काइनेसियोलॉजी और जैवयांत्रिकी I: अर्थ और आधुनिक प्रवृत्तियाँ, मानव शरीर के तल और अक्ष, संधियाँ और उनकी गतियाँ, खेलों में प्रयुक्त प्रमुख पेशियों का उद्गम, निवेशन, क्रिया और उत्तोलन, और यांत्रिक लाभ तथा खेलों में उत्तोलकों के अनुप्रयोग

काइनेसियोलॉजी (यूनानी kinesis, गति, से) मानव गति का अध्ययन है; इस इकाई में प्रयुक्त संकीर्ण, शास्त्रीय अर्थ में यह शरीर-रचना और यांत्रिकी की दृष्टि से गति का अध्ययन है: कौन-सी संधियाँ चलती हैं, कौन-सी पेशियाँ कार्य करती हैं, और कैसे। जैवयांत्रिकी यांत्रिकी के सिद्धांतों को जीवित शरीरों पर लागू करती है। इसकी दो शाखाएँ हैं: शुद्ध गतिकी (काइनेमैटिक्स), जो गति के कारणों पर ध्यान दिए बिना गति (विस्थापन, वेग, त्वरण, कोण और समय) का वर्णन करती है, और गतिज (काइनेटिक्स), जो गति उत्पन्न करने वाले बलों और बल-आघूर्णों (गुरुत्व, भूमि प्रतिक्रिया बल, घर्षण, पेशी बल, वायु और जल प्रतिरोध) का अध्ययन करती है। दोनों रैखिक और कोणीय में बँटी हैं। स्थैतिकी विराम या संतुलन में पिंडों से और गतिकी गतिमान पिंडों से संबंधित है।

खेल जैवयांत्रिकी के उद्देश्य हैं तकनीक और प्रदर्शन में सुधार, चोट से बचाव, बेहतर उपकरणों और सुविधाओं का अभिकल्प, और शिक्षण तथा पुनर्वास में सहायता। आधुनिक प्रवृत्तियों ने इसे फ़िल्म और हाथ से बनी रेखा-आकृतियों से डेटा विज्ञान में बदल दिया है: उच्च-गति वीडियो और परावर्तक चिह्नकों सहित त्रि-आयामी गति-ग्रहण, और बढ़ते रूप में कंप्यूटर दृष्टि का प्रयोग करने वाली चिह्नक-रहित प्रणालियाँ; भूमि प्रतिक्रिया बल मापने वाले बल-मंच; पेशी गतिविधि अभिलिखित करने वाली विद्युत-पेशी-लेखन (EMG); प्रयोगशाला को मैदान तक ले जाने वाले पहनने योग्य जड़त्वीय संवेदक, GPS इकाइयाँ और दाब-तलवे; तकनीकों का कंप्यूटर प्रतिरूपण और अनुकरण; और गति-डेटा के बड़े समूहों पर लागू मशीन अधिगम। क्रिकेट और टेनिस में गेंद-अनुसरण प्रणालियाँ और फ़ुटबॉल में वीडियो समीक्षा निर्णायकता में प्रयुक्त जैवयांत्रिकी और शुद्ध गतिकी हैं।

गतियों का वर्णन शरीर-रचनात्मक स्थिति से होता है: सीधे खड़े, आगे की ओर मुख, भुजाएँ बगल में और हथेलियाँ आगे की ओर। तीन काल्पनिक तल एक-दूसरे से समकोण पर शरीर से गुज़रते हैं, और हर गति किसी तल में और उसके लंबवत एक अक्ष के परितः होती है। सैजिटल (मध्य) तल शरीर को दाएँ और बाएँ में बाँटता है; इसमें गति फ़्रंटल (अनुप्रस्थ या पार्श्व) अक्ष के परितः होती है, जो एक बगल से दूसरी बगल तक जाता है: आकुंचन और प्रसारण, जैसे दौड़, आगे की कलाबाज़ी, बाइसेप्स कर्ल या गेंद को किक मारना। फ़्रंटल (कोरोनल) तल शरीर को आगे और पीछे में बाँटता है; इसमें गति सैजिटल (अग्र-पश्च) अक्ष के परितः होती है, जो आगे से पीछे जाता है: अपवर्तन, अभिवर्तन और पार्श्व आकुंचन, जैसे कार्टव्हील या जंपिंग जैक। अनुप्रस्थ (क्षैतिज) तल शरीर को ऊपरी और निचले भागों में बाँटता है; इसमें गति अनुदैर्ध्य (ऊर्ध्वाधर) अक्ष के परितः होती है: घूर्णन, जैसे पिरुएट, चक्का फेंकने वाले का घूमना या गोल्फ़ स्विंग में धड़ का घूर्णन।

संधियों का वर्गीकरण संरचना और गति के आधार पर होता है। तंतुमय संधियाँ (सिनार्थ्रोसिस), जैसे खोपड़ी के सीवन, अचल होती हैं। उपास्थिमय संधियाँ (एम्फ़ियार्थ्रोसिस), जैसे अंतराकशेरुकी डिस्क और जघन संधान, थोड़ी चल होती हैं। श्लेष संधियाँ (डायार्थ्रोसिस) स्वतंत्र रूप से चल होती हैं और खेल की संधियाँ हैं: अस्थियों के सिरे संधि-उपास्थि से ढके होते हैं और एक संपुट में बंद होते हैं जिसकी भीतरी परत श्लेष झिल्ली है, जो स्नेहक श्लेष द्रव स्रावित करती है, और स्नायु संपुट को मज़बूत करते हैं। श्लेष संधियाँ उनकी सतहों के आकार के अनुसार उपविभाजित होती हैं, जो उनके द्वारा अनुमत गतियाँ और अक्षों की संख्या तय करता है।

