หลักการของ Exercise Mechanics นั้น เป็นกระบวนการนำหลักฟิสิกส์ (แรง) วิศวกรรม มาประยุกต์ใช้ในการวิเคราะห์การ ออกกำลังกาย โดยคำนึงถึงร่างกาย “มนุษย์” เป็นหลัก ตัวอย่างที่ผู้เขียนหยิบยกมานั้น เป็นเพียงแค่บางส่วนของ Exercise Mechanics เท่านั้น

• Machine Selection ตัวอย่างการใช้ระบบคานในทางวิศวกรรมเพื่อวิเคราะห์เอกลักษณ์เครื่องออกกำลังกาย
• Exercise Analysis ตัวอย่างการวิเคราะห์ท่าออกกำลังกาย
• Muscle Attachment and Moment Arm ตัวอย่างการวิเคราะห์ประสิทธิภาพการออกแรงของกลุ่มกล้ามเนื้อ ณ ตำแหน่งต่างๆในท่าออกกำลังกาย
• Joint Force and Exercise Selection ตัวอย่างการวิเคราะห์แนวแรงที่กระทำต่อร่างกายในแต่ละตำแหน่งและการรับแรงของโครงสร้างข้อต่อ

Machine Selection
ตัวอย่างการใช้ระบบคานในทางวิศวกรรมเพื่อวิเคราะห์เอกลักษณ์เครื่องออกกำลังกาย

เป็นส่วนที่ตัดทอนมาจากบทความ 3 Lever Classes in Human Body (Why it doesn’t matter) vs. The Application of Gym Equipment Analysis
และ Joint Integrity, Its Essentials and Strategic Maneuvers

Mechanical Advantage and Classes of Lever

ความได้เปรียบเชิงกล ในระบบคาน 3 รูปแบบ

• รูปแบบที่ 1 คือ Load และ Effort อยู่ในด้านตรงข้ามกันระหว่างจุดหมุน เมื่อให้แรงทั้งสองมีขนาดที่เท่ากัน ความได้เปรียบจะเป็นของฝั่งที่อยู่ไกลจากจุดหมุนมากกว่า
• รูปแบบที่ 2 คือ Load อยู่ฝั่งเดียวกับ Effort และ Load นั้นอยู่ใกล้จุดหมุนมากกว่า Effort ทำให้ Effort ได้เปรียบ
• รูปแบบที่ 3 คือ Load อยู่ฝั่งเดียวกับ Effort แต่ Effort นั้นอยู่ใกล้จุดหมุนมากกว่า Load ทำให้ Effort เสียเปรียบ

Cybex T-Bar Row มีเอกลักษณ์เด่นชัด ที่แตกต่างจากแบรนด์อื่นๆคือ ผู้ใช้สามารถ Load น้ำหนักได้สองจุด นั้นคือ ช่วงระยะกลางคาน และ ช่วงปลายของคาน เมื่อเราเทียบกับระบบคาน จึงสามารถเป็นได้ทั้งแบบที่ 2 และ แบบที่ 3 นั่นหมายความว่า

• หากเรา Load แผ่นน้ำหนักที่กลางคาน เราจะต้องใช้แผ่นน้ำหนักเป็นจำนวนเยอะกว่าเนื่องจาก แรงพยายามของผู้ใช้เครื่องนั้นได้เปรียบมากกว่า
• และหากเรา Load แผ่นน้ำหนักที่ปลายของคาน แรงพยายามจะมีความเสียเปรียบต่อแรงต้านเล็กน้อย ทำให้ใช้แผ่นน้ำหนักจำนวนน้อยกว่า
• การที่ผู้ผลิต ตั้งใจผลิตมาให้ผู้ใช้สามารถเลือกที่จะ Load แผ่นน้ำหนักได้ทั้งสองตำแหน่งนั้น เนื่องจากทั้งสองตำแหน่งนั้น ให้ผลลัพธ์ของแรงเฉื่อยที่แตกต่างกัน โดยหากเรา Load แผ่นน้ำหนักที่ปลายคาน จะมี Momentum มากกว่า

eg. Machine Magnitude in Standing Leg Curl (Cable vs. Plate Load)

