بیومکانیک ورزشی و گشتاور در ورزش | فرمول‌ها، کاربردها

بیومکانیک ورزشی علمی است که به تحلیل حرکات ورزشی می‌پردازد تا با کاهش خطر آسیب و افزایش عملکرد، به بهبود عملکرد ورزشکاران کمک کند.
یکی از اصول بنیادی در این علم، مفهوم گشتاور (Torque) است که به‌خصوص در تحلیل نیروهای دوراننده در مفاصل کاربرد گسترده دارد.

τ = r × F

یا به‌صورت ساده:

τ = moment arm × force

در تمرینات بدنسازی و بیومکانیک کاربردی، اغلب از فرم:

T = F × R × sin(θ)

استفاده می‌شود که R طول بازویی است که نیرو روی آن اعمال می‌شود، و θ زاویه‌ی بین نیرو و بازو

در برخی منابع نیز عبارت کلی‌تر این‌گونه بیان شده

ΣT = T_میو + T_دمبل

که مجموع گشتاور تولیدشده توسط عضله و وزن دمبل را نشان می‌دهد

کاربرد گشتاور در عملکرد ورزشی

۱. تولید قدرت و حرکت

گشتاور به حرکت دوراننده مفاصل کمک می‌کند. برای نمونه، وقتی عضلات جلوی ران (Quad) منقبض می‌شوند، از طریق تاندون‌ها به استخوان‌ها نیرو وارد کرده و باعث باز شدن زانو می‌شوند.

در حرکاتی مثل حرکت اسکوات، نحوه توزیع گشتاور در مفاصل زانو، لگن و مچ پا تحت تأثیر موقعیت مرکز ثقل و زاویه نیرو است. تحلیل ساده‌ای که از اسکوات ارائه می‌شود نشان می‌دهد بر اساس موقعیت میله، گشتاور در مفاصل مختلف به صورت متفاوت توزیع می‌شود.

مثلاً:

اسکوات Front: میله جلوی بدن → گشتاور بیشتر روی زانو

اسکوات Powerlifting: میله پایین پشت شانه → گشتاور بیشتر روی لگن

Box Squat: تکیه‌گاه عقب بدن → گشتاور کمتر روی زانو

۲. قدرت چرخشی و انرژی

در بیومکانیک، رابطه گشتاور و توان (Power) را این‌گونه بیان می‌کنند:

P = τ × ω

که P توان، τ\tau گشتاور و ω\omega سرعت زاویه‌ای است.

همچنین کار انجام‌شده توسط گشتاور در دوران زاویه‌ای بین θ1​ و θ2​ به‌صورت انتگرال زیر تعریف می‌شود:

W = ∫(θ1 to θ2) τ dθ

۳. مثالی در دو و سرعت: گشتاور لگن در دو سرعت

مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۲ نشان می‌دهد که گشتاور تولیدی در مفصل لگن، نقش کلیدی در فاز شتاب‌گیری و حداکثر سرعت دو دارد. چارچوب نظری این مطالعه استخراج می‌کند که گشتاور لگن مکانیزمی است که شتاب اولیه و سرعت نهایی را به هم پیوند می‌دهد Frontiers.

مثال کاربردی در بدنسازی: اسکوات با دمبل

در یک حرکت اسکوات با دمبل، عضلات جلوی ران (Quad) برای باز کردن زانوها گشتاور تولید می‌کنند. اگر:

F نیروی عضله باشد

R فاصله عمودی از مفصل زانو تا خط نیروی عضله

زاویه $\theta$ نیز زاویه‌ی بین نیرو و بازو

آنگاه:

τ = F × R × sin(θ)

برای مثال، اگر نیروی عضله ۵۰۰ نیوتن، فاصله ۰٫۴ متر و زاویه ۹۰ درجه باشد (sin⁡90=1):

τ = 500 × 0.4 × 1 = 200 Nm

حال اگر زاویه ۶۰ درجه شود (sin⁡60≈0.866):

τ ≈ 500 × 0.4 × 0.866 = 173.2 Nm

یعنی با تغییر زاویه یا طول بازو، گشتاور تغییر می‌کند. به‌همین دلیل، تغییر در فرم بدن یا نحوه گرفتن وزنه تأثیر زیادی بر گشتاور دارد.

منابع

1. PhysioPedia. Biomechanics in Sport. https://www.physio-pedia.com/Biomechanics_In_Sport

2. Wikipedia. Torque. https://en.wikipedia.org/wiki/Torque

3. Trifocus Fitness Academy. Torque in the Context of Fitness

4. ExRx.net. Torque and Kinesiology. https://exrx.net/Kinesiology/Torque

5. Frontiers in Sports and Active Living. The role of hip torque in sprint acceleration and speed.