Cập nhật lần cuối vào 07/11/2021
XEM THÊM: THĂNG BẰNG VÀ TẬP THĂNG BẰNG
Mục lục
KHÁI NIỆM VỀ TRỌNG TÂM VÀ TÂM KHỐI
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 (Center of Mass, COM) và trọng tâm (Center of gravity, COG) 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 .
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.
Phương pháp xác định tâm khối thường dùng: Tổng hợp tâm khối của các phân đoạn.
CÂN BẰNG TĨNH VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG
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 , è F2 = -F1 = 196,2N (hướng lên)
Hình. Ví dụ cân bằng tĩnh (ΣF = 0).
Trong Hình sau, 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. 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 sau 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 . Xác định lực cơ nhị đầu trong điều kiện cân bằng tĩnh (điều kiện thứ hai)
Cân bằng động
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.
ĐỘ VỮNG VÀ GIỮ THĂNG BẰNG
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 sau 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 . 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 bằng 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 hoặc nạng). 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.
