İkinci Sınıf Kaldıraç

Açılış

Ayağının ucunda yükseldiğinde bütün beden ağırlığın birkaç santimetre yukarı kalkar. Bunu yapan, baldırın arkasındaki musculus gastrocnemius ile musculus soleus'tur; iki kas tendo calcaneus aracılığıyla topuk kemiğinin arka ucunu yukarı çeker. Ayak, parmakların kökündeki kemik çıkıntıların üzerinde döner; beden ağırlığı ise kaval kemiğinden ayak bileğine iner. Bu düzende destek noktası ayağın ön ucunda, kuvvet noktası topukta, yük ise ikisinin arasında, ayak bileğindedir. Bir el arabasında olduğu gibi yükün ortada durduğu bu düzene ikinci sınıf kaldıraç denir. İkinci sınıf kaldıraç, kaldıracın ortasındaki yüke göre her zaman kuvvet kazandırır. Ama ayakta bu yükün yalnızca beden ağırlığı olmadığını, baldır kaslarının bu yüzden beden ağırlığının birkaç katı kuvvet ürettiğini göreceğiz.

Yük ortada olduğunda kaldıraç neden her zaman kuvvet kazandırır? Bedende bu düzen neden bu kadar az görülür? Ve aşil tendonu kopan bir kişi neden tek ayağının ucunda yükselemez?

Bu derste ne olacak

Önce ikinci sınıf kaldıracın düzenini ve kuvvet kolunun neden her zaman yük kolundan uzun olduğunu göreceğiz. Sonra ayak ucunda yükselmeyi bu düzenle çözümleyecek ve aynı hareketin başka bir biçimde de okunabildiğini tartışacağız. Ardından ikinci sınıf kaldıracın kazandırdığı kuvvetin bedelini, hız ve hareket genişliği kaybını ele alacağız. Son olarak aşil tendonu kopmasının bu kaldıracı nasıl bozduğunu ve hekimin bunu basit bir muayeneyle nasıl fark ettiğini inceleyeceğiz.

Sıfır noktası

Mekanizma

Yük ortada: her zaman kuvvet kazancı

Ders 08-21'de kaldıracın üç noktasının sırasının sınıfı belirlediğini gördük. İkinci sınıf kaldıraçta destek bir uçta, kuvvet öbür uçta, yük ise aradadır. Bu düzende kuvvet noktası destek noktasından her zaman yükten daha uzaktadır; kuvvet kolu yük kolundan uzundur.

Bu yüzden ikinci sınıf kaldıraç her zaman kuvvet kazandırır: kasın momenti yükün momentine eşit olduğunda, kasın kuvveti yükün ağırlığından küçüktür. Ders 08-22'deki birinci sınıf kaldıraçtan farklı olarak, burada kuvvet ile yük aynı yönde hareket eder. Kas topuğu yukarı çektiğinde yük, yani beden, de yukarı kalkar. Bir el arabasının tekerleği destek noktası, arabadaki yük orta, sapları tutan eller kuvvet noktasıdır; ağır bir yük, küçük bir kuvvetle kaldırılabilir.

Ayak ucunda yükselme

Ayak ucunda yükselirken ayak, capita ossium metatarsi'nin üzerinde döner. Beden ağırlığı kaval kemiğinden ayak bileği eklemine iner ve bu nokta, parmak köklerinden topuğa uzanan ayak kaldıracının ortasına yakındır. Musculus gastrocnemius ve musculus soleus'un kuvveti ise tendo calcaneus üzerinden ayağın en arka ucuna, tuber calcanei'ye etki eder. Topuk, parmak köklerinden ayak bileğinden daha uzak olduğu için kasın kuvvet kolu yük kolundan uzundur. Ancak ayak bileğine etki eden yük yalnızca beden ağırlığı değildir. Kaval kemiği ayağa, beden ağırlığı ile baldır kaslarının kuvvetinin toplamı kadar bir basınçla bastırır; çünkü kas, topuğu yukarı çekerken ayağı aynı zamanda bilekten kaval kemiğine doğru sıkıştırır.