मुख्य गति-पद हैं आकुंचन (खंडों के बीच कोण घटाना) और प्रसारण (उसे बढ़ाना; शरीर-रचनात्मक स्थिति से आगे अतिप्रसारण); अपवर्तन (मध्य रेखा से दूर) और अभिवर्तन (उसकी ओर); अंतः और बाह्य घूर्णन; परिक्रमण, आकुंचन, अपवर्तन, प्रसारण और अभिवर्तन को जोड़ने वाली वृत्ताकार, शंकु जैसी गति; अग्रबाहु का अवतानन और उत्तानन (हथेली नीचे और हथेली ऊपर); टखने पर पृष्ठ-आकुंचन और तल-आकुंचन (पंजे ऊपर और पंजे तानना); पैर का अंतर्वर्तन और बहिर्वर्तन (तलवा भीतर और बाहर); और अंस-मेखला का उत्थान, अवनमन, अग्रकर्षण और पश्चकर्षण। गति-सीमा संधि सतहों के आकार, स्नायुओं और संपुट, पेशी के आयतन और विस्तार्यता, और प्रशिक्षण पर निर्भर है।

किसी पेशी का उद्गम अधिक स्थिर अस्थि से उसका संलग्नक है, प्रायः समीपस्थ, और निवेशन उस अस्थि से संलग्नक जिसे वह चलाती है, प्रायः दूरस्थ; संकुचित होने पर वह निवेशन को उद्गम की ओर खींचती है। इसकी क्रिया संधि-अक्ष के सापेक्ष खिंचाव की रेखा से, और इसका उत्तोलन इस बात से आता है कि यह संधि से कितनी दूर निविष्ट होती है। संकेंद्री संकुचन में पेशी छोटी होती है (उठाना); उत्केंद्री संकुचन में तनाव के अधीन लंबी होती है (नीचे लाना, अवतरण, रोकना); सममितीय संकुचन में लंबाई बदले बिना बल उत्पन्न करती है (प्लैंक में रुकना)।

उत्तोलक एक दृढ़ छड़ है जो बल लगाने पर एक स्थिर बिंदु, आलंब (अक्ष), के परितः घूमती है। इसके तीन तत्त्व हैं: आलंब, आयास (बल) और भार (प्रतिरोध)। आयास भुजा (बल भुजा) आलंब से आयास की रेखा तक की लंबवत दूरी है, और भार भुजा (प्रतिरोध भुजा) आलंब से प्रतिरोध की रेखा तक की लंबवत दूरी। शरीर में अस्थियाँ छड़ें हैं, संधियाँ आलंब हैं, पेशियाँ आयास देती हैं और खंड का भार तथा पकड़ी गई कोई वस्तु प्रतिरोध है। उत्तोलकों का वर्गीकरण इन तीनों की व्यवस्था से होता है।

यांत्रिक लाभ (MA) = आयास भुजा ÷ भार भुजा, जो संतुलन में उत्तोलक हेतु भार ÷ आयास के बराबर है। 1 से अधिक MA का अर्थ है कि भार से कम आयास चाहिए, एक बल लाभ; 1 से कम MA का अर्थ है कि अधिक आयास चाहिए, पर भार वाला सिरा आयास लगने वाले बिंदु से अधिक दूर और तेज़ चलता है, एक गति और गति-सीमा लाभ। बाइसेप्स कोहनी से लगभग 4–5 cm पर निविष्ट होती है जबकि हाथ लगभग 30–35 cm दूर है, अतः पेशी को पकड़े गए भार के कई गुना बल से खींचना पड़ता है, पर हाथ निवेशन से कई गुना तेज़ चलता है। शरीर के अधिकांश उत्तोलक तृतीय वर्ग के हैं क्योंकि खेल को अंग के सिरे पर बल से अधिक गति चाहिए।

हल उदाहरण: एक अग्रबाहु हाथ में, कोहनी से 32 cm पर, 40 N की गेंद पकड़े है; बाइसेप्स कोहनी से 4 cm पर निविष्ट है। MA = 4 ÷ 32 = 0.125, और गेंद को थामने हेतु आवश्यक बाइसेप्स बल (अग्रबाहु का भार छोड़ते हुए) 40 × 32 ÷ 4 = 320 N है, भार का आठ गुना। खेल में गति पाने हेतु उत्तोलक लंबे किए जाते हैं: लंबा बल्ला, रैकेट या गोल्फ़ क्लब, या छोड़ते समय सीधी भुजा, भार भुजा और किसी दी गई कोणीय गति पर प्रहार करने वाले सिरे की रैखिक गति बढ़ाती है, बशर्ते खिलाड़ी उसे घुमाने लायक सशक्त हो; नौसिखियों और बच्चों को छोटे, हल्के उपकरण दिए जाते हैं क्योंकि वे ऐसा नहीं कर पाते। उत्तोलक को छोटा करने से उसे चलाना आसान होता है: स्प्रिंटर पुनर्प्राप्ति झूले में एड़ी को नितंब के निकट मोड़ता है ताकि टाँग जल्दी आगे आए।