قدرت و نیروی مفصل زانو

در طی دامنه حرکتی عضلات باز کننده معمولاً قوی تر از عضلات خم کننده هستند. اوج قدرت بازکنندگی زانو، در ۵۰ تا ۷۰ درجه خم کردن زانو حاصل می شود. وضعیت قدرت بیشینه (حداکثر) براساس سرعت حرکت تغییر می کند. به عنوان مثال، اگر حرکت کند باشد، اوج قدرت بازکنندگی زانو در ۲۰ درجه اول باز کردن زانو از وضعیت ۹۰ درجه خم شده حاصل می شود. بیشترین قدرت خم کنندگی در ۲۰ تا ۳۰ درجه اول خم کردن از وضعیت زانوی باز شده است. این وضعیت بسته به سرعت حرکت متغیر است.  اگر ران ها خم باشند، چون رابطه طول انقباض همسترینگ بهتر می شود، گشتاور خم کنندگی بالاتری هم به دست می آید.

در طب ورزش ارزیابی قدرت عضلات چهار سر ران و همسترینگ برای به دست آوردن نسبت همسترینگ به چهار سر ران امری کاملاً رایج است و معمولاً ۰/۵، یک نسبت قابل قبول است. یعنی قدرت عضلات همسترینگ باید حداقل نصف عضلات چهار سر ران باشد. عقیده بر آن است که نسبت پایین تر از این نشان دهنده عدم تعادل قدرت بین عضلات چهار سر ران و همسترینگ است و فرد را در معرض پذیرش آسیب قرار می دهد. در استفاده از این نسبت باید احتیاط کرد، چرا که فقط برای سرعت های پایین آزمون گیری هم جنبشی کاربرد دارد.

در آزمون گیری سرعت های بالا، وقتی اندام با سرعت بالا ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه در ثانیه حرکت می کند، به دلیل افت کارایی عضلات چهار سر ران در سرعت های بالا، این نسبت به یک نزدیک می شود. حتی در سطح آزمون گیری هم طول نیز نسبت قدرت عضلات همسترینگ به چهار سر ران ۰/۷ است. لذا نسبت ۰/۵ بین عضلات همسترینگ و چهار سر ران نمی تواند در سرعت های بالا قابل قبول باشد و نشان دهنده نبودن تعادل قدرت بین این دو گروه عضلانی است، در حالی که در سرعت های پایین چنین نیست.

هنگامی که زانو ۹۰ درجه خم شده است، به دلیل امکان چرخش در دامنه حرکتی وسیع تر، گشتاورهای چرخش داخلی و خارجی بیشتر است. در این حالت، قدرت چرخش خارجی از ۴۵ درجه تا ۹۰ درجه خم کردن زانو، تا ۵۰ درصد افزایش می یابد. وضعیت مفصل لگن نیز بر گشتاور چرخش داخلی اثر می گذارد، به گونه ای که بیشترین قدرت در زاویه ۱۲۰ درجه خم کردن تولید می شود، یعنی موقعیتی که عضلات راست داخلی و همسترینگ بیشترین کارایی را دارند. در خم کردن اندک ران و وضعیت خنثی، عضلات خیاطه بیشترین کارایی را برای چرخش خارجی دارند. اوج گشتاور چرخش در ۵ تا ۱۰ درجه اول چرخش است. گشتاور چرخش داخلی بیشتر از گشتاور چرخش خارجی است.

زانو در بسیاری از فعالیت هایی که مستلزم پاسخ دادن به نیروی جاذبه است، در اثر جذب نیروی ناشی از زمین یا به عنوان پیامد انقباض عضلات، نیروهای شدیدی را متحمل می شود. عضلات نیروی زیادی تولید می کنند، به گونه ای که نیروی انقباضی عضلات چهار سر ران هنگام راه رفتن یک تا سه برابر وزن بدن، هنگام بالارفتن از پله چهار برابر وزن بدن، در کوهنوردی ۳/۴ برابر وزن بدن و در اسکات پنج برابر وزن بدن است.

