ביומכאניקה, biomechanics היא מילה גדולה שמכילה בתוכה תחום עוד יותר גדול.
המשמעות הכללית שלה היא יישום של חוקי המכאניקה על מערכות ביולוגיות. ההסבר נשמע קצר ופשוט אך מכאן המשמעות מתפתחת ומתפצלת לתת-תחומים רבים.
ניתן להבין את מורכבות הבעיה מההסבר הבא:
ניקח לדוגמא עמוד מבטון מזוין המחזיק גשר מחד ואת עצם השוק (טיביה, tibia) בבן-אדם בזמן עמידה מאידך. בשני המקרים התפקיד של המבנים דומה מאוד (אני מפשט מעט את העניין, בייחוד בנוגע למבנה הביולוגי): עמוד הבטון נושא את משקל הגשר ואילו עצם השוק נושאת את משקל האדם.
כאן פחות או יותר נגמר הדמיון.
עמוד הבטון המזוין מורכב מתערובת חומרים הומוגנית פחות או יותר של בטון ובתוכו משוקעות מוטות ברזל המוסיפות למבנה חוזק (על ההבדל בין חוזק, קשיחות וקשיות ראו קישור לתשובה קודמת בסוף העמוד). למעשה מבנה העמוד הוא חיקוי בסיסי ופשוט מאוד של המבנה המורכב של העצם, אבל על כך בהמשך. אם ניתן למהנדס את כל מפרט העמוד, קרי – המידות שלו, הרכב החומרים בבטון וסוג ומיקום מוטות המתכת הוא יוכל לחזות בדיוק מרשים את חוזק העמוד, כושר הנשיאה שלו, אורך החיים שלו ועוד.
העצם לעומת זאת מורכבת במידה כזאת שלא ניתן כיום לחקות אותה. המבנה הוא מבנה היררכי שמתחיל ברמה המולקולארית בקנה מידה ננומטרי (מיליונית המטר) ומסתיים בסדר הגודל של מילימטרים ספורים (אלפית המטר); פירושו של דבר שהמבנה המורכב של העצם משתרע על טווח של מספר סדרי גודל. מי שרוצה לקרוא יותר לעומק על מבנה העצם מוזמן לעשות זאת במאמר נוסף שכתבתי בקישור הבא (עצמות, שברים והתאחות). כפועל יוצא – העצם היא פלא הנדסי המשלב קשיחות עם גמישות יחסית מפתיעה. בנוסף (ובניגוד לעמוד הבטון) העצם גם מתקנת ומשנה את עצמה כל הזמן (כל עוד אנו חיים) כדי להתאים את עצמה לסביבה ולעומסים המופעלים עלייה. גם אם ניתן למהנדס את המפרט המלא של העצם כולל המידות, החומרים והמבנה הוא עדיין יתקשה מאוד לדייק בתכונות שלה וזאת בגלל המורכבות הרבה שלה.
ועד עכשיו דיברנו רק על עצם אחת!
אם ניקח את כל הגוף כולו על שלל מערכותיו ומיליארדי תאיו הרי שמדובר באינספור מערכות בעלות פעולה ביומכאנית או שהביומכאניקה משפיעה עליהם. עצמות הם רק הדוגמא הפשוטה והמובנה מעליה אך מה לגבי השיניים ומנגנון הלעיסה? מה לגבי הסחוסים, כלי הדם המתרחבים ומתכווצים ומתנגדים ללחצים, העור המאופיין בגמישות וחוזק גבוהים, הקיבה והמעי המתכווצים ומפעלים לחץ על המזון, הריסים המצויים במערכת הנשימה ומסיעים אבק ולכלוך החוצה ועוד ועוד.
כיום התחום המכונה "ביומכאניקה" התפתח אף יותר והוא מכיל תתי-התמחויות נוספות; הנה מספר דוגמאות:
(1). ביו-הנדסה: לדוגמא יצירת גפיים מלאכותיות, רובוטיקה ועוד.
(2). ביומכאניקה וספורט : הבנת התנועה ושיפור הטכניקה על מנת לשפר ביצועי ספורטאים. (השאלה שנשאלה כאן מתאימה לקטגוריה זו).
(3). ביו-חומרים: מחקר של החומרים הביולוגים עצמם, הבנת המורכבות והתכונות על מנת לרתום אותם לשירות התעשייה.
(4). ביו-הנדסה רפואית: הבנת התהליכים וההשפעות של מחלות שונות כמו אוסטאופורוסיס (התדלדלות עצם בגיל מבוגר), המכאניקה של שתלים ותהלכי החלמה של שברים.
