Otot dan tuas

Untuk menahan 4 kg di tangan dengan lengan bawah mendatar, bisep menarik dengan gaya sekitar 470 N, lebih dari tujuh kali berat yang ditopangnya.

Tulang sebagai tuas

Tuas adalah batang kaku yang berputar pada titik tetap, yaitu titik tumpu. Gaya yang diberikan padanya, disebut kuasa, menggerakkan atau menahan hambatan, yaitu beban. Dalam tubuh, tulang merupakan batang dan sendi merupakan titik tumpu. Tarikan otot adalah kuasa, sedangkan beban adalah apa pun yang melawan gerakan: tas belanja atau sekadar berat anggota tubuh itu sendiri.

Tiga jenis tuas

Tuas dikelompokkan berdasarkan bagian yang berada di tengah. Pada tuas jenis pertama, titik tumpu berada di antara kuasa dan beban, seperti jungkat-jungkit. Gerakan mengangguk bekerja seperti ini: tengkorak berputar di atas tulang belakang, dengan otot leher menarik di belakang dan berat wajah di depan. Pada tuas jenis kedua, beban berada di tengah, seperti gerobak dorong. Berjinjit adalah contohnya: pangkal jari kaki menjadi titik tumpu, otot betis menarik tumit ke atas, dan berat tubuh berada di antaranya. Pada tuas jenis ketiga, kuasa berada di tengah. Contohnya lengan bawah. Siku merupakan titik tumpu, bisep menarik radius tepat di depannya, dan beban berada di tangan yang letaknya jauh lebih luar.

Menyeimbangkan efek putaran

Berputar atau tidaknya tuas bergantung pada torsi, yaitu efek putaran suatu gaya: gaya dikalikan jarak tegak lurusnya dari titik tumpu. Agar lengan bawah tetap diam, torsi bisep harus sama dengan jumlah torsi berat yang menarik ke bawah. Dalam contoh perhitungan fisika digunakan nilai berikut. Insersio bisep berjarak 4.00 cm dari siku. Massa lengan bawah 2.50 kg, dengan pusat massa berjarak 16.0 cm dari siku. Beban 4.00 kg dipegang pada jarak 38.0 cm dari siku, dan lengan bawah mendatar. Dengan g = 9.80 m/s², keseimbangannya dituliskan sebagai berikut.

F × 0.0400 m = (2.50 kg × 9.80 m/s² × 0.160 m) + (4.00 kg × 9.80 m/s² × 0.380 m) = 3.92 N·m + 14.90 N·m = 18.82 N·m, jadi F = 18.82 ÷ 0.0400 ≈ 470 N.

Berat total lengan bawah dan beban adalah 6.50 kg × 9.80 m/s² = 63.7 N, sehingga tarikan bisep sekitar 7.4 kali berat yang ditopangnya. Sendi siku juga menerima gaya besar: humerus menekan lengan bawah ke bawah sebesar selisihnya, sekitar 407 N. Model memakai geometri perlekatan yang sedikit berbeda. Dengan lengan bawah mendatar dan beban 4 kg di tangan, model menunjukkan sekitar 468 N karena lengan momen tegak lurus bisep sekitar 4.02 cm, bukan 4.00 cm.

Mengapa melekat begitu dekat dengan sendi?

Keuntungan mekanis adalah beban dibagi kuasa. Pada tuas, nilainya sama dengan lengan kuasa dibagi lengan beban. Untuk lengan bawah, nilainya 4 cm ÷ 38 cm, sekitar 0.11. Keuntungan mekanis di bawah 1 terdengar merugikan, dan dalam hal gaya memang demikian. Sebagai gantinya, kita mendapat jarak dan kecepatan. Perbandingan jarak gerak sama dengan perbandingan lengan tuas, sehingga pemendekan bisep sebesar 1 cm mengayunkan tangan sekitar 9.5 cm. Kontraksi kecil dan cepat di dekat sendi menghasilkan gerakan tangan yang besar dan cepat. Jika tendon melekat lebih jauh di sepanjang lengan bawah, otot dapat menahan beban lebih besar, tetapi tangan bergerak dalam rentang lebih kecil untuk pemendekan yang sama.

Coba penggeser Tempat perlekatan bisep. Dalam perhitungan buku pelajaran, memindahkan insersio dari 4 cm ke 5 cm menurunkan gaya yang dibutuhkan untuk beban 4 kg dari sekitar 470 N menjadi sekitar 376 N. Tangan kemudian hanya bergerak sekitar 7.6 cm untuk setiap sentimeter pemendekan.

Sudut mengubah kedua lengan tuas

Ubah sudut siku dan kedua lengan tuas ikut berubah. Saat lengan bawah dimiringkan ke bawah dari posisi mendatar, beban di tangan mendekati garis vertikal yang melalui siku, sehingga lengan bebannya memendek dan bisep membutuhkan gaya lebih kecil. Saat lengan menggantung lurus ke bawah, berat menarik sepanjang lengan bawah dan hampir tidak menghasilkan torsi. Siku sebenarnya lebih rumit daripada model. Titik putarnya sedikit bergeser saat sendi menekuk, dan gaya yang dapat dihasilkan otot juga bergantung pada panjangnya. Jadi, angka di sini merupakan perkiraan awal, bukan pengukuran lengan seseorang.

Ini adalah materi pendidikan tentang susunan dan cara kerja tubuh. Ini bukan nasihat medis dan tidak untuk mendiagnosis atau mengobati siapa pun.