Biomechanics: หลักการกลศาสตร์และการโหลดร่างกายมนุษย์

ส่วนที่ 1 — Biomechanics คืออะไร และทำไมต้องเรียน?

Biomechanics มาจากคำสองคำ คือ bio (ชีวิต) + mechanics (กลศาสตร์) ซึ่งเป็นสาขาของฟิสิกส์ที่ศึกษาการเคลื่อนที่และการเสียรูปของวัตถุเมื่อถูกแรงกระทำ ดังนั้น Biomechanics จึงหมายถึง การประยุกต์หลักการกลศาสตร์เพื่อศึกษาสิ่งมีชีวิต

Classification ของ Applied Mechanics

Applied Mechanics แบ่งได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่:

Dynamics แบ่งย่อยอีกเป็น:

• Kinematics — ศึกษาการเคลื่อนที่ในแง่ขนาด ลำดับ และเวลา โดยไม่สนใจแรงที่กระทำ
• Kinetics — ศึกษาแรงที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่

ต้องจำคำศัพท์เพิ่มอีก 2 คำ:

• Statics — ระบบที่อยู่ใน constant motion (นิ่งสนิท หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่)
• Kinesiology — ศึกษาการเคลื่อนที่ของร่างกายมนุษย์

ทำไมแพทย์ต้องเรียน Biomechanics?

1. Improving performance — ใช้วิเคราะห์ท่าทางในกีฬา เช่น มุม takeoff ของนักยิมนาสติก เพื่อปรับเทคนิคให้ถูกต้อง (เน้นกรณีที่ technique เป็นตัวแปรหลัก ไม่ใช่สรีรวิทยา)

2. Preventing and treating injury — Physical therapist ใช้ Biomechanics ใน:

   • การสั่ง rehabilitative exercises
   • การเลือก assistive devices (เช่น ไม้เท้า, walker)
   • การเลือก orthotics (อุปกรณ์พยุงข้อหรือแก้ไข deformity)
   • การวิเคราะห์ gait (การเดิน) เชิงคุณภาพ เพื่อดูว่าผู้ป่วยมีกำลังกล้ามเนื้อและ control เพียงพอสำหรับการเดินปกติแล้วหรือยัง

ส่วนที่ 2 — ประเภทของการเคลื่อนที่และกฎของนิวตัน

ประเภทของการเคลื่อนที่ใน Human Movement

การเคลื่อนที่แบ่งเป็น 3 แบบหลัก:

1. Linear motion (Translation) ทุกส่วนของวัตถุเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกันด้วยความเร็วเท่ากัน แบ่งย่อยเป็น:

• Rectilinear — ตามเส้นตรง เช่น นักกายกรรมกระโดดขึ้นตรงๆ บนแท่ง
• Curvilinear — ตามเส้นโค้ง (ระยะห่างระหว่าง A1-A2 เท่ากับ B1-B2 เสมอ) เช่น การกระโดด Vault

2. Angular motion (Rotation) การหมุนรอบแกนกลางในจินตนาการ (axis of rotation) ซึ่งตั้งฉากกับระนาบการหมุน เช่น การแกว่งแขนขณะขว้างลูกบอล

3. General motion การเคลื่อนที่ส่วนใหญ่ของมนุษย์เป็น general motion = Translation + Rotation รวมกัน เช่น:

• ลูกฟุตบอลที่ถูกเตะปลาย-ตลบ → เคลื่อนผ่านอากาศ (translation) ขณะเดียวกันก็หมุน (rotation)
• นักวิ่ง → ร่างกายถูกพาไปข้างหน้า (translation) ด้วยการเคลื่อนไหว angular ของสะโพก เข่า และข้อเท้า

Newton's Laws กับ Human Body

Newton's 2nd Law:

"ความเร่งของวัตถุแปรผันตรงกับ net force ที่กระทำ และแปรผกผันกับมวล"

สูตร: Sum F = m × a

ตัวอย่าง: แรงที่ต้องใช้เตะลูกบอลมวล 2.5 kg ให้มีความเร่ง 40 m/s²

F = m × a = 2.5 × 40 = 100 N

Newton's 3rd Law (Action = Reaction):

