Kuvvet, Yük ve Destek Noktası

Açılış

Bedendeki her kemik–eklem–kas takımı bir kaldıraç gibi çalışır. Bir kaldıracın üç noktası vardır: kaldıracın çevresinde döndüğü destek noktası, kaldıracı döndürmek için kuvvetin uygulandığı nokta ve kaldıracın yenmeye çalıştığı yükün bulunduğu nokta. Bedende destek noktası eklemdir, kuvvet noktası kasın kemiğe tutunduğu yerdir, yük ise uzvun kendi ağırlığı ile taşıdığı nesnenin ağırlığıdır. Önkolunu yatay tutup avucunda bir kitap taşıdığında, destek noktası dirsek, kuvvet noktası musculus biceps brachii'nin önkola tutunduğu yer, yük ise avucundaki kitaptır. Bu üç noktanın birbirine uzaklıkları, kasın ne kadar kuvvet üretmesi gerektiğini belirler.

Kas neden taşıdığı yükten çok daha büyük bir kuvvet üretmek zorunda kalır? Aynı kitabı avucunda değil de dirseğine yakın tuttuğunda neden daha hafif gelir? Ve bedendeki bütün kaldıraçlarda bu üç nokta aynı sırayla mı dizilir?

Bu derste ne olacak

Önce kaldıracın üç noktasını bedendeki karşılıklarıyla adlandıracağız. Sonra bir kuvvetin döndürme etkisini, kuvvet ile dönme noktasına olan dik uzaklığın çarpımı olarak tanımlayacağız. Ardından dirsekte kasın kuvveti ile yükün dengesini basit bir hesapla göreceğiz. Son olarak bu üç noktanın bedende farklı sıralarda dizilebildiğini ve bu sıranın kaldıracın türünü belirlediğini ele alacağız.

Sıfır noktası

Mekanizma

Üç nokta, bedende

Ders 08-01'de kasın düz bir çizgide çektiğini, eklemin bu çekmeyi bir dönmeye çevirdiğini gördük. Bu dönüşümü kaldıraç ilkesi açıklar. Eklem dönme merkezidir ve kaldıracın destek noktasını oluşturur. Kasın kemiğe tutunduğu yer kuvvet noktasıdır. Uzvun ağırlığı ve taşınan nesnenin ağırlığı yük noktasında etki eder.

Bir kaldıraçta destek noktası ile kuvvet noktası arasındaki dik uzaklığa kuvvet kolu, destek noktası ile yük noktası arasındaki dik uzaklığa yük kolu denir. Ders 08-19'da gördüğümüz moment kolu, kasın kuvvet koludur. Bir kaldıracın nasıl çalışacağını bu iki kolun uzunlukları belirler.

Döndürme momenti ve denge

Bir kuvvetin bir eklemi ne kadar güçlü döndürdüğü, yalnızca kuvvetin büyüklüğüne değil, kuvvetin dönme noktasına olan dik uzaklığına da bağlıdır. Döndürme momenti bu ikisinin çarpımıdır. Bir kapıyı menteşeye yakın bir yerden itmek neden zordur, kolundan itmek neden kolaydır sorusunun cevabı da budur: aynı kuvvet, menteşeden uzakta daha büyük bir döndürme momenti üretir.

Bir kaldıraç dengedeyken iki taraftaki momentler eşittir: kasın kuvveti çarpı kuvvet kolu, yük çarpı yük koluna eşittir. Kaldıraç ancak kasın momenti yükün momentinden büyük olduğunda yükü kaldırır; küçük olduğunda yük kaldıracı aşağı çeker ve kas, Ders 08-01'de gördüğümüz gibi, uzayarak inişi frenler.