Bu çözümleme ayağın yerle temas ettiği noktayı destek noktası sayar ve ders kitaplarında sık kullanılır. Bazı biyomekanik çözümlemeler ise ayak bileği eklemini dönme noktası kabul eder; bu durumda kasın kuvveti eklemin arkasında, yerden gelen tepki kuvveti ise önünde kalır ve aynı hareket birinci sınıf kaldıraç olarak okunur. İki okuma da doğru hesaplandığında aynı kas kuvvetini verir. Ayak bileği ile parmak kökleri arasındaki uzaklık, topuk ile ayak bileği arasındaki uzaklığın yaklaşık iki buçuk katı olduğundan, baldır kasları ayak ucunda dururken beden ağırlığının yaklaşık iki buçuk katı kuvvet üretir; ayak bileği eklemi ise bu kuvvet ile beden ağırlığının toplamını taşır.

Kazancın bedeli ve seyrekliği

İkinci sınıf kaldıraç kuvvet kazandırır ama hız ve hareket genişliğinden verir. Topuk birkaç santimetre yukarı kalktığında beden daha kısa bir mesafe yükselir; kasın kısalması, yükün hareketinden fazladır. Ayakta bu kazanç, beden ağırlığına göre değil, ayak bileğinden geçen toplam basınca göredir; beden ağırlığını kaldırmak için baldır kaslarının yine de onun birkaç katı kuvvet üretmesi gerekir. Aşil tendonunun bedenin en kalın tendonu olması, bu büyük kuvveti her adımda taşımasıyla uyumludur.

Bedende ikinci sınıf kaldıraç seyrektir. Kasların çoğu eklemin çok yakınına tutunur ve yük uzvun ucunda kalır; bu düzen, bir sonraki derste göreceğimiz gibi, üçüncü sınıf kaldıraç oluşturur. Beden kuvvet yerine çoğunlukla hız ve hareket genişliği kazanmayı seçer; ayak ucunda yükselme, büyük bir yükün kaldırılması gereken ender durumlardan biridir.

Klinik bağ: aşil tendonu kopması

Tendo calcaneus, çoğunlukla orta yaşlı ve ara sıra spor yapan kişilerde, ani bir sıçrama ya da koşmaya başlama sırasında kopabilir. Kişi topuğunun üstüne biri vurmuş ya da taş çarpmış gibi bir his tarif eder. Tendon koptuğunda ikinci sınıf kaldıracın kuvvet noktası ile kas arasındaki bağlantı kesilir. Ayağın arkasındaki derin kaslar ayağı zayıf olarak aşağı bükebildiği için kişi yürüyebilir, ama tek ayağının ucunda yükselemez.

Hekim bu kopmayı Thompson testiyle fark eder. Kişi yüzüstü yatar ve ayakları yatağın kenarından sarkar. Hekim baldırın kas karnını sıkar. Tendon sağlamsa kasın sıkılması tendonu çeker ve ayak aşağı doğru hareket eder; tendon kopmuşsa ayak hareket etmez. Bu basit muayene, ağrı ve şişlik nedeniyle tendonun elle yoklanamadığı durumlarda bile kopmayı gösterir.

Kendin dene

Toparlayalım

• İkinci sınıf kaldıraçta yük, destek noktası ile kuvvet noktasının arasındadır.
• Kuvvet kolu her zaman yük kolundan uzundur; kaldıraç ortadaki yüke göre kuvvet kazandırır ve hız kaybettirir.
• Ayak ucunda yükselirken destek capita ossium metatarsi, yük ayak bileği, kuvvet noktası tuber calcanei'dir.
• Musculus gastrocnemius ve musculus soleus kuvveti tendo calcaneus üzerinden topuğa iletir.
• Ayaktaki yük beden ağırlığı artı kas kuvvetidir; baldır kasları beden ağırlığının yaklaşık iki buçuk katı kuvvet üretir.
• Bedende ikinci sınıf kaldıraç seyrektir; kasların çoğu üçüncü sınıf düzende çalışır.
• Aşil tendonu kopmasında tek ayak ucunda yükselinemez; Thompson testinde baldır sıkılınca ayak hareket etmez.

Bu derste yükün ortada olduğu, kuvvet kazandıran kaldıracı gördük. Üçüncü sınıf kaldıraçta ise kuvvet ortadadır: kas eklemin yakınına tutunur ve yük uzvun ucunda kalır. Bir sonraki derste bu düzeni dirsekte ve çenede göreceğiz ve bedenin kaldıraçlarının neden büyük çoğunlukla bu sınıfta olduğunu tartışacağız. Üçüncü Sınıf Kaldıraç.