Chương 1: Cơ học

Những Khái Niệm Cơ Học Nền Tảng

Trước khi đi sâu vào những ứng dụng phức tạp, hãy cùng điểm qua các khái niệm cơ bản để có cùng một “ngôn ngữ” chung.

1.1. Đơn Vị Đo Lường và Hệ Quy Chiếu

Trong vật lý, mọi thứ cần được đo lường chính xác. Hệ đo lường quốc tế S.I (International System) là tiêu chuẩn vàng. Tuy nhiên, trong lĩnh vực y tế, một số đơn vị quen thuộc hơn vẫn được sử dụng song song.

Đại lượng	Đơn vị S.I	Ký hiệu	Đơn vị thường dùng trong Y tế
Độ dài	Mét	m	Centimet (cm)
Khối lượng	Kilogram	kg	Gram (g)
Thời gian	Giây	s	Giây (s)
Năng lượng	Joule	J	Calo (1 cal ≈ 4.2 J)
Áp suất	Pascal	Pa	Milimét thủy ngân (mmHg)

Để mô tả chuyển động, chúng ta cần một Hệ quy chiếu, bao gồm:

• Vật mốc (Gốc tọa độ): Điểm bắt đầu để so sánh.
• Hệ trục tọa độ: Các trục (Ox, Oy, Oz) để xác định vị trí.
• Đồng hồ: Để đo thời gian.

1.2. Quãng Đường, Độ Dời, Vận Tốc và Gia Tốc

Hãy phân biệt rõ những khái niệm dễ nhầm lẫn này:

• Quỹ đạo: Con đường mà vật di chuyển.
• Quãng đường (S): Tổng chiều dài của con đường vật đã đi. Đây là một đại lượng vô hướng.
• Độ dời (Δr): Khoảng cách đường chim bay từ điểm đầu đến điểm cuối. Đây là một đại lượng vector.

• Vận tốc (v): Đặc trưng cho sự thay đổi độ dời theo thời gian. Nó cho biết vật đi nhanh hay chậm và theo hướng nào (đại lượng vector).
• Gia tốc (a): Đặc trưng cho sự thay đổi của vận tốc theo thời gian. Khi bạn tăng tốc, giảm tốc hay đổi hướng, bạn đang có gia tốc (đại lượng vector).

---

3 Định Luật Newton – Nền Tảng Bất Di Bất Dịch Của Cơ Học

Mọi chuyển động trong vũ trụ, từ hành tinh đến tế bào, đều tuân theo 3 định luật nền tảng của Isaac Newton.

Định luật I: Định luật Quán tính

“Một vật sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều nếu không chịu tác dụng của lực nào, hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng không.”

Nói đơn giản: Mọi vật đều có xu hướng “lười”, chúng muốn duy trì trạng thái hiện tại. Đó là lý do tại sao bạn bị ngả người về phía trước khi xe buýt phanh gấp. Cơ thể bạn muốn tiếp tục chuyển động theo quán tính!

Định luật II: Lực, Khối lượng & Gia tốc

F = ma

Đây là công thức trung tâm của cơ học. Nó cho biết:

• Muốn làm một vật có khối lượng (m) thay đổi vận tốc (tức là có gia tốc a), bạn cần tác dụng một lực (F).
• Lực càng lớn, gia tốc càng lớn.
• Khối lượng càng lớn, vật càng “ì”, cần một lực lớn hơn để tạo ra cùng một gia tốc.

Trong cơ thể, mỗi lần cơ bắp co lại để di chuyển một khúc xương, chúng đang tạo ra lực để gây ra gia tốc cho bộ phận đó.

Định luật III: Lực và Phản lực

“Khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này cùng độ lớn, cùng phương nhưng ngược chiều.”

Khi bạn đi bộ, chân bạn đẩy mặt đất về phía sau. Theo Định luật III Newton, mặt đất cũng đẩy chân bạn về phía trước, và chính lực này giúp bạn tiến lên. Lực và phản lực luôn xuất hiện theo cặp, không bao giờ tồn tại riêng lẻ.

---

Phần 3: Tĩnh Học – Bí Mật Của Sự Cân Bằng và Đòn Bẩy Sinh Học

Tĩnh học nghiên cứu các vật thể ở trạng thái cân bằng. Điều này cực kỳ quan trọng để hiểu cách chúng ta đứng vững và vận động.

3.1. Momen Lực – “Chìa Khóa” Của Chuyển Động Quay

Momen lực (M) là đại lượng đặc trưng cho khả năng của một lực làm vật quay quanh một trục.

