运动生物力学讲稿(第二章).doc

唐山师范学院体育系理论课讲稿 第二章 运动器系的生物力学特性第一节 材料力学基本概念一、载荷（一）概念：通常指施加于物体或某种结构上的外力，或某种能引起物体结构内力的非力学因素称为载荷。（二）分类：1、静载荷：载荷由0渐增至某一值后不再改变，物体各部分不产生加速度或加速度很小可忽略。例如慢起倒立时，作用在手臂上的载荷。2、动载荷：使物体整体或某些部分产生显著加速度的载荷。又可分为冲击载荷和交变载荷。冲击载荷：物体在载荷的作用下，速度在极短时间内变化很大。此时的载荷称为冲击载荷。如网球、乒乓球拍击球、踏跳等。交变载荷：随时间作周期改变并多次重复地作用在物体上的载荷。（重复次数可达几十万次或几百万次），如马拉松跑时作用在运动员双腿骨骼上的载荷。（三）载荷的表现形式（P19图2-1）1、拉伸载荷：物体（如骨）的两端受到方向相反的拉力。常见于身体悬重姿势中。2、压缩载荷：物体的两端受到方向相反的压力。常见于身体处于垂直姿势，一般一端是重力和外加负荷，另一端是支撑反作用力。（骨骼承受压缩载荷的能力最强）3、弯曲载荷：物体的两端受到横向或侧向的压力或拉力时，使物体弯曲。一般是骨起杠杆作用时出现。4、剪切载荷：物体受方向相反的横向或平行作用力时，使物体产生剪应变（使内部发生角变形）。5、扭转载荷：物体两端受方向相反的扭转力矩作用时，使物体产生沿轴线的扭曲。常见于扭转动作中。6、复合载荷：物体同时受到多种载荷的作用。二、应变与应力（一）应变：物体在受到外力作用时，单位长度所产生的伸长或缩短或单位角度的变化叫做相对变形或应变。1、具体表现为物体的尺寸和几何形状的改变。2、其本质是在外力作用下，物体任意两点间的距离和任意两直线或两平面的夹角发生改变。（二）应力：物体单位面积上内力的大小。1、内力：由于外力作用而引起的固体内部各质点之间相互作用力的改变量。2、内力的产生是外力作用于物体的结果。由于外力的作用使物体发生应变而最终使物体内部产生内力。（有应变才有应力）3、注意在材料力学中内力是指某一物体内部各质点间相互作用力的改变量。4、任意方向的内力都可正交分解为垂直截面的法向分力和截面内的切向分力。（分别用N和T表示）5、应力的单位是：工程中kg/cm2，国际单位kg/mm2，N/m2（帕Pa）（三）应力应变曲线（P22图2-5）应力应变曲线描述了应变过程中应力的变化过程。即应力随应变的改变量而变化的情况。（以拉伸实验为例，可分为四个阶段）1、弹性阶段：卸载后，变形能完全恢复的阶段。即发生弹性形变的阶段。特点是：弹性形变，应力应变符合虎克定律。2、屈服阶段：在载荷作用下，形变继续增加而应力并不增加的阶段。特点是：时间较短，卸载后不再恢复原状，称为残余变形或塑性变形。3、强化阶段：屈服阶段后继续加载，物体抗变形能力又有所恢复的阶段。特点：是加载时应力继续增加，卸载后形变仅能恢复到屈服阶段。4、颈缩阶段：强化阶段后，应力随变形的增加而下降，直至试件断裂。特点是变形加大，应力减小，物体被破坏。三、粘弹性：（一）粘弹性：弹性材料的力学性质和粘性材料力学性质相结合的一种力学性质。1、弹性材料的力学性质是应力与应变成正比，材料能保持固定形状，在外力作用时，外力功转换为弹性能。2、粘性材料一般为流体，无固定形状，在外力作用下，外力功能转换为分子热消耗了。3、生物固体材料如骨、软骨、肌肉、血管壁、皮肤等都具有粘弹性。（二）粘弹性材料的特点（P24-25图）1、物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，称应力松驰。