生物力学 生物力学的力学基础ppt课件

第二章 生物力学的力学基础,一、何谓刚体,第一节 力的基本概念,1、质点：（抽象化的理想模型） 具有一定质量忽略其大小、形状的几何点。,2、刚体： （抽象化的理想模型） 相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体。忽略外力作用下形状的改变。,二、力的概念,力的定义：,涉及到的概念：,施力物体和受力物体,牛顿第三定律作用力和反作用力,力是物体间的相互作用。力的作用离不开物体。,2.力的作用效应：,内效应（变形效应）,外效应（运动效应）（平动、转动、复合运动）,涉及到的概念：,牛顿第一定律力的定性定义,牛顿第二定律力的定量定义,胡克定律力与变形的关系,3.力的三要素：,三角形、平行四边形、多边形法则,大小、方向、作用点,例如：股骨干骨折施行股骨髁上牵引,复位时间上的差异、成角和横向移位畸形、成角畸形,力的合成与分解法则：,应用：二维投影 *三维二次投影 三维投影,运动平面,矢状面额（冠）状面水平（横切）面,运动轴,矢状轴 额状轴 垂直轴,肌肉力可分成,例如：肌肉力的合成与分解,以肱二头肌为例,稳固分量（沿骨轴线）,转动分量（垂直骨轴线）,在骨折等治疗中有积极的意义,在肢体运动中有积极的意义,5. 力系：,二力平衡必要与充分条件是：,力系（多力情况）：,三力平衡汇交定理：,作用于一个物体上的一群力的集合称为力系。,当刚体受三个力作用而平衡时，若其中任何两力的作用线相交于一点，则其余一力的作用线亦必交于同一点，且三力的作用线在同一平面内。,这两个力大小相等、方向相反、沿同一条直线。,力系的分类：,共点力系,平面共点力系,非 共点力系,空间共点力系,平行力系,一般力系,平面平行力系,空间平行力系,例如：,人在弯腰时作用在脊柱上的力跳高时作用在足上的力定滑轮转动时力的作用,*6. 约束和约束反力：,自由体：,可以在空间作任意运动的物体。,非自由体：,由于受到周围物体的限制（或阻碍）而不能作 任意运动的物体。,约束：,事先对物体的运动所加的限制条件。,约束反力：（阻力）,主动力：（动力）,约束作用于非自由体的力。（简称：约束力）,除约束力外，非自由体上所受到的所有促使物体运动或有运动趋势的力。,三、作用于人体内外的力,人体或人体局部受力分析： （抓住主要矛盾，分离次要矛盾）,受力分析图将分离体所受的主动力和约束力以力 的矢量形式表示在分离体上所得到的图形。,分离体把研究对象解除约束，从周围物体中分离 出来，画出简图。,先画主动力，明确研究对象所受周围的约束，进一步明确约束类型，再画约束反力；,必要时需用二力平衡共线、三力平衡汇交等条件确定某些约束反力的指向或作用线的方位。,我们多次察觉作用于自己身体的力,我们常常忽略作用于体内诸力的重要性,我们多数不知微观结构上力的作用,内力：,（按力的宏观、微观分）内力 外力,外力：,人体内部各个部分互相作用的力（肌力、韧带张力、软骨应力、骨应力）,重力；摩擦力；弹性力；器械的其他阻力；支撑反作用力；流体作用力,（按力的性质分）1、第一基本力：机械力, 万有引力：,接触力：,摩擦力：,肌肉力：,肌力定律,解剖横断面：,生理横截面积,肌力系数,肌力,生理横断面：,与肌肉所有纤维垂直的断面,与肌肉纵轴垂直的断面,性别：,人种：,后天因素：,肌力系数：,建议取美国莫利斯的肌力系数值：,德国生理学家艾克：588980KPa,美国克罗莫：343KPa,前苏联童克福：980KPa,中国程国杰：588686KPa,美国莫利斯：710920KPa,与肌纤维解剖条件的关系：,与肌纤维力学条件的关系（略）,与肌纤维生理条件的关系（略）,比较梭形肌、扇形肌、羽状肌、半羽状肌的肌力大小及灵活性。