ГОЛЕМИНИ И ЕДИНИЦИ МЕРКИ ВО БИОМЕХАНИКАТА
   

            Биомеханиката е квантитативна наука. Ако некои појави се квантифицирани тогаш таа појава е мерлива и може да биде изразена во бројки. За да измериме нешто мора да имаме некоја заедничка единица мерка. Објективното дефинирање на механичките закони и принципи на човечкото тело со јазикот на науката, односно математиката преку сите сите основни и изведени големини мора да бидат применувани како во меѓуанродниот систем на мерни единици. Во овој метрички систем должината, времето и масата се трите основни големини потребни за биомеханиката, додека сите други се изведени од нив. Основните големини должина, време и маса се скаларни и потполно се одредени со нивната бројчана (нумеричка) вредност, односно со интензитетот, а некои изведени големини како сила брзина и забрзување се векторски и покрај интензитетот одредени се со правецот и насоката на дејствување во просторот.

            На пример гледаме фудбалски натпревар каде што играчот изведува пенал. Кои единици мерки можеме да ги користиме за да го опишеме изведувањето на пеналот? Можеме да ја опишеме позицијата на играчот кој го изведува ударот, местото каде што ја допира топката за време на шутирањето, колку далеку и колку брзо трча, колку време му треба за да дојде до топката и да упати удар, во која насока трча итн. Во нашиот опис мораме да ги користиме некои од механичките термини како што се: брзина, инерција, моќ, сила, маса, тежина, должина, забрзување итн.

Должина

            Една од основните величини која сакаме да ја измериме е должината. Нас ни треба одредна мерка за должина за да ја опишеме местоположбата на игарачот како и тоа колку далеку тој трча. Значи должината се користи кога сакаме да го опишеме просторот во кој има движење. Должината е важна величина во многу спортови. Таа е можеби и навјважна величина во спортовите како што се: фрлачките дисциплини во атлетика, скоковите во височина и далечина каде што мерка за тоа колку далеку и колку високо е всушност показател за спортската изведба (перформанс). Основна единица мерка за должина е метар (m). Изведени множини и делови од метар кои најчесто се применуваат се километар (km) = 1000 m, сантиметар (cm) = 0,01m (или 1m = 100 cm) и милиметар (mm) = 0,001 m (или 1m = 1000 mm). Важно е да се напомене дека изминатиот пат или траекторија на движење претставува скаларна, а поместувањето векторска големина. Нивната разлика јасно се забележува на слика 1 каде изминатиот пат е кривата (испрекината) додека поместувањето е правата линија.



 

            Дополнителна просторна големина која се користи за опишување на ротаторни движења е агол. Единица мерка за агол е радијан (rad). Радијанот се дефинира како агол меѓу два радиуса кои на кружницата пресекуваат лак со должина еднаква на радиусот. Оттука следи дека 1 rad =1m/1m = 1, е бездимензионална единица, така што полн агол изнесува 2π rad, а прав агол π/2 rad (π = 3,14). Покрај радијанот, како единица мерка за агол се користи и степен, каде полн агол е 360, а прав 90 степени. Врз основа на тоа може да се одреди односот помеѓу радијан и степен, 1rad  360/2 π = 57,3 степени (или 1 степен = 0,0174 rad).
             Како изведени просторни големини се: површина со единица мерка квадратен метар (
m2), како и волумен со единица мерка кубен метар (m3) и литар (), каде 1ℓ = 1000 cm3.

Време

            Претставува уште една од основните величини. Времето претставува величина која е од големо значење за постигнувањата скоро во сите спортови. Во спортовите како што се тркачките дисциплини времето игра пресудна улога. Атлетичарот кој има пократко време од стартот до целта ќе биде победник. Постојат и други спортови во кои времето претставува показател за успехот. Реакцијата на голманот во фудбал, ракомет, хокеј и ватерполо. Слични ситуации се сретнуваат и во тенис, бадминтон,
пинг-понгот и други спортови, каде спортистот се обидува да ја врати топката. Времето исто така може да биде величина која е детерминирана со правилата на игра, на пр: времетраење на натпревар, времетраење на тајм-аут, три секунди во рекет во кошарка, времетраење за да се изведе накој уметнички елемент, скок итн.
            Времето може да биде измерено во секунди, минути, часови, денови, недели, месеци, години итн. За единица време се зема секунда (
s). Изведени множини и делови од секунда се: минута (min) 1 min = 60 s, час (h) 1 h = 60 min, десетинка (0,1 s), стотинка (0,01 s) или милисекунда (0,001 s).