（如肌肉的松驰）2、若应力保持一定，物体的应变随时的增加而增大，称蠕变。3、加载时的应力应变曲线与卸载时应力应变曲线不重合，称为滞后。第二节 骨的力学特性一、骨结构的生物力学特性：（一）骨的成分与结构特点：1、骨组织由有机物和无机物组成。其中25%30%是水，其余70%75%是无机物和有机物。成人枯骨含1/3有机物（胶原纤维）和2/3无机物（主要是钙和磷等。）2、骨的有机成分组成网状结构，无机物填充在有机物的网状结构中（象钢筋水泥结构一样）。3、全身骨分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨。长骨又称管状骨，两端为骨松质（呈海绵状），中间为骨密质。（骨密质的多孔性程度占530%，骨松质占3090%）。（二）骨的生物力学特性：1、弹性和坚固性：弹性是由骨中有机物形成的。坚固性又称硬度或刚性，是由无机物形成的。（有人认为骨中的骨胶原承受拉应力，钙盐承受压应力）。2、骨是人体理想的结构材料质轻而强度大。（参见P26数据和P27表2-1）。3、各向异性和应力强度的方向性：各向异性是指骨在不同方向上的力学性质不同，（多孔结构所致）。应力强度的方向性表现在骨密质与骨松质刚性的差别和各向异性使骨对应力的反应在不同方向上各不相同。4、耐冲击力和耐持续力差：骨对冲击力的抵抗和持续受力能力较其它材料差。抗疲劳性能也差。5、应力对骨结构的影响：外加机械力改变骨结构中的应力。而应力通常与骨组织之间存在着一种生理平衡。对成人骨而言，骨组织的量与应力值成正比。对生长发育中的骨，应力增加（外伤和过度训练）会引起骺软骨过早愈合，骨化提前。二、骨的力学特征：（一）骨的应力应变关系：具有典型的应力应变关系曲线。屈服点和极限断裂点明显。（P29图2-10）（二）不同载荷时骨的力学特征：1、拉伸：人体悬重动作或手提重物时，骨干都要承受拉伸负荷。在较大的拉伸载荷下骨会伸长。人体股骨和肱骨的拉伸强度相近，约为125106N/m2。2、压缩：是骨最经常承受的载荷形式。压缩载荷能刺激新生骨的生长，促进骨折的愈合。人体骨承受压缩负荷的能力最强，股骨所能承受的最大压缩强度为170106N/m2，比拉伸强度大36%。3、弯曲：骨承受弯曲载荷时，要同时受到拉伸和压缩。骨干中部为中性轴，没有应力，所以长骨一般是中空的，省料，减重又不影响荷载。中性轴的凹侧骨受到压缩应力，凸侧骨受拉伸应力。骨承受弯曲载荷的能力较小，是造成骨伤和骨折的主要原因，所以足球比赛规则禁止蹬踏。当摔倒时用直臂撑地造成骨拆的原因是由于支撑反作用力与胸大肌的拉力，对肱骨形成弯曲载荷。4、剪切：载荷施加方向与骨表面平行或垂直，在骨内部产生剪切应力或剪应变。骨承受剪切载荷的能力低于弯曲和拉伸，而且垂直于骨纤维方向的剪切强度要明显大于顺纤维方向的剪切强度。（人体骨受剪切载荷的情况较少）5、扭转：骨两端受方向相反的扭转力矩。骨将沿其轴线产生扭曲。骨承受扭转载荷的能力最小。如投掷标枪时，肘过分低，在肩的外侧经过，这个错误动作往往造成肱骨扭转性骨折。因为此时三角肌前部的作用力使肱骨上端产生逆时针方向扭转力矩，而标枪的阻力（惯性力）使肱骨下端产生顺时针方负的扭转力矩。（动作正确时，相对肱骨的扭转力矩较小）6、复合载荷：活体骨承受的载荷往往是复合载荷。且随运动过程载荷的形式不断变化。骨受冲击载荷的特点：骨承受冲击载荷的情况取决于冲击载荷的作用时间和冲击载荷具有的能量。但短骨、扁骨的耐冲击能力要大于长骨。实验表明：颅骨的耐冲击能力比长骨高40%左右。