Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Kas Kuvvet-Hız İlişkilerini Ölçmek İçin Düşük Maliyetli Bir Düzenek

201 görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

14 Ağustos 2026

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

Bu makalede

Özet

Ekonomik malzemeler, 3D yazıcıyla basılmış bir dişli, bir akıllı telefon ivmeölçeri ve ücretsiz Python yazılımı kullanılarak, insan kas kuvvet-hız-güç ilişkilerini ölçmek için erişilebilir ve düşük maliyetli bir düzenek geliştirilmiştir. Altın standart bir ergometre ile yapılan doğrulama, lisans düzeyindeki sınıf ortamında eşit ve uygulamalı öğrenme fırsatları sunarken fizyolojik olarak anlamlı ölçümler sağladığını göstermiştir.

Özet

Kas kuvveti, kasılma hızı ve güç arasındaki ilişki, fizyolojide yaklaşık bir asırlık bir paradigmayı temsil etmekte ve kas-iskelet sistemi fonksiyonlarının anlaşılmasının temel taşını oluşturmaktadır. Ancak, gerekli ekipmanların yüksek maliyeti nedeniyle bu paradigma, fizyoloji ve biyomekanik derslerinde nadiren doğrudan incelenmektedir. Bu çalışma, ücretsiz Phyphox uygulaması kullanılarak bir akıllı telefon ivmeölçer aracılığıyla insan parmak kaslarından kuvvet-hız-güç verileri toplamak üzere kolayca inşa edilebilen ve yapılandırılabilen, cırcır mekanizmalı bir dişli içeren 3 boyutlu yazıcıyla üretilmiş bir makara sistemini kullanan düşük maliyetli bir düzeneğin tasarlanmasını ve doğrulanmasını amaçlamıştır. Özel bir Python betiği, ham ivmeölçer ölçümlerini hız ve güç çıktılarına dönüştürmekte ve bu çıktılar ardından altın standart olan çift modlu bir kaldıraç sistemi kullanılarak elde edilen ölçümlerle konu bazlı olarak karşılaştırılmaktadır. Beş özet değişkenin (pik kuvvet, Fmax; pik hız, Vmax; pik güç, Pmax; optimal hız, Vopt; ve kuvvet-hız eğriliği, a/Fmax) ikili karşılaştırmaları, iki düzenek kullanılarak toplanan kuvvet-hız-güç verileri arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark olmadığını ortaya koymuştur (eşleştirilmiş t-testleri, p > 0.05). Bu nedenle, veri kalitesinde anlamlı bir azalma olmaksızın, bu ucuz düzenek biyomekanik ve fizyolojik ilkelerin öğretilmesi ve incelenmesi için erişilebilir, güvenli ve maliyet etkin bir yol sunmaktadır. Bu düzeneğin, özellikle dünya genelinde yetersiz finansman sağlanan ve kaynakları sınırlı olan eğitim ortamlarında kas fizyolojisi ve biyomekanik eğitimini demokratikleştirme potansiyeli bulunmaktadır.

Giriş

Çizgili kas, insanlarda ve diğer hayvanlarda iskelet hareketini sağlayan motordur. Bu kasın kendine özgü hiyerarşik kompozisyonunu anlamak, kuvvet üretimini ve iş yapma kapasitesini etkileyen ölçekler arası faktörler nedeniyle karmaşıktır1,2. Belki de bu karmaşıklıklardan dolayı, eğitimcilerin kas fonksiyonunun temel ve en büyüleyici yönlerini uygun şekilde sergilemek için gereken araçlara sahip olmaması nedeniyle, kas fonksiyonu anatomi ve fizyoloji müfredatlarında yeterince önceliklendirilmeyen bir bileşen olabilir3,4,5,6.

Kas fonksiyonu tarihsel olarak birçok kalıcı paradigma üzerinden tanımlanmıştır; ancak bunların hiçbiri, yaklaşık bir yüzyıl önce Archibald Vivian Hill tarafından ilk kez karakterize edilen kuvvet-hız dengesi kadar yaygın olarak tanınmamıştır1,2,3,4,5,6. Bu temel fizyolojik ilişki, kas kasılma hızı ile kuvvet arasındaki dengeyi tanımlar; buna göre, izometrik veya çok yavaş kısalan kasılmalar genellikle en güçlü olanlar olup pik kas kuvvetini (Fmax) üretirken, pik kas hızına (Vmax) yaklaşan en hızlı izotonik kasılmalar ise tipik olarak en zayıf olanlardır1. Hill, 1938'de kuvvet-hız-güç (FVP) ilişkisini tanımladığında, hâlâ kendi adını taşıyan bir fonksiyon tanıtmıştır. Hill denklemi (Denklem 1), izometrik bir kasılma sırasında (sabit kas uçlarıyla) üretilen pik kuvvet ile dış bir yükün yokluğunda ulaşılan pik hız arasındaki ilişkiyi kurar.

