Kropp og krefter

Vi bruker vektstenger hver dag i mange sammenhenger. En saks, en skiftenøkkel og en tang er vektstenger, - en dumphuske, en spade, et spett og en trillebår er også vektstenger, - eksemplene er mange. Felles for disse er at de består av et stivt legeme som kan dreie rundt en akse når de utsettes for en kraft. Vi utnytter prinsippet om vektstenger for å kunne utøve større krefter med liten muskelinnsats.

I fysikken skiller vi mellom toarmet vektstang og enarmet vektstang. I en toarmet vektstang virker kreftene på hver sin side av aksen – som gir et dreiemoment i hver sin retning. Når vektstangen er i likevekt, er disse momentene like store. På en enarmet vektstang virker kreftene på samme side av aksen, men gir tilsvarende dreiemoment hver sin vei (for eksempel opp og ned).

Først skal vi se på hva fysikken sier om vektstenger, for deretter å se på vektstenger i kroppen.

I figurene 1a og 1b har vi en enarmet vektstang, og som vi ser virker kreftene på samme siden av aksen. En kraft nedover ytterst (blå) på bommen holdes i likevekt av kraft oppover (rød). Jo nærmere oppoverkraften er aksen til høyre jo større kraft må til for at bommen skal være i balanse (være i ro). Du kan også si det slik at de to kreftene kan gi rotasjon, men hver sin vei slik at de er i balanse. Den enkle loven som gjelder kalles momentsatsen handler om dreiemomenter i balanse:

Dreiemoment = Kraft x (Kraft)arm
Kraft (K) x Kraftarm (Ka) = Last (L) x Lastarm (La)

Figurene viser at når kraftarmen blir kortere, blir kraften større, altså produktet av dem blir like når det er balanse:

Den toarmete vektstangen følger også momentsatsen over (se fig. 2a og 2b). Forskjellen er altså at kreftene virker på hver sin side av aksen. De kan også gi rotasjon om aksen, men hver sin retning, som over. Det går fram av figuren til høyre at det trengs en stor kraft (K) når kraftens arm (Ka) er kort.

Knokler og ledd som vektstenger

Skjellettet vårt består av 270 knokler hos nyfødte. Men en del av dem vokser sammen i oppveksten, slik at et voksent menneske har bare 206. Skjellettets mange knokler holdes sammen av leddbånd og bindevev til bevegelige ledd. Ca 600 forskjellige muskler gjør at vi kan bevege oss. Disse er under viljens kontroll og betegnes som tverrstripete, ut fra utseende. I tillegg har vi glatt muskulatur i f.eks. tarmsystemet, som ikke er under viljens kontroll.

I menneskekroppen kan omtrent hver knokkel betraktes som en vektstang, og leddet er aksen. Kreftene på knokkelen gis av musklene eller en ytre belastning – som når vi løfter en gjenstand. I det følgende skal vi presentere et par eksempler på dette.

Underarmen som enarmet vektstang

Vi skal se at underarmen virker som en enarmet vektstang. Rotasjonsaksen i albueleddet er markert med en stjerne. Hånden holder en masse på 10 kg og dette svarer til en last på 100 N (egentlig 10 kg x 9,81 m/s2 = 98,1 N) nedover (tyngden). Lastens arm er lengden fra aksen i albuen til loddet i hånda og er 50 cm. Muskelen i overarmen (biceps) holder likevekt, men den har en ganske kort kraftarm til muskelfestet på underarmen - bare ca 5 cm.

Vi skal nå bruke momentsatsen til å regne ut kraften som overarmsmuskelen må utøve (vi ser her bort fra vekten av underarmen):

Figur 3: Armen i løftestilling

K x Ka = L x La
K x 0,05 m = 100 N x 0,5 m som utregnet gir at K = 1000 N
Grovt kan vi si at kraften som muskelen i overarmen virker på underarmen med, blir 10 ganger større enn det vi løfter med en vannrett underarm.

