trỏ để mở một nắp chai.

Hình 5-12: Một cặp đối lực là hai lực song song đối diện.

5.2.2. Các định luật của Newton và vận động góc

5.2.2.1.Định luật thứ nhất (quán tính)

Nhắc lại định luật I Newton với chuyển động thẳng, mọi vật sẽ tiếp tục đứng yên hoặc

vận động không đổi trừ phi nó bị tác động bởi một lực không cân bằng.

Định luật này cũng có thể được áp dụng với động lượng thẳng của cơ thể nghĩa là động

lượng (mv) của vật không thay đổi nếu không có lực tác động bên ngoài. Một vật vẫn

đứng yên (không có động lượng) hoặc tiếp tục di chuyển (với một động lượng không đổi)

trừ khi bị tác động bởi một lực bên ngoài.

Trong trường hợp vận động góc, định luật I Newton được phát biểu như sau

Một vật thể đang xoay sẽ tiếp tục ở trạng thái vận động xoay trừ lúc bị tác động bởi một

moment xoay (torque) bên ngoài.

Nếu ∑T = 0 thì Δω = 0

Nếu tổng các moment xoay bằng zero, vật thể sẽ ở trạng thái đứng yên hoặc xoay với một

vận tốc góc không đổi.

Động lượng góc của một vật không đổi trừ khi chịu tác động của một moment xoay

(torque) bên ngoài (định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp vận động góc).

Trong trường hợp vận động góc chúng ta đang đề cập đến sự xoay và các tác dụng xoay

và do đó thuật ngữ lực được thay bằng thuật ngữ moment lực (torque). Cần chú ý rằng áp

dụng định luật I trong vận động góc không nói đến trường hợp vận tốc góc không đổi

(như trong trường hợp vận động thẳng) vì chúng ta sẽ thấy điều này không đúng trong

vận động xoay ở cơ thể người.



Để hiểu đầy đủ phương trình này, đầu tiên chúng ta cần nắm khái niệm quán tính trong

trường hợp vận động góc. Trong vận động thẳng, theo định luật I Newton, quán tính là xu

hướng của một vật kháng lại sự thay đổi vận tốc thẳng. Số đo của quán tính của một vật

là khối lượng của nó (m). Trong trường hợp vận động góc, khái niệm tương đương là

moment quán tính (moment of inertia, viết tắt là I) . Moment quán tính (I) của một vật là

khả năng của vật kháng lại sự xoay. Vật có moment quán tính càng lớn thì càng chống lại

sự xoay, ngược lại vật có moment quán tính nhỏ thì càng dễ bị bắt đầu, ngừng lại hoặc

thay đổi trạng thái xoay của nó. Moment quán tính không chỉ phụ thuộc vào khối lượng

của vật mà còn vào sự phân bố khối lượng tương ứng với một trục xoay. Moment quán

tính của một cơ thể liên quan đến trục xoay riêng biệt và do đó các giá trị moment quán

tính sẽ khác nhau với trục xoay khác nhau (ví dụ trục trước sau khác trục đứng dọc).

Moment quán tính (I) được tính từ phân bố của khối (m) quanh một trục xoay A (r) theo

công thức:

IA = mr2

Đơn vị của Moment quán tính là kg.m2.

Ví dụ tính moment quán tính của một vật khối lượng 15 kg quay quanh trục A, cách trục

A lần lượt là 4m và 6m (Hình 5-13).

I = 15*4

2 = 240 kg.m

2 I = 15*6

2 = 540 kg.m

2

Hình 5-13: Phương pháp tính moment quán tính

Động lượng góc (ký hiệu bằng chữ L) của một vật có thể được biểu diễn bằng moment

quán tính (sức ì của vật thể với bắt đầu, ngừng lại, hoặc thay đổi trạng thái xoay) của vật

đó (ký hiệu là I) nhân với vận tốc góc của nó.

Động lượng góc = moment quán tính * vận tốc góc

hay L = I * ω (kg.m2/s)

Hình 5-14: Moment quán tính (trục xoay ngang (A, B) và trục xoay đứng dọc (C, D)



Trong Hình 5-14, có thể thấy rằng khi khối lượng được phân bố gần trục xoay hơn thì

moment quán tính giảm đi. Trong trường hợp C, hai tay giữ gần cơ thể. Điều này có tác

dụng phân bố khối lượng (nghĩa là khối lượng của hai tay) gần trục xoay hơn (trục đứng

dọc), do đó làm giảm moment quán tính của cơ thể quanh trục xoay này. Trong trường

hợp D, hai tay đưa ra ngoài và làm cho khối lượng càng xa trục xoay, làm tăng moment

quán tính quanh trục này.

Một khi cơ thể ở trong không trung, ta không thể tăng hoặc giảm giá trị động lượng xoay

(trừ khi có tác động của một lực bên ngoài) (sự bảo toàn động lượng góc). Tuy nhiên, vẫn

có thể tạo sự xoay hoặc thay đổi vận tốc góc trong không khí mà không mâu thuẫn với

định luật bảo toàn động lượng góc.

Sự tạo vận động xoay trong không trung là kết quả của các moment lực (torque) của các

cơ và sau đó gây nên một hoạt động/phản ứng của các phần khác của cơ thể. Nếu các vận

động xoay này được thực hiện theo đúng trình tự kết quả sẽ là vận động xoay nhuần

nhuyễn. Ví dụ sự xoay mình của con mèo khi rơi từ độ cao (Hình 5-15).

Hình 5-15: Mèo có thể tự xoay trong không trung mà không cần torque bên ngoài

Cơ thể người cũng có thể tạo sự xoay trong không trung mặc dù không có động lượng

góc lúc xuất phát. Chẳng hạn cú nhảy của vận động viên nhảy cầu hoặc xiếc (Hình 5-16).

Hình 5-16: Sự thay đổi vận tốc góc trong không trung của một vận động viên nhảy cầu.



5.2.2.2. Định luật thứ hai: luật gia tốc góc

Nhắc lại định luật II của Newton với vận động thẳng, Khi một lực tác động lên một vật,

sự thay đổi vận động (động lượng) của vật xảy ra theo hướng của lực và tỉ lệ thuận với

độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật (F=ma).

Tương tự vận động góc, ta thay khái niệm lực bằng moment lực (T), khối lượng bằng

moment quán tính và gia tốc bằng gia tốc góc. Định luật này có thể được viết lại như sau:

T = I * α

Với

T = torque tổng, I = moment quán tính, α = gia tốc góc

Một torque bên ngoài tạo nên một gia tốc góc của một vật thể tỉ lệ với và theo hướng của

torque và tỷ lệ nghịch với moment quán tính của vật.

Như chúng ta biết, cơ thể người không phải và một vật thể rắn và nó không có một

moment quán tính hằng định. Với cùng một moment lực tác động, moment quán tính của

vật càng lớn thì gia tốc góc càng nhỏ và ngược lại.