,2、第二基本力：电力, 电场力：,磁场力：,3、第三基本力：核力,超短距离力,四、作用于人体的力钜,力矩的表达式：,2. 力矩的三要素：,大小、方向、作用面,大小：,方向：,右手螺旋定则,第二节 刚体生物静力学,骨骼几何形状的准确解剖学数据肌肉连接的准确位置和角度静力平衡定律,确定医疗器械所受的作用力计算人体肌肉力、骨骼力、关节力,临床上的症状矫形装置的功能、原理及应用,改进医疗方法现行医疗方法,一、平衡条件：,1、2、,（可分解）,（定转轴）,例题1：（作业一）靠在墙上的木板已知地面与墙的摩擦系数分别为 ，使木板不下滑的角度。,静力学问题,例题2：右图的牵引装置是用来施加一轴向力给折断的股骨 (femur)。设病患之体重70 kg， 若要维持小腿平衡状态，悬吊重量T应为多少？试计算在上述条件下施加给大腿的平均张力F是多少？,解：假设滑轮无摩擦，则缆线在各处的张力T为相同。根据力平衡公式： (一般人之小腿与足部之重量为体重之0.061。设病患之体重70 kg，则m = 0.06170 = 4.27 kg = mg = 41.85 N),例题3： 某人重75kg，手握重5kg的球，而手肘呈90。 二头肌 (bicep)须出力多少以维持前臂平衡？ 前臂施加多少力于肱骨(humerus)？,解：根据静力平衡和静力矩平衡前臂的重量为体重的0.022， 故m = 0.022*75 = 1.65 kg, 臂重心位于rOP = 0.31 m处。对于肘之支点O，其和力矩为零,手肘的垂直力为FA = 472.6 N而根据力平衡式，,二头肌施力为FB = 556.7 N手肘的水平力为FC = 144.1 N故前臂的施力为,解：根据静力平衡和静力矩平衡前臂的重量为体重的0.022，故m = 0.022*75 = 1.65 kg, 臂重心位于rOP = 0.31 m处。对于肘之支点O，其力矩之和 M = -rOE(-FA) + rOB(-5*9.8j) + rOP(-1.65*9.8j) = 0 =0.05 FA k - 18.62k - 5.01k = 0手肘的垂直力为FA = 472.6 N而根据力平衡式， F = FCi - FAj + FB(-cos75oi + sin75oj) - 49j - 16.17 j = 0 =FC - 0.259FB = 0 and -537.77 + 0.966FB = 0二头肌施力为FB = 556.7 N手肘的水平力为FC = 144.1 N故前臂的施力为F = FCi - FAj = 144.1i - 472.6j (N),二、人体的杠杆作用：,杆：,骨骼系统,关节（单轴 双轴 多轴）,肌力（动力）,支点：,力：,外力（阻力）,单轴关节：滑车关节（指间、膝关节）圆柱关节（尺桡关节）,双轴关节：椭圆关节（腕、掌指关节）鞍状关节（踝关节）,三轴关节：球窝关节（肩、髋）平面关节（肩锁关节）,1、三种杠杆：,（1）第一类杠杆：,例如.头部杠杆,定义 特点 例子,平衡杠杆,例如.足部杠杆,（2）第二类杠杆：,定义 特点 例子,省力杠杆,例如.