การเลือกเครื่องออกกำลังกายที่ถึงแม้จะดูเหมือนท่า ออกกำลังกาย เดียวกัน หากเครื่องนั้นมีการดีไซน์ องศาการจัดตำแหน่งของร่างกายที่ไม่เหมือนกัน แนวแรงและขนาดของแรง (Magnitude) ที่เกิดจากเครื่องออกกำลังกายในตำแหน่งเรริ่มและตำแหน่งจบ ที่ไม่เหมือนกันก็มีผลต่อ แรงกระทำที่ข้อต่อและกล้ามเนื้อแตกต่างกัน ณ ตำแหน่งต่างๆของท่าออกกำลังกายนั้น

จากตัวอย่างเครื่อง Leg Curl Plate Load ในรูปด้านซ้าย น้ำหนักจะเบาที่ตำแหน่งเริ่ม (Start Position) และค่อยๆหนักขึ้นไปจนถึงที่ตำแหน่งจบ (End Position)

ส่วนเครื่องในรูปด้านขวา Cable น้ำหนักจะหนักที่ตำแหน่งเริ่ม (Start Position) และค่อยๆเบาลงไปจนถึงตำแหน่งจบ (End Position)

เหตุที่สองเครื่องนี้มีความแตกต่างกันในเรื่องของแรงที่กระทำต่อกล้ามเนื้อ ทั้งในตำแหน่งเริ่มและตำแหน่งจบ เนื่องจากทิศทางของแรงจากแผ่นน้ำหนักที่กระทำต่อจุดหมุนข้อต่อตัวเครื่อง ณ ตำแหน่งต่างๆ ของทั้งสองเครื่องนี้แตกต่างกัน

eg. Cam Mechanism and Leg Extension

เครื่องออกกำลังกายแบรนด์เดียวกัน ดูภายนอกแทบไม่แตกต่างกัน แต่ผลิตคนละรุ่น ก็ให้ผลลัพธ์ที่ไม่เหมือนกัน
(จากตัวอย่าง เครื่อง Leg Extension ของแบรนด์ Cybex ที่ให้ Magnitude ที่แตกต่างกัน)

Magnitude หรือขนาดของแรง ที่กระทำต่อกล้ามเนื้อในตำแหน่งเริ่มและตำแหน่งจบ ที่แตกต่างกันของทั้งสองเครื่องนี้ เป็นเพราะส่วนประกอบทางวิศวกรรมที่เรียกว่า Cam หรือจานหมุนมีลักษณะที่แตกต่างกัน

Exercise Analysis
วิเคราะห์ท่าออกกำลังกาย

เป็นส่วนหนึ่งของบทความ More Than Choreography และ Exercises with No Names

Rotational Inefficiency การเสียประสิทธิภาพแรงหมุน

1. แรงที่กระทำต่อคาน (ลูกศรสีแดง) หากมีมุมที่ตั้งฉากกับ แขนคาน (เส้นประสีดำ) แรงทั้งหมดคือแรงที่จะทำให้คานหมุน โดยไม่มีการสูญเสียประสิทธิภาพใดๆ

2. ทิศทางของลูกศรสีแดง กระทำที่ปลายแขนคานในตำแหน่งเดียวกันกับคานด้านซ้าย แต่แตกต่างกันที่องศาของแรง ที่คานด้านขวา แรงมีทิศไม่ตั้งฉากกับแขนคาน ก่อให้เกิด ส่วนหนึ่งเป็นแรงเลื่อน (ลูกศรสีน้ำเงิน) และอีกส่วนเป็น แรงหมุน (ลูกศรสีเขียวที่มีขนาดเล็กลง) นั่นหมายถึง มีการสูญเสียประสิทธิภาพแรงหมุน

3. ทิศทางแรงของคานด้านขวา มีทิศทางตรงเข้าสู่จุดหมุน โดยมีทิศเดียวกันกับแขนคาน ทำให้สูญเสียประสิทธิภาพในการหมุน 100% (คานไม่เกิดการหมุน)