Denklem 1: (v + b) (F + a) = b (Fmax + a)

burada v kısalma hızı, F kas kuvveti, Fmax maksimum izometrik kuvvet ve a ile b ise kuvvet-hız ilişkisini ve kas kısalmasının enerjik özelliklerini tanımlayan sabitlerdir1.

Bu temel ilişkinin içerisinde, FVP ilişkisini tanımlayan beş nicel parametre ile temsil edilen kas fonksiyonuna dair birkaç temel kavram yer almaktadır. Anlık kas kuvveti ile hızın çarpımı güçtür ve bu değer tipik olarak bir maksimum değere (Pmaksimum) yaklaşık V'nin üçte biri seviyesindemaksimum7... olduğu hızda  Pmaksimum gerçekleştiğinde buna optimal hız (V) deniropt), ve kısalma hızları aralığındaki (V'den) konumu0 V'yemaksimum) kuvvet-hız ve güç-hız ilişkilerinin önemli bir özelliğidir. Örneğin, daha yüksek bir Vopt optimize etmek / optimizasyon pik gücün daha yüksek bir kısalma hızında iletilmesiyle sonuçlanır. Kuvvet-hız ilişkisinin kendi içinde, pik kuvvet (Fmaksimum) ve tepe hızı (Vmaksimum) eğrisel bir biçimde ara kuvvet-hız ilişkileri ile birbirine bağlanmıştır (Şekil 5A). Mevcut metodoloji kullanılarak elde edilen temsili kuvvet-hız ve güç-hız ilişkileri şurada gösterilmiştir Şekil 1. Bu eğrinin eğimi, kuvvetin hızla birlikte azalma oranını tanımlayan kuvvet-hız eğriliği olarak adlandırılır. Eğrilik şu şekilde tanımlanır: a/Fmaksimum8, burada a şöyledir yüksüz kısalan bir kasın oluşturduğu sürtünme ısısını nicelleştiren Hill denklemindeki termodinamik sabitler1Eğrilik, V'nin konumunu etkiler.opt kuvvet-hız eğrisi üzerinde yer alır ve bir kasın belirli bir kısalma hızında ne kadar kuvvet üretebileceğini belirler. Eğrilik kas gücü oranı (Denklem 2) kullanılarak da tanımlanmıştır9. 

Denklem 2:  figure-introduction-1

burada Pmax maksimum kas güç çıktısını; Vmax ve Fmax ise sırasıyla maksimum kısalma hızını ve maksimum izometrik kuvveti temsil eder.

Kuvvet-hız ve güç-hız ilişkilerinin sezgisel doğası, yaşam bilimleri derslerinde kas fonksiyonlarının öğretimi için etkili giriş noktaları sağlar. Öğrencilere FVP ilişkileri hakkında daha eksiksiz bir anlayış geliştirmeleri için uygulamalı fırsatlar sunmanın önemi, uygulamalı öğrenmenin bilgi kalıcılığını artırdığının gösterilmiş olmasıyla10 vurgulanmaktadır. Ayrıca, deneysel öğrenmenin, hem temel bilimsel bağlamda hem de sakatlık önleme, rehabilitasyon ve fiziksel eğitim dahil olmak üzere sağlık hizmetlerindeki mesleklere hazırlık aşamasında, kas fonksiyonlarını değerlendirme temelini güçlendirdiği bilinmektedir.

Çift modlu servomotor kaldıraç sistemleri gibi kas fizyolojik özelliklerini test etmek için kullanılan geleneksel cihazlar oldukça hassas ve doğrudur; ancak maliyetleri çok yüksek olduğundan çoğu sınıf ortamında uygulanabilirlikleri önünde önemli engeller bulunmaktadır7. Bu sınırlamaları gidermek ve uygulamalı öğrenme fırsatlarını genişletmek amacıyla düşük maliyetli bir alternatif geliştirilmiştir. Düzenek, bir cırcır ve tırnaklı dişli içeren 3B yazıcıyla üretilmiş bir makara etrafında kurulmuştur; hazır satılan kanallı alüminyum raylar, sert tel ve ücretsiz bir veri toplama uygulaması çalıştıran, bir tutucuya monte edilmiş akıllı telefon kullanmaktadır (Şekil 2). Özel ivme ölçüm cihazları yerine akıllı telefon seçilmiştir çünkü akıllı telefonlar yaygın olarak mevcuttur ve genellikle doğru ve dayanıklı ivmeölçerler ile donatılmışlardır11. Akıllı telefonların bilimsel ölçüm cihazları olarak faydası, ticari olarak mevcut bir akıllı telefon ivmeölçerinin Ingenuity Mars Helikopteri'nin eylemsizlik ölçüm birimine entegre edilmesi de dahil olmak üzere daha önce gösterilmiştir12.

