Mekanik - SABİS - Sakarya Üniversitesi
advertisement
Biyomekanik Temel Kavramlar Dr. Murat Çilli Sakarya Üniversitesi Beden Eğitimi ve Spor Yüksekokulu Antrenörlük Eğitimi Bölümü Doğanın incelenmesi amacıyla fizik bilim dalı oluşmuş ve bu bilim dalı bugün ki teknolojinin gelişmesinde önemli bir rol oynamıştır. Doğanın bilimi olan Fizik, bilimsel gelişmeler sonunda (Mekanik, Elektrik, Çekirdek, Atom fiziği, Katı hal fiziği, vb.,) pek çok dallara ayrılmıştır. Cisimlerin denge ve hareketlerini inceleyen bilim dalına mekanik adı verilir. Mekanik bilim dalının başlangıcı neredeyse medeniyetin başlangıcı kadar eskidir. Mekanikte kuvvetlerin etkisinde cisimlerin dengesini inceleyen kısmına statik ve hareketlerini inceleyen kısmına da dinamik adı verilir. Bilim ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte mekaniğin (Klasik mekanik) yasaları yetersiz kalmıştır bu nedenle, parçacıkların hızlarının ışık hızlarına yanaşmasını açıklayabilen mekaniğin rölativite, çekirdek fiziğinde incelenen sistemin boyutlarının çok küçük olması nedeniyle onların incelenmesini sağlayan mekaniğin kuantum mekaniği dalları oluşmuştur. Temel Kavramlar Fizik Mekanik Statik Dinamik Kinematik Kinetik Temel Kavramlar – Mekanik Mekanik, fizik bilimlerinin en eskisidir. Kaldıraçları ve suyun kaldırma kuvvetini kapsayan tarihteki ilk yazılı mekanik prensipler Arşimet‘ e (M.Ö. 287-M.Ö. 212) aittir. Makara, eğik düzlem ve somun anahtarı ile ilgili çalışmalar da antik metinlere kaydedilmiştir. Arşimetten sonra gelen İbn-i Heysem, İbn-i Sina, İbn Bacce gibi müslüman bilim adamları ile Galilei, Kepler, Leonardo da Vinci, Varignon, d'Alembert, Stevinus, Newton, Lagrange gibi batılı bilim adamlarının çalışmaları sayesinde Mekanik bugünkü seviyesine gelmiştir. Temel Kavramlar – Mekanik Katı Cisimler Mekanik Şekil Değiştirilebilir Cisimler Akışkanlar Temel Kavramlar – Mekanik - Katı Cisim Mekaniği 1- Katı cisimlerin mekaniği Kuvvetlerin tesiri altındaki bir cismi meydana getiren tüm parçaların, birbirlerine göre izafi olarak şekil değiştirmediği cisme katı cisim denir. Biyomekanik araştırmalarda genellikle insan vücudu katı cisim olarak kabul edilir. Temel Kavramlar – Mekanik - Katı Cisim Mekaniği Ne var ki bu cisim ideal bir cisimdir ve gerçekte katı cisim olsalarda tüm cisimler kuvvet etkisiyle elastik veya plastik şekil değiştirirler. Temel Kavramlar – Mekanik - Şekil Değiştirebilir Cisim Mekaniği 2- Şekil değiştirebilir cisimlerin mekaniği Katı cisimler mekaniğinde cisimlerin tamamen katı – şekil değiştirmez oldukları varsayılır. Gerçekte ise hiçbir yapı veya makine tamamen katı değildir ve maruz kaldığı kuvvetlerin etkisi altında mutlaka bir miktar şekil değiştirir. Araştırmalarda göz önüne alınan nokta, yapı veya elemanın hasar miktarı veya hasara karşı gösterdiği direnç ise bu şekil değişimleri önem kazanır ve bu tür cisimler “Şekil Değiştirebilen Cisimler Mekaniği” altında incelenir. Bu tür cisimleri meydana getiren tüm parçaların, birbirlerine göre sonlu miktarda şekil değiştirdikleri kabul edilir. 