三、骨疲劳（一）骨疲劳的概念：反复作用的循环载荷超过某一生理限度时会使骨组织受到损伤，称为骨疲劳。（二）骨疲劳的特征：1、疲劳性骨折或永久性弯曲（塑性形变）。（就象多次弯曲竹杆）2、周期性载荷引起的骨折，开始于应力集中点，形成蚌壳式裂纹。3、重复载荷的骨疲劳，引起的骨折往往是低载荷的情况。4、疲劳寿命随载荷增加而减小，随温度升高而减小，随密度的增加而增加。5、骨的疲劳极限为3.45KN/cm2。（三）骨疲劳的过程和原因：1、过程见P35图2-16。2、原因：骨结构在反复应力刺激下导致结构的改变而发生骨折。（四）影响骨疲劳的因素和疲劳曲线：1、作用次数少而载荷较高。2、载荷较小或相对正常但作用次数较多。3、疲劳曲线见P34图2-15。四、体育运动对骨的影响。（一）肌肉收缩能克服一部分作用于骨骼上的应力，起到保护骨骼的作用。（二）体育锻炼可促进骨的形态结构发生变化，提高骨抵抗载荷的能力。第三节 关节软骨、韧带、肌腱的生物力学特性和人体关节力学（课下自学）作业：自学P37-51第三节关节软骨、韧带、肌腱的生物力学特性和人体关节力学并回答问题。1、简述关节软骨的力学性质，并分析关节软骨在关节活动中的作用。2、浅析影响韧带和肌腱力学特性的因素。3、浅析影响关节灵活性和稳定性的因素。第四节 骨骼肌的生物力学特性一、肌肉结构的力学模型三元素模型（P52图2-29）（一）收缩成分：肌动蛋白和肌球蛋白，能主动收缩产生张力。（二）并联弹性成分：肌纤维膜、肌束膜和肌外膜等结缔组织。属于粘弹性体，被牵拉时产生弹力。（三）串联弹性成分：横桥和Z线、肌腱等结缔组织。粘弹性体可产生弹力。二、力学模型的有关概念：（一）肌肉的净收缩力主动张力Fc：指肌肉收缩成分收缩时产生的张力。（二）被动张力Fp：指肌肉工作时并联弹性成分的张力。（三）总张力Ft：被动张力与主动张力之和。Ft = Fc + Fp（四）肌肉的平衡长度：无任何负荷时肌肉的长度。在人体内的肌肉长度总是稍许大于平衡长度，所以放松的肌肉也保持一定张力。（五）肌肉的静息长度o（也称最适长度）：指肌肉收缩成分产生最大收缩力时肌肉的长度。研究表明： o =1.25时，收缩成分的张力最大。如果肌肉长度i=2.0时，肌肉能恢复原长。i=2.5时，肌肉收缩力Fc=0，i=3.0时，肌肉断裂。三、肌肉长度与肌肉收缩力量的关系指肌肉收缩前的初长度对肌肉收缩时产生张力的影响。（一）收缩成分的长度张力关系（Fci曲线P54图2-30）1、肌肉收缩成分收缩力的大小，主要取决于参与收缩的横桥数目。2、静息长度o时，粗、细肌丝处于最理想的重叠状态，使收缩时起作用的横桥数目达到最大，此时肌肉收缩能产生最大的张力。肌节全拉长时约为4.0mm，全部重叠时长1.5mm。（二）并联弹性成分的长度张力关系（P54图2-31）1、肌肉放松状态时i（肌肉处于平衡长度或小于平衡长度）Fp = 0（无被动张力）2、i（随着肌肉变长，并联弹性成分开始被拉长）Fp 0，且Fp随i的增加而增大。3、肌肉弹性成分的时间效应肌肉的松驰。被拉长的肌肉，随着时间的延长，其弹性形变力逐渐下降的现象（特性）。（粘弹性体的性质）实验：下蹲后立即跳和下蹲后稍停再跳起（不摆臂），重心腾起高度不同。意义：保持动作的连惯性，缓冲时间不能过长。（三）肌肉长度总张力的关系（Fti曲线，P55图2-32）Ft = Fc + Fp分析：1、i时，若肌肉收缩，Ft = Fc（此时Fp = 0）2、i=o时，Fc = Fc max，则Ft =Fc max + Fp3、io时，Fc减小，Ft一般减小。i=o时为缓冲和超越器械动作的生物力学意义之一。