วิเคราะห์ท่าออกกำลังกาย Lateral Raise (Cable) โดยใช้หลักการเสียประสิทธิภาพแรงหมุน

หมายเหตุ: การเคลื่อนไหวของแขนนั้นผู้เขียนพยายามทำให้อยู่ในแนวระนาบที่สามารถเห็นทิศทางของแรงต้านให้ได้มากที่สุด ในความเป็นจริงแล้วนั้นการเคลื่อนไหวของแขนที่สัมพันธ์กับแรงต้าน อาจไม่ได้ขนานกับพื้น ขึ้นอยู่กับเป้าหมายการโหลดในส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อ

เส้นสีเขียว = Moment Arm หรือ ประสิทธิภาพของแรงต้านจาก Cable ที่กระทำต่อ ข้อต่อหัวไหล่

เส้นประสีขาว = Lever Arm หรือ แขนคาน

เส้นสีแดง = Resistance Direction หรือ แนวแรงของแรงต้าน

Bottom Position

Low Position

Mid Position

Cable Lateral Raise in Different Pulley Positions Analysis

หมายเหตุ: 100% นั้นเทียบกับในแต่ละตำแหน่งการเคลื่อนไหวของแขน ในท่าออกกำลังกาย เดิม ที่ตำแหน่งรอกเดิม ไม่ได้เทียบ 100% กับ 100% ณ ตำแหน่งรอกอื่น

เมื่อรอกอยู่ตำแหน่งต่ำสุด: เบา -> หนัก -> เบา
สิ่งนี้สามารถส่งผลต่อจังหวะ (Tempo) ที่ใช้ในการ ออกกำลังกาย โดยอาจทำให้เกิดการกระชากเคเบิลเพื่อเอาชนะแรงที่เพิ่มขึ้นในจังหวะที่สอง รวมถึงเมื่อนำน้ำหนักของแขนมาพิจารณาร่วมด้วย

เมื่อรอกอยู่ในตำแหน่งต่ำ: หนัก -> เบาลงเล็กน้อย -> เบาที่สุด
เมื่อรอกอยู่ในตำแหน่งนี้นั้น สามารถช่วยลดโอกาสการเกิดการกระชากน้ำหนัก และทำให้กล้ามเนื้อหัวไหล่ที่อยู่ในตำแหน่งยืด (Lengthened Position) รับโหลดเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับ เมื่อรอกอยู่ในตำแหน่งที่ต่ำที่สุด

เมื่อรอกอยู่ในตำแหน่งกึ่งกลาง: หนัก -> เบาลงเล็กน้อย -> เบาลงอย่างมาก
เมื่อรอกอยู่ในตำแหน่งนี้ ในจังหวะเริ่มกล้ามเนื้อหัวไหล่ที่อยู่ในตำแหน่งยืด (Lengthened Position) รับโหลดได้เต็มประสิทธิภาพ แต่เมื่อเริ่มเข้าสู่ในจังหวะปลายหรือจังหวะการเคลื่อนไหวที่สาม แรงต้านนั้นเบาลงอย่างมาก ทำให้ (Shortened Position) ของกล้ามเนื้อหัวไหล่ ทำงานน้อยลง

วิเคราะห์ท่าออกกำลังกาย
Russian Twist with Different Resistance Directions

1. คือ External Oblique และแนวเส้นใยกล้ามเนื้อที่ “เฉียงขึ้น”

2. ลึกลงไปอีกชั้น จะพบกับ Internal Obliqueและแนวเส้นใยกล้ามเนื้อที่มีทิศทาง “เฉียงลง”

ในรูปที่ 3 แรงลัพธ์ (Resultant) ที่เกิดจาก Internal Oblique (เฉียงลง) และ External Oblique (เฉียงขึ้น) เกิดเป็นเส้นตรง (แทนด้วยลูกศรสีเขียว) เมื่อหมุนช่วงลำตัวไปด้านขวา ซึ่งหากเราต้องการบริหารกล้ามเนื้อท้องข้าง เราต้องการแรงต้านที่มีทิศทางด้านตรงข้ามกับแรงที่เกิดจากกล้ามเนื้อ นั่นก็คือจากด้านซ้าย (แทนด้วยลูกศรสีแดง)