Маса и инерција

            Која величина е таа што му отежнува на спортистот да го започне трчањето и да го запре во одреден момент. Самата величина на спортистот влијае на тоа колку тешко ќе го започне и ќе го запре движењето. Во механиката тоа се однесува на својството на спортистот да се спротивстави на промената на движењето - инерција.

Како се мери инерцијата? На кој спортист му е потешко да го започне и да запре движењето, на фрлачот на ѓуле или на гимнастичарот? Очигледно е дека фрлачот на ѓуле му е потешко да се движи. Овој спортист има поголема инерција. Според тоа поголемото тело има поголема инерција од помалото. Но што подразбираме под поголемо тело? Можеби тежината на телото е таа што ја одредува неговата инерција. Но не е така, мерка за инертноста не е тежината, туку масата додека тежината е мерка за силата на гравитација која дејствува на предметот. На месечината фрлачот на ѓуле би тежел помалку отколку на земјата, но сеуште ќе му биде тешко да го започне и да го запре хоризонталното движење, така што неговата маса е иста како на земјата.

            Тело со поголема маса има и поголема инерција, а со тоа е повеќе отпорно на промена на положбата во мирување или промена на брзината при рамномерно праволиниско движење кога на него дејствува сила.

            Масата на спортистите или одредени негови делови има голем ефект врз спортската изведба (перформанс), бидејќи масата на предметот одредува колку напор е потребен за предметот да го започне или да го запре неговото движење.

            Масата претставува големина која зависи од количината на материја на едно тело. Единица мерка за маса е килограм (kg). Можеби килограмите сте ги користеле исто така и како мерка за тежина. Механички кажано одредувањето на тежината на телото преку бројот на килограми е неоодветно. Во меѓународниот систем на мерни единици SI килограмите се единица мерка за маса а не за тежина.

            Изведени множини и делови од килограм се тон (t) = 1000 kg, грам (g) = 0,001 kg, (или 1 kg = 1000 g) и милиграм (mg) = 0,000001 kg (или 1 kg = 1000000 mg)

            Брзината и забрзувањето се кинематички, односно просторно-временски изведени големини во кои должината или изминатиот пат, аголот и времето се основа за нивното дефинирање. Брзината е изминат пат (поместување) за одредено време кај транслаторните (v=s/t), или изминат агол за одредено време кај ротаторните движења (ω=φ/t). Единица мерка за линеарна брзина е метар во секунда (m/s), а за аголна брзина радијан во секунда (rad/s). Често пати за единица брзина се користи километар на час (km/h), каде 1 m/s = 3,6 km/h или обратно 1 km/h = 0,278 m/s. Забрзувањето претставува промена на брзината, односно аголната брзина во одредено време a=v/t односно α=ω/t. Таа промена може да биде со зголемување на брзината (забрзување) и со намалување на брзината (успорување). Единица мерка за линеарно забрзување е метар во секунда на квадрат (m/s2), а за аголно забрзување радијан во секунда на квадрат (rad/s2). Гравитационото однoсно земјиното забрзување е константно и изнесува приближно 9,81m/s2

            Како пример за квантитативно одредување на брзината може да ни послужат резултатите од Ban Johnson и Carl Lewis на 100 m постигнати на Олимписките игри во Сеул 1988 г. Првиот истрчал за 9,79 s, а вториот за 9,92 s тогаш логички произлегува дека Ban Johnson бил побрз од Carl Lewis. Бидејќи v=s/t односно v1 = 100m/9,79 s = 10,21m/s, а v2 = 100m/9,92 s = 10,08 m/s. Врз основа на добиените вредности за брзините, ако се одреди нивната разлика односно 10,21 m/s 10,08 m/s = 0,13 m/s, се констатира дека Ban Johnson за 0,13 m/s бил побрз од Carl Lewis во трката на 100 m. Или истото кажано во километри на час ќе биде v1 = 10,21 m/s 3,6 km/h = 36,75 km/h,
а
v2  = 10,08 m/s  3,6 km/h = 36,28 km/h со разлика во брзината од 0,47 km/h.