نیروی فشاری وارد بر مفصل درشت نئی رانی در فعالیت های خاص بسیار بالاست. به عنوان مثال، نیروهای عضلانی اعمال شده در برابر یک مقاومت سبک (۴۰ نیوتن متر) هنگام باز کردن ۳۰ تا ۱۲۰ درجه ای زانو، نیرویی فشاری معادل با ۱۱۰۰ نیوتن بر مفصل درشت نئی رانی وارد می کند. این نیرو هنگامی که باز کردن در حالت زانوی کاملاً باز رخ می دهد، تا ۱۲۳۰ نیوتن افزایش می یابد. نیروی فشاری وارد بر مفصل درشت نئی رانی در حالت زانوی باز، بیشتر است، دلیل آن تا حدودی مربوط به از دست رفتن بهره مکانیکی عضلات چهار سر ران و در انتهای دامنه حرکتی است و بنابراین برای جبران کاهش کار اهرمی نیروی بیشتری اعمال می کنند.

نیروی برشی مفصل درشت نئی رانی در چند درجه آخر باز کردن به حداکثر می رسد. جهت نیروی برش برحسب مقدار خم کردن مفصل تغییر می کند و در زوایای بین ۵۰ تا ۹۰ درجه خم کردن متغیر است. اعمال نیروی عضلانی بر همان مقاومت ۴۰ نیوتن متر در تمرین باز کردن زانو، نیروی برشی ۲۰۰ نیوتنی در بخش خلفی مفصل در زاویه ۱۲۰ درجه خم کردن و نیروی برشی ۶۰۰ نیوتنی در جلو مفصل در حرکت باز کردن تولید می کند. دلیل آن تا حدودی این است که در حالت نزدیک به باز کردن (شروع باز کردن) وتر کشکک، استخوان درشت نی را به طرف استخوان ران جلو می کشد، در حالی که هنگام خم کردن زانو، کشکک را به عقب می برد.

نیروی وارد بر بخش قدامی در ۳۰ درجه آخر باز کردن، فشار زیادی بر مفصل وارد می کند که نزدیک به ۸۶ درصد نیروی برشی قدامی است. با حرکت دادن قرقره تماس نزدیک زانو در تمرین باز کردن، نیروی برشی به عقب متمایل می شود و رباط صلیبی قدامی را تحت کشش قرار می دهد.

با وجود اینکه نیروهای فشاری وارد بر مفصل درشت نئی ران در حالت زانوی باز شده بیشترند، منطقه برخورد وسیع است و موجب کاهش فشار می شود. سطح برخورد در وضعیت باز شده نسبت به ۹۰ درجه خم شده، ۵۰ درصد بیشتر است. بنابراین در وضعیت زانوی باز شده، نیروهای فشاری بالاست، اما فشار وارده تا ۲۵ درصد کاهش می یابد. نیروهای فشاری وارد بر مفصل در زنان ۲۰ درصد بالاتر است، چرا که بهره مکانیکی کم منجر به گشتاور بازویی کوتاه تری می شود. از آنجایی که سطح تماس مفصلی زنان کمتر است، فشار بیشتری ایجاد می شود و به همین علت بروز التهاب غضروف مفصلی (استئوآرتریت) در زانوی زنان بیشتر است، اما این پدیده در مفصل ران دیده نمی شود.

نیروی فشاری وارد بر مفصل کشککی رانی هنگام راه رفتن، ۱/۵ برابر وزن بدن، در کوهنوردی سه تا چهار برابر وزن بدن و در تمرین اسکات هفت تا هشت برابر وزن بدن است. مفصل کشککی رانی نیروهای فشاری ران را جذب و در وتر عضلات چهار سر ران و رباط کشککی آن را به نیروی کششی تبدیل می کند.

در فعالیت های شدیدی که در نیروهای شتابی منفی بالایی وجود دارد، نیروی وارد بر مفصل کشککی رانی نیز بالاست. این نیرو با خم کردن زانو بیشتر می شود، زیرا زاویه بین عضلات چهار سر ران و کشکک کاهش می یابد و برای مقاومت در برابر خم کردن یا باز کردن زانو به نیروی بیشتر عضلات چهار سر ران نیاز دارد.

