17/3 - اندازه گیری کینه تیک: سیستم های صفحه نیرو

کینه تیک، شاخه مکانیکه که نیروهای عمل کننده روی بدن رو برای ایجاد تغییر در حرکت، تشریح میکنه. متغیرهای معمول که تو کینه تیک اندازه گرفته میشن، شامل نیروهائی که سبب ایجاد تغییر در حرکت خطی و همچنین، اثر چرخشی یه نیرو، که تورک نامیده میشه و سبب ایجاد تغییر در حرکت زاویه ای میشه، هستن. (فصل های ۴ و ۶ رو برای اطلاعات بیشتر در مورد نیرو و فصل ۸ رو برای اطلاعات بیشتر در مورد تورک ببینید).

متداول ترین وسیله اندازه گیری نیرو، سیستم صفحه نیرو (force platform system) ه که شامل صفحه نیرو و نرم افزار نصب  شده روی کامپیوتره که اطلاعات نیرو رو ثبت و پردازش میکنه. تو این بخش، جمع  آوری و پردازش ساده داده رو با سیستم صفحه نیرو توضیح میدم. 

 
جمع آوری داده کینه تیک 

یه صفحه نیرو، نیروی تماسی بین یه بدن و صفحه رو اندازه میگیره. سطحِ بالایی صفحه، سطحِ اندازه گیرنده ست. شکل ۵-۱۷ یه صفحه نیرو رو نشون میده که سطح اندازه گیرنده ش، همسطح زمین آزمایشگاه بایومکانیکه. چندین سنسور نیرو (که از لحاظ فنی، مبدل نامیده میشن) به سطح اندازه گیرنده و درون صفحه نیرو وصل شدن. سنسورها همراستا هستن تا سه بخشِ نیرو رو که سطح صفحه اعمال میشن رو اندازه بگیرن: نیروی تماسی نرمال در جهت عمودی، و نیروی اصطکاکی در جهت جلو-عقب و درونی-بیرونی. (نیروی نرمال و نیروی تماسی تو بخش ۴ توضیح داده شدن.

شکل ۵-۱۷: یه سیستم صفحه نیرو، یه تاریخچه زمانی از نیروی عکس العمل زمین درست میکنه

نیروهارو نمیشه دید اما اثر نیرو رو میشه شناسایی کرد. وقتی یه بدن در تماس با سطح اندازه گیرنده ست، مثلا وقتی پای شرکت کننده ای که تو شکل ۵-۱۷ داره راه میره، نیرو از بدن، سببِ ایجادِ یه تغییرِ شکل غیر قابل مشاهده (یا کشش، که در فصل ۱۲ شرح داده شد) در سنسورهای درون صفحه میشه. این کشش، جریان الکتریکیِ درون هر سنسور هست رو تغییر میده. جریان هر سنسور تقویت و فرستاده میشه تا با نرم افزار کامپیوتری، نمونه برداری و پردازش بشه.

پردازش داده کینه تیک 

نرم افزار، جریان الکتریکی هر سنسور رو با نرخ معمول ۱۰۰ هرتز برای حرکت های آرام مثل بالانس و ۲۰۰۰ هرتز برای حرکت های سریع تر مثل راه رفتن یا پریدن، نمونه برداری میکنه. تغییرات جریان الکتریکی، با قدرِ نیرویی که سبب تغییر سنسور میشه، کالیبره میشه، تا خروجی پردازش اولیه، مقادیر بخش های نیرو که بوسیله بدن بر سطح صفحه نیرو و درهر  لحظه از نمونه برداری باشه.

چون نیروی اعمالی از زمین بر اجراگر مد نظره، از قانون سوم نیوتون برای محاسبه این نیروها استفاده میشه: نیروی زمین بر اجراگر مساوی قدر و خلاف جهت نیرویی ه که اجراگر به زمین وارد میکنه. (فصل ۶ رو برای اطلاعات بیشتر در مورد قوانین نیوتون ببینید.) ضرب کردن هر نیروی اجراگر روی صفحه در ۱-، علامت های جهت نیرو رو برعکس میکنه و یه سابقه زمانی نیروهای زمین در سه جهت روی اجراگر میشه.

نیروهای زمین اعمالی روی اجراگر، معمولا نیروهای عکس العمل زمین (ground reaction forces - GRFs) نامیده میشن اما با عبارت عکس العمل گمراه نشین - هیچ نیروی تماسی ای بدون اینکه دو بدن، همو لمس کنن، وجود نخواهد دشت و یه نیرو سبب تبدیل نیروی دیگری به یه عکس العمل نمیشه (فصل ۴ رو برای اطلاعات بیشتر در مورد این ببینید). اما چون GRF یه عبارت رایجه، منم ازش استفاده میکنم،

یه سابقه زمانی از سه بخش GRF حین مرحله تماس با زمین پای راست حین راه رفتن، در شکل ۵-۱۷ نشون داده شده. اینا ویژگی های مهم هر بخش GRF ه:

GRF عمودی: GRF عمودی بزرگترین مقدار سه بخش ه و فقط به سمت بالا (در جهت +) روی راه رونده عمل میکنه. دو مرحله وجود داره که GRF عمودی بزرگتر از وزن بدن فرد هستن:

• اولین مرحله یه جمع  نیروی مثبت رو برای کاهش و توقف سرعت رو به پایین راه رونده ست.
• دومین مرحله یه جمع نیروی مثبت رو برای افزایش سرعت  رو به بالای راه رونده رو تولید میکنه.

GRF جلو-عقب: GRF جلو-عقب یه مرحله ابتدایی نیروی منفی رو نشون میده که بیانگر زمانیه که زمین به راه رونده فشار وارد میکنه، و به دنبالش، یه نیروی مثبت، وقتی زمین، راه رونده رو به جلو فشار میده. مرحله منفی، مرحله ترمز گیری (braking phase) نامیده میشه چون تکانه منفی کاهش پیدا میکنه یا سرعت رو به جلو راه رونده رو کم میکنه. مرحله مثبت، مرحله پیشران (propulsive phase) نامیده میشه چون تکانه مثبت زیاد میشه یا سرعت رو به جلوی راه رونده رو زیاد میکنه.

GRF درونی-بیرونی: GRF درونی-بیرونی معمولا کوچکترین بخش نیروی تماسی هنگام راه رفتنه. درحالیکه نیروهای عمودی و جلو-عقبی بیشتر حرکت کل بدن رو تحت تاثیر قرار میدن، GRF میانی-بیرونی تحت تاثیر محل قرارگیری پا نسبت به خط میانی بدن راه رونده و حرکت پا وقتی رو زمینه ست.

از تاریخچه زمانی هر بخش GRF، مقادیر خاص مورد نظر رو میشه اندازه گرفت - مثلا، مقادیر حداکثری دو مرحله، وقتی GRF عمودی بیشتر از وزن بدن هستن و حداکثر نیروهای ترمزی و پیشران، معمولا ذکر میشن. محاسبه و مقایسه تکانه ترمز و تکانه های پیشران GRF جلو-عقبی (فصل ۶ رو ببینید) نشون دهنده اینه که اجراگر سرعت ش رو زیاد یا کم میکنه یا همون سرعتِ رو به جلو، بین استارت تا پایان مرحله تماس با زمین رو نگه میداره.