Đại cương cơ thể động học

1. TỔNG QUAN

Cơ thể động học (tiếng Anh: Kinesiology, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp cổ đại κίνησις (kínēsis) ‘‘chuyển động’’ và -λογία -logía ‘‘nghiên cứu về’’) là bộ môn khoa học nghiên cứu về chuyển động của cơ thể con người. Cơ thể động học đề cập đến các nguyên tắc sinh lý, giải phẫu, cơ sinh học, bệnh lý, tâm thần kinh và cơ chế vận động. Các ứng dụng của động học đối với sức khỏe con người bao gồm cơ sinh học và chỉnh hình; sức mạnh và thích nghi; tâm lý thể thao; điều hòa chuyển động; học tập kỹ năng và học tập vận động; các phương pháp phục hồi chức năng, chẳng hạn như vật lý trị liệu và điều trị bệnh nghề nghiệp; sinh lý của thể thao và thể dục. Các nghiên cứu về chuyển động của con người và động vật bao gồm các phép đo từ hệ thống theo dõi chuyển động, điện sinh lý hoạt động của cơ và não, các phương pháp khác nhau để theo dõi chức năng sinh lý và các kỹ thuật nghiên cứu hành vi và nhận thức khác [1,2].

Cơ thể động học không chỉ đơn thuần được nghiên cứu để kích thích sự quan tâm của chúng ta đối với một chủ đề hấp dẫn và bí ẩn mà nó thực sự rất hữu ích. Chúng ta nghiên cứu cơ thể động học để cải thiện hiệu suất bằng cách học cách phân tích các chuyển động của cơ thể con người và khám phá các nguyên tắc cơ bản của chúng. Cơ thể động học là một phần thiết yếu của giáo dục thể chất, khiêu vũ, thể thao, phục hồi chức năng và chỉnh hình. Kiến thức về cơ thể động học sẽ cho phép những người công tác trong các lĩnh vực này làm việc với sự an toàn, hiệu quả và hiệu suất tối ưu.

Ngày nay, chúng ta đều biết việc không hoạt động thể chất có liên quan đến nhiều loại bệnh như ung thư, tim mạch và đái tháo đường. Tương tự, tập thể dục và hoạt động thể chất là những phương pháp điều trị chính cho những nhóm bệnh này và thậm chí đối với chứng sa sút trí tuệ. Tuy nhiên, bạn không thể tập thể dục khi bị chấn thương và đó là lúc mà kiến thức về cơ thể động học thể hiện vai trò quan trọng của mình. Mọi người vẫn chưa có đủ nhận thức về việc các hoạt động hằng ngày, bất kể mức độ cường độ, thay đổi độ chính xác của chuyển động khớp như thế nào. Trớ trêu là hiện tại có rất nhiều bằng chứng về chi phí chăm sóc bệnh nhân bệnh béo phì đang ngày càng tăng. Khi cộng đồng chăm sóc y tế tăng cường nỗ lực thúc đẩy tập thể dục và hoạt động thể chất, tất cả các cấp độ của nhà cung cấp dịch vụ tập thể dục phải nâng cao hiểu biết của họ về động học để cung cấp hướng dẫn ở mức cao nhất nhằm ngăn ngừa sự phát triển của các vấn đề đau cơ xương khớp.

Với việc áp dụng hệ vận động của con người, cộng đồng vật lý trị liệu sẽ chú trọng hơn nữa so với trước đây về chuyển động và tìm hiểu các yếu tố làm thay đổi độ chính xác của chuyển động khớp. Đồng thời, trong cộng đồng phẫu thuật chỉnh hình, ngày càng có nhiều công nhận rằng những thứ như hội chứng chạm mỏm cùng vai không phải là một vấn đề bệnh lý mà là do một số động tác gây ra [3]. Tương tự, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy các biến thể cấu trúc của khớp háng gây ra hội chứng chạm khớp háng có liên quan đến tác động lực quá mức từ hoạt động thể thao cường độ cao [4]. Một lần nữa, kiến thức về cơ thể động học sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các hướng dẫn an toàn để bảo vệ khớp khi tham gia các hoạt động thể thao cũng như trong các hoạt động hàng ngày.