Ví dụ Hình 5-17, chúng ta thấy rằng cơ nhị đầu tác động một lực (F) ở một khoảng cách

vuông góc với trục xoay (khớp khuỷu) d. Sự co này tạo nên một moment xoay (T) (vận

động xoay) theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, làm cho khớp khuỷu gấp và cẳng tay

xoay cùng hướng ngược chiều kim đồng hồ. Khi cẳng tay xoay nó sẽ có một vận tốc góc

(ω) nào đó. Tốc độ thay đổi vận tốc góc của cẳng tay (hay là gia tốc góc α) sẽ phụ thuộc

vào mức độ torque tác động lên cẳng tay. Mức độ gia tốc góc cũng sẽ phụ thuộc vào

moment quán tính (I) của cẳng tay. Bởi vì cẳng tay xoay ngược chiều kim đồng hồ,

hướng của moment quán tính sẽ kháng lại sự xoay do torque tạo ra. Moment quán tính

của cẳng tay càng lớn thì gia tốc góc của cẳng tay càng nhỏ và ngược lại. Do đó với cùng

một torque tác dụng sẽ có các gia tốc góc khác nhau với các giá trị moment quán tính của

cẳng tay khác nhau (như tay có kích thước, hình dạng khác nhau). Điều này có ý nghĩa

khi tập luyện sử dụng trọng lượng (tăng moment quán tính).

Hình 5-17: Vận động xoay của cẳng tay quanh khớp khuỷu dưới tác dụng của cơ nhị đầu.

Như chúng ta thấy, moment quay tổng (không bằng không) tác động lên vật sẽ tạo lên vật

một gia tốc góc theo hướng torque. Tích của torque bên ngoài với thời gian tác dụng sẽ

bằng với tốc độ thay đổi động lượng góc (tương đương định luật bảo toàn động lượng

thẳng).

T = đổ độ ượ ó

đổ ờ

ố đầ

ố đầ

Hay T*t =L cuối – L đầu

Xung lượng góc (T*t) bằng thay đổi động lượng góc

Phương trình này giúp ta hiểu rõ hơn về sự thực hiện các vận động xoay ở người.



5.2.2.3.Định luật thứ ba: luật tác động- phản ứng

Với mỗi moment xoay tác động lên một cơ thể hay một cơ thể khác, có một moment xoay

bằng và đối lập với moment xoay đó tác động lên cơ thể kia.

Ví dụ ở Hình 5-18, có thể thấy ba tình huống moment xoay tác động- phản ứng: người

đánh tennis, cầu thủ đá bóng, người đánh gôn. Trong trường hợp người đánh tennis,

moment xoay tạo ra do cơ ở cẳng tay sẽ tạo nên một moment xoay bằng và theo hướng

đối ngược lên cánh tay. Điều này có ý nghĩa trong viêm mỏm lồi cầu trong hoặc ngoài

(đau khuỷu tay người đánh tennis). Ở cầu thủ bóng đá, moment xoay tạo ra ở đùi theo

hướng ngược chiều kim đồng hồ (cơ gấp háng) tạo một moment xoay phản ứng ở xương

chậu, làm cho người đá bóng thường có các chấn thương ở cơ hamstring. Ở người đánh

gôn, moment xoay tạo ra bằng cách xoay háng và vai (cả cùng và ngược chiều kim đồng

hồ) tạo một moment xoay phản ứng ở thắt lưng làm dễ gây đau thắt lưng.

Hình 5-18: Định luật III Newton (tác động-phản ứng) trong vận động góc

Tóm tắt sự tương quang các đại lượng giữa chuyển động thẳng và chuyển động góc

Đại lượng Vận động thẳng Vận động góc

Độ dời d q

Vận tốc v ω

Gia tốc a α

Quán tính m I

Định luật II Newton F=ma T= Ia

Động lượng p = mv L = Iω



CHƢƠNG 6. MỘT SỐ CHỦ ĐỀ KHÁC.

Mục tiêu:


- Phân tích các loại đòn bẩy và ứng dụng trong cơ thể người

- Nắm được khái niệm về công, công suất, năng lượng và sự bảo toàn năng lượng

cơ học.

- Trình bày được khái niệm trọng tâm và tâm khối, cân bằng, giữ cân bằng và độ

vững.

6.1. Hệ đòn bẩy và các loại đòn bẩy

6.1.1.Hệ thống đòn bẩy

Kết quả của moment của lực (torque) là tạo ra sự xoay quanh một trục. Nếu xét sự xoay

quanh một điểm cố định, ta sẽ có hệ thống đòn bẩy (lever system). Đòn bẩy là một thanh

cứng quay quanh một điểm cố định (trục) gọi là điểm tựa. Một hệ đòn bẩy gồm một lực

cản (kháng trở), một lực tác dụng, một đòn bẩy, và một điểm tựa. Ngoài ra, hai cánh tay

đòn được gọi là cánh tay tác dụng và cánh tay cản. Cánh tay tác dụng là khoảng cách

vuông góc từ đường tác dụng đến điểm tựa. Cánh tay cản là khoảng cách vuông góc từ

đường tác dụng của lực cản đến điểm tựa. Bởi vì cả lực tác dụng và lực kháng đều tác

động cách điểm tựa một khoảng, chúng tạo các moment xoay quanh điểm tựa (Hình 6-1).

Hình 6-1. Một hệ đòn bẩy giải phẫu với cánh tay cản, cánh tay tác dụng và điểm tựa.

Có thể thấy rằng nghiên cứu về đòn bẩy chỉ là áp dụng thực tế của nghiên cứu moment.

Tất cả những vấn đề của đòn bẩy đều có thể giải quyết được bằng các moment ngược

chiều (dương) và thuận chiều kim đồng hồ (âm), cũng như điều kiện cân bằng trong vận

động góc (tổng các moment xoay dương và âm bằng zero). Tuy nhiên, sử dụng các khái

niệm đòn bẩy cho phép ta giải thích dễ hiểu hơn những nguyên lý của moment cho những

người khác (ví dụ như cho huấn luyện viên hoặc vận đông viên, cho người tập…).

6.1.2. Sự thuận lợi cơ học của đòn bẩy

Một đòn bẩy có thể được đánh giá qua sự thuận lợi cơ học (mechanical avantage), là tỉ số

giữa cánh tay tác dụng và cánh tay lực cản:

MA =

Có thể có ba trường hợp (Hình 6-2):

Trường hợp một, MA=1, hai cánh tay bằng nhau. Trong tình huống này, chức năng của

đòn bẩy là thay đổi hướng của vận động hoặc thăng bằng đòn bẩy nhưng không gia tăng

cả lực tác dụng hoặc lực kháng.

Cánh tay tác dụng

Cánh tay

lực cản



Trường hợp hai, MA>1, cánh tay tác dụng lớn hơn cánh tay kháng. Trong trường hợp

này, cánh tay tác dụng lớn hơn (dài hơn) làm tăng moment xoay tạo ra bởi lực tác dụng

(phóng đại lực tác dụng).

Trường hợp ba, MA<1, cánh tay tác dụng nhỏ hơn cánh tay kháng. Trong trường hợp

này, cần phải có lực tác dụng lớn hơn để thắng lực cản. Đổi lại, lực tác dụng hoạt động

trên một quãng đường nhỏ, và lực kháng bị di chuyển với quãng đường lớn hơn trong

cùng một thời gian. Như vậy, khi MA<1, vận tốc hay tốc độ vận động đã được phóng đại.

Hình 6-2. Sự thuận lợi cơ học (MA) của đòn bẩy. F: lực tác dụng, R: lực kháng, d:

khoảng cách di chuyển.

6.1.3. Các loại đòn bẩy

Đòn bẩy được chia làm ba loại, I, II, và III (Hình 6-3)

Hình 6-3. Các hệ thống đòn bẩy.