نیروی فشاری مفصل کشککی رانی در زاویه خم کردن ۵۰ درجه به حداکثر می رسد و هنگام  باز کردن کاهش می یابد، وقتی کشکک تقریباً از استخوان ران جدا می شود، این نیرو به صفر می رسد. بیشترین سطح تماس با کشکک در زوایای ۶۰ تا ۹۰ درجه خم کردن زانوست. سطح کشکک ۱۳ تا ۳۸ درصد از نیروی وارد بر مفصل را تحمل می کند. خوشبختانه هنگام بالا بودن نیروی فشاری وارد بر مفصل کشککی رانی، سطح تماس هم وسیع تر است و در نتیجه فشار وارده کاهش می یابد. در واقع در وضعیت زانوی باز شده، حتی اگر نیروی وارد بر مفصل کشککی رانی هم کم باشد، به دلیل کوچک بودن سطح تماس، فشار وارده زیاد است.

فعالیت هایی که مستلزم خم کردن شدید ران هستند، نیروهای فشاری شدیدی بر مفصل کشککی رانی وارد می کنند. این فعالیت ها عبارت اند از: پایین آمدن از پله (۴۰۰۰ نیوتن)، باز کردن هم طول بیشینه زانو (۶۱۰۰ نیوتن)، شوت کردن (۶۸۰۰ نیوتن)، اسکات موازی (۱۴/۹۰۰ نیوتن)، باز کردن هم جنبش زانو (۳۸۰۰ نیوتن)، برخاستن از صندلی (۳۸۰۰ نیوتن) و دویدن نرم (۵۰۰۰ نیوتن). در فعالیت هایی که زانو کمتر خم می شود، نیروی وارده نیز کمتر است. نمونه ای از این فعالیت ها عبارت اند از: بالا رفتن از پله (۱۴۰۰ نیوتن)، راه رفتن (۸۴۰-۸۵۰ نیوتن) و دوچرخه سواری (۸۸۰ نیوتن). افراد مبتلا به درد کشککی رانی باید به صورتی محدود به این نوع فعالیت ها بپردازند یا اساساً از انجام دادن آنها خودداری کنند.

نیروی فشاری وارد بر مفصل کشککی رانی و نیروی عضلات چهار سر ران هر دو، هنگام خم کردن زانو در حالت تحمل وزن، تشدید می شوند. اگر زانو در برابر مقاومتی مثل ماشین مخصوص باز کردن زانو یا وزنه باز شود، هنگام تبدیل خم کردن به باز کردن، نیروی عضلات چهار سر ران افزایش می یابد، ولی از نیروی وارد بر مفصل کشککی رانی کاسته می شود. چون این عمل در تمرین باز کردن زانو برای بالا آوردن وزنه عکس عمل خم کردن زانو در فعالیت های روزمره برای تحمل وزن است، استفاده از فعالیت زنجیره حرکتی بسته هنگام تحمل وزن ترجیح داده می شود. وقتی زانو بیشتر از ۶۰ درجه خم شود، نیروی وتر کشکک نصف تا دو سوم نیروی وتر عضلات چهار سر ران است.

افراد مبتلا به درد کشکک نباید تمرین هایی با زاویه بیشتر از ۳۰ درجه خم کردن انجام دهند، زیرا نیروهای فشاری کشککی رانی و گشتاوری خم کردن بسیار زیاد خواهد شد. با وجود این، هنگام باز کردن زانو، یعنی وقتی که نیروی کشککی رانی کم و نیروی برشی خلفی زیاد است، اجرای فعالیت در مراحل پایانی باز کردن، موجب آسیب دیدگی رباط صلیبی قدامی نمی شود. این وضعیت در زاویه ۵۰ درجه خم کردن معکوس می شود، یعنی حالتی که نیروی برشی کم و نیروی فشاری کشککی رانی زیاد است.