Kas fizyolojisini öğretmek için mevcut birkaç düşük maliyetli araç olsa da, bunlar farklı kavramları hedeflemektedir: Judge ve ark.6 geliştirilmiş kas elektriksel aktivitesini kaydetmek için uygun maliyetli SpikerBox tabanlı etkinlikler ve Medeiros ve ark.10 titin ile ilişkili mekanikleri göstermek amacıyla düşük maliyetli bir 2B sarkomer modeli oluşturulmuştur. Ancak, mevcut düşük maliyetli araçların hiçbiri öğrencilerin, kasılan bir insan kasının FVP (kuvvet-volüm-basınç) ilişkilerini doğrudan ölçmesine ve araştırmalarla karşılaştırılabilir nicel veriler üretmesine olanak tanımamaktadır. Mevcut düzenek, 300 doların altındaki bir maliyetle altın standartla doğrulanmış FVP ölçümleri sunarak bu boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır.

Bu çalışma, endüstriyel altın standartla çapraz doğrulaması yapılmış, düşük maliyetli bir FVP cihazının kurulumunu bildirmektedir. Doğrulama analizleri, her iki cihazla aynı deneklerde ölçülen beş kabul görmüş FVP özet değişkeninin ikili karşılaştırmalarına dayanmaktadır. Analizler, her iki cihazın da eşdeğer kuvvet-hız ve güç-hız eğrileri oluşturduğu hipotezini test etmektedir. Başarılı bir çapraz doğrulama ile düşük maliyetli cihaz, deneysel doğruluğu ve dolayısıyla bilimsel titizliği korurken, cihaz edinimindeki mali engelleri azaltarak kas fizyolojisi ve kas-iskelet biyomekaniği sınıf çalışmalarını demokratikleştirilebilir. Düşük maliyetli cihazın, dünya genelinde fizyoloji ve biyomekanik derslerinde kas anatomisini halihazırda çalışan ve öğreten öğrencilere ve eğitimcilere, kasın en temel ilişkilerinden birini pratik olarak keşfetme konusunda ilham vermesi ve imkan tanıması öngörülmektedir. Fizyolojik ölçümler üretmeye yönelik uygulamalı bir etkinlik eklenerek, sınıflarda çok modlu anlama ve gelişmiş bilgi tutma sağlanabilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Bu yayına temel teşkil eden tüm deneyler, Massachusetts Lowell Üniversitesi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylanmıştır (Protokol No. 21-163-KON-XPD).

NOT: Düzenek, 3D yazıcıyla basılmış bir makara sisteminden harici yüklerle asılmış bir akıllı telefon kullanır. İvme verileri, akıllı telefon tabanlı bir veri toplama uygulaması kullanılarak 100 Hz frekansında toplanır. Kuvvet, akıllı telefon ve harici yükün toplam kütlesinin ivme ile çarpılmasıyla hesaplanır. Hız, ivmenin integrali alınarak elde edilir ve güç, kuvvet ile hızın çarpımı olarak hesaplanır (Ek Kodlama Dosyası 1).