臂部杠杆,（3）第三类杠杆：,定义 特点 例子,速度杠杆(费力杠杆）,G=10N,T,省力,费力,平衡杠杆,省力杠杆,速度杆杆,*省力杠杆在康复中的作用,可负较大重量,加强肌肉保护,(用小的动力克服大的阻力）,*费力杠杆在康复治疗中的作用,训练肌力：通过调整阻力臂距离，增加或减少负荷重量。例：股四头肌渐进抗阻,获得速度：可通过增加阻力臂，减少动力臂进行，虽然费力，但力点稍移动，即可加大阻力点移 动的速度和范围。,(用大的动力克服小的阻力）,(用小的动力点位移得到大的阻力点位移）,2、拉角和阻角的影响：,（2）阻角的影响：（阻力与杆的小夹角）,（1）拉角的影响: （动力与杆的小夹角）,在相等的收缩下：拉角越小引起的旋转越大； 拉角越大引起的旋转越小。,在阻力不变的情况下：拉角越小转动分量越小 要用的力越大 拉角越大稳固分量越大 避免脱臼,阻角越大拉力越大,拉角和肌肉收缩关系图,肌肉收缩：每次收缩全长的八分之一,3、作用于髋关节的力：,（1）股骨与髋骨的基本结构：,髋骨：,股骨：,髋关节：,髂骨 坐骨 耻骨髋臼,头、颈、大转子、髁（内、外侧髁）、骨端,髋臼、股骨头,髋关节的生理构造（外部）,髋关节的生理构造（内部）,髋关节的生理构造（骨端）,关节腔隙,CE角,垂直线,水平线,AC角,前倾角,骨小梁骨端线,（2）计算,作用于股骨头上的力R和外展肌力F,在单腿站立的状态下：,英曼数据：,外展肌群：,臀大肌、臀中肌、臀小肌,梨状肌、闭孔内外肌、股方肌,阔筋膜张肌,1英尺=0.3048米 1英尺=12英寸,使腿外展的肌群（肌肉）,臀大肌:臀大肌起于髂翼外面，骶尾骨后面，止于股骨臀肌粗隆，一部分到髂胫束,臀中肌:臀中肌起于髂翼外面和臀筋膜，止于股骨大转子,臀小肌:臀小肌起于髂翼外面，止于股骨大转子前线,阔筋膜张肌:阔筋膜张肌起于髂前上棘及其后侧的髂嵴，移行于髂胫束达胫骨上端,股骨,髋关节,（3）临床联系：,镇痛步态：,外反骨：,骨端分离：,缺血性坏死：,当外展肌麻痹或弱或损伤时；,当髋关节有疾患时；,骨端软骨板向水平面转动,骨端与骨连接断开,供血不足,（4）康复治疗：,以手杖为例,若手杖支撑1/6体重,N=5/6W,单脚将离开骶骨中心正下方6cm,作业2：,弯腰角度：,头和上肢的重量：,躯干的重量：,（1）只弯腰双手下垂不提重物,求：骶骨顶作用于腰骶椎间盘基部的力R 和骶棘所施加的力F,骶棘作用点分躯干：,骶棘作用线与躯干夹角：,作业2：,弯腰角度：,头和上肢的重量：,躯干的重量：,（2）只弯腰双手下垂提重物（0.2W),求：骶骨顶作用于腰骶椎间盘基部的力R 和骶棘所施加的力F,骶棘作用点分躯干：,骶棘作用线与躯干夹角：,附加问：,椎间盘脱出、突出的临床表现是什么？,内突和外突的临床表现有什么不同？,为避免脱出、突出手提重物时应如何做？,康复方案？,人体髋关节运动生物力学模型研究,介绍,天津中医药大学生物力学实验室,第一方面：选题的科学依据,1、课题所属研究领域2、课题的理论意义和应用价值3、国内外研究概况及发展趋势,1、课题所属研究领域,a：人体髋关节运动生物力学模型研究属于运动生物力学（Biomechanics）的研究范畴 。 b：运动生物力学是一门主要研究运动中人体机械运动规律的科学。 C：运动生物力学的研究最终目的,2、课题的理论意义和应用价值,a、髋关节重要性,b、体育运动学方面 为评价运动员动作技术的合理性，设计新的体育训练手段，改善技术动作，提高体育成绩提供理论依据 C、骨科临床医学方面 近20年来，不论是作为生物力学的基础理论研究，还是作为骨科临床上的应用研究，髋关节都是非常受重视的环节，因为不管是对人工髋关节生物材料的研究，还是骨科临床上的髋关节置换术的开展，都必须充分了解髋关节的力学性能 总结：希望通过本次研究能够为以后的理论研究、体育研究和医学研究提供成功的髋关节模型。