            Кинетиката како дел од механиката ги проучува причините, односно силите кои ако се во функција на одржување рамнотежа на телото и се во доменот на статиката, а ако се во функција на движење тогаш се во доменот на динамиката. Силата како основна кинетичка (статичка и динамичка) големина во најширока смисла на зборот може да се дефинира како причина за промена на состојбата на метеријалното тело. Секоја сила претставува векторска големина и се карактеризира со интензитет, правец, насока и точка на дејствување. Тежина на тело, реакција на подлога, триење и отпор на воздух или вода се надворешни сили кои постојано дејствуваат на човечкото тело, додека мускулната сила е внатрешна и единствена која е под контрола на централниот нервен систем. Силата во механиката поконкретно е дефинирана со вториот Њутнов закон. Таа претставува производ од масата  на телото и неговото забрзување кое е резултат на дејството на силата (F = m a). Во меѓународниот метрички систем, единица мерка на сила Њутн (N), што означува производ од 1 kg маса и 1 m/s2 забрзување (1 N = 1 kg   1 m/s2)

            Силите кои дејствуваат на човечкото или друго тело може да се прикажат во вид на дијаграм на сили, со што се добива појасна претстава за нивно дејство. Покрај интензитетот на силата кој се одредува со должината на векторот, на дијаграмот се прикажуваат правците, насоките и нападните точки на силите. На слика 2 е прикажан дијаграм на сили кај тениско топче удрено со рекет, а на слика 3 на човечко тело во моменто на  отскокнување со раце кај прескок преку коњ.

            Тежината претставува сила која е резултат на дејството на земјината тежа, односно гравитацијата или привлекувањето на телата кон центарот на земјата. Тежината на телата зависи од нивната маса и земјиното забрзување. Генералната дефиниција за сила важи и за тежината G = m g, каде g како константа изнесува 9,81 m/s2. Според тоа, единица мерка за тежина е Њутн (N), а 1 kg маса изнесува 9,81 N, или приближно 10 N што значи тело со маса од 1 kg тежи околу 10 N и обратно тело со тежина (сила) од 1 N има маса 0,102 kg или приближно 0,1 kg. Ако се знае масата на еден спортист на пример m = 72 kg, тогаш неговата тежина G = 667 N или ако се знае тежината на едно тело G = 1350 N тогаш неговата маса ќе биде m = G/g или m = 1200 N/9,81 m/s2 односно m = 137,61 kg. Треба да се напомене дека тежината на телото е сила која дејствува врз подлогата или справата на кое е обесено а е еднаква со силата на тежата, односно гравитационата сила само кога телото е во мирување. Имајќи ја предвид релацијата меѓу масата и тежината на телото кога се применува биомеханички модел за испитување на одреден проблем, сосема е сеедно дали ќе се земат предвид масите или тежините на човечкото тело и неговите делови бидејќи во суштина ништо не се менува.

            Тежиштето на телото или центарот на гравитација, односно центарот на маса претставува точка на која ако телото би се потпрело или обесило ќе се одржи во рамнотежа. Тежиштето на човечкото тело е најважната фигуративна точка преку која се дефинираат голем број биомеханички карактеристики. Тежиштето овозможува дефинирање на положба на телото во простор, одредување траекторија на движење, правец и насока на брзина и забрзување, нападната точка на повеќе сили и многу други показатели.

            Притисокот се дефинира како дистрибуирана сила на одредена површина, односно p = F/k. Тоа значи, ако се дејствува со иста сила на поголема површина, тогаш притисокот ќе биде помал во однос на помалата површина. Единица мерка за притисок е Паскал (Pa = N/m2), односно еден Паскал е еднаков на еден Њутн на метар квадратен.

            Еден од почесто применуваните големини во биомеханиката е момент на сила. Моментот на сила е дефинирана како производ од силата и кракот на кој дејствува, каде кракот на силата е најкусото (нормално) растојание од центарот на вртење до правецот на силата. На едно слободно тело (пример топка) ако дејствува сила надвор од тежиштето на телото (ексцентрично), тогаш ефектот на тоа дејство ќе биде транслација заедно со ротација, а ако дејствува на силата е во тежиштето на телото (центрично), тогаш ефектот е само транслација (слика 4). Исто така, кај тело кое може да ротира околу една точка (о) што претставува центар на вртење или фиксна оска (слика 5), ако дејствува сила надвор од оската, тогаш ефектот ќе биде само ротација.

            Според ознаките на овие две слики, моментот на силата M е еднаков на производот од силата F и кракот d, односно M = F d. Единица мерка за момент на сила е Њутн-метар (Nm).
           
Покрај споменатите физички големини во биомеханиката се користат уште многу други. Некои од нив се густина, специфична тежина, импулс на сила, количество на движење, работа, моќ, потенцијална и кинетичка енергија и др.