4D Impact ball in slow motion, golf ball like bouncing FE analysis of sepaktakraw ball-to-head impact Temel Kavramlar – Mekanik - Şekil Değiştirebilir Cisim Mekaniği T. Asai et all, Faculty of Education, Yamagata University, Yamagata, Japan Temel Kavramlar – Mekanik - Akışkanlar Mekaniği 3- Akışkanlar mekaniği Gaz ve sıvılar gibi Akışkanların dengesini inceleyen bilim dalıdır. Uygulanan kuvvetler etkisi altında Katı cisimler şekil değiştirmez ve şekil değiştirebilir cisimler sonlu miktarda şekil değiştirirken akışkanlar uygulanan gerilme altında sürekli olarak şekil değişimine uğrar. Temel Kavramlar – Mekanik - Akışkanlar Mekaniği Bazı durumlarda akışkan kuvvetler cisimlerin hareketleri üzerinde küçük etkilerde bulunur ve bu etkiler göz ardı edilebilir ( Gülle Atma ). Diğer durumlarda ise akışkan kuvvetler cismin hareketinde etkili olurlar ( badminton, tenis, yüzme, bisiklet, kayak vb ) Temel Kavramlar – Mekanik - Akışkanlar Mekaniği Arıtan S. Biyomekanik Araştırma Grubu, Hacettepe Üniversitesi Temel Kavramlar – Mekanik - Katı Cisim Mekaniği Katı Cisim Dinamik Statik Temel Kavramlar – Mekanik - Katı Cisim Mekaniği - Statik Statik Mekaniğin durağan yada sabit hıza sahip sistemleri inceleyen dalıdır. Temel Kavramlar – Mekanik - Katı Cisim Mekaniği - Statik Temel Kavramlar – Mekanik - Katı Cisim Mekaniği Mekaniği-Dinamik - Dinamik Dinamik Mekaniğin ivmeli hareket gerçekleştiren sistemleri inceleyen dalıdır. Statik Hareket Dinamik Hareket Temel Kavramlar – Kinematik & Kinetik Katı Cisim Dinamik Kinematik Kinetik Statik Temel Kavramlar – Kinematik & Kinetik Kinematik Hareketi doğuran sebepler göz ardı edilerek, hareketin nasıl gerçekleştiği ele alınır. Konum, yer değiştirme, hız ve ivme büyüklükleri ile incelenir. Kinetik Hareket, kuvvet, kütle, moment, eylemsizlik momenti gibi büyüklükler ve bunların etkileri göz önüne alınarak incelenir. Neredeyse insanlık tarihi kadar eski olan Mekanik bilim dalında, onunla ilgili doğa yasalarını anlatabilmek için uzunluk, kütle, zaman ve onlardan türetilen fiziksel nicelikler yer almaktadır. Fiziksel büyüklükler görünüm ve izlenimlerine göre skaler ve vektörel olmak üzere iki kısma ayrılmaktadırlar. Günlük yaşantımızdan gözlemlerle bile bu ayrımı hisseder ve anlarız. Arabamızı bir yere park ederken arkadaşımızın bize seslenişi; sol yap yavaş gel, biraz sağa kır yavaş gel, tamam ama sağ yapıp az daha git gibi şeklinde olur, buradaki yavaş gel sözü esasında fiziksel bir büyüklük olan ve arabanın birim zamandaki hareketini belirleyen hız 'dır ve böylece bu büyüklüğün, hem birim zamandaki hareketi anlatırken ayrıca bunun birde yönle birlikte belirtilmesine gereksinimi olduğunu anlarız. Skaler nicelikler yapılan işlemlerde (toplama, çıkarma, çarpma ve bölme gibi) cebir kuralları uygulanır ve skaler niceliklerin pozitif olanları ( + elektrik yükü, + İş ) olduğu gibi negatif olanları da ( elektrik yükü, - iş ) vardır. Vektörlerle yapılan işlemlerde cebir kuralları uygulanamaz bunlara uygulanacak işlemler, vektörel işlemler, analitik metot ve grafik metotlardır. Temel Kavramlar – Skaler & Vektörel Büyüklükler Skaler büyüklük sadece miktar ifade eder. kütle Uzunluk zaman Bazı büyüklükleri ise sadece miktar ile ifade etmek açıklayıcı olmaz. Sakaryadan hareket eden trenin ne kadar yol aldığını tarif ederken kaç km yol aldığının yanında hangi yönde yol aldığını da ifade etmek gerekir. Bu türden büyüklükler vektörel büyüklükler olarak adlandırılırken hem miktar hem de yön bilgisi içerirler. Hız Kuvvet Temel Kavramlar – Zaman Zaman Zaman olgusu fizikte 't' (Latince zaman anlamına gelen tempus kelimesinin baş harfi) harfiyle tanımlanır. Zaman, iki hareket arasındaki süre olarak tanımlanabilir. Zaman skaler bir büyüklük olup SI birim sisteminde saniye olarak ifade edilir. 