Đòn bẩy loại I (Hình 6-4):

Lực tác dụng và lực kháng trở ở hai bên điểm tựa. Ví dụ như bập bênh, bàn cân… Hệ đòn

bẩy loại I có thể được tạo theo nhiều cách và có thể có thuận lợi cơ học =1, >1 hoặc <1.



Trong hệ cơ xương người cũng có đòn bẩy loại I. Các cơ chủ vận và đối vận cùng tác

dụng ở hai phía đối diện của khớp. Trong đa số trường hợp, đòn bẩy loại I ở người có

MA=1, nghĩa là đòn bẩy có tác dụng thăng bằng hay thay đổi hướng của lực tác dụng.

Thay đổi hướng tác dụng: tác động qua lồi xương (processe), đây chính là ròng rọc. Ví dụ

như hoạt động của xương bánh chè ở động tác duỗi gối, khi góc kéo của cơ tứ đầu bị thay

đổi bằng cách trượt của xương bánh chè lên rãnh lồi cầu xương đùi.

Hình 6-4. Ví dụ hệ thống đòn bẩy loại I ở cơ thể.

Đòn bẩy loại II

Trong đòn bẩy loại II, lực cản nằm giữa điểm tựa và lực tác dụng. Bởi vì cánh tay tác

dụng lớn hơn cánh tay cản (MA>1) nên “lực được phóng đại”. Đòn bẩy loại II có lợi về

lực nhưng không có lợi về vận tốc và quãng đường, do vậy ít gặp trong hoạt động ở

người (Hình 6-5).

Hình 6-5. Đòn bẩy loại II. Lực cản nằm giữa điểm tựa và lực tác dụng

Hệ đòn bẩy loại III

Lực tác dụng tác động nằm giữa điểm tựa và đường tác dụng của lực kháng. Bởi vì cánh

tay lực tác dụng nhỏ hơn cánh tay lực kháng nên MA<1. Trong hệ đòn bẩy loại III, cần

sử dụng một lực tác dụng lớn hơn nhưng lợi ích là gia tăng tầm độ hoặc tốc độ vận động.

Hầu hết các khớp ở cơ thể người hoạt động theo hệ đòn bẩy loại III này. Kết quả là cải

thiện tầm vận động và tốc độ góc, đổi lại cơ thể cần phải thực hiện lực lớn hơn nhiều so

với lực cản (Hình 6-6).

Hình 6-6. Ví dụ về hệ đòn bẩy loại III.



Trong cơ thể người có rất nhiều áp dụng của các hệ thống đòn bẩy loại I, II và II. Thường

thì các cơ sẽ hoạt động đối nghịch nhau (đồng vận và đối vận) trong một hệ thống đòn

bẩy để tạo nên vận động mong muốn.

6.2. Công, công suất, năng lƣợng và sự bảo toàn năng lƣợng

6.2.1. Công.

Thuật ngữ công thường được sử dụng lỏng lẻo trong ngôn ngữ thường ngày để chỉ sự nỗ

lực hoặc gắng sức bỏ ra để thực hiện một công việc nào đó. Tuy nhiên, trong vật lý, công

dùng để chỉ vận động của một vật thông qua tác động một lực. Do đó, công cơ học (W)

được thực hiện bởi một lực được định nghĩa là tích của lực tác dụng lên vật (F) và hình

chiếu của độ dời của vật theo hướng của lực (d):

Công cơ học = lực * hình chiếu độ dời theo hướng của lực.

W = F. d

Nếu độ dời tạo với phương của lực một góc α, độ dời có độ lớn là s, thì d = s.cos α

Đơn vị của công là Joule (J), 1 Joule = 1 Nx 1m

Tác dụng của công thường có thể thấy là thay đổi vị trí của một vật, hoặc làm biến dạng

vật hoặc làm tăng vận tốc của vật.

Ví dụ:

Một người thanh niên đang tập đẩy tạ 60 kg ở tư thế nằm từ ngực đến vị trí giữ cao cách

ngực 40 cm (Hình 6-7). Công thực hiện là bao nhiêu. Công đã mất đi đâu?

Hình 6-7. Ví dụ về công

Giải

Công được thực hiện được tính theo công thức W = F*d

Lực tác dụng lên tạ bằng với trọng lực của quả tạ (nếu tạ được đẩy từ từ, không tăng tốc)

F = 60* g (N) với g = 9,81

Độ dời của lực là khoảng cách bàn tay cầm tạ di chuyển (40cm) tức 0,4 m.

Công được thực hiện là W = (60* g)* 0,4 = 233.4 Joules.

Công đã mất vào trong động tác nâng tạ chống lại trọng lực.

Một điểm lưu ý từ định nghĩa là nếu một lực tác động lên vật nhưng không di chuyển vật,

nghĩa là không di chuyển điểm tác động của nó, thì không tạo ra công. Do đó, nếu người

thanh niên cố nâng tạ nhưng không được ví dụ vì tạ quá nặng, thì không thực hiện công

cho dù đã gắng sức. Các cơ của anh ta dù co và gắng sức nhưng không di chuyển được tạ,

do đó nhìn từ góc độ quả tạ thì không có công nào đã được thực hiện lên nó.

- Công dương và công âm

Công được thực hiện có thể được phân loại là công dương hoặc công âm, phụ thuộc vào

lực di chuyển theo hướng vận động của vật hoặc theo hướng ngược lại. Trong động tác

nâng tạ ở trên, công là dương vì lực hướng lên cùng hướng di chuyển của tạ. Trong động

tác hạ tạ, công là âm vì lực hướng lên ngược chiều di chuyển đi xuống của tạ. Điều này

có nghĩa là khi tạ đang được hạ xuống, quả tạ đang thực hiện công lên người, không như

khi nó được nâng lên (người tác dụng công lên tạ). Công âm này mất đi đâu? Thường nó

phân tán thành nhiệt trong cơ và biến mất.



6.2.2. Công suất

Công suất (P) là thuật ngữ được mô tả tốc độ (thời gian) công được thực hiện. Ví dụ,

nâng tạ chậm khác với nâng tạ nhanh, cho dù kết quả cuối cùng về chiều cao được nâng

là như nhau. Một người đạp xe đạp lên dốc nhanh và chậm thì kết quả như nhau nhưng

đạp lên dốc nhanh đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn. Sự khác nhau là do công suất tạo ra khác

nhau. Công suất là đại lượng có giá trị bằng thương giữa công W và thời gian t cần để

thực hiện công ấy.

P = W/t.

Đơn vị công suất là oát (W), 1W= 1 J/ 1s.

Mã lực (CV): 1 mã lực = 736 W

Có thể biểu diễn phương trình công suất dưới dạng khác như sau:

Vì W = F*d, nên P = F*d/t

Với d/t = v, do đó P = F*v

Phương trình này rất hữu ích trong nhiều phương pháp sinh cơ học để tính lực hoặc vận

tốc.

Ví dụ: Một người đạp xe đạp lên đồi cao được một quãng 50 m trong 3 phút 45 giây. Nếu

tổng trọng lượng của người đạp và chiếc xe là 100 kg, công suất tạo ra là bao nhiêu?

Hình 6-8: Ví dụ về công suất

Giải:

Công suất được tính bằng phương trình P = W/t

Công leo lên đồi là W = F*d = (100*g)*(50) = 49,050 J

Thời gian hoàn thành là 225 s

Do đó công suất P = 49,050/225 = 218 Watt

6.2.3. Năng lượng

Năng lƣợng (E) được định nghĩa là khả năng làm việc hoặc thực hiện hoạt động nào đó.