รูปที่ 1 ทิศทางแนวแรงต้าน ไม่ได้สัมพันธ์กับแนวแรงของกล้ามเนื้อท้องข้าง แต่แรงที่เกิดจาก Resistance Band กลับช่วย Support กล้ามเนื้อท้องช่วงกลางลำตัว (Rectus Abdominis) ทำให้ช่วงท้องกลางลำตัวทำงาน “น้อยลง” และช่วยในการยึดจับเพื่อเพิ่ม Balance

2. ทิศทางแนวแรงต้าน สัมพันธ์กับแนวแรงกล้ามเนื้อท้องข้างเพียงเล็กน้อย จาก “องศาการเอนลำตัวไปด้านหลัง” กล้ามเนื้อหัวไหล่ส่วนหน้า เป็นผู้ต่อสู้หลักหากเพิ่ม Load

3. ทิศทางแนวแรงต้าน สัมพันธ์กับแนวแรงของกล้ามเนื้อท้องข้างในจังหวะ B นั่นก็คือแรงต้านเกิดจากน้ำหนักของแขนที่ทิ้งไปด้านข้างลำตัว ทำให้ท้องข้างต้องทำงานเพื่อต้านการบิดของลำตัวไปตามน้ำหนักของแขนที่ทิ้งไปด้านข้าง ทั้งนี้ทั้งนั้นแรงต้านจะไม่สัมพันธ์กับทิศของแรงกล้ามเนื้อท้องข้างในจังหวะ A (ไม่ได้ Challenge กล้ามเนื้อท้องข้างทุกระยะ)

Muscle Attachment and Moment Arm
การวิเคราะห์ประสิทธิภาพการออกแรงของกลุ่มกล้ามเนื้อ ณ ตำแหน่งต่างๆในท่าออกกำลังกาย

ตัดทอนจากบทความ Resistance Direction (Who’s on the Team?)
และ Structures and Idiosyncrasies Different Individuals = Different Executions

Pull Down and Lat Position
(ประสิทธิภาพของกล้ามเนื้อปีกและองศาข้อต่อหัวไหล่)

จากรูปด้านบนด้านซ้ายสุด ตำแหน่งของข้อต่อหัวไหล่นั้นอยู่ที่ประมาณช่วง 170 องศาจากการพับ (~170 Degree of Shoulder Flexion)

จะเห็นได้ว่า Moment Arm ของเส้นใยกล้ามเนื้อ Lattissimus Dorsi (เส้นตรงสีฟ้าที่ข้อต่อหัวไหล่ในรูป) นั้น น้อยกว่าเมื่อเทียบตำแหน่งของข้อต่อหัวไหล่ในรูปภาพด้านขวา นั้นหมายความว่า ยิ่งเราชูแขนขึ้นเหนือหัวแบบในรูป ประสิทธิภาพของแรงจากกล้ามเนื้อปีก ยิ่งลดลง รวมทั้งกล้ามเนื้อนั้นก็ไม่ได้ยืดตัวออกไปได้อย่างมีนัยสำคัญ

กลับกันเมื่อพิจารณาในตำแหน่งที่เมื่อเราชูแขนขึ้นเหนือหัวจนสุดและทิศทางของแรงต้านอยู่ตรงเหนือหัว เส้นใยกล้ามเนื้อของ Pectoralis Major ส่วนของ Costal (เส้นใย กล้ามอกส่วนล่าง) กลับมี Moment Arm มากกว่า กล้ามเนื้อปีก ทำให้ท่าออกกำลังกาย Lat Pull Down จังหวะแรกนั้น เส้นใยของกล้ามเนื้ออกส่วนล่าง จึงเป็นผู้ช่วยในการต่อสู้กับแรงต้าน และเมื่อเราเคลื่อนไหวต่อไป ก็จะทำให้เกิดการลดการทำงานของกล้ามเนื้ออกเนื่องจาก ตำแหน่งองศาที่เปลี่ยนแปลงไปของข้อต่อ แนวแรงของแรงต้าน และการหมุนของกระดูก (คาน) ที่ส่งผลให้แนวแรงจากจุดที่เส้นใยกล้ามเนื้อยึดเกาะ (Muscle Line of Pull) เปลี่ยนแปลงไป

