ความรู้พื้นฐานทางชีวกลศาสตร์

4.1 แรง ( Force)

แรงเป็นปริมาณทางฟิสิกส์ที่ทำให้วัตถุหรือร่างกายมีความเร็ว ซึ่งมีหน่วยวัดเป็นนิวตัน ( Newton ) (1 นิวตัน คือ ค่าของแรงที่ทำให้มวล 1 กิโลกรัมมีความเร่ง 1 เมตร/วินาที 2 และแรงดึงดูดของโลกมีค่าเท่ากับ 9.8 เมตร/วินาที 2 (32 ฟุต/วินาที 2 ) ดังนั้นหากโลกของเราจะดึงวัตถุที่หนัก 1 กิโลกรัมไว้ได้จะต้องใช้แรงเท่ากับ 9.8 นิวตัน หมายความว่าแรงดึงดูดของโลกต่อวัตถุหนัก 1 กิโลกรัม มีค่าเท่ากับ 9.8 นิวตัน (นิยมใช้ค่าเท่ากับ 10 นิวตัน)

4.2 มวลและน้ำหนัก (Mass and Weight)

มวล (Mass) คือปริมาณที่บอกคุณสมบัติของวัตถุที่ต้านการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ เช่น วัตถุใดมีมวลมากแรงที่จะชนะมวลนั้นจะต้องมีค่ามากกว่าจึงจะทำให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ได้

น้ำหนัก (Weight) คือมวลที่โลกดึงดูดไว้จะเรียกน้ำหนักก็ต่อเมื่อเกี่ยวข้องกับแรงดึงดูดของโลก เช่น นาย ก.มีมวล 58 กิโลกรัม หรือ 580 นิวตัน (เพราะโลกมีแรงดึงดูดตอมวล 1 กิโลกรัมเท่ากับ 9.8 หรือ 10 นิวตัน) ดังนั้นแรงที่กระทำให้เรายืนอยู่บนโลกได้คือ

แรง (Force) = มวล (Mass) x แรงดึงดูดของโลก (Gravity)

ดังนั้นเราจึงถือว่าแรงดึงดูดของโลกที่กระทำต่อมวลก็คือ น้ำหนักของตัวเรา

น้ำหนัก (Weigth) = มวล (Mass) x แรงดึงดูดของโลก (Gravity)

W= F = mg

W = mg นิวตัน

( กิโลกรัม เมตร/วินาที 2 )

4.3 กฎพื้นฐานของนิวตัน (Newton’s law)

กฎพื้นของนิวตันข้อที่ 1 (Newton’s first or law of inertia)

“ วัตถุทุกชนิดจะอยู่ในสภาวะนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงเป็นเส้นตรงตลอดไป ถ้าไม่มีแรงภายนอกมากระทำต่อวัตถุนั้น”

ตัวอย่าง เช่น เมื่อขว้างลูกบอลไปในอากาศจะค่อยๆโค้งลงและมีความเร็วลดลงและตกลงสู่พื้น เพราะมีแรงภายนอกมากระทำ 2 แรงด้วยกันคือ แรงโน้มถ่วงของโลกและแรงต้านทานอากาศ

กฎพื้นของนิวตันข้อที่ 2 (Newton’s second law or law of acceleration)

“ แรงที่มากระทำต่อวัตถุ จะทำให้ความแรงของวัตถุเปลี่ยนไปเป็นปฏิภาคโดยตรงกับจำนวนแรงที่มากระทำแต่เป็นปฏิภาคกลับกันกับมวลสารของวัตถุนั้นๆ ’ กล่าวคือเมื่อมีแรงภายนอกซึ่งแรงลัพธ์ไม่เท่ากับศูนย์มากระทำต่อวัตถุ จะทำให้วัตถุนั้นเปลี่ยนแปลงความเร่งในการเคลื่อนที่ทางเดียวกับแรงลัพธ์นั้น โดยความเร่งที่เปลี่ยนแปลงไปจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงลัพธ์ และเป็นสัดส่วนผกผันกับมวลของวัตถุนั้น

วัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับที่แรงมากระทำ ถ้าแรงนั้นกระทำต่อวัตถุต่อเนื่องไปอีก วัตถุนั้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงขึ้นเรื่อยๆ เช่น วัตถุเคลื่อนที่เริ่มต้นด้วยความเร็ว 6 ม./วินาที และมีแรงกระทำต่อเนื่องทำให้วัตถุนั้นมีความเร็วเป็น 10 ม./วินาที นั้นคือมีความเร่งเท่ากับ 4/4 = 1 ม./ วินาที2 หรือลูกบอลเคลื่อนที่ไปในอากาศด้วยความเร็ว 10 ม./วินาที ถูกแรงต้านจากอากาศทำให้ความเร็วลดลงเหลือ 6 ม./วินาที แสดงว่ามีความหน่างเท่ากับ 10-6/2=2 ม./ วินาที2

กฎพื้นของนิวตันข้อที่ 3 (Newton’s Third law or law of reaction)

“ เมื่อวัตถุหนึ่งออกแรงกับอีกวัตถุหนึ่ง วัตถุหลังจะออกแรงกระทำต่อวัตถุแรกเช่นเดียวกันกระทำโต้ตอบเสมอ โดยมีขนาดเท่ากัน แต่ ทิศทางตรงกันข้าม และเกิดขึ้นในเวลาเดียวกัน” เช่น การออกตัวจาก starting block การขว้างบอลกระทบผนัง การตี การตบ การตกจากที่สูง เป็นต้น

ในทางปฏิบัติได้นำหลักการกฎข้อที่ 3 ของนิวตันมาประยุกต์ใช้เกี่ยวกับการป้องกันการบาดเจ็บทางการกีฬา

4.4 งาน (Work)

หมายถึงผลคูณของแรงและระยะทาง เช่น คนเดินจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ได้ระยะทาง 10 เมตร โดยที่เขามีมวลเท่ากับ 50 กิโลกรัม ดังนั้นเขามีงานเท่ากับ 500 นิวตัน.เมตร

สูตร งาน = แรง x ระยะทาง

งานแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ งานในทางบวก (Positive Work) และงานในทางลบ (Negative Work)

งานในทางบวก (Positive Work) หมายถึง งานที่ต้องออกแรงต้านกับแรงดึงดูดของโลก เช่น การดึงข้อบนราวเดี่ยว กล้ามเนื้อทำงานแบบ concentric contraction

งานในทางลบ (Negative Work) หมายถึง งานที่ต้องออกแรงไปในทิศทางตามแรงดึงดูดของโลก เช่น ขณะที่ปล่อยตัวลงมาบนราวเดี่ยว กล้ามเนื้อทำงานแบบ eccentric contraction

4.5 กำลังหรือพลัง (power)

หมายถึง งานต่อหนึ่งหน่วยเวลา

กำลัง = งาน/เวลา

P = w/t

เมื่อ P = กำลัง

w = งาน

t = เวลา

แต่ w = Fxd

ดังนั้น P = Fxd / t

แต่ v = d/t

ดังนั้น P =FV

เพราะฉะนั้นกำลังจะมีมากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับแรงแลความเร็วเช่นกัน

4.6 พลังงาน (Energy)

พลังงาน หมายถึง ความสามารถในการทำงานในหลักกลศาสตร์ ถือว่าพลังงานแบ่งเป็น 3 รูปแบบ คือ

1. Kinetic Energy:KE หมายถึง พลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ บางครั้งเรียกว่าพลังงานจลน์ เช่นพลังงานของน้ำตก

2. Gravitation Potential Energy:PE หมายถึง พลังงานที่อยู่กับที่แต่พร้อมที่จะทำงานได้ทุกเมื่อ เมื่อมีกลไกมาทำให้มันแสดงพลังงานออกมา เช่น การยืนบนสปริงบอร์ด เมื่อผู้ยืนขยับตัวขึ้นในแนวดิ่ง กระดานสปริงจะจะมีแรงดีดมากขึ้น

3. Elastic Potential Energy: หมายถึง พลังงานที่มีการเคลื่อนไหวขึ้นลงโดยมีการหดตัวกลับที่เดิม เช่น เตียงสปริง หรือลักษณะของยางยืด การโค้งงอของไม้ค้ำถ่อจะเกิดการสะสมพลังงานพร้อมที่จะปล่อยออกมาทำให้ดีดข้ามไม้พาดได้

4.7 โมเมนตัม (Momentum)