Đơn vị năng lượng là Joules, (tương tự như công, do đó có mối quan hệ giữa năng lượng

và công). Nếu công được thực hiện lên vật, vật nhận năng lượng. Nếu vật thực hiện công,

nó mất năng lượng. Có nhiều dạng năng lượng, bao gồm năng lượng hóa học làm cho cơ

co, nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của vật thể,... trong đó có hai dạng năng lượng cơ học

quan trọng với sinh cơ học, đó là thế năng liên quan đến năng lượng do vị trí hoặc độ

biến dạng, và động năng liên quan đến năng lượng vận động.

Thế năng là năng lượng mà vật có được do vị trí hoặc hình dạng của nó. Có hai dạng thế

năng, thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi.

Thế năng trọng trường (Et ) là năng lượng được dự trữ do vị trí trong một trường trọng

lực. Nếu vật ở độ cao (h) trên mặt đất thì thế năng trọng trường của nó được tính bằng

công thức

Et = m.g.h

Trong ví dụ 1, quả tạ được nâng lên 0,4 m từ vị trí nghỉ của nó và bây giờ nó có một năng

lượng là m.g.h = 60. g. 0,4 = 235,4 J lớn hơn vị trí lúc nghỉ của nó.

Khi một vật trên quả đất thay đổi vị trí (độ cao) từ vị trí 1 sang vị trí 2 thì công của trọng

lực sẽ là: W12 = Et1 – Et2



Công của trọng lực bằng hiệu thế năng của vật tại vị trí đầu và vị trí cuối, tức bằng độ

giảm thế năng của vật.

Dạng thế năng thứ hai là thế năng đàn hồi (Edh), là loại năng lượng được dự trữ hoặc

phát ra do biến dạng của một vật liệu. Năng lượng này phụ thuộc vào mức độ biến dạng

(Δx) và độ cứng (k) của vật liệu bị biến dạng và được tính theo công thức

Edh = ½ kΔx2

Độ cứng (hay độ đàn hồi) là một đặc tính cơ học của một vật liệu (xem chương 2) và

được xác định bởi kích thước, thành phần, và cấu trúc của vật liệu. Nếu làm biến dạng

một vật (lò xo chẳng hạn) từ vị trí 1 đến vị trí 2, thì công tạo ra là:

W12 = Edh1-Edh2

Công của lực đàn hồi bằng độ giảm thế năng đàn hồi

Động năng:

Một vật khi chuyển động có thể sinh công, tức là nó đã có một năng lượng. Năng lượng

này được gọi là động năng. Đơn vị của động năng cũng là đơn vị của công (J). Động

năng là một đại lượng vô hướng và luôn luôn dương.

Động năng cũng có hai dạng liên quan đến vận tốc thẳng và vận tốc góc của vật. Dạng

đầu tiên là động năng thẳng (tuyến tính) được xác định bởi vận tốc thẳng (v) và khối

lượng (m) của một vật. Phương trình tính động năng thẳng (Eđnt) là:

Eđnt = ½mv2

Động năng thẳng biểu diễn công phải thực hiện để một vật di chuyển và do đó phản ánh

năng lượng được dự trữ bên trong vật do vận động của nó. Qua phương trình ta thấy để

tăng được vận tốc gấp đôi cần phải sử dụng năng lượng gấp 4 lần (xem ví dụ). Một vấn

đề khác cần chú ý là một vật có động năng thẳng nào đó muốn ngừng lại cần phải tiêu tán

năng lượng đó đi (nghĩa là động năng thẳng cần giảm xuống zero). Để thực hiện điều này

chúng ta sử dụng những kỹ thuật đặc biệt, chẳng hạn khi chạy chúng ta ngừng vận động

về phía trước của mình bằng duỗi thẳng một chân; khi hạ người xuống (nhảy cao), chúng

ta duỗi cổ chân, háng và gối; khi bắt bóng chúng ta duỗi tay ra để bắt bóng và sau đó đưa

bóng vào cơ thể để hấp thụ năng lương. Tất cả những hoạt động này nhằm giảm năng

lượng một cách có kiểm soát. Thường thì năng lượng hóa học của cơ bị tiêu thụ để thực

hiện những hoạt động này, do đó năng lượng hóa học của cơ cần cả để tăng và giảm động

năng. Do đó những vận động cần thay đổi vận tốc thường xuyên (như đánh cầu lông)

cũng cần mức tiêu thụ năng lượng hóa học cao. Phương trình động năng cũng chứng tỏ

rằng động năng thẳng liên hệ đến khối lượng vật thể và do đó trong những ví dụ này

người nặng hơn sẽ khó ngừng lại hơn (ít linh hoạt hơn).

Ví dụ:

Hãy tính vận tốc của một vận động viên chạy nước rút trong 5 nhịp chạy đầu tiên và sự

thay đổi vận tốc mỗi nhịp chạy nếu năng lượng mỗi lần đạp chân là 200 J và trọng lượng

của người đó là 75 kg.

Hình 6-9: Ví dụ về động năng thẳng

Giải

Động năng thẳng của vận động viên là Eđnt= ½ m.v2 do đó vận tốc của vận động viên là

Kết quả vận tốc và thay đổi vận tốc được trình bày ở bảng sau:



Nhịp chạy Năng lượng(J) Vận tốc (m/s) Thay đổi vận tốc (m/s)

0 0 0 -

1 200 2.31 2.31

2 400 3.27 0.96

3 600 4.00 0.73

4 800 4.62 0.62

5 1000 3.16 0.54

Nhận xét: Sự thay đổi vận tốc lớn nhất là ở nhịp chạy đầu tiên. Mặc dù năng lượng mỗi

nhịp chạy là như nhau, hiệu quả (biểu hiện ở thay đổi tốc độ) giảm khi tốc độ tăng.

Dạng động năng thứ hai được gọi là động năng xoay (hoặc góc) (Eđnx) và được xác định

bằng vận tốc góc (ω) và moment quán tính (I) của một vật theo phương trình:

Eđnx =½ I.ω2

Hầu hết các hoạt động thể thao liên quan đến sự xoay của các chi quanh một khớp và do

đó trong những hoạt động này năng lượng được chứa trong sự xoay của chi. Khi khớp

gấp và duỗi (ví dụ khớp gối), các phần chi thể di chuyển ra trước và ra sau, thay đổi

hướng trong mỗi chu kỳ. Năng lượng hoá học của cơ cần để tăng vận tốc góc của chi,

nhưng cũng để làm chậm lại và thay đổi hướng. Do đó, những hoạt động đòi hỏi vận

động chi nhiều đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng hóa học cao.

6.2.4. Mối liên hệ giữa Công và năng lượng

Như ta thấy công và năng lượng có liên quan mật thiết với nhau và có cùng đơn vị Joules.

Năng lượng có thể được dự trữ nhưng công thì không. Về bản chất công là quá trình thay

đổi năng lượng từ dạng này sang một dạng khác và do đó xác định mối quan hệ giữa

công và năng lượng. Quan hệ cơ bản là công được thực hiện (W) bằng với thay đổi năng

lượng (ΔE) và được tính bằng công thức:

W = ΔE = E cuối – E đầu

Trong ví dụ động năng ở trên, năng lượng thay đổi giữa các bước chạy là 200 J là do

công được thực hiện khi nhảy mỗi bước. Hãy xét một ví dụ khác

Một vận động viên nhảy cao có khối lượng 70 kg áp dụng một lực trung bình 2000N

trong một quãng đường 0.4 m. Hãy tính tốc độ của vận động viên vào lúc nhảy lên.