Dette er kanskje et overraskende stort tall, men det antyder hvor store krefter kroppen må tåle – og det gjelder både knokler, leddbånd, sener og muskler. Ved løfting belaster vi kroppen med store krefter. Ved feil løfting kan vi derfor lett påføre kroppen skader.

Underarmen som toarmet vektstang – kast

Underarmen kan også være toarmet vektstang. Når du skal kaste en ball eller støte en kule i friidrett, er underarmen en toarmet vektstang. Studer figuren under som viser armen hevet over hodet idet du kaster og legg merke til at kraften på ballen har en lang kraftarm (La). Kraften (K) som muskelen må gi, blir svært stor når denne kraftens arm (Ka) er liten – helt tilsvarende som forrige eksempel.

Når det gjelder en kastbevegelse, kommer også hurtighet i bevegelsen inn - i tillegg til kraften.

Figur 4: Armen løftet i kast-stilling

Symmetrisk og usymmetrisk løft

Hvordan bærer du matposene fra butikken? Fordeler du vekten likt mellom hendene? Se på figurene under hvordan samme masse 30 kg (vekt 300 N) kan bæres fordelt mellom hendene eller bæres med en hånd. 

Figur 5a: Overkroppen til personen er 40 kg (400 N). Belastningen i første tilfelle blir bare 300 N + 400 N = 700 N. Figur 5b: Ryggmusklenes vektarm er ca 5 cm på den ene sida av ryggraden, mens vekten av lodd + kroppen (300 N+ 400 N) har 10 cm kraftarm på den andre siden. Med det skjeve løftet blir det da 1400 N på muskuklaturen som støtter ryggraden på motsatt side. Gjengitt og bearbeidet med tillatelse av Bjørn-Oscar Støre: Biomekanikk for fysioterapeuter, HiO-notat 2009 nr 5.

Du er vel ikke i tvil om hva som betyr minst belastning av mukulaturen i ryggen? I tillegg blir mellomhvirvelskivene belastet uheldig, se siste avsnitt.

Belastning av de store ryggmusklene

Liten undersøking med elevene: Når du står oppreist og rett i ryggen: Kjenn på de loddrette ryggmusklene på begge sider av ryggraden, - du kjenner da at disse musklene er høyere enn taggene på ryggvirvlene. Hvis du bøyer deg langt framover med strake bein, vil du tilsvarende kjenne at det er ryggtakkene som nå er de høyeste punktene. Det betyr at kraftarmen til kraften fra ryggmusklene blir mindre når du bøyer deg framover. I praksis kan vi regne med at kraftarmen reduseres fra ca 4 cm til ca 3 cm. Dette betyr videre at musklene må gi tilsvarende større kraft for å gi samme moment etter momentsatsen. Altså, ryggen belastes mer – betydelig mer - når du står med krum rygg. Hvis du i tillegg løfter en kasse på 10 kg – som i figurene 6a og b – må ryggmusklene i figur 6b tåle en balastning som er nær 2,5 ganger større enn i figur 6a! En overraskende stor forskjell!

Figur 6a og 6b er gjengitt og barbeidet med tillatelse (samme kilde som fig.5) Gjengitt og bearbeidet med tillatelse av Bjørn-Oscar Støre: Biomekanikk for fysioterapeuter, HiO-notat 2009 nr 5.

Om trykk

I fysikken defineres trykk som kraft per flate (N/m²). Trykk oppstår når en kraft møter en annen kraft eller når en kraft møter et legeme. Samme kraft på en mindre flate betyr større trykk. Tilsvarende gir samme kraft på en større flate mindre trykk.

Se på de tre eksemplene i figur 7: Du står vanlig på foten, du står på tærne eller du står på ski. Du har samme tyngde i de tre situasjonene, men trykket blir forskjellig. Pilene viser at når du står på tærne, blir trykket mot bakken større. Når du står på ski, blir trykket lavt – kanskje så lavt at snøen under skiene bærer!