หมายถึง ขนาดของการเคลื่อนที่ซึ่งเกิดจากผลคูณของมวลกับความเร็วของมวล

สูตร โมเมนตัม = มวล x ความเร็ว

M = mv

ดังนั้นขนาดของแรงจะมากหรือน้อยจึงขึ้นอยู่กับขนาดของมวลและความเร็วของมวล

4.8 แรงดล (Impulse)

หมายถึง ขนาดของแรงที่ซึ่งเกิดจากผลคูณของแรงกับระยะเวลา

สูตร แรงดล = แรง x เวลา

Impulse = Ft

แต่ โมเมนตัม แรงดล มีขนาดเท่ากัน M = mv = ft

ดังนั้น นักกีฬาพุ่งแหลนจำเป็นต้องเหยียดแขนดึงแหลนไปข้างหลัง เพื่อเพิ่มระยะเวลาที่นาน ละปล่อยแหลนออกไปด้วยแรงหดตัวของกล้ามเนื้อหัวไหล่และหลัง เป็นต้น ทำให้เกิดแรงผลักดันไปมากขึ้นเพราะเวลาเพิ่มขึ้น

ดังนั้น นักกีฬาพุ่งแหลนจำเป็นต้องเหยียดแขนดึงแหลนไปข้างหลัง เพื่อเพิ่มระยะเวลาที่นาน และปล่อยแหลนออกไปด้วยแรงหดตัวของกล้ามเนื้อหัวไหล่และหลัง เป็นต้น ทำให้เกิดแรงผลักดันไปมากขึ้นเพราะเวลาเพิ่มขึ้น

4.9 จุดศูนย์ถ่วง (Center of Gravity)

จุดศูนย์ถ่วงของวัตถุหรือร่างกาย หมายถึงจุดที่น้ำหนักตัวทั้งหมดของร่างกายมาสะสมอยู่ มวลสารทุกชนิดจะถูกแรงดึงดูดของโลกดึงเข้าจุดศูนย์กลางของโลก วัตถุรูปทรงกลม รูปทรงกระบอก หรือทรงลูกเต๋า จุดศูนย์ถ่วงจะอยู่ตรงกลาง วัตถุที่รูปทรงไม่แน่นอน จุดศูนย์ถ่วงจะเปลี่ยนไปตามรูปร่างเช่น มุมเมอแรง จุดศูนย์ถ่วงจะอยู่นอกวัตถุ จุดศูนย์ถ่วงของคนจะไม่เหมือนกันขึ้นอยู่กับรูปร่าง จุดศูนย์ถ่วงของผู้หญิงจะต่ำกว่าผู้ชายเนื่องจากลักษณะทางกายวิภาคนั้นขาจะสั้นกว่าผู้ชายจุดศูนย์ถ่วงจึงต่ำกว่าผู้ชาย จุดศูนย์ถ่วงผู้ชายจะอยู่ที่ 56-57 เปอร์เซ็นต์จากพื้น ผู้หญิงจะอยู่ที่ 55 เปอร์เซ็นต์จากพื้น และ จุดศูนย์ถ่วงจะ เปลี่ยนแปลงไปตามท่าทางการเคลื่อนไหว จุดศูนย์ถ่วงต่ำน้ำหนักจะอยู่ค่อนข้างทางด้านล่าง และ จุดศูนย์ถ่วงสูงน้ำหนักจะอยู่ค่อนข้างทางด้านบน

4.10 การวิเคราะห์ทักษะ

ผู้ฝึกสอนกีฬาเป็นผู้ที่ต้องอยู่ใกล้ชิดกับนักกีฬา คอยติดตามและสังเกตการณ์เคลื่อนที่ของนักกีฬา และกีฬาแต่ละประเภทมีการเคลื่อนไหวที่แตกต่างกัน ผู้ฝึกสอนจำเป็นต้องสังเกตท่าทางการเคลื่อนไหวอย่างละเอียด ในขั้นพื้นฐานควรศึกษาธรรมชาติทักษะการเคลื่อนไหวจากวิวัฒนาการของการเคลื่อนไหวเชิงกีฬา

พื้นฐานการเคลื่อนไหว (Movement Pattern) ซึ่งมีมาแต่กำเนิดเช่น การเดิน การวิ่ง การกระโดด การขว้าง การเตะ การชน