Hình 6-10: Ví dụ mối liên hệ giữa công-năng lượng

Giải

Vận động viên nhảy cao có vận tốc thẳng đứng bằng zero ở điểm hạ người thấp nhất (ban

đầu) và vận tốc tối đa vào lúc nhảy lên (cuối).

Công thực hiện = thay đổi động năng

F. d = [1⁄2 m.v2]cuối – [1⁄2 m.v

2]ban đầu

Vì động năng ban đầu = 0¸ ta có

F. d = [1⁄2 m.v2]cuối

2000* 0,4 = 1⁄2* 70*v2

Do đó v2 = 22.85

Kết quả: v = 4,78 m/s hay vận tốc của vận động viên vào lúc nhảy lên là 4,78m/s.



6.2.5. Định luật bảo toàn năng lượng và sự bảo toàn cơ năng

Năng lượng không được tạo ra hoặc mất đi mà tổng năng lượng vẫn không đổi vì nó

chuyển từ dạng này sang dạng khác. Định luật này là một trong những phát kiến lớn của

khoa học và giúp ta hiểu về thế giới xung quanh.

Sự bảo toàn năng lượng cơ học là một dạng đặc biệt của định luật bảo toàn năng lượng có

giá trị trong khoa học vận động và thể thao vì nó chỉ sử dụng dạng năng lượng cơ học. Sự

bảo toàn này là sự biến đổi chỉ hai loại năng lượng: thế năng trọng trường và động năng

thẳng và góc. Ta có tổng năng lượng cơ học của vật ∑E (không đổi) bằng tổng các loại

năng lượng thành phần:

∑E = Eđnt + Eđnx + Et = ½ mv2 + ½ I.ω

2+ mgh

Dựa vào công thức này, ta có thể tính được sự biến đổi năng lượng cơ học từ dạng này

sang dạng khác.

Nói chung sự bảo toàn cơ năng có thể áp dụng với các vật ở không trung khi mà sức cản

không khí có thể bỏ qua. Nó không thể ứng dụng khi có sự mất mát năng lượng rõ rệt do

ma sát hoặc sức cản khác.

6.3. Khái niệm về trọng tâm, tâm khối, cân bằng, giữ cân bằng và độ vững

6.3.1.Trọng tâm (Center of gravity, COG) và Tâm khối (Center of Mass, COM)

Trọng lượng của cơ thể là sản phẩm của khối lượng và gia tốc của trọng trường. Điểm mà

khối lượng của cơ thể được phân bố đều nhau được gọi là tâm khối. Thuật ngữ tâm

khối và trọng tâm thường được sử dụng đồng nghĩa. Tuy nhiên trọng tâm chỉ hướng dọc

bởi vì theo hướng của trọng lực. Thuật ngữ đúng nhất là tâm khối.

Tâm khối cũng là điểm cân bằng của cơ thể, ở tâm khối tổng các moment xoay bằng

không.

∑Ttâm khối =0

Ở người trưởng thành khi đứng thẳng, tâm khối nằm ngay trước đốt sống cùng S2,

khoảng 55% chiều cao của cơ thể. Tâm khối là một điểm lý thuyết mà vị trí có thể thay

đổi liên tục khi vận động. Sự thay đổi vị trí của tâm khối do sự thay đổi nhanh vị trí các

bộ phận của cơ thể khi vận động.

Vị trí của tâm khối cũng có thể bên trong hoặc bên ngoài cơ thể tùy thuộc tư thế (Hình 6-

11).

Hình 6-11. Thay đổi vị trí tâm khối theo tư thế

Trọng tâm của cơ thể người có thể được tính bằng nhiều phương pháp khác nhau như ghi

hình số hóa (các mốc giải phẫu như vai, khuỷu, háng, gối…) để tạo nên mô hình 2 D

hoặc 3 D của cơ thể để từ đó tính trọng tâm của mỗi bộ phận của cơ thể và trọng tâm của

toàn cơ thể. Vì sự phức tạp của tính toán nên phương pháp tính không được trình bày ở

tài liệu này.



6.3.2. Cân bằng tĩnh và cân bằng động, độ vững và giữ thăng bằng

Cân bằng:

Khi một cơ thể ở trạng thái nghỉ ngơi (không vận động) hoặc di chuyển với vận tốc

không đổi, nó ở trong một trạng thái cân bằng (equilibrium). Khi cơ thể ở trạng thái nghỉ

nó đang ở trạng thái cân bằng tĩnh và khi cơ thể đang di chuyển với vận tốc không đổi nó

đang ở trạng thái cân bằng động.

Điều kiện thứ nhất và thứ hai của cân bằng

Điều kiện đầu tiên của cân bằng là tổng các lực tác động lên cơ thể bằng zero (ΣF = 0).

Khi tổng tất cả các lực bên ngoài tác động lên vật bằng zero và vật không dịch chuyển

(vận động thẳng) thì vật ở trạng thái cân bằng tĩnh.

Ví dụ: khi vật được đặt lên bàn, lực bên ngoài tác động vào vật gồm trọng lượng của vật

tác động xuống dưới (do trọng lực) và lực từ bàn tác động đi lên lên vật. Tổng các lực

bên ngoài tác động lên vật bằng zero và vật không di chuyển (cân bằng tĩnh).

Lực bên ngoài tác động: (quy ước chiều dương hướng lên trên)

W: trọng lượng của vật (do trọng lực): 20 kg* 9,81 m.s2 tác động lên mặt bàn

Lực từ mặt bàn (F2) tác động lên vật (lực phản ứng)

Điều kiện cân bằng đầu tiên (ΣF = 0)

F1 = 20* -9,81 = -196,2N

Vì ΣF = 0, nên F1+ F2= 0 , F2 = -F1 = 196,2N (hướng lên)

Hình 6-12. Ví dụ cân bằng tĩnh (ΣF = 0).

Trong Hình 6-13 A, hai lực cùng mặt phẳng tác động lên một vật và vật không di chuyển.

Do vậy, phải có một lực thứ ba tác động (trừ khi hai lực đầu bằng nhau và ngược hướng)

để giữ cân bằng. Để tính lực thứ ba, ta tính tổng lực của hai lực đầu tiên bằng toán học

hoặc hình học và sau đó sử dụng điều kiện cân bằng đầu tiên (ΣF = 0) để xác định lực thứ

ba (lực cần để giữ cân bằng).

A B C

Hình 6-13. A.Hai lực (F1 và F2) tác động lên vật trong cùng mặt phẳng (vật không di

chuyển); B và C. Lược đồ lực của hai lực và tổng lực (phương pháp hình học). Lực thứ

ba cùng phương, độ lớn nhưng ngược chiều với tổng lực.

Trong các ví dụ ở trên các lực được biểu diễn trong hệ thống lực thẳng với các lực xảy ra

đồng thời, cùng một mặt phẳng. Tuy nhiên, trong vận động ở người các lực không luôn



luôn tác động với cùng một mặt phẳng và chúng thường tác động lên cơ thể như là các

cặp đối lực. Trong trường hợp sau chúng ta sử dụng hệ thống lực song song để xác định

cân bằng tĩnh. Các lực tác động ở các vị trí song song thường sẽ gây xoay vật quanh một

trục nào nó. Do đó, trong tình huống này, chúng ta sử dụng moment (lực*khoảng cách

tiếp tuyến) để giải quyết điều kiện cân bằng. Điều kiện thứ hai của cân bằng phát biểu

rằng tổng các moment lực (torque, T) tác động lên một vật là bằng zero (ΣT = 0).

