第二章 运动力学基础.ppt

回顾 1 打羽毛球时 手臂挥拍向下扣球的动作属于 a 推b 拉c 鞭打d 缓冲e 蹬伸2 步行时 伴随骨盆和肢体的转运运动形式为 a 扭转b 摆动c 鞭打d 缓冲e 蹬伸3 动力性运动错误的是 a 产生加速度b 产生位移c抗阻力d 维持躯体姿势e 有明显的关节活动4 主动运动是指肌力达 时 即可由骨骼肌主动收缩完成肢体的运动A1级B2级C3级D4级5 人体步行时的运动形式包括 a 摆动b 蹬伸c 鞭打d 躯干扭转e 缓冲6 运动强度与 总是成正比AB吸氧量C运动时间D运动频率e 运动形式 2 第二章运动力学基础 3 学习目标 掌握运动中的力合力矩及其表现形式 并明确力是物体运动状态改变和形状改变的原因 掌握影响人体平衡与稳定的因素 熟悉牛顿运动定律的在人体运动中的应用 熟悉骨 关节 韧带和肌腱的生物力学特性及其在康复治疗中的应用 了解运动中力的合成与分解及其在人体运动中受力分析中的应用 4 学习内容 第一节运动中的力与力矩一 运动中的力二 运动中的力矩第二节牛顿运动定律及其应用一 牛顿运动定律二 牛顿运动定律在人体运动中的应用第三节平衡与稳定 一 力系平衡条件与人体平衡类型二 稳定性及其影响因素三 人体平衡与稳定的特点第四节骨 关节生物力学一 骨的生物力学性质二 关节生物力学三 肌腱和韧带的生物力学 任务 1 第一段视频工匠钉钉子工作有何特点 为什么要这样操作 2 体操运动员比赛时从器械上落下来的原因是什么 如何评价 钉子头部很尖 面积小 用较小的力即可产生很大压强 尖部会产生大于木材结构应力的力 破坏物质结构 运动员在比赛时 手掌心常会冒汗 这对体操和举重运动员来说非常不利 因为湿滑的掌心会使摩擦力减小 使得运动员握不住器械 不仅影响动作的质量 严重时还会使运动员从器械上跌落下来 造成失误 甚至受伤 8 第一节运动中的力与力矩 力是一个物体对另一个物体的作用 是使物体产生形变或线运动状态改变的原因 力矩则是力和力臂的乘积 是使物体转动状态改变的原因 9 一 运动中的力 若将人体整体看做一个力学系统 则人体内部各部分的相互作用 称为内力 外界作用于人体的力称为外力 一 内力与外力的概念 外力 重力 支撑反作用力等 内力 骨骼肌张力 关节约束力 韧带张力等 其中骨骼肌的张力是人体内力中的主动力 10 运动中的内力和外力的关系 2 内力可以改变外力的大小3 外力可用来增强内力 1 内力与外力是相对的 11 要获得较大的反作用力作为人体运动的动力 必须加大人的蹬地力 这又取决于人体肌肉活动引起的对地面作用力的大小 肌肉活动是主动的 为了提高人体运动效果 最重要的是提高肌肉收缩的力量 内力 以加大蹬地力从而得到一个大的反作用力 外力 使人体运动状态发生变化 另外 实践中采取一些措施 利用外部条件在一定程度上也可提高地面对人体的作用力 例如 在跑些 跳鞋上安上钉子 起跑时用起跑器等 12 跳高起跳过程中的外力作用 13 起跑过程中的外力作用 14 力量训练过程中人体肌肉收缩抵抗负荷的内外力作用 15 人体运动中所受到的外力1 重力大小与方向 方向 指向地球心 g 9 8m s s 二 几种常见的外力 重力是地球对人体或物体的引力 是一种非接触力 人体或物体受重力的集中点为重心 其方向指向地心 16 2 摩擦力a 静摩擦力和最大静摩擦力b 滑动摩擦力 二 几种常见的外力 摩擦力是两相互接触的物体作相对运动 线运动或滚动 或有相对运动趋势时产生的力 分别成为滑动摩擦力 滚动摩擦力和静摩擦力 17 