2. CÁC NGUYÊN TẮC TRONG CƠ THỂ ĐỘNG HỌC

2.1. Các mặt phẳng chính

Trục và mặt phẳng được sử dụng để mô tả chuyển động của cơ thể. Vì các bộ phận của cơ thể có thể ở nhiều vị trí khác nhau trong quá trình chuyển động của cơ thể, các trục và mặt phẳng được xác định theo vị trí giải phẫu chung trên thế giới. Có ba mặt phẳng và ba trục chuyển động chính. Các mặt phẳng chia cơ thể của chúng ta thành ba phần gồm đứng dọc, đứng ngang và ngang. Ngoài ra, các trục chuyển động bao gồm trục tung, trục hoành và trục trước – sau.

Mặt phẳng ngang chia cơ thể của chúng ta thành các phần trên và dưới. Trục tung vuông góc với mặt phẳng này. Chuyển động quay xoay trong và xoay ngoài xét trên trục và mặt phẳng này.

Mặt phẳng đứng ngang chia cơ thể thành phía trước và phía sau. Trục của mặt phẳng này là trục trước – sau. Trục trước – sau nằm theo hướng từ trước ra sau của cơ thể. Chuyển động dạng và khép xảy ra trong mặt phẳng đứng ngang và trục này. Ví dụ về khớp vai, chuyển động khép vai xảy ra theo trục trước – sau từ hướng trước sau.

Mặt phẳng đứng dọc chia cơ thể thành bên phải và bên trái. Trục của mặt phẳng này là trục ngang. Các chuyển động gấp và duỗi xảy ra trên mặt phẳng và trục này. 

Các chuyển động xảy ra phù hợp với các mặt phẳng và trục được mô tả ở trên. Trong trường hợp phân tích các chuyển động của khớp vai có thể sử dụng các mặt phẳng và trục trên tuy nhiên ở một số khớp, các chuyển động khớp không xảy ra đơn lẻ trên một mặt phẳng và một trục. Ví dụ như đối với khớp cổ chân, các chuyển động của khớp này là tập hợp các chuyển động kết hợp phức tạp để mắt cá chân có thể bám vào sàn nhà. Đặc biệt, các chuyển động của khớp dưới sên không tương ứng với các loại chuyển động đã đề cập ở trên. Ngoài ra, các chuyển động của khớp đốt sống không tương ứng với các mặt phẳng và trục nói trên [6].

2.2. Chuyển động

Chuyển động được định nghĩa là những thay đổi của vị trí tại chỗ. Các định nghĩa về động học và động lực học được sử dụng để xác định chuyển động.

Các tham số động học mô tả những thay đổi hình học phụ thuộc thời gian liên quan đến chuyển động, không phụ thuộc vào các lực tạo ra chuyển động. Trong định nghĩa về chuyển động của con người, khoa học động học nghiên cứu sự thay đổi của tư thế cơ thể theo thời gian như khớp, xương, các bộ phận. Khi phân tích các dữ liệu động học, có thể thấy rằng chuyển động của bộ phận liên quan có thể tăng hoặc giảm hoặc có thể có các góc chuyển động khớp sớm hoặc muộn trong một kiểu chuyển động xác định. Động học không quan tâm đến lượng lực cần thiết cho các chuyển động này hoặc lượng lực xuất hiện trong các chuyển động này.

Các thông số động lực học liên quan đến các lực tạo ra chuyển động. Ví dụ trong quá trình phân tích việc đi bộ, góc mở của khớp gối dưới tác động của mô-men xoắn cơ tứ đầu đùi, các lực lên khớp và các thông số động lực học được quan tâm đến. Một khớp bị suy giảm sức mạnh hoặc chức năng của các cơ hình thành chức năng sẽ không thể tạo ra phản ứng đủ để loại bỏ các lực phản ứng khớp liên quan. Động lực học nghiên cứu tác động của các nội lực và ngoại lực lên lẫn nhau.