,3、国内外研究概况及发展趋势,a、国外研究概况（Kane 、Hazte） 多体建模：Kane（美国） 人体仿真：Hazte（南非） 近几年的研究：Miller(4刚体模型),Hazte(11刚体模型)等b、国内研究概况 1980年12月成立了中国运动生物力学协会 近几年来的研究成果：中国人体尺寸、人体器官密度、，人体环节的惯性参数和回归方程的测定等,第二方面：课题的具体实施1、技术路线2、研究措施3、进度计划,髋关节的生理构造髋关节的建模原理与步骤 进度计划,髋关节建模的原理与步骤,从运动学和动力学两方面通过多体的研究方法进行建模：第一：确定髋关节模型的组成部分 第二：取得描述髋关节模型的各种数据 第三：确定全局坐标系，组装模型，并使各部件的局部坐标简化 第四：对模型进行校核，消除尺寸误差，限定关节的运动范围 第五：添加约束和运动，将其应用于具体问题,进度计划（2002.9-2004.6）,课题相关文献查阅：3个月髋关节生理学特性学习、运动生物力学的深化、多体知识的巩固：3个月左右髋关节的几何建模：2个月左右髋关节的运动学建模：3个月左右髋关节模型运动仿真与控制：3个月左右通过典型运动计算校核模型：3个月左右,第三方面：课题预期达到的成果和水平,希望通过多体系统动力学，运动生物力学与控制学建立起较为精确的髋关节力学仿真模型，能够通过该模型分析髋关节运动的变化原理和规律，揭示髋关节的力学运动特性，准确模拟髋关节在运动时的肌肉骨骼状态。并希望能够为以后的理论研究、体育研究和医学研究提供成功的髋关节模型。,髌骨受力,4、作用于膝关节的力（自学）,三、人体的平衡,平衡基本状态：,人体平衡：,人体保持某一姿态的稳定性或动态中的控制能力。,静止或匀速直线运动状态,1、关键在于重心,（1）人体的重心：,从解剖学角度看：左右基本对称（正中偏右）。,当人体自然站立时，总重心的位置一般在身体正中面上第三骶椎上缘前方7cm偏右处,（2）人体重心位置：,地球对人体各部分引力合力的作用点。,如：,(3)人体重心的变化特点：,男子的重心高度约为身高的56%， 女子的重心高度约为身高的55%,重心通常会随着消化、呼吸、血液循环等生理过程的进行而变化,重心通常会随着姿势的变化而变化,重心通常会随着年龄、性别、身体结构、后天状况等特点而变化, 几何形状固定的物体，不管他怎样运动，其重心相对于自身的位置是不变的。,成人与儿童,男子与女子,体操与足球运动员,(4)人体重心测量方法, 重心板（一维或二维）实测静态人体的重心位置 摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得,第一步：以人体左下角边缘处O点为原点绘出直角坐标系（OXY）。第二步： 确定各环节点位置。第三步： 确定头和手的重心位置。头的重心在耳廓上缘中点正面观时在两眉间，手的重心在中指的掌指关节处。第四步： 连接关节点构成人体棍图。第五步： 开始测量各环节的相片长度(以毫米为单位)，填入环节长度一栏内。,第六步: 把各环节重心至近侧端距离占环节长度的比值填入半径系数一栏内。见表21中具体的布拉温菲舍尔环节相对重心位置数据。第七步： 环节