3 支撑反作用力人体处于支撑状态时 人体重力作用于支撑面上 支撑面又反作用于人体 这种反作用称为支撑反作用力 如果人体处于静止状态 为静力性支撑反作用力 如果人体局部环节有运动 则支撑反作用力会不断变化 称为动力性支撑反作用力 二 几种常见的外力 18 4 流体作用力人体在空气和水中运动时 与流体发生接触 并相互作用 流体对人体的作用即为流体作用力 人体在水中受到浮力作用 可以减轻肢体的重力作用 对于肌力不足或关节疼痛的患者 可以借助水的阻力和浮力进行康复训练 二 几种常见的外力 19 5 器械的其他阻力肢体推动运动器械进行训练时 除要克服器械重力外 还需要克服器械的惯性力 摩擦力或弹力所产生的阻力 其大小与肢体的推力大小相等 方向相反 二 几种常见的外力 20 意义 各种外力经常被用来作为康复训练 治疗的负荷 选择的负荷要求与肢体运动的方向和力量相适应 这是增强肌力训练的方法学基础 21 三 内力 定义 是指人体内部各组织器官间相互作用的力 各种内力总要相互适应 以维持最佳活动 同时也不断和外力相抗衡以适应人体生活的需要 1 肌拉力2 各组织器官间的被动阻力3 各内脏器官的摩擦力4 内脏器官和固定装置间的阻力5 血液淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力 在分流时产生的湍流等 22 1 肌拉力这种力通过其在骨骼上的附着点 可以维持人体姿势 引起人体内部各部分 各环节间的相对运动 是人体内力中最重要的主动力 2 组织弹力 1938年 英国学者A V 希尔根据他所做的蛙缝匠肌的大量实验 提出了肌肉收缩的力学模型 希尔模型 当静休状态下肌肉张力不可忽略时 若静休状态张力与兴奋状态无关 则可将肌肉的张力分解为主动张力和被动张力 后者用一并联弹性元表示 它和收缩成分 串联弹性元组成三元素模型 图2 2 24 3 各组织器官间的被动阻力当一肢体做屈曲或伸展运动时 其相反方向的组织受到牵拉 尤其是拮抗肌的张力 此时必须做相应松弛 以保证运动的完成 25 4 各内脏器官的摩擦力例如胃肠蠕动时候肠袢间的摩擦力 尽管很小 心脏搏动时与肺 纵隔和胸廓间的摩擦力等 5 内脏器官和固定装置间的阻力如胃肠蠕动与腹膜 肠系膜 大血管间的阻力 食管的蠕动与纵隔间的阻力等 6 血液淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力 在分流时产生的湍流等 26 1 合力与分力一个力如果它产生的效果与几个力共同作用的效果相同 则这个力就叫那几个力的合力 而那几个力就叫这个力的分力 2 力的合成求几个已知力的合力 叫力的合成 3 力的分解力的分解是力的合成的逆运算 四 力的合成与分解 平行四边形法则是力的合成与分解的基础 27 掌握物体受力的分析方法 确定受力分析对象 取出隔离体确定场力 重力 电磁场力等 确定所有外力 动力 阻力 摩擦力 空气阻力等 接触力等 画受力分析图 28 a b c d 29 当骨骼肌在某一平面产生力作用时 可将肌力分解为两个垂直分量 一个沿着骨轴线作用 另一个垂直骨轴线 前者起稳固关节的作用 因而叫稳固分量 后者是使骨产生转动的分量 所以叫转动分量 力的分解 30 1 力的时间累积效应作用于物体的合外力与其作用时间的乘积 F t 称为力的冲量 而将运动物体或人体具有的 运动量 即质量与速度的乘积 mv 称为动量 动量定理 物体动量的增量等于其所受的冲量 五 力的时间和空间累积效应 31 动量