"ถ้าวัตถุ 1 กระทำแรง F12 ต่อวัตถุ 2 แล้ว วัตถุ 2 จะกระทำแรง F21 ต่อวัตถุ 1 ที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศตรงข้าม"

สูตร: F12 = -F21

ตัวอย่าง: นักฮอกกี้น้ำแข็ง 90 kg ชนกับนักฮอกกี้ 80 kg โดยคนแรกออกแรง 450 N:

• จาก F1 = m1 × a → 450 = 90 × a → a = 5 m/s²
• F2 = m2 × a = 80 × 5 = 400 N (คนที่สองออกแรงกระทำต่อคนแรก 400 N ตามกฎข้อ 3)

ส่วนที่ 3 — Mechanical Loads และ Effects of Loading บนร่างกาย

Stress คืออะไร?

เมื่อแรงภายนอกกระทำต่อร่างกาย ผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับ:

• ทิศทาง และ ขนาด ของแรง
• ระยะเวลา ที่แรงกระทำ
• พื้นที่ ที่แรงกระจาย

Stress = การกระจายแรงภายในของแข็งเมื่อมีแรงภายนอกกระทำ

Stress = Force / Area (หน่วย N/cm² หรือ MPa)

ประเภทของ mechanical load ที่กระทำต่อกระดูกและเนื้อเยื่อ:

• Compression — แรงกดอัด เช่น น้ำหนักกดบน intervertebral disc
• Tension — แรงดึง เช่น เอ็นถูกดึง
• Shear — แรงเฉือนตามระนาบ เช่น แรงกระทำต่อ tibial plateau เวลาลงจากการกระโดดสกี
• Bending — ด้านหนึ่งเกิด compression อีกด้านเกิด tension พร้อมกัน
• Torsion — แรงบิด เกิด shear stress รอบ neutral axis

ตัวอย่าง (Sample 2): ผู้หญิงหนัก 625 N ยืนตรง น้ำหนัก 45% กดบน disc L1-L2 ที่มีพื้นที่ 20 cm²

F = 625 × 0.45 = 281.25 N Stress = 281.25 / 20 = 14.06 N/cm²

Load-Deformation Curve

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่กระทำกับการเสียรูปของโครงสร้างแสดงด้วย load-deformation curve ซึ่งมี 3 โซนสำคัญ:

1. Elastic region

• แรงน้อย → วัตถุเสียรูป แต่เมื่อเอาแรงออกจะ กลับคืนรูปเดิม (elastic response)
• Stiffness = ความชันในช่วงนี้ = Delta Load / Delta Deformation
• วัตถุที่ stiffness สูง → เส้น steep กว่า (เสียรูปน้อยกว่าต่อแรงเท่ากัน)

2. Yield point → Plastic region

• เมื่อแรงมากเกิน yield point (elastic limit) → การเสียรูปเป็น permanent (plastic)
• เหมือนงอลวด: หลังปล่อยแรงก็ไม่กลับรูปเดิม

3. Ultimate failure point

• การเสียรูปเกิน ultimate failure point → โครงสร้างล้มเหลว
• ในร่างกายมนุษย์ = กระดูกหัก (fracture) หรือ เนื้อเยื่ออ่อนฉีกขาด (rupture)

คุณสมบัติเชิงกลของเนื้อเยื่อร่างกาย (สำคัญ!)

Elastic Modulus (E) = ความชันของ stress-strain curve ในช่วง elastic region → ค่า E สูง = วัสดุ stiff มาก → ต้องใช้แรงมากกว่าเพื่อให้เสียรูปเท่ากัน

ข้อสังเกตทางคลินิก: Cortical bone มี E = 17 MPa และ ultimate strength = 130 MPa สูงกว่า tendon และ muscle มาก → กระดูกแข็งแกร่งกว่า แต่ถ้า stiffness ของวัสดุที่อยู่ด้วยกัน 2 ชนิดต่างกันมาก (เช่น โลหะ implant กับกระดูก) แรงจะกระจายไม่สม่ำเสมอ ซึ่งเป็นปัญหาในการออกแบบ orthopedic implant