(Σmoment cùng chiều kim đồng hồ + Σmoment ngược chiều kim đồng hồ = 0).

Hình 6-14 minh họa hoạt động của cơ nhị đầu để giữ tay không di chuyển ở góc khuỷu

khoảng 90°. Cơ nhị đầu đang thực hiện một lực (F1) ngược chiều kim đồng hồ và trọng

lượng của cẳng bàn tay tạo một lực (F2) tác động cách trục xoay (khuỷu) cùng chiều kim

đồng hồ. Qua lược đồ lực, ta có thể tính được lực cơ để giữ tay không di chuyển nhờ điều

kiện thứ hai của cân bằng (ΣT = 0).

Hình 6-14. Xác định lực cơ nhị đầu trong điều kiện cân bằng tĩnh (điều kiện thứ hai)

Cân bằng động khi cơ thể đang di chuyển và không thay đổi tốc độ. Các điều kiện cân

bằng như cân bằng tĩnh nhưng được viết lại để bao gồm thành phần vận động.

Điều kiện đầu tiên của cân bằng (động)

ΣF – ma = 0

(Tuy nhiên cần ghi chú rằng nếu vật đang cân bằng gia tốc của vật sẽ là zero và phương

trình này sẽ trở thành ΣF = 0).

Điều kiện thứ hai của cân bằng (động)

ΣT – Iα = 0



Với

F = lực M = moment

m = khối lượng a = gia tốc thẳng

I = moment quán tính α = gia tốc góc

Tương tự, khi cân bằng gia tốc góc sẽ là zero và điều kiện thứ hai được viết là ΣT = 0.

Khái niệm độ vững (stability) có liên qua mật thiết với cân bằng. Vững có thể được định

nghĩa theo cách như cân bằng, nghĩa là, sự kháng lại cả gia tốc thẳng lẫn gia tốc góc. Vật

càng vững nó càng kháng lại sự mất cân bằng. Khả năng của một người giữ và duy trì

một tư thế vững được gọi là giữ thăng bằng (balance). Ngay cả trong một tư thế thăng

bằng, người đó có thể chịu các lực bên ngoài. Hình 6-15 minh họa một số trường hợp về

cân bằng và vững ở vận động người.

A B C

A: Vận động viên bơi lội chuẩn bị bơi: Trọng tâm vẫn nằm trên chân đế (vững)

nhưng vận động viên dễ dàng rời khỏi tư thế vững này để nhảy xuống nước. Do đó

độ vững thấp.

B: Vận động viên cầu thăng bằng: vận động viên đang thăng bằng nhưng độ vững

thấp để có thể chuyển sang vị trí tiếp theo.

C: Vận động viên bóng rổ: có chân đế rộng và ở trong tư thế vững. Trong trường

hợp này đối phương khó tấn công lấy bóng.

Hình 6-15. Giữ cân bằng và độ vững

Nếu một vật đang ở một trạng thái thăng bằng tĩnh và bị một lực tác động, vật đó có thể

thay đổi theo ba tình huống: trở lại tư thế ban đầu, tiếp tục di chuyển khỏi tư thế ban đầu,

hoặc dừng lại và giữ một tư thế mới. Nếu vật bị dịch chuyển do công được tạo bởi một

lực và trở lại tư thế ban đầu của nó, nó được gọi là ở trạng thái thăng bằng vững. Nếu vật

dịch chuyển và có xu hướng gia tăng độ dời, nó đang ở trạng thái thăng băng không

vững.

Một số yếu tố xác định độ vững của một vật.

- Hình chiếu của tâm khối lên chân đế. Nằm ở trung tâm là vững nhất.

- Kích thước chân đế: Gia tăng chân đế thường gia tăng độ vững (ví dụ sử dụng

khung đi). Một cơ thể có thể vững ở hướng này nhưng không vững ở hướng khác.

Ví dụ dang rộng chân có thể làm cho người đó vững ở hướng ngang nhưng không

vững hơn ở hướng trước sau.

- Chiều cao của trọng tâm: Sự vững của một vật tỷ lệ nghịch với chiều cao của trọng

tâm. Nghĩa là vật có trọng tâm thấp thì vững hơn vật có trọng tâm cao.

- Khối lượng của vật: vật có khối lượng càng lớn thì vật đó càng vững. Ví dụ võ sĩ

sumo càng nặng cân thì vững hơn.



CHƢƠNG 7. DÁNG ĐI VÀ PHÂN TÍCH DÁNG ĐI Mục tiêu:


- Phân tích được các giai đoạn của chu kỳ dáng đi bình thường

- Liệt kê được các công cụ sử dụng để phân tích định lượng dáng đi

- Trình bày được đặc điểm chuyển động học của dáng đi

- Nắm được các đặc điểm lực động học của dáng đi: hoạt động cơ, lực, công

- Mô tả được một số dáng đi bệnh lý

7.1. Các giai đoạn trong dáng đi ở ngƣời

Dáng đi được định nghĩa là chuỗi liên tục thành nhịp các giai đoạn đu đưa (swing) và thì

tựa (support) của hai chân khi bàn chân hoặc ở trong không (đu đưa) hoặc tiếp xúc với

đất (tựa). Đi được đặc trưng bởi có một giai đoạn tựa kép trong đó cả hai chân tiếp xúc

với đất, xen kẽ với các giai đoạn tựa đơn khi chân kia đưa tới trước để bước tiếp. Trong

khi đi không có giai đoạn hai chân đều hở đất (nghĩa là giai đoạn bay).

Giai đoạn tựa là khi bàn chân tiếp xúc với đất (từ điểm bàn chân chạm đất đến khi bàn

chân rời khỏi đất). Giai đoạn này thường được chia thành chạm gót, bàn chân bằng (hoặc

đáp ứng tải), giữa thì tựa, cuối thì tựa (nhấc gót), và tiền đu đưa (nhấc ngón chân).

Giai đoạn đu đƣa xảy ra từ lúc bàn chân rời đất đến khi bàn chân đó chạm đất lại. Giai

đoạn này thường được chia thành đầu thì đu đưa, giữa thì đu đưa và cuối thì đu đưa.

Tỷ lệ thời gian tương ứng sử dụng trong hai giai đoạn đu đưa và tựa này thay đổi đáng kể

khi đi và chạy. Khi đi bình thường thì tựa chiếm 60%, thì đua đưa chiếm 40%. Khi đi

nhanh và chạy, thời gian giai đoạn tựa giảm đi. Ví dụ chạy vừa 55%, chạy nhanh 50%.

Hình 7.1: Các thì của dáng đi bình thường

(Ghi chú: IC = Initial Contact (chạm gót); LR = Loading Response (đáp ứng tải); M St =

Mid support (giữa thì tựa); T St = Terminal support (cuối thì tựa); PS = Pre swing (tiền

đu đưa); I Sw = Initial swing (đầu thì đu đưa); M Sw = Mid swing (giữa thì đu đưa); T

Sw = Terminal swing (cuối thì đu đưa).

7.2 Phƣơng pháp phân tích định lƣợng dáng đi

Để có những thông tin định lượng chính xác về dáng đi bình thường cũng như bất

thường, người ta thường sử dụng những phương tiện đo lường từ đơn giản đến phức tạp.