Bench Press and Thorax Angle
(องศาของทรวงอกและแนวแรงของกล้ามเนื้อ)

ภาพแสดงความแตกต่างระหว่างบุคคลจำลองที่มีลักษณะความชันของซี่โครงที่แตกต่างกันเมื่อนอนอยู่ในท่า Bench Press

มุมมองด้านข้างแสดงถึงความแตกต่างของซี่โครงสองซี่โครงที่มีความชันแตกต่างกันในขณะ Bench Press โดย

• รูปด้านบน: ซี่โครงมีความชันมากกว่า ทำให้แนวแรงของเส้นใยกล้ามเนื้อส่วนอก สอดคล้องไปกับทิศทางแรงต้าน (แรงดึงดูดโลก) มากกว่า หรือในอีกนัยนึงคือ ทำให้ประสิทธิภาพในการ Bench Press ดีกว่า
• รูปด้านล่าง: มีความชันของซี่โครงที่น้อยกว่า ทำให้แนวแรงที่เกิดจากการหดตัวของเส้นใยกล้ามเนื้ออก โดยเฉพาะเส้นใยส่วนล่าง ไม่ค่อยสอดคล้องกับแนวแรงต้าน ทำให้ประสิทธิภาพในการ Bench Press ด้อยกว่า

Joint Force and Exercise Selection
วิเคราะห์แนวแรงที่กระทำต่อร่างกายในแต่ละตำแหน่งและการรับแรงของโครงสร้างข้อต่อ

ตัดทอนจาก Joint Integrity, Its Essentials and Strategic Maneuvers
และ Resistance Direction (Who’s on the Team?)

การเลือกท่าออกกำลังกายสำหรับผู้ที่มีปัญหาข้อต่อ หรือ ต้องการลดความเสี่ยงต่อการบาดเจ็บ มีบทบาทสำคัญเป็นอย่างมากเช่นเดียวกัน ถึงแม้จะมีสกิลในท่าออกกำลังที่ดี แต่หาก “ธรรมชาติของท่าออกกำลังกายนั้น” มีทิศทาง แนวแรง หรือ แรงเฉื่อย ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ก็ควรพิจารณาในการปรับเปลี่ยนท่า ออกกำลังกาย หรืออุปกรณ์ ที่จะสามารถลดความเสี่ยงให้ได้มากที่สุด

Joint Force in Cable Fly

โดยธรรมชาติของเบ้าข้อต่อหัวไหล่ (Glenoid Fossa) ตำแหน่งองศาด้านหน้า-หลัง มีลักษณะโครงสร้างที่มีความเสถียรของข้อต่อน้อย แรงกระทำต่อข้อต่อหัวไหล่ในองศานี้จึงมีความเสี่ยงมากกว่าในองศาอื่นๆ

จากตัวอย่าง การปรับเปลี่ยนแนวแรงโดยเปลี่ยนจากการใช้ ดัมเบล ไปใช้ Cable สามารถลดแรงเฉือน (Shear Force) ที่กระทำต่อข้อต่อหัวไหล่ในตำแหน่ง Bottom Position ได้

การพิจารณาส่วนประกอบของแรง (Force Components) ที่เกิดจาก “ผู้ต่อสู้แรงต้าน” (Resistance Fighters) ซึ่งเป็นแรงที่อาจจะส่งผลต่อข้อต่อ ณ ตำแหน่งในท่าออกกำลังกายนั้นๆ ก็ถือเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่อาจจะทำให้ข้อต่อเสถียรขึ้น (Compression Force) หรือต้องรับมือกับแรงเฉือนมากขึ้น (Shear Force)

จากรูป

• สีเขียวเข้มคือแนวแรงของกล้ามเนื้ออก (Line of Pull of Pectoralis Major)
• สีเขียวอ่อนคือแรงหมุน (Rotary Force)
• สีม่วงคือแรงเลื่อน (Translatory Force)