Việc biết các chức năng và cơ chế chuyển động bình thường của con người là rất quan trọng nhằm chẩn đoán các rối loạn vận động. Các chức năng và cơ chế này có thể thực hiện được bằng cách biết các thông số động học và động lực học bình thường của cơ thể. Với chẩn đoán chính xác, bác sĩ có thể kiểm tra và điều trị các vấn đề của bệnh nhân một cách thích hợp. Việc phân tích chuyển động có thể được thực hiện bằng cách quan sát hoặc với các hệ thống cho phép phân tích sâu hơn. Việc phân tích chuyển động cũng có thể được thực hiện theo ngành thể thao mà mô hình chuyển động có liên quan được yêu cầu hoặc bằng cách đánh giá chuyển động mong muốn.

Chuyển động đơn giản được chia thành hai nhóm:

– Chuyển động tịnh tiến – Chuyển động quay.

Chuyển động tịnh tiến là tên gọi của chuyện động mà trong đó tất cả các bộ phận của cơ thể theo cùng một hướng, đạt cùng một quãng đường trong cùng một thời gian. Ví dụ khi một chiếc cốc chuyển động trong một mặt phẳng, tất cả các thành phần của chiếc cốc đều chuyển động cùng tốc độ và hướng và chuyển động này được gọi là chuyển động tịnh tiến. Cơ thể có thể di chuyển theo các hướng khác nhau trong các khoảng thời gian khác nhau, nhưng luôn thực hiện các chuyển động tịnh tiến trong những khoảng thời gian riêng biệt.

Chuyển động quay xảy ra khi cơ thể chuyển động theo dạng tròn. Trường hợp chuyển động quay quanh một trục quay thì cơ thể hoặc các bộ phận của cơ thể chuyển động cùng chiều trong cùng một khoảng thời gian. Ví dụ khi mở nắp chai, chuyển động của các ngón tay tương ứng so với tâm của nắp là một dạng chuyển động quay.

Trong một mô hình chuyển động, chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay thường xảy ra kết hợp và đồng thời. Nhìn chung các kiểu chuyển động của cơ thể dường như đều xảy ra theo cách này. Do đó, phân tích một mô hình chuyển động phức tạp hơn việc đơn thuần phân tích chuyển động quay và tịnh tiến. Trong phân tích động học, chuyển động tịnh tiến được xem như động học tịnh tiến và chuyển động quay được xem như động học quay. Khi được định nghĩa theo cách này, các lực cần thiết cho sự xuất hiện của chuyển động quay được gọi là momen xoắn. Trong chuyển động tịnh tiến, toàn bộ lực được gọi là lực thuần. Một lần nữa, hai kiểu chuyển động này luôn kết hợp trong các kiểu chuyển động, không được đánh giá một cách độc lập trong phân tích các chuyển động của cơ thể. Các chuyển động quay và tịnh tiến được tính như các phần của một tổng thể. Các thông số không gian và thời gian của dáng đi có thể được kiểm tra thông qua phân tích động học. Phân tích động học bao gồm tốc độ, khoảng cách và vị trí của đối tượng chuyển động hoặc con người.

2.3. Các nguyên tắc toán học cơ bản áp dụng trong cơ thể động học

Để áp dụng các nguyên tắc của động học vào cơ thể con người, kiến thức cơ bản của nền tảng toán học là thiết yếu. Phần này sẽ giới thiệu cơ bản, ngắn gọn về các khái niệm và thuật ngữ toán học được sử dụng trong cơ thể động học.

2.3.1. Các đơn vị đo lường

Có hai hệ thống chính để xác định các đơn vị đo lường, Hệ thống đo lường Hoàng gia (Hệ thống của Anh) và Hệ thống đo lường Quốc tế (Système International d’Unités-SI – Hệ mét). Một số đơn vị đo lường được sử dụng trong cơ sinh học được đưa ra trong sau.

Bảng 1.1. Các đơn vị đo lường cơ bản [2]

Trong tài liệu nghiên cứu khoa học, hệ thống đo lường quốc tế được sử dụng riêng trong nghiên cứu cơ sinh học.