Các tham số thu được có thể là các thông tin về chuyển động học thẳng và góc cũng như



những thông tin về lực động học và năng lượng. Hầu hết các phòng thí nghiệm lượng giá

dáng đi đều trang bị những camera (6-8 camerra) ghi hình vận động của cơ thể trong một

khoảng không gian nhất định. Mặt nền của đường đi có trang bị những bản ghi lực (force

plate) để đo lực phản ứng, từ đó cung cấp các thông tin về lực động học và năng lượng

tiêu hao. Cơ thể người được lượng giá được gắn những bộ cảm biến để nhận biết các

điểm mốc giải phẫu và cả những điện cực ghi điện cơ đồ. Tất cả những thông tin này

được đưa vào một hệ thống máy vi tính xử lý để cho ra những đường biểu diễn về chuyển

động học và lực động học dáng đi của đối tượng (hình 7-2). Từ đó, chúng ta sẽ có thể

phân tích chính xác về dáng đi của đối tượng để đưa ra kết luận tương ứng.

Hình 7-2: Một phòng thí nghiệm phân tích dáng đi với hệ thống camerra và bản ghi lực.

7.3. Chuyển động học thẳng khi đi và chạy

7.3.1. Đặc điểm chuyển động học thẳng của dáng đi

+ Nhịp bước đi (Stride): là khoảng từ một sự kiện của một chi đến cùng sự kiện của cùng

chi đó ở lần tiếp xúc tiếp theo. Ví dụ: từ lúc chạm gót chân phải đến lúc chạm gót chân

phải. Có thể chia nhịp bước đi thành hai bước đi.

+ Bước (step): phần của nhịp bước đi từ một sự kiện xảy ra ở chân này đến cùng một sự

kiện ở chân kia. Ví dụ: từ lúc chân phải chạm đất đến lúc chân trái chạm đất. Như vậy hai

bước thành một stride hay còn gọi là chu kỳ dáng đi.

Các tham số thường đo là:

- Chiều dài bước chân (step length)

- Chiều dài nhịp bước chân (stride length)

- Độ rộng bước chân (Step width): khoảng cách từ đường đi chân phải đến chân trái

- Tốc độ bước chân (cadence): số bước chân/giây (bình thường 1,9 bước/giây)

- Tốc độ chạy/đi (speed) = chiều dài bước đi * tốc độ nhịp bước đi

Hình 7-3. Nhịp bước chân (stride) và bước (step) trong chu kỳ dáng đi.



Như vậy có thể gia tăng tốc độ đi/chạy bằng cách gia tăng chiều dài bước chân hoặc tốc

độ bước hoặc cả hai. Nhiều nghiên cứu cho thấy để tăng tốc độ, ban đầu người chạy gia

tăng chiều dài bước chân. Tuy nhiên, mức gia tăng này có giới hạn và để chạy nhanh hơn,

người đó phải gia tăng tốc độ bước chân.

Mỗi người thường có một tốc độ đi ưa thích quen thuộc. Tốc độ này thường khoảng

1,46m/s.

Các thông số dáng đi được điều chỉnh khi các điều kiện cơ thể hoặc môi trường cản trở

chu kỳ dáng đi. Ví dụ, một người khiếm khuyết thể chất (như bại não… ) thường đi với

vận tốc và nhịp độ chậm hơn bằng cách tăng thì tựa, giảm thì đu đưa, và chiều dài bước

đi ngắn lại. Các yếu tố môi trường cũng ảnh hưởng tốc độ đi, ví dụ khi đi trên đường trơn

trượt, hầu hết giảm chiều dài bước chân và tăng độ rộng bước. Điều này giảm thiểu khả

năng ngã bằng cách tăng góc đánh gót với đất và giảm khả năng dịch chuyển bàn chân

trên mặt phẳng trơn trượt.

7.3.2. Đặc điểm chuyển động học góc của dáng đi

Phân tích chuyển động góc khi đi và chạy thường là biểu diễn hình học các hoạt động của

các khớp theo thời gian. Sự thay đổi tầm vận động nhiều nhất là ở mặt phẳng đứng dọc,

và có thể xác định bằng phân tích 2D. Một phân tích đầy đủ hơn (ba mặt phẳng) đòi hỏi

đánh giá bằng phân tích 3D.

Hình 7-4 biểu diễn sự thay đổi chuyển động học góc của các khớp chi dưới cả ở ba mặt

phẳng theo thứ tự là mặt phẳng trán, đứng dọc, và mặt phẳng ngang khi đi.

Hình 7-4: Chuyển động góc của các khớp chi dưới khi đi ở ba mặt phẳng



7.4. Phân tích lực động học thẳng động tác đi.

Các vận động khi đi là kết quả của co thắt cơ. Hình 7-5 tóm lược hoạt động cơ trong khi

đi. Các cơ chủ yếu để khởi đầu và ngừng các vận động của chi. Hầu hết hoạt động đong

đưa của chân là do tác dụng như quả lắc của trọng lượng và không cần co cơ gắng sức.

Hình 7-5: Hoạt động cơ trong khi đi. Trục ngang biểu diễn phần trăm của một nhịp bước

chân (zero: chạm gót và 100% là chạm gót cùng chân nhịp tiếp theo).

Đánh giá lực động học thường được thực hiện đầu tiên bằng cách đo lực phản ứng nền

của mặt nền lên cơ thể. Hình 7-6 cho thấy đường biểu diễn lực phản ứng đất điển hình

khi đi. Đường biểu diễn cho thấy đặc điểm của các giai đoạn tựa đơn và tựa kép và sự

chuyển lực từ bàn chân này sang bàn chân kia. Giai đoạn tựa kép, là giai đoạn chuyển lực

từ bàn chân này sang bàn chân kia, cho phép kiểm soát tốc độ tải (độ dốc của đường

cong) và giữ tốc độ chuyển tương đối thấp. Lực thẳng đứng vẫn giữ tương đối bằng trọng

lượng cơ thể suốt giai đoạn tựa đơn, và lực tối đa vào lúc chạm gót và nhấc chân chỉ cao

hơn trọng lượng cơ thể một ít. Lực cao ở hai thời điểm này là do cơ thể giảm tốc vào lúc

đánh gót và sau đó tăng tốc vào lúc nhấc ngón.

Hình 7-6: Các lực thẳng đứng điển hình trong dáng đi bình thường



Các lực trước-sau (hình 7-7) cho thấy các lực tác dụng dọc hướng của vận động, lực này

là các lực hãm (braking) hoặc lực tiến (driving) phụ thuộc vào hướng của chúng. Vào lúc

đánh gót lực tác động theo hướng ngược với vận động nên là lực hãm. Khi tâm khối đi

qua bàn chân và bắt đầu xuất hiện lực tiến, do đó lực trở nên dương và là lực đi tới. Điểm

mà lực thay đổi từ lực hãm sang lực tiến tới thường giữa 45% - 50% tổng thời gian tựa.

Những thay đổi với mẫu bình thường này sẽ gợi ý một dáng đi bất thường.

Hình 7-7. Các lực trước-sau điển hình trong dáng đi bình thường.