1. Düzenek kurulumu

  1. İki kısa alüminyum kirişi, alüminyum şasi bağlantı elemanları kullanarak bir uzun alüminyum kirişin alt kısmına sabitleyin. Stabil ve esnemeyen bir taban oluşturmak için kısa kirişleri, uzun kirişin her iki ucundan yaklaşık 8 cm uzağa yerleştirin.
    NOT: Bu düzeneğe bundan böyle şasi denilecektir.
  2. Makara tutucuyu oluşturun
    1. Büyük gözenekli polivinil klorür bloğu, 7 in tarafı dikey ve 6,75 in tarafı yatay olacak şekilde konumlandırın.
    2. Sol kenar boyunca sol alt köşeden 2,75 in ölçün ve konumu işaretleyin.
    3. Üst kenar boyunca sol üst köşeden 2,75 in ölçün ve konumu işaretleyin.
    4. İşaretlenen iki konumu birleştiren düz bir çizgi çizin.
    5. İşaretli çizgi boyunca kesin ve ortaya çıkan üçgen bölümü çıkarın.
    6. Sağ üst köşeden 1,25 in uzağa 7/16 in çapında bir delik açın.
    7. İkinci büyük blok için 1.2.1–1.2.6 adımlarını tekrarlayın.
    8. Küçük gözenekli polivinil klorür bloğunu şasinin arkasına yerleştirin.
    9. Her iki büyük bloğu, aralarında 8 in mesafe olacak şekilde küçük bloğa sabitleyin. Diyagonal kesimleri küçük bloğun üstüne gelecek şekilde yönlendirin ve açılan delikleri küçük bloğun kenarının dışına konumlandırın.
  3. Makara tutucuyu bir masa veya tezgah köşesine güvenli bir şekilde kelepçeleyin.
    NOT: Tutucuyu, makara masa kenarının dışına taşacak şekilde konumlandırın. Bu, kasılmalar sırasında asılı ağırlıkların ve akıllı telefonun masa ayaklarına temas etmesini önler.
  4. Kol dayama yerini oluşturun ve takın
    1. 14 in gözenekli polivinil klorür kol dayama bloğunu; iki adet 1,5 in ve bir adet 3,5 in bölümden oluşacak şekilde üç parçaya bölün.
    2. Her bir küçük bölümün üst yüzeyine, ön kenardan 1 in uzağa 2 in x 1/8 in boyutunda bir çentik açın.
    3. Küçük bölümleri, büyük bölümün her iki ucundaki alt kısma sabitleyin. Çentikleri birbiriyle hizalayın.
    4. Büyük bölümün üst yüzeyini cırt cırtlı bantla kaplayın.
    5. Ön kol kayışını iki çentiğin içinden geçirin.
    6. Kol dayama yerini, cıvatalar ve geçme T-somunlar kullanarak şasiye sabitleyin. Kol dayama yerini, ön kol kayışı makaradan uzağa bakacak şekilde makara tutucusundan 14 in uzağa konumlandırın.
  5. İç dişli ve dış dişli bileşenlerinin kanallarına bilyalı rulmanlar yerleştirin (Ek Dosya 1).
  6. 40 cm uzunluğundaki zamanlama kayışını iç dişli bileşeninin yanal yuvasından geçirin. 2 cm örtüşme ile bir döngü oluşturun ve örtüşen kısmı yuvanın içinde sabitleyin.
  7. Metal aksı; sol makara tutucudan, bir durdurucudan, iç dişli bileşeninden, kuvvet taşıyıcı bileşenden, dış dişli bileşeninden, ikinci bir durdurucudan ve sağ makara tutucudan geçirin.
    NOT: İç dişlinin yanal yuvasını şasiye doğru yönlendirin. Her iki durdurucuyu makara düzeneğinin her iki yanından 1 mm uzağa konumlandırın.
  8. Yanal hareketi önlemek için aks üzerine, her biri makara tutuculardan 1 mm uzağa gelecek şekilde iki ek durdurucu yerleştirin.
  9. 40 cm çok telli çelik teli parmak desteğinden geçirin ve bir yüksükle sabitleyin. Diğer ucunu Karabina A'dan geçirin ve ikinci bir yüksükle sabitleyin.
    NOT: Karabina A ve B özdeştir ve yalnızca montaj sırasında tanımlama amacıyla etiketlenmiştir.
  10. İç dişli bileşenini, takılı olan zamanlama kayışını kullanarak Karabina A'ya bağlayın. Örtüşme kısmını Anahtar A ile sabitleyin.
    NOT: Anahtar A, B ve C özdeştir. Düzenekteki diğer parçalar zarar görmeden önce kopacak şekilde tasarlanmış feda edilebilir bileşenler oldukları için ek anahtarlar basılabilir.
  11. 10 cm çok telli çelik teli Karabina A'nın etrafına dolayın ve bir yüksükle sabitleyin. Diğer ucunu bir alüminyum şasi bağlantı elemanının etrafına dolayın, teli yüksükleyin ve bağlantı elemanını şasiye sabitleyin.
    NOT: Bu düzeneğe bundan böyle emniyet civatası denilecektir.
  12. 2 cm örtüşme ile 40 cm zamanlama kayışından bir döngü oluşturun ve döngüyü Anahtar B'ye yerleştirin. Diğer ucunu Karabina B'nin etrafına dolayın ve örtüşen kısmı Anahtar C kullanarak sabitleyin.
  13. Anahtar B'yi dış dişli bileşeninin en büyük kademesine yerleştirin.
  14. Akıllı telefon kol bandı tutucusunu, ya kol bandı döngüsünü ya da kulaklık kablosu açıklıklarını kullanarak Karabina B'ye takın.
  15. Döngü yapılmış ve yüksüklenmiş bir çelik tel kullanarak Karabina B'den istenen başlangıç ağırlığını asın.