Figur 7. Gjengitt og barbeidet med tillatelse (samme kilde som fig.5) Gjengitt og bearbeidet med tillatelse av Bjørn-Oscar Støre: Biomekanikk for fysioterapeuter, HiO-notat 2009 nr 5.

Om trykk på mellomvirvlene i ryggen

Første del av artikkelen handlet om hvordan muskulaturen i ryggen kan bli unødvendig belastet. Men i tillegg oppstår en unødvendig belastning av mellomvirvelskivene, særlig nederst i ryggen – lumbalryggen eller korsryggen. Figur 8 a og b viser trykket på en mellomvirvelskive nederst i ryggen når vi står rett og når vi bøyer oss framover. Legg merke til at når vi står bøyd, virker kraften på skiva på en mindre flate – og dermed øker trykket på kanten av mellomvirvelskiva. Mellomvirvelskiva er elastisk når den blir klemt på denne måten. Ved overbelastning kan mellomskiva gi etter, sprekke, noe som kan medføre store akutte ryggsmerter – ”hekseskudd”, lumbago (vondt i lumbalryggen).

I tillegg kan vi nevne at nerver som går fra ryggmargen ut mellom de nederste ryggvirvlene kan komme i klemme. Mange voksne har opplevet isjijas! Det innebærer at isjijasnerven – som går ut mellom de nederste ryggvirvlene og ned på utsida av beina – blir klemt. Det kan medføre store smerter og langvarig rekonvalesens. Man opplever altså smertene nedover i beina, selv om årsaken er en klemt nerve i ryggen – kanskje fordi man har løftet feil. Man kan løfte på seg ryggvondt!

Figur 8 a og b. Her vises skjematisk hvordan mellomvirvelskivene (grønne) får jevn belastning når man står rett eller hvordan trykket på på mellomvirvelskiva øker ved skjev belastning.

Om trykk og høyhælte sko

Moten kan legge opp til 10 cm høye hæler! Slike sko medfører at tyngden overføres til framfoten. Samme tyngde på mindre flate betyr høyere trykk.

Også knærne, sener i hæl og kroppsholdning påvirkes når man går på tærne. Man går mer ustøtt, balansen blir dårligere, noe som kan lede til at man lettere snubler, forstuer ankelen eller faller og brekker en arm. (konf. Legevakta!)

Det gamle idealet fra visa kan gjelde enda: En liten pike i lave sko, hun går på strøket i fred og ro.

Oppsummering

Mange knokler i kroppen virker som vektstenger og følger momentsatsen. Bevegelsesapparatet i kroppen må takle store krefter i daglige bevegelser, når vi går og løper, når vi bærer eller vi driver med idrett. Dette kan gi oss to ulike tanker:

At vi blir mer bevisst på at vi bruker kroppen riktig når vi løfter og beveger oss for å unngå unødvendig skade eller slitasje.

At vi trener kroppen så den blir sterkere og kan tåle større belastninger. Husk at det ikke er bare muskulaturen som må være sterk, men også sener og leddbånd, foruten selve skjellettet. En gammel tommelfingerregel sier at det tar 1 måned å trene opp øket muskelstyrke, 3 måneder å øke styrken i sener og leddbånd og et halvt år for å øke styrken i skjellettet. Med andre ord: Styrketrening må være langsiktig.

Diskusjonsoppgaver

• Forklar med begreper fra teksten over hvordan kroppen belastes når du bruker ryggsekk, veske i hånden eller veske med skulderstropp.
• Forklar hvordan mellomfoten blir en toarmet vektstang når du går opp ”på tå”.
• Fra sittende på en stol reiser du deg opp til stående, hovedsakelig ved å bruke lårmusklene (kvadroceps). Forklar hvordan lårbenet blir en toarmet vektstang.
• Stipuler / gjør målinger på kroppen og regn ut hvor stor kraften blir i lårmusklene i hvert av beina når du reiser deg.