ทักษะ (Skill) การกระโดดใช้พื้นฐานการเคลื่อนไหวของการกระโดด การเตะลูกบอลใช้พื้นฐานการเคลื่อนไหวของการวิ่งไล่เตะ

ทักษะขั้นสูง (Technique) พลิกแพลงให้มีประสิทธิภาพใช้ความรู้การได้เปรียบเชิงกลประยุกต์ใช้ เช่น การหมุน

ผู้ฝึกสอนสามารถสังเกตการณ์เคลื่อนไหวได้จากวิวัฒนาการตั้งแต่ในวัยเด็กและเมื่อต้องการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ผู้ฝึกสอนจำเป็นต้องวิเคราะห์การเคลื่อนไหวโดยใช้หลักกลศาสตร์ ซึ่งแบ่งออกเป็น 4 ขั้นตอน คือ

1. ขั้นสังเกตด้วยตาเปล่า (Noncinematographic analysis) เป็นการมองด้วยตาเปล่าและเปรียบเทียบการเคลื่อนไหว เพื่อสังเกตท่าทางว่าถูกต้องหรือไม่ และถูกต้องอย่างไร และอะไรน่าจะเป็นสาเหตุของความไม่สมบูรณ์ของการเคลื่อนไหวทักษะนั้นๆ เช่น จะเข้ายิงประตูฟุตบอลลูกข้ามคานไปเพราะเหตุใด อะไรที่เป็นสาเหตุ เป็นต้น

2. ขั้นใช้อุปกรณ์ (Basic cinematographic analysis) ขั้นนี้จะมีการใช้อุปกรณ์อย่างง่าย เช่น กล้องถ่ายภาพนิ่ง กล้องถ่ายภาพเคลื่อนไหว (V.D.O.) เพื่อนำรูปภาพนั้นมาวิเคราะห์อย่างง่าย เนื่องจากบางครั้งเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นนั้น เราต้องการดูอีกครั้งเพื่อให้แน่ใจ หรือสามารถให้ผู้อื่นบันทึกภาพเพื่อนำมาศึกษาภายหลัง

3. ขั้นใช้อุปกรณ์ขั้นสูง (Intermediate cinematographic analysis) อุปกรณ์ที่ใช้อย่างน้อยจะต้องเป็นอุปกรณ์ที่บันทึกภาพการเคลื่อนไหวได้ มีความเร็วในการจัดภาพได้มากหรือที่เรียกว่า High Speed VDO. สามารถจับภาพได้เร็วและแม่นยำ นำภาพที่ได้มาวิเคราะห์การเคลื่อนไหว ทั้งความเร็ง มุมการเคลื่อนไหวเป็นต้น

4. ขั้นวิจัย (Biomechanics Research) ใช้เครื่องมือวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะ เช่น คอมพิวเตอร์ เครื่องวิเคราะห์การเคลื่อนไหว ในขั้นนี้จะต้องอาศัยความรู้ ความชำนาญการเป็นพิเศษ ส่วนมากจะอยู่ในห้องทดลองชีวกลศาสตร์โดยเฉพาะ อาจนำขั้นที่ 2,3 มาวิเคราะห์ในขั้นนี้ได้

4.11 ลักษณะรูปร่างของนักกีฬา

รูปร่างของนักกีฬาเป็นสิ่งแรกที่ผู้ฝึกสอนกีฬาควรให้ความสนใจ เช่นรูปร่างนักกีฬาวิ่งระยะไกล ระยะสั้น หรือกีฬาฟุตบอล ยิมนาสติก เป็นต้น เนื่องจากเป็นองค์ประกอบที่สำคัญข้อหนึ่งในกาได้เปรียบเชิงกล ดังที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าแต่ละคนมีรูปร่างที่แตกต่างกัน ซึงอาจามาจากสาเหตุหลายประการที่แตกต่างกันมาเช่น การได้รับอาหารที่แตกต่างกัน การออกกำลังกาย เชื้อชาติ กรรมพันธุ์ที่แตกต่างกัน จึงจำเป็นจะต้องมีการศึกษาสัดส่วนของร่างกายของนักกีฬาอย่างละเอียด เพื่อการนำไปใช้ในการได้เปรียบเชิงกลทางด้านการกีฬา เช่น

• ขนาดของร่างกาย
• รูปร่างและองค์ประกอบ
• ส่วนสูง น้ำหนัก และปริมาตรส่วนต่างๆ