Một khía cạnh phân tích khác là công cơ học của cơ. Công của cơ là tích của moment

khớp và vận tốc góc khớp. Công dương khi có hoạt động co cơ hướng tâm, như các

moment gấp tạo nên vận động gấp. Công âm khi các hoạt động ly tâm, moment của lực

ngược chiều với vận động. Ví dụ, công âm sẽ tạo nên moment duỗi gối khi khớp gối đang

gấp. Thường thì công dao động quanh giá trị âm và dương nhiều lần trong chu chuyển đi

và chạy.

Hình 7-8 mô tả chuyển động học khớp, moment lực tổng của cơ, và công tương ứng ở

khớp háng, gối và cổ chân trong một bước đi.

Hình 7-8. Dịch chuyển góc, moment lực, và công trong một nhịp bước đi. A. Háng, B.

Gối, C. Cổ chân. Đường dọc đậm phân cách thì tựa và thì đu đưa.



Ở khớp háng, có một moment duỗi háng ở đầu thì tựa cho đến giữa thì tựa. Vào cuối thì

tựa, có một hấp thụ công khi các cơ gấp háng co làm giảm tốc độ duỗi háng. Chuẩn bị

cho nhấc chân, cơ gấp háng co lại để tạo công khởi đầu giai đoạn đong đưa. Háng tiếp tục

gấp trong thì đong đưa qua công được tạo nên bởi moment cơ gấp háng cho đến cuối giai

đoạn đong đưa bởi một moment duỗi háng.

Ở khớp gối, giai đoạn đáp ứng tải có sự gấp gối được kiểm soát bởi một moment duỗi gối

từ lúc chạm chân đến giữa thì tựa. Vào cuối thì tựa, lại có một moment gấp gối và di

chuyển đến một moment duỗi gối nhỏ. Trong thì đu đưa, ít có tạo công cho đến cuối giai

đoạn đu đưa, khi các cơ gấp gối hoạt động ly tâm để làm chậm động tác duỗi gối để chạm

gót chân.

Ở cổ chân có một moment gập mu bàn chân ngắn trong giai đoạn đầu của thì tựa khi bàn

chân được hạ xuống mặt đất. Sự chuyển sang moment gấp lòng bàn chân ban đầu xảy ra

qua hoạt động gấp lòng bàn chân để kiểm soát sự xoay của cẳng chân lên bàn chân. Sau

đó là tiếp tục moment gấp lòng bàn chân khi các cơ gấp lòng bàn chân co đồng tâm để

đẩy chân đi tới. Vào lúc bắt đầu thì đong đưa, sự gấp lòng bàn chân tiếp tục xảy ra dưới

sự kiểm soát của hoạt động cơ gấp mu bàn chân co ly tâm. Khi ở thì đong đưa, ở cổ chân

ít có công được tạo ra.

Vai trò của chi trên trong dáng đi: như một yếu tố làm vững hạn chế các thay đổi trong

động lượng góc của cơ thể và do đó bảo tồn năng lượng. Nếu không có tay thì cơ thể

(thân) sẽ lắc lư nhiều (động lượng góc) khi chân xoay ra trước và ra sau.

Hai tay đong đưa theo kiểu đối nghịch với hai chân (nghĩa là tay phải gấp vai và khuỷu

tối đa khi chân phải nhấc ngón và duỗi vai và khuỷu khi đánh gót phải). Do đó, thân trên

xoay theo hướng ngược với xương chậu. Hoạt động của hai tay tạo nên một động lượng

góc đối nghịch với chân và do đó giảm sự thay đổi động lượng góc của toàn cơ thể.

Ghi chú: mặc dù khối lượng của chân lớn hơn tay, hai tay có thể tạo động lượng hầu như

bằng với động lượng của hai chân. Điều này là do hai tay ở vị trí xa đường giữa hơn và

do đó cần ít khối lượng hơn để có cùng moment quán tính

Động lượng góc (L) = moment quán tính (I) * vận tốc góc (ω)

Trong mặt phẳng ngang, hai tay không có tác dụng bởi vì chúng hoạt động theo hướng

đối nghịch, nghĩa là tay này ra trước và tay kia ra sau. Về phương thẳng đứng hai tay

đóng góp khoảng < 5% lực nâng của cơ thể.

7.5. Các thay đổi dáng đi trên lâm sàng

Nhiều bệnh lý ảnh hưởng đến dáng đi và chức năng đi lại. Một số dáng đi bệnh lý thường

gặp là:

7.5.1. Dáng đi chống đau: đây là dáng đi của người bị đau khớp. Để giảm đau bệnh nhân

rút ngắn thời gian tựa ở bên đau và nhanh chóng chuyển trọng lượng sang chân kia.

7.5.2. Dáng đi cứng khớp háng: Khi khớp háng bị cứng, bệnh nhân không thể gấp khớp

háng khi đi để nhấc chân lên hở đất trong thì đu đưa.

7.5.3. Dáng đi khớp háng không vững:

Sự vững của khớp háng khi đi là nhờ các đầu xương của khớp được giữ trong vị trí vững

bởi các cơ và dây chằng quanh khớp.

a. Dáng đi Trendelenberg: như trường hợp phá vỡ giải phẫu bên phải trong gãy cổ xương

đùi chưa liền. Hoạt động của cơ mông nhỡ kéo xương chậu xuống dưới trong thì tựa

không hiệu quả hoặc yếu do mất một điểm tựa vững. Xương chậu hạ xuống ở phía bên

kia (tức là bên trái) gây nên mất vững.

b. Dáng đi cơ mông nhỡ: khi cơ mông nhỡ phải bị liệt, nó không thể kéo xương chậu phải

xuống do giảm chức năng cơ dạng ở trong thì tựa.



7.5.4. Dáng đi chân ngắn: chân ngắn chân dài trở nên rõ khi một chân ngắn hơn chân kia

1 inch (2,5 cm). Dáng đi nghiêng chậu xuống dưới rõ và biến dạng bàn chân ngựa.

7.5.5. Dáng đi bước cao: khi bàn chân rũ (yếu cơ gập mu chân), bàn chân vỗ lên đất khi

đánh gót và sau đó rũ xuống trong thì đu đưa. Để đưa bàn chân hở đất, khớp háng gấp

nhiều hơn tạo nên dáng đi bước cao.

7.5.6. Dáng đi cây kéo: đây là dáng đi đặc trưng của một trẻ bại não, co cứng rõ rệt hai

háng và cổ chân gập lòng.

7.5.7. Dáng đi bệnh nhân Parkinson: thân người gập về phía trước, đi bước nhỏ, nhanh,

chân đi với tầm vận động nhỏ hơn…

7.5.8. Dáng đi liệt nửa người: quét vòng (dạng chân) để hở chân liệt trong thì đu đưa.

7.5.9. Dáng đi thất điều: đi lảo đảo, mất thăng bằng như người say rượu

7.5.10. Dáng đi lật bật (dồn): bệnh nhân đi lên các ngón chân như bị đẩy, bắt đầu đi chậm

sau nhanh dần cho đến khi bệnh nhân vịn để ngừng lại

7.5.11. Dáng đi chân ngựa: đi gập cổ chân do hoạt động quá mức cơ gấp lòng bàn chân.

7.5.12. Dáng đi co cứng: thấy trong liệt cứng hai chân, vận động cứng, hai chân sát nhau,

háng và gối gấp nhẹ, co rút bàn chân.

Hình 7-9: Tóm lược các chuyển động góc của khớp và hoạt động cơ ở mặt phẳng đứng

dọc trong dáng đi bình thường.

Documents

Dai Cuong Sinh Co hoc