2.3.2. Các đại lượng vô hướng và vector

Như đã đề cập ở trên, phép đo các mối quan hệ số lượng vật lý như lực, thời gian, khối lượng, chiều dài, tốc độ góc, độ dời là một phần không thể thiếu của cơ sinh học. Một đại lượng vật lý có thể được phân thành hai loại: đại lượng vô hướng và đại lượng vector.

Các đại lượng vô hướng được mô tả hoàn toàn bằng độ lớn hoặc số lượng của chúng. Ví dụ, khối lượng, thể tích, khoảng cách, tốc độ, nhiệt độ, công suất,… đều là các đại lượng vô hướng. Các loại đại lượng này chỉ có độ lớn và không có hướng.

Mặt khác, một số đại lượng vật lý không thể được mô tả đầy đủ bằng độ lớn của chúng. Ví dụ, khi một người chạy, khoảng cách và hướng rất quan trọng để mô tả chính xác sự dịch chuyển. Do đó, một đại lượng vật lý được mô tả đầy đủ bằng độ lớn và cả hướng của nó được gọi là đại lượng vector. Lực và momen xoắn là các đại lượng vector động học; độ dời, vận tốc và gia tốc là các đại lượng vector động lực học. Việc phân tích các vector trong cơ thể động học cũng áp dụng các quy tắc cộng, trừ vector và các hàm lượng giác,… tương tự như trong toán học

3. ĐỘNG LỰC HỌC

Động học là một nhánh của cơ học cổ điển mô tả chuyển động của các điểm, vật thể và hệ thống của các nhóm vật thể mà không tính đến khối lượng của mỗi vật hoặc các lực gây ra chuyển động. Từ quan điểm cơ thể động học, động học lực được khám phá như là chuyển động của các đặc điểm cơ thể con người. Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay là trung tâm của động lực học cơ thể người.

Chuyển động tịnh tiến là tên gọi để chỉ chuyển động của các bộ phận cơ thể nói chung. Trong kiểu chuyển động này, các bộ phận của cơ thể chuyển động cùng chiều song song với nhau. Trục của chuyển động có thể dọc theo một đường thẳng hoặc dọc theo một đường cong. Ngược lại, chuyển động quay diễn ra dọc theo một đường tròn quanh một trục. Các chuyển động của cơ thể thường được xác định bằng chuyển động tịnh tiến của chúng vì chúng được xác định theo trọng tâm của cơ thể, ngay trước đốt sống S2. Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay cũng được chia thành chuyển động chủ động và bị động. Các chuyển động chủ động là do các cơ tạo ra, trong khi các chuyển động bị động là các chuyển động do một yếu tố khác ngoài cơ thể gây ra. Các giá trị góc được sử dụng để xác định chuyển động quay trong khi đơn vị khoảng cách được sử dụng để xác định chuyển động tịnh tiến.

4. ĐỘNG HỌC

Động học là một phân ngành của cơ học liên quan đến các lực tác động lên một hệ như bất kỳ vật thể hoặc cơ thể con người nào. Lực tác động lên một vật thể có thể được chia thành lực đẩy hoặc lực kéo. Phân tích chuyển động động học mô tả nguyên nhân của chuyển động và nghiên cứu các lực gây ra chuyển động. Nếu chúng ta lấy ví dụ về môn thể thao bóng chuyền, các biến động học có thể có trong quá trình hoạt động là lực giữa bóng và tay và lực giữa bàn chân và mặt đất. Phân tích động học khó hơn phân tích động lực học vì không thể nhìn thấy các lực.