M = Fd

Trong đó d là cánh tay đòn (khoảng cách vuông góc từ trục quay đến giá của lực).

Bạn có thấy mở cửa ở gần bản lề khó hơn rất nhiều so với ở xa tay nắm không? Đó là vì khi đẩy ở xa, bạn đã tạo ra một cánh tay đòn dài hơn, dẫn đến momen lực lớn hơn.

3.2. Đòn Bẩy Sinh Học: Cơ Thể Hoạt Động Như Thế Nào?

Cơ thể chúng ta là một hệ thống đòn bẩy phức tạp, với xương là thanh đòn, khớp là điểm tựa, và lực co cơ là lực tác dụng. Có 3 loại đòn bẩy chính, và cả 3 đều có trong cơ thể người!

• Đòn bẩy loại 1: Điểm tựa nằm giữa lực tác dụng và vật cản.
  • Ví dụ trong cơ thể: Chuyển động gật/ngửa đầu. Khớp sọ-cổ là điểm tựa, cơ cổ phía sau tạo lực, và trọng lượng của đầu là vật cản.
• Đòn bẩy loại 2: Vật cản nằm giữa điểm tựa và lực tác dụng.
  • Ví dụ trong cơ thể: Khi bạn đứng bằng mũi chân. Mũi chân là điểm tựa, trọng lượng cơ thể dồn xuống cổ chân là vật cản, và lực co của cơ bắp chân là lực tác dụng.
• Đòn bẩy loại 3: Lực tác dụng nằm giữa điểm tựa và vật cản. Đây là loại phổ biến nhất trong cơ thể.
  • Ví dụ trong cơ thể: Gập khuỷu tay. Khớp khuỷu tay là điểm tựa, lực co của cơ nhị đầu (bắp tay trước) là lực tác dụng, và vật cản là trọng lượng của cẳng tay (hoặc vật đang cầm).

---

Phần 4: Công và Năng Lượng – “Nhiên Liệu” Cho Mọi Hoạt Động

Mọi chuyển động đều cần năng lượng. Cơ thể chúng ta chuyển hóa năng lượng hóa học từ thức ăn thành công cơ học.

• Công (A): Được sinh ra khi một lực làm vật dịch chuyển. A = F * s * cos(θ).
• Năng lượng: Khả năng sinh công. Dạng năng lượng liên quan đến chuyển động được gọi là cơ năng.
  • Động năng: Năng lượng có được do chuyển động (K = 1/2 * mv²).
  • Thế năng: Năng lượng dự trữ do vị trí (ví dụ thế năng trọng trường U = mgh).

Các Hệ Thống Năng Lượng Cung Cấp Cho Cơ Bắp

Cơ thể rất thông minh, nó có nhiều hệ thống khác nhau để cung cấp năng lượng (dưới dạng phân tử ATP) cho các loại hoạt động khác nhau.

Dưới đây là bảng so sánh 3 hệ thống năng lượng chính:

Tiêu chí	Hệ Phosphate (ATP-CP)	Hệ Lactic (Glycolysis)	Hệ Oxy (Hô hấp hiếu khí)
Loại hình hoạt động	Cực ngắn, bùng nổ (chạy 100m, cử tạ)	Ngắn, cường độ cao (chạy 400m, bơi lội)	Dài, bền bỉ (chạy marathon, đạp xe)
Nguồn nhiên liệu	ATP, Creatine Phosphate có sẵn	Glucose (đường)	Chất béo, đường, protein
Yêu cầu Oxy	Không cần	Không cần	Cần
Tốc độ cung cấp	Cực nhanh	Nhanh	Chậm
Sản phẩm phụ	Không có đáng kể	Axit Lactic (gây mỏi)	CO₂, Nước
Ưu điểm	Năng lượng tức thời, mạnh mẽ	Cung cấp năng lượng nhanh	Năng lượng dồi dào, bền bỉ, không gây mỏi
Nhược điểm	Rất mau cạn kiệt (vài giây)	Gây mỏi cơ, giới hạn thời gian	Cung cấp chậm, cần thời gian khởi động

Lời Kết

Từ những định luật vĩ mô của Newton đến cơ chế đòn bẩy tinh vi trong từng khớp xương và sự chuyển hóa năng lượng phức tạp trong từng tế bào, cơ học lý sinh cho chúng ta thấy rằng cơ thể người thực sự là một kiệt tác của kỹ thuật tự nhiên.

Hiểu rõ những nguyên lý này không chỉ giúp chúng ta trân trọng hơn cơ thể mình mà còn có ứng dụng to lớn trong y học, thể thao và phục hồi chức năng.