Dirsekte bir hesap

Önkol yatayken musculus biceps brachii önkolun dış kemiğindeki bir çıkıntıya, tuberositas radii'ye, dirsek ekleminden yaklaşık beş santimetre ötede tutunur; yanındaki musculus brachialis de dirseğe benzer bir uzaklıkta tutunur. Avuçtaki bir kitap ise dirsekten yaklaşık otuz beş santimetre uzaktadır. Kasın kuvvet kolu yük kolunun yedide biridir. Kitabı dengede tutmak için kasın, kitabın ağırlığının yaklaşık yedi katı büyüklüğünde bir kuvvet üretmesi gerekir; önkolun kendi ağırlığı da hesaba katıldığında bu kuvvet daha da artar.

Bu düzende mekanik avantaj birden küçüktür ve kas kuvvet açısından dezavantajlı görünür. Ama aynı düzen hız kazandırır: kasın bir santimetrelik kısalması, eli yaklaşık yedi santimetre hareket ettirir. Kitabı dirseğe yaklaştırdığında yük kolu kısalır ve kasın üretmesi gereken kuvvet aynı oranda azalır. Ağır bir yükü gövdeye yakın taşımanın kolaylığı bu ilişkiden gelir.

Üç noktanın sırası

Bedendeki bütün kaldıraçlarda bu üç nokta aynı sırayla dizilmez. Dirsekte kuvvet noktası, destek noktası ile yükün arasındadır. Başın omurgaya oturduğu eklemde, articulatio atlantooccipitalis'te, ise destek noktası ortadadır: başın ağırlığı eklemin önünde, başı arkadan tutan ense kasları, örneğin musculus semispinalis capitis ve musculus splenius capitis, eklemin arkasında durur. Ayağının ucuna yükseldiğinde ise ayak parmaklarının köküne yakın bölge destek noktası olur, beden ağırlığı ayak bileğinde, musculus gastrocnemius ve musculus soleus'un kuvveti ise tendo calcaneus aracılığıyla topukta etki eder; yük bu kez ortadadır.

Anatomistler kaldıraçları bu sıraya göre üç sınıfa ayırır: destek noktası ortada olan birinci sınıf, yük ortada olan ikinci sınıf ve kuvvet ortada olan üçüncü sınıf kaldıraçlar. Hangi noktanın ortada olduğu, kaldıracın kuvvet mi yoksa hız mı kazandırdığını belirler. Bedenin kaldıraçlarının çoğu dirsekteki gibi üçüncü sınıftır ve kuvvetten vazgeçip hız ve hareket genişliği kazanır.

Kendin dene

Toparlayalım

• Bedende eklem destek noktası, kasın tutunduğu yer kuvvet noktası, uzvun ve taşınan nesnenin ağırlığı yüktür.
• Destek noktası ile kuvvet noktası arasındaki dik uzaklık kuvvet kolu, destek noktası ile yük arasındaki uzaklık yük koludur.
• Döndürme momenti kuvvet ile dik uzaklığın çarpımıdır; kaldıraç dengedeyken iki taraftaki momentler eşittir.
• Önkol yatayken musculus biceps brachii, avuçtaki yükün yaklaşık yedi katı kuvvet üretir.
• Kuvvet kolu yük kolundan kısaysa kaldıraç kuvvet kaybettirir ama hız ve hareket genişliği kazandırır.
• Üç noktanın sırası kaldıracın sınıfını belirler: destek ortada birinci, yük ortada ikinci, kuvvet ortada üçüncü sınıf.
• Bedenin kaldıraçlarının çoğu üçüncü sınıftır.

Bu derste kaldıracın üç noktasını ve bunların sırasının üç sınıf oluşturduğunu gördük. Bu sınıfların ilkinde destek noktası kuvvet ile yükün arasındadır ve kaldıraç, bir tahterevalli gibi, bir tarafı aşağı indiğinde öteki tarafı yukarı kaldırır. Bir sonraki derste bu düzeni, başın omurganın üstünde dengede durmasında ve bedenin öteki birinci sınıf kaldıraçlarında göreceğiz. Birinci Sınıf Kaldıraç.