Thông tin động học là điều cần thiết để cải thiện chuyển động và hiệu suất của con người. Phân tích động học cũng xác định các phần quan trọng của một kỹ năng trong việc thực hiện một động tác. Ví dụ, kỹ năng liên quan đến nhảy thẳng đứng là yếu tố không thể thiếu trong môn thể thao bóng chuyền. Do đó, việc biết rằng lượng cơ duỗi hông, duỗi đầu gối và các hoạt động của cơ gập bàn chân trong quá trình nhảy thẳng đứng là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất nhảy ở các cầu thủ bóng chuyền. Sau khi phân tích động học, bạn có thể trả lời câu hỏi sau: kỹ thuật tốt nhất để tối đa hóa bước nhảy thẳng đứng là gì và nhóm cơ nào là tối quan trọng để tập luyện?

Sự hiểu biết đầy đủ về tất cả các khía cạnh của chuyển động của con người dựa trên việc phân tích cả các biến đổi về động học, động lự học chuyển động và các mối quan hệ của chúng với nhau.

5. LỰC

Lực đẩy hoặc một lực kéo tạo ra, điều chỉnh hoặc tạm dừng một chuyển động. Từ quan điểm động học, lực có thể giúp có thể chuyển động, ổn định duy trì tư thế.

Như đã đề cập trước đây, lực là một vector và có thể được biểu diễn vật lý hoặc vẽ dưới dạng mũi tên. Các thành phần của lực là: độ lớn, hướng, phương và điểm tác dụng. Hình 3 cho thấy lực cơ tứ đầu đùi tác động lên xương bánh chè ở mặt phẳng phía trước trong quá trình duỗi gối. Cơ tứ đầu đùi có bốn phần, do đó, các hướng của lực kéo do bốn cơ này tác dụng lên xương bánh chè có thể được vẽ bằng bốn vector.

Thông thường sẽ nhiều hơn một lực tác động lên cơ thể hoặc bộ phận cơ thể trong cùng một thời điểm. Khi hai hoặc nhiều lực tác dụng lên một bộ phận được kết hợp thành một lực kết quả duy nhất (tổng vector của tất cả các lực), độ lớn của lực mới này được coi là bằng tổng các vector thành phần. Từ quan điểm chức năng, có bốn loại lực theo nguồn gốc của chúng: trọng lực, lực từ cơ, lực ma sát và lực cản từ bên ngoài. Do đó, vì các lực này luôn đi cùng nhau, việc phân tích bất kì một chuyển động nào của cơ thể cũng cần phải tính toán đến tất cả các lực này.

6. CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON

Định luật 1

Định luật đầu tiên của Newton định nghĩa quán tính và thường được phát biểu là: một vật không chịu tác dụng của một lực nào hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng 0, hay còn nói cách khác là các lực cân bằng thì nó vẫn giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Trong cơ thể, phạm vi hoạt động chuyển động của các bài tập chuyển động có thể là một ví dụ điển hình cho định luật này. Cơ yếu bắt đầu chuyển động rất khó, bởi vì trước tiên cơ cần vượt qua quán tính, nhưng một khi bắt đầu chuyển động, cơ tiếp tục chuyển động sẽ dễ dàng hơn.

Định luật 2

Định luật thứ hai phát biểu rằng vector gia tốc của một vật luôn cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của vector gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của vector lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Định luật này thường được phát biểu dưới dạng phương trình F = m.a, với F là lực tác dụng lên vật, m là khối lượng của vật và a là gia tốc của vật đó.

Định luật thứ hai về chuyển động của Newton giải thích tại sao chuyển động chậm lại đòi hỏi nhiều sức hơn chuyển động nhanh. Vì vậy, để tập/tăng sức mạnh cho các cơ bắp cần sử dụng các động tác di chuyển chậm, có kiểm soát.

Định luật 3

Khi một vật tác dụng lực lên vật thể thứ hai, vật thứ hai sẽ tác dụng một lực cùng độ lớn và ngược chiều về phía vật thứ nhất. Tải lực của các khớp chi dưới khi đi bộ có thể là một ví dụ để hiểu quy luật này. Khi bàn chân chạm đất, mặt đất tạo ra một lực theo hướng ngược lại (đối với cơ thể) với cùng một lượng (trọng lượng cơ thể). Do đó, nên thực hiện các bài tập đi bộ trên bề mặt hấp thụ xung lực để giảm phản lực đối với khớp.