1 sa=60 dk 1 sa=3600 sn 1 dk=60 sn 1 saniye=100 salise 1 saniye=1000 milisaniye 1 Gün=24 saat 1 Ay=30-31 gün 1 Yıl=12 ay 365 gün 1 Asır=100 yıl Temel Kavramlar – Zaman AN Kavramı Bir cisim hareket ediyorsa mutlaka bir zaman geçmiş demektir. En kısa zamanı genelde AN olarak adlandırırız. Zamanı ölçmek için kullandığımız cihaza bağlı olarak AN diğer bir değişle en küçük zaman kavramı değişebilir. Saniyede 25 kare görüntü kayıt eden bir video kamerada AN saniyenin 25 te biri diğer bir ifade ile 0.04 saniyedir. Bu sürede gerçekleşen değişimleri insan gözü takip edebilir. Saniyede 50 000 kare çeken bir hızlı kamerada ise AN saniyenin 50000 de biri yani 0.00002 saniyedir. Bir 100 m koşucusu her adımında yerde ne kadar süre geçirir ? Studies led by the American based researcher Peter Weyand have found that at top speed an elite sprinter's foot will typically spend 0.08 seconds in contact with the ground at the beginning of each stride compared with about 0.12 seconds for an amateur athlete. Sam Allen says the fastest sprinters seem to be spend about 60% of the time in the air, with no foot on the ground, while for amateur athletes it's more like 50%. Temel Kavramlar – Konum – Bir boyutta konum Bir cismin, seçilen bir başlangıç noktasına olan uzaklığına o cismin konumu denir. Konum vektörel bir büyüklüktür. Bir diğer ifadeye göre “bir hareketlinin sabit bir noktaya göre belirtilen vektörel uzaklığıdır”. Basketbol Topunun konumu Futbol Topunun konumu -2m -1m x=-2m x=+1m 0m +1m +2m Temel Kavramlar – Konum – 2 Boyutta konum 4 3 -3 Basketbol topunun konumu ( - 3 , 3 ) x=-3m , y=3m 6 Futbol topunun konumu ( 6 , 4 ) x=6m , y=4m Temel Kavramlar – Yer değiştirme Cismin konumundaki değişmeye yer değiştirme denir ve Δx ile gösterilir. Yer değiştirme, cismin son konumu ile ilk konumu arasındaki farktır ve son konumundan ilk konumun çıkarılmasıyla bulunur. Δx = X2 – X1 Şekildeki topun sıfır noktasına göre ilk konumu -10 m dir. Daha sonra top sağa doğru hareket edip ikinci konumuna yani +15 m ye gelmiştir. Bu durumda topun gerçekleştirdiği yer değiştirme Δx = 15 – (-10) = 25 m Yer değiştirme örneği olarak adım uzunluğu Yer değiştirme örneği olarak adım uzunluğu boy ile adım uzunluğu arasında ilişki ? Yer değiştirme örneği olarak adım uzunluğu Farklı yürüme ve koşuda aletlerinde adım uzunluğu değişimi Bir 100 m koşucusu her adımında ne kadar yer değiştirir ? Research shows that an amateur runner often takes between 50 and 55 steps to complete 100m, while an elite sprinter takes in the region of 45. Bolt typically completes a 100m race in about 41 steps Bolt ortalama adım uzunluğu; 100 / 41 = 2.43m Temel Kavramlar – Hareket Hareket, cismin konumunun sürekli biçimde değişmesidir. Yani bir cismin sabit kabul edilen bir noktaya göre zamanla yer değiştirmesine hareket denir. Hareket Doğrusal Hareket •Rectilinear •Curvilineer Açısal Hareket Birleşik Hareket Doğrusal & Açısal Research shows that an amateur runner often takes between 50 and 55 steps to complete 100m, while an elite sprinter takes in the region of 45. Bolt typically completes a 100m race in about 41 steps - three or four fewer than his rivals. Temel Kavramlar – Hareket – Doğrusal Hareket Doğrusal Hareket Bir bedende yada cisimde yer alan tüm noktalar aynı zamanda, aynı yönde ve aynı miktarda hareket gerçekleştirir. Rectilinear Düz bir çizgi üzerindeki hareket Curvilinear Bir eğri üzerindeki hareket Temel Kavramlar – Hareket – Açısal Hareket Açısal Hareket Bir bedende yada cisimdeki tüm noktalar sabit nokta yada dönme ekseni etrafında dairesel hareket gerçekleştirir. Temel Kavramlar – Anatomik Düzlemler & Eksenler Temel Kavramlar – Anatomik Düzlemler & Eksenler – Sagittal Düzlem Temel Kavramlar – Anatomik Düzlemler & Eksenler – Frontal Düzlem Temel Kavramlar – Anatomik Düzlemler & Eksenler – Transvers Düzlem