（四）串联弹性成分对肌肉收缩长度张力曲线的影响。1、肌肉在小于平衡长度时收缩（i）Fp = 0，串联弹性成分被拉长，起缓冲作用。（力的传导）2、肌肉等长收缩时肌肉收缩成分的缩短量 = 串联弹性成分的拉长量。（起止点不变）肌肉整体对外表现的张力仍是Fc。3、肌肉预先拉长后收缩（先离心后向心）拉长时串联弹性成分被拉长，贮存一部分弹性势能，缩短时释放出来。正常情况下，串联弹性成分不能增加肌肉力量，只能起缓冲或缓释肌肉收缩力或缓冲外界对肌肉的冲击性拉力作用。四、肌肉收缩力与肌肉收缩速度的关系用外加负荷对肌肉收缩速的影响来描述（一）希尔方程及其意义：（a+P）（v+b）= b（Po+a）或（a+F）（v+b）= b（Fo+a）其中：a =14.35g，b =1.03cm/s为常数。V为肌肉的收缩速度。P（或F）为收缩力或外加负荷。Po（或Fo）为初始张力（等长收缩时，电刺激使之挛缩）。参见P59图2-36希尔方程的意义：描述了骨骼肌收缩时，负荷P（收缩力F）与收缩速度V的关系。（肌肉做功的功率为常数）挛缩状态下（P58图2-35）， 表明：P增加，V减小， P减小，V增大，或F1/V 。（二）肌肉离心收缩力速度的关系：（P60图2-37）随着肌肉被拉长速度的增加，肌力也增加，FV原因：1、“切断”粗细肌丝连合所需的力要比保持等长收缩的力更大。2、收缩的粘滞性摩擦作用。四、肌肉的功及功率：（一）肌肉收缩的功：W = FS 生理功（内功）摩擦产热肌肉功机械功（外功）力在空间的累积效应。（二）肌肉收缩的功率：P = FV人体功率的含义：指人体将生物化学能转换为机械能的快慢。在体育运动中，由于动作的特点和目的性的不同，人体肌肉瞬时功率的大小和发挥特点也不同。（三）人体爆发力及训练：1、爆发力的概念：人体在短时间内快速的将生物化学能转换为机械能，对外输出强大功率的能力。（爆发式用力需要人体的瞬时功率较大或最大。）因为F，如图，F max时V = 0，Vmax时F = 0Pmax = FmaxVmax2、爆发力的训练：由Pmax=FmaxVmax和F-V图可知，F和V对Pmax的影响同等重要，故必须同时训练F和V，才能提高人体爆发力。（1）提高肌肉功率的途径：力量训练 速度训练 找点（技术训练）（2）提高方法：分别训练法（0%Po，100%Po） 3060%训练。 5Rm适用于举重、投掷，610Rm跳跃。（3）加强收缩前的拉长，既可提高F，又提高V。第五节 运动器系整体的生物力学性能与特点一、生物运动偶与生物运动链：（一）生物运动偶：两个相邻骨环节之间的可动性连接。1、环节是指相邻关节之间的部分。2、一个生物运动偶包括两个环节和连接两个环节的关节。如上肢的上臂，肘关节和前臂就构成一个运动偶。（二）生物运动链：1、概念：两个或两个以上生物运动偶的串联式连接。如上肢就是一个生物运动链，由腕关节、前臂、肘关节、上臂构成。其中手、腕关节、前臂为一运动偶，而上臂、肘关节、前臂为另一运动偶。2、分类：开放链：末端为自由环节的生物运动链。如上肢。自由环节又称终末环节或游离端，它只加入一个运动偶。开放链的特点：A、有自由环节（游离端）。B、开放链中各个环节均可独立活动。如上臂在肩关节固定时，小臂和手却可以分别在肘、腕关节处活动。C、开放链的任何一处解开，开放链将解体为两部分。封闭链（闭锁链）：无自由环节的生物运动链。（运动链首尾相连，形成闭合状态）较典型的封闭链是；胸廓的肋、脊柱和胸骨组成的闭锁链。封闭链的特点：A、每个环节加入两个运动偶，无游离环节。