2. Veri toplama kurulumu

  1. İvmeölçer donanımlı bir akıllı telefona veri toplama uygulamasını yükleyin.
  2. Acceleration (without g) modülünü açın.
  3. Akıllı telefonu, Karabin B'ye takılı olan kol bandı tutucusuna yerleştirin.
  4. Bölüm 3'e göre verileri toplayın.
  5. Kaydedilen verileri .xls dosyası olarak dışa aktarın. Katılımcıya karşılık gelen benzersiz bir dosya adı atayın.
  6. .xls dosyasını internet erişimi olan bir bilgisayara aktarın.
  7. Verileri Supplemental Coding File 1 kullanarak işleyin.
    NOT: Betik, ölçülen dikey ivmenin ileri Euler integrasyonunu kullanarak hızı hesaplar (Denklem 3). Konum, sabit ivmeli kinematik denklem kullanılarak hesaplanır (Denklem 4). Hesaplamalarda, yumuşatma veya filtreleme uygulanmamış ham ivme değerleri kullanılır.
    Denklem 3: vi = vi-1 + ai ∆t
    Denklem 4:  figure-protocol-1
    1. Supplemental Coding File 1'i yükleyin.
    2. Veri işleme için kullanılan bilgisayara Python yükleyin.
    3. Bir terminal penceresi açın ve şunları çalıştırın: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. Supplemental Coding File 1'in bulunduğu klasöre gidin ve şunları çalıştırın: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      NOT: Windows PowerShell kullanırken şu komutu çalıştırın: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. E-posta adresi istenirse, alanı boş bırakın ve Enter tuşuna basın.
    5. Upload seçeneğine tıklayın ve dışa aktarılan .xls dosyasını seçin.
    6. Veri setini yüklemek ve analiz etmek için Process Data seçeneğine tıklayın.
    7. İlk deneme için oluşturulan ivme, hız ve konum grafiklerini inceleyin.
    8. Her bir pikin yanındaki onay kutularını kullanarak, geçerli kas kasılmalarına karşılık gelen tespit edilen pikleri seçin.
      NOT: Geçerli pikler genellikle ivme izi negatif hale gelmeden önce ortaya çıkar ve pozitif hız ile konum değerleriyle ilişkilidir. Otomatik pik tespit algoritması pikleri yanlış tanımlayabilir, bu nedenle manuel doğrulama gereklidir.
    9. Pik tespit parametrelerini ayarlayın
      NOT: Yazılım pikleri doğru şekilde tanımlamazsa, Advanced Tweakables > Peak Detection Parameters bölümünü genişletin ve tespit ayarlarını düzenleyin.
      1. Durağan olarak kabul edilen ivme aralığını tanımlamak için Zero Threshold değerini ayarlayın.
        NOT: İvme izleri aşırı gürültü içerdiğinde bu değeri artırın. Eşik, ivme grafiği üzerinde kırmızı referans çizgileri olarak görüntülenir. Varsayılan değer = 0.30. Önerilen aralık = 0.10–5.00.
      2. Kabul edilebilir minimum hız pikini tanımlamak için Min Velocity for Peak değerini ayarlayın.
        NOT: Geçerli pikler hariç tutulursa bu değeri düşürün. Eşik, hız grafiği üzerinde alt yeşil referans çizgisi olarak görüntülenir. Varsayılan değer = 0.30. Önerilen aralık = 0.10–10.00.
      3. Durağan bir dönemi tanımlamak için gereken ardışık sıfıra yakın ivme örneklerinin minimum sayısını belirlemek için Zero Scope değerini ayarlayın.
        NOT: Hız ve konum izleri sıfırlanmazsa bu değeri düşürün. Varsayılan değer = 10. Önerilen aralık = 3–25.
      4. Kabul edilebilir maksimum hız pikini tanımlamak için Max Velocity for Peak değerini ayarlayın.
        NOT: Geçerli pikler eşiği aşarsa bu değeri artırın. Eşik, hız grafiği üzerinde üst yeşil referans çizgisi olarak görüntülenir. Varsayılan değer = 10.00. Önerilen aralık = 10.00–30.00.
      5. Tespit edilen pikler arasındaki minimum örnek sayısını tanımlamak için Min Peak Distance değerini ayarlayın.
        NOT: Varsayılan değer = 2. Önerilen aralık = 1–10. Değişiklik genellikle gerekli değildir.
      6. Pik tespiti için gereken belirginliği tanımlamak için Min Peak Prominence değerini ayarlayın.
        NOT: Daha düşük değerler hassasiyeti artırır ve ek piklerin tanımlanmasını sağlayabilir. Varsayılan değer = 0.10. Önerilen aralık = 0.01–0.90. Değişiklik genellikle gerekli değildir.
    10. Mevcut deneme için tüm geçerli pikler tanımlandıktan sonra, bir sonraki denemeye geçmek için Next seçeneğine tıklayın.
    11. Tüm denemeler işlenene kadar 2.7.7–2.7.10 arasındaki adımları tekrarlayın.
      NOT: İlk denemeyi işledikten sonra pik tespit parametrelerini değiştirmeyin. Parametre değişiklikleri gerekli olursa, güncellenmiş ayarları kullanarak daha önce işlenmiş tüm denemelerin analizini tekrarlayın.
    12. Sonraki kuvvet–hız–güç analizleri için seçilen hız ve ivme verilerini bir hesap tablosuna kopyalayın.

