SINH CƠ HỌC. HỆ ĐÒN BẨY VÀ CÁC LOẠI ĐÒN BẨY

Acximet từng nói: “Hãy cho tôi một điểm tựa tôi có thể nâng cả Trái đất này lên”. Con người có thể làm được việc đó không?

“Nhưng theo tính toán, nếu một người tác dụng một lực khoảng 600 N vào cánh tay đòn để nhấc được Trái đất lên thì cánh tay đòn dài phải gấp cánh tay đòn kia 100.000.000.000.000.000.000.000 lần. Nếu như chúng ta có thể tạo ra được một đòn bẩy có chiều dài như vậy, đặt trên một điểm tựa sát với Trái đất để nâng Trái đất lên được 1 cm thì đầu cánh tay đòn phải di chuyển một quãng đường lớn hơn 1.018km. Để di chuyển được một đoạn đường dài như vậy cần bao nhiêu thời gian? Giả sử một người có thể nâng được một vật 600 N lên cao 1 mét trong 1 giây vậy để nâng quả đất lên 1 cm cần phải mất hơn 30 nghìn tỷ năm.” 

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.

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…).

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:

• 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.
• 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.

CÁC LOẠI ĐÒN BẨY

Đòn bẩy được chia làm ba loại, I, II, và III

Đòn bẩy loại I

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.

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.

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.

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.

XEM VIDEO:

MỘT SỐ HỆ THỐNG CƠ HỌC KHÁC

Bánh xe và trục

Bánh xe và trục có thể tăng tốc độ và tầm vận động

• Hoạt động như một dạng đòn bẩy
• Thuận lợi cơ học =bán kính của bánh xe/bán kính của trục

Hãy xét xương cánh tay là một trục và cẳng tay/bàn tay là bánh xe

• Cơ chụp xoay xoay vào trong với tầm rất nhỏ
• Bàn tay sẽ di chuyển với tầm lớn hơn rất nhiều
• Như vậy sử dụng lực xoay xương cánh tay sẽ làm bàn tay di chuyển một khoảng cách lớn

Ròng rọc và hệ ròng rọc

Một ròng rọc gồm một/nhiều bánh xe có rãnh xoay quanh một/nhiều trục và một/nhiều sợi dây cáp chạy theo rãnh. Mục đích của ròng rọc là thay đổi hướng của lực, hoặc tăng hoặc giảm độ lớn của lực.

Ròng rọc cố định là một loại ròng rọc đơn giản, hoạt động như một đòn bẩy loại 1 với lực F ở một phía của ròng rọc (trục) và R ở phía kia. Nó thường để sử dụng để thay đổi hướng.

• Ví dụ lâm sàng có thể thấy ở ròng rọc qua đầu hoặc gắn tường và máy kéo cột sống cổ tại nhà.
• Trong cơ thể, mắt cá ngoài xương mác đóng vai trò như là một ròng rọc cho gân cơ mác dài và thay đổi hướng kéo và tăng hiệu quả của gân.
  Tương tự với cơ tứ đầu đùi, cơ thon…

Một ròng rọc di chuyển được có một đầu sợi dây gắn cố định sau đó dây đi qua ròng rọc đến đầu kia nơi tác dụng lực. Lực tải được treo từ ròng rọc di chuyển được. Lực tải được nâng đỡ bởi cả hai đoạn đây ở hai phía ròng rọc do đó nó có thuận lợi cơ học bằng 2. Chỉ cần ½ lực để nâng lực tải. Mặc dù chỉ cần ½ lực, cần phải kéo sợi dây đi xa 2 lần.

• Ví dụ ở cơ thể không có.