לאחר ההסבר המקדים ה"קצר", די קל להבין ששאלה קצרה כמו "כיצד הביומכאניקה באה לידי ביטוי בזמן קפיצה לגובה" לא יכולה להיענות בקצרה ובפשטות. מספר הכיוונים מהם ניתן לגשת לשאלה הם רבים – ההסבר הביומכאני של הטכניקה עצמה, ההשפעות והתרומה של הרקמות הרכות, הרקמות הקשות, ההשפעה על מערכות הגוף ועוד. גם מספר הגורמים המשפיעים הוא רב ובאופן כללי ניתן לחלק אותם לגורמים חיצוניים (כוח המשיכה האחראי למשקל הגוף לדוגמא) וגורמים פנימיים (השרירים המפעלים עומסים על העצמות לדוגמא).
כדי לתת מענה מסוים, אנסה לענות על השאלה מכיוון הטכניקה (ההסבר הביומכאני של הטכניקה עצמה) ולהתמקד בעיקר ברגע הקפיצה (לאחר ההאצה) ובסגנון הפוסברי Fosbury flop (מכיוון שכל סגנון ייחודי יפעיל עומסים שונים והטכניקה עצמה תהייה שונה). בגלל מורכבות התשובה המלאה (יש ספרים שלמים בנושא) אנסה לפשט מעט את ההסבר ולתת רק את העקרונות העיקריים וההסברים הבסיסיים.
הקפיצה ניתנת לחלוקה ל 3: ההאצה, הקפיצה, והמעבר מעל לרף (בהנחה שהקופץ מצליח, כמובן).
ברגע הקפיצה מרכז הכובד מתחיל לנוע בצורת פרבולה והמטרה היא להעביר אותו מעל לרף (ראה תמונה למטה). זהו החלק החיוני בקפיצה. במידה והקופץ לא מצליח להעביר את מרכז הכובד מעל הרף הוא יכשל בקפיצה (מאידך גם אם הוא מצליח להעביר את מרכז הכובד מעל הרף הוא עדיין יכול להיפסל ע"י הפלת הרף בעזרת רגליו למשל).
החץ מסמל את מסלול הפרבולה של מרכז הכובד בזמן הקפיצה (באדיבות ויקיפדיה).
ככל ששיא הפרבולה יהיה גבוה יותר כך סיכויי ההצלחה של הקפיצה עולים.
בנוסף, מכיוון שהקפיצה מתחילה כאשר הגוף מאוזן וכמעט ב 90 מעלות לרף על הקופץ לסובב את גופו סביב מרכז הכובד עד למצב בו גבו מופנה אל הרף (רבע סיבוב) ובמקביל להרים את גופו
סגנון קפיצת הפוסברי בו הגוף מסתובב בזמן הקפיצה (בשני מישורים) תוך כדי כך שמרכז הכובד נע קדימה ולמעלה
תנועה זו, סביב ציר האורך של הגוף קרויה פיתול (twist) והיא יוצאת לפועל דרך נקודת הציר שהיא המגע של כף הרגל הקופצת עם הקרקע (ראה תמונה), המרכיב השני של התנועה הוא סיבוב סביב ציר ה"רוחב" של הגוף שפירושה היפוך – הרגליים מתרוממות למעלה בעוד הכתפיים יורדות למטה.
משמאל לימין - רגע הקפיצה ותנועת הפיתול (שמאל) ותנועת ההיפוך בה הרגליים עולות מעלה בעוד הכתפיים יורדות מטה (ימין). באדיבות ויקיפדיה
סימון הצעדים המובילים את הקופץ בזמן ההאצה לרגע הקפיצה.
במאמר מוסגר יש לציין שעומסי פיתול הם הקשים ביותר לעצמות בגוף והיכולת שלהם לעמוד בעומסים אלו היא הקטנה ביותר (בהשוואה לעומסי לחיצה, מתיחה וכפיפה) לכן הטכניקה חשובה מאוד כדי להקטין את הסיכון לנזקים בקפיצה לגפיים התחתונות.
שילוב 2 תנועות הסיבוב הללו יחד עם האנרגיה הקינטית הנצברת במהלך ההאצה גורמים לגוף לנוע קדימה ולמעלה בעוד שמנח הגוף משתנה ממאונך לכמעט אופקי ומניצב לרף למקביל לרף (פנים כלפי השמיים).
למי שהקפיצה לגובה בדמו והבנת טכניקת הקפיצה מבחינה ביומכאנית חשובה לו מומלץ לקרוא את ההסבר הארוך והמפורט בקישור הבא: טכניקת הקפיצה בסגנון פוסברי
מאת: ד"ר מאיר ברק
המחלקה לביולוגיה מבנית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