3. Deneysel protokol

  1. Katılımcının ön kolunu ön kol kayışı kullanarak kol dayama yerine sabitleyin. Ön kolun ileri hareket etmesini önlemek için kayışı yeterince sıkın.
  2. Parmak desteğini katılımcının başparmağına yerleştirin ve desteği güvenli bir şekilde sıkın.
  3. Zamanlama kayışı gergin olana kadar makarayı cırcır mekanizması aracılığıyla döndürerek makara sistemindeki boşluğu alın.
    NOT: Cırcır mekanizması, konumlar arasında ilerlerken duyulabilir bir tık sesi çıkarır.
  4. Güvenlik civatasını, güvenlik civatası ile Karabina A'yı bağlayan tel gerginleşene kadar makaraya doğru kaydırın.
  5. Her biri yaklaşık 1.25 kg ağırlığında, yaklaşık olarak eşit kütleye sahip iki ağırlık seçin.
  6. Sabit test sırası
    1. Bir ağırlık ve akıllı telefon kullanarak en büyük kademeyi, orta kademeyi ve en küçük kademeyi test edin.
    2. İki ağırlık ve akıllı telefon kullanarak en küçük kademeyi, orta kademeyi ve en büyük kademeyi test edin.
    3. Sadece akıllı telefon kullanarak en büyük kademeyi ve en küçük kademeyi test edin.
      NOT: Yorgunlukla ilgili yanlılığı en aza indirmek için tüm katılımcılar için aynı sırayı kullanın.
  7. Veri toplama uygulamasında Kayıt Başlat seçeneğine dokunun.
  8. Katılımcıya başparmağını mümkün olduğunca hızlı ve güçlü bir şekilde kasmasını söyleyin.
    NOT: Katılımcı motivasyonu performansı önemli ölçüde etkileyebilir. Maksimum çabayı teşvik etmek için test boyunca tutarlı sözel teşvikler sağlayın.
  9. Her denemeden sonra veri kaydını duraklatın. Makara kademesini ve yükleme koşulunu adım 3.6'da belirlenen sıraya göre ayarlayın.
  10. Veri kaydını yeniden başlatın ve sekiz makara kademesi ve yükleme kombinasyonunun tamamı bitene kadar 3.8–3.9 arasındaki adımları tekrarlayın.
  11. Test boyunca katılımcıyı izleyin; aşırı kol hareketinden veya yetersiz çabadan etkilenen denemeleri tekrarlayın.
  12. Her denemeden sonra ivme izini inceleyin.
    NOT: Anormal derecede düşük başlangıç ivme pikleri, aşırı salınımlar veya kasılmalar arasında devam eden akıllı telefon hareketi sergileyen denemeleri tekrarlayın; çünkü bu durumlar veri kalitesini bozabilir.
  13. Sonraki veri analizini kolaylaştırmak için, tekrarlanan veya hariç tutulan denemeler de dahil olmak üzere her deneme için notlar kaydedin.

4. Altın standart ergometre kullanımı

  1. Altın standart ergometrenin kurulumunu gerçekleştirin
    1. Bilgisayarı açın ve veri toplama yazılımını başlatın. Çift modlu kaldıraç sistemi prosedür dosyasını açın.
    2. Kaldıraç kontrol ünitesinde kuvvet ofsetini 10'a ve uzunluk ofsetini 9'a ayarlayın.
    3. Çift modlu kaldıraç sistemine ve veri toplama ünitesine güç verin.
    4. Kolu nazikçe döndürerek ve direnç olduğunu doğrulayarak motorun düzgün çalıştığını kontrol edin.
    5. 40 cm'lik çok telli çelik teli, kolun alttan ikinci deliğinden geçirin ve teli bir sıkıştırma yüksüğüyle sabitleyin.
    6. Telin karşı ucunu parmak desteğinden geçirin ve bir sıkıştırma yüksüğü kullanarak teli sabitleyin.
    7. Çift modlu kaldıraç sistemini, kol dayama yerinin önünde bulunan 3 numaralı şasiye takın.
  2. Katılımcının ön kolunu kol dayama yerine sabitleyin ve başparmağı parmak desteğinin içine yerleştirin.
  3. Katılımcının kolunu, başparmak maksimal fleksiyona ulaşana ve kablo hafif gergin hale gelene kadar ileriye doğru kaydırın.
  4. Ön kol kayışını, kolun ileri veya yan yönlerde hareket etmesini önleyecek şekilde yeterince sıkın.
  5. Veri toplama ayarlarını yapılandırın
    1. Açık Tarama Kontrol Cihazı Dev6.
    2. Set Örnek Sayısı Lütfen çevrilmesini istediğiniz kaynak metni sağlayın. 60,000.
    3. Set Örneklerin Ortalamasının Alınması Kime / -e/-a (yönelme eki) 1.
    4. Set Örnekleme Dönemi şuna / -e, -a 0.0001.
    5. Kurulum Dönüştürme Periyodu to 0.
    6. Set Tetikleme Sonrası Örnekler hazırlamak için 0.
    7. Set Referans Tetikleme Kaynağı to /Dev6/PFI1.
    8. Set 2x Tip veya (bağlama göre: -e, -a, için, kadar) Dijital.
    9. Set 2x Kol1 Lütfen tercüme edilmesini istediğiniz kaynak metni sağlayın. 0.
    10. Set 2x Lever2 hazırlamak için 0.
    11. Set Mod şuna/şuna doğru/için Tek Atış.
    12. Set Hemen Geri Dönün veya / -e, -a Kapalı.
    13. Set Başlatma Tetikleyicisi türkçeye Kapalı.
    14. Set Tetikleme Kaynağı e /Dev6/PFI0.
    15. Set Örnekleme Saat Hızı veya Kapalı.
    16. Set Saat Kaynağı İngilizce'den Türkçe'ye çeviri yapılması istenmektedir. Lütfen çevrilmesi gereken kaynak metni sağlayın. /Dev6/PFI7.
    17. Set Saat Dönüştürücü şuna/şuna doğru/için Kapalı.
    18. Set Saat Kaynağını Dönüştür şuna / -e / -a /Dev6/PFI2.
    19. Seçiniz Kanal 1 + Kanal 2 altında Taranacak Kanalları Seçin.
  6. Tıklayın Başlat Lütfen çevrilmesini istediğiniz metni sağlayın. Tarama Kontrol Cihazı ve katılımcıya başparmağını mümkün olduğunca hızlı ve güçlü bir şekilde kasmasını söyleyin.
    NOT: Katılımcı motivasyonu performansı önemli ölçüde etkileyebilir. Maksimum çabayı teşvik etmek için test boyunca tutarlı sözel destek sağlayın.
  7. Tıklayın Dalgaları Al ve sonuçlanan verileri, katılımcı tanımlayıcısı ve mevcut kuvvet ofset değerini kullanarak kaydedin.
    NOT: İlk kontraksiyon için kuvvet ofseti 10'dur.
  8. Kuvvet ofsetini 1,0'lık artışlarla azaltın.
    NOT: Örnek ilerleme: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. Başparmak hareketine karşı motor belirgin bir direnç göstermeyene kadar 4.6–4.8 arasındaki adımları tekrarlayın.
  10. Analiz prosedüründe açıklanan yöntemi kullanarak her bir denemeden tepe kuvvet ve tepe hız değerlerini elde edin Ek Kodlama Dosyası 2.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Her bir sistemin fonksiyonel çıktılarını özdeş bir deneysel protokol altında değerlendirmek amacıyla, hem altın standart ergometre hem de düşük maliyetli düzenek kullanılarak bir grup lisans öğrencisinden (N = 15) kuvvet-hız ve güç-hız verileri toplanmıştır. Bireysel denek verileri Şekil 1'de, her bir düzeneğe ait özet veriler ise Şekil 3'te gösterilmiştir.