B、任何一个环节不能独立运动，一个环节的运动总会引起另一些环节的运动。C、封闭链在某一处解开时，则变为开放链。D开放链的自由端如果受到其它物体的约束即变成封闭链。如双手握单杠悬垂时。3、生物运动链运动的特点：运动链的运动取决于关节的结构和关节周围的组织。生物运动链中各环节绕关节轴的转动可使末端环节作圆弧运动或平动，如摆动、直拳动作等。运动链中运动可以由一个环节向另一个环节传递，链中几个环节的运动合成为末端环节的合运动。如摆动和鞭打。二、运动的约束和自由度：（一）约束：预先加给运动物体的限制条件。（阻止物体自由移动的限制）刚性约束： 光滑平面（使物体不能垂直平面向下运动）圆柱铰链（单杠摆动、回环）球型铰链（球窝关节，如肩、髋关节等） 柔性约束：肌肉、韧带、绳索等（不能承受压力）。（二）自由度：描述物体在空间运动状态的独立变量的个数。1、自由刚体在空中有6个自由度。即绕三个轴的转动和沿三个轴的直线运动。2、一点固定时，N=3，只能绕三轴转动。3、二点固定时，N=1，只能绕一轴转动。4、三点固定时，N=0，不能运动。说明：一般物体没有两个自由度的情况，但人体由于有双轴关节，如鞍状关节和椭圆关节，因而存在两个自由度的情况。在开放运动链中，自由度可以叠加，末端环节的自由度等于运动链中各关节自由度之和。因此某一环节的自由度可以超过6个（仍视为自由刚体）。如：肩关节有三个自由度，肘关有两个自由度，腕关节有两个自由度，加起来为7个自由度，因此手作为上肢运动链末端，其自由度有7个，相当于自由刚体。（在以肩关节为支点，以臂长为半径的范围内活动。）自由度是人体或人体某一环节运动能力的量度。讨论：跑的后蹬为什么要送髋？1、保证骨盆在支撑腿一侧髋关节一点固定，从而使骨盆有三个自由度，进而加大步长。2、送髋使身体重心在支撑阶段迅速前移，以减小后蹬角。3、屈髋（不送髋）的跑动造成骨盆在髋关节两点固定。摆动腿只能作钟摆式摆动，甚至出现“坐着跑”。影响步长和后蹬力量的发挥。三、人体的骨杠杆：（一）骨杠杆的概念：生物运动链中，骨环节绕关节轴转动时，在结构和功能上与杠杆相同，称为骨杠杆。物理学中的杠杆是指在力的作用下能绕支点转动的硬棒。（二）杠杆的组成：支点和刚性硬棒。1、骨杠杆的支点：关节瞬时中心或地面的支撑点。2、杠杆臂：肌力作用点到支点的距离。3、力 臂：支点到力的作用线的垂直距离。分为动力臂和阻力臂。4、力 矩：是使杠杆产生转动的原因。M1 = Fd 动力矩。M2 = Pd阻力矩。（三）杠杆的种类：1、平衡杠杆：支点在动力点与阻力点之间。（又称双臂杠杆）主要作用是维持平衡。如挑担，跷跷板等。人体中的平衡杠杆主要有：寰枕关节（头与颈椎的连接）。特点是：阻力臂短、肌力臂长，省力。低头时，阻力臂变长，动臂变短，因而肌肉要产生更大的肌力。长时间低头，会出现颈后肌群酸痛，同时颈椎弯曲，椎间盘变形，造成脱出或增生。推铅球时上臂杠杆亦属平衡杠杆，但由于阻力臂长、动力臂短，故而费力。（参见P65图240）2、省力杠杆：阻力点在支点与动力点之间。（也称单臂杠杆）3、速度杠杆：动力点在支点与阻力点之间。（也是单臂杠杆）人体内此类杠杆较多。如髋关节、肘关节等。如果铅球为5KG，那么肱二头肌的拉力需50KG。但铅球可以获得大的速度。（四）骨杠杆的平衡及加速条件：1、平衡条件：动力矩=阻力矩 （人体中动力矩为肌肉拉力矩）2、加速条件：动力矩阻力矩 肌肉拉力矩阻力矩（+）， 向心收缩。肌肉拉力矩阻力矩（），离心收缩。第六节 人体动作结构与动作系统一、人体动作系统（一） 动作和动作结构1、动作结构：每个完整的特定动作都有固有的