Düşük maliyetli aparat; özet değişkenlerin ikili karşılaştırmaları (Ta...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Sınıf ortamında insan kaslarının kuvvet-hız ve güç-hız ilişkilerini ölçmek için, altın standart ergometrelere alternatif olarak düşük maliyetli bir düzenek doğrulanmıştır.

Doğrulama sonuçları, düşük maliyetli ve dolayısıyla ekonomik ve teknolojik olarak daha erişilebilir bir cihazın, altın standart bir ergometre kullanılarak elde edilenlerle istatistiksel olarak ayırt edilemeyen ölçümler üretebileceği iddiasını desteklemektedir. Düşük maliyetli cihazın yüksek kaliteli kuvvet-hız ve güç-hız ili...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların beyan edeceği herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

Yazarlar, bu onur tezinin (GC) temelini oluşturan bitirme projesine katıldıkları için Kas Biyolojisi (UML BIOL4890, 2023–2025) dersine kayıtlı öğrencilere ve Lawrence Lisesi (Lawrence, MA) öğrencilerine teşekkür ederler. Ayrıca, süregelen destekleri için Aurora Scientific'ten Matthew Borokowski'ye ve UML dersi için parmak fleksör modülünün geliştirilmesine ve uygulanmasına yönelik ilk çabaları için Victoria Flint ve Samuel DeLap'e teşekkür ederiz. Yazarlar ayrıca analiz yaklaşımları konusundaki yardımları için Daniel Bartlett ve Darrell La'ya teşekkür ederler. UMass Lowell Onur Koleji bursu (GC'ye) ve Ulusal Bilim Vakfı (ödül 2217246) ile UMass Lowell'den başlangıç fonları (NK'ye) tarafından finanse edilmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1,25 kg AğırlıklarNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8Yaklaşık 1-2 kg'lık standart ağırlıklar ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 2
3D yazıcı zamanlama kayışı‎3D yazıcı kayışı 10mASIN: B08974S1CCStandart 3D yazıcı zamanlama kayışları ile değiştirilebilir: 2mm Hatve, 6mm Genişlik, Kauçuk ve Fiberglas malzemeden yapılmış
gerekli sayı: 1
3DParça1 - İç DişliN/AN/AEk STL dosyalarına bakınız - ABS ile yazdırın
gerekli sayı: 1
3DParça2 - Dış DişliN/AN/AEk STL dosyalarına bakınız - ABS ile yazdırın
gerekli sayı: 1
3DParça3 - KamaN/AN/AEk STL dosyalarına bakınız - ABS ile 3-5 adet yazdırın
gerekli sayı: 1
3DParça4 - Kuvvet TaşıyıcıN/AN/AEk STL dosyalarına bakınız - PLA ile yazdırın
gerekli sayı: 1
Alüminyum kiriş Uzun80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
gerekli sayı: 1
Alüminyum kiriş Kısa80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
gerekli sayı: 2
Alüminyum çerçeve Bağlantı Elemanı / Emniyet Civatası80/20 inc4108 gerekli sayı: 3
Kol destekleyici FEATOLASIN: B0CGX8QZ3CStandart kol destekleyici ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 1
Kol dayama hücresel polivinil klorür blokAzek boardSadece Geleneksel 8/4 X Kalınlık14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
gerekli sayı: 14
KarabinalarRewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N gerekli sayı: 2
Krom Alaşımlı Çelik Bilyalı RulmanlaruxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJBoyutlar: iç çap 10 mm, dış çap 22 mm, genişlik 6 mm.
gerekli sayı: 1
Excel/Hesap TablosuMicrosoftExcelHerhangi bir hesap tablosu yazılımı ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 1
Parmak destekleyiciSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 Standart parmak destekleyici ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROAurora Bilimsel Cihazları ile ve a/Fmax hesaplaması için kullanılır.
gerekli sayı: 1
Büyük hücresel polivinil klorür levhaAzek boardSadece Geleneksel 8/4 X Kalınlık6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
gerekli sayı: 2
Metal aksGenelASIN: B0CC8T8X77Çelik Çubuk 9,97 mm kalınlıkta, 45 cm uzunlukta.
gerekli sayı: 1
Çok telli çelik tel Catch All TackleASIN: B00JTWDSQS1,4mm çap #400lb dayanım
gerekli sayı: 2
Telefon tutucuTribeASIN: B00SXRXUFEgerekli sayı: 1
Phyphox uygulamasıPhyphox.orgN/AApple App Store veya Google Play Store'dan indirin
gerekli sayı: 1
Python betiğiN/AN/Aİndirilebilir: Ek Doküman 1 muscle_velocity_gui.py
gerekli sayı: 1
Küçük hücresel polivinil klorür levhaAzek boardSadece Geleneksel 8/4 X Kalınlık1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
gerekli sayı: 1
Akıllı telefonAppleIPhone 11İvmeölçeri olan herhangi bir Akıllı telefon ile değiştirilebilir
gerekli sayı: 1
Çelik tel sıkma uçlarıCatch All TackleASIN: B00JTWDSQS#400lb dayanım
gerekli sayı: 6
SınırlayıcılarBefenybayASIN: B0B1C6BPKQiç çap 10 mm, dış çap 20 mm, genişlik 20 mm
gerekli sayı: 2

Kaynaklar

  1. Hill AV. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc R Soc Lond B Biol Sci. 1938;126:136-195.
  2. Huxley AF. Muscle structure and theories of contraction. Prog Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.
  3. Seow CY. Hill's equation of muscle performance and its hidden insight on molecular mechanisms. J Gen Physiol. 2013;142:561-573.
  4. Alcazar J, Csapo R, Ara I, Alegre LM. On the shape of the force-velocity relationship in skeletal muscles: the linear, the hyperbolic, and the double-hyperbolic. Front Physiol. 2019;10:769.
  5. Huxley AF, Simmons RM. Proposed mechanism of force generation in striated muscle. Nature. 1971;233:533-538.
  6. Judge JL, Cazares VA, Thompson Z, Skidmore LA. Development of low-cost cardiac and skeletal muscle laboratory activities to teach physiology concepts and the scientific method. Adv Physiol Educ. 2020;44:181-187.
  7. Nelson FE, Gabaldón AM, Roberts TJ. Force-velocity properties of two avian hindlimb muscles. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol. 2004;137:711-721.
  8. Wilkie DR. The relation between force and velocity in human muscle. J Physiol. 1949;110:249-280.
  9. Marsh RL, Bennett AF. Thermal dependence of contractile properties of skeletal muscle from the lizard Sceloporus occidentalis with comments on methods for fitting and comparing force-velocity curves. J Exp Biol. 1986;126:63-77.
  10. Medeiros HBO, Fontana HB, Herzog W. A low-cost 2-D sarcomere model to demonstrate titin-related mechanisms for force production. Adv Physiol Educ. 2024;48:92-96.
  11. Capuano V, Xu L, Estrada Benavides J. Smartphone MEMS accelerometer and gyroscope measurement errors: laboratory testing and analysis of the effects on positioning performance. Sensors. 2023;23:7609.
  12. Balaram J, et al. Mars Helicopter technology demonstrator [conference presentation]. Presented at: AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, AIAA SciTech Forum; Kissimmee, FL; 2018. Available from: https://doi.org/10.2514/6.2018-0023
  13. Marsh RL. How muscles deal with real-world loads: the influence of length trajectory on muscle performance. J Exp Biol. 1999;202:3377-3385.
  14. Kontra C, Lyons DJ, Fischer SM, Beilock SL. Physical experience enhances science learning. Psychol Sci. 2015;26:737-749.
  15. Freeman S, et al. Active learning increases student performance in science, engineering, and mathematics. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111:8410-8415.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Daha fazla makale keşfet

Kas Gücü Ölçümü3D Yazıcıyla Üretilmiş KasnakCırcır Palet MekanizmasıAkıllı Telefon İvmeölçeriPhyphox UygulamasıPython Veri AnaliziKas Fizyolojisi EğitimiBiyomekanik Öğretimi
Kas Kuvvet-Hız İlişkilerini Ölçmek İçin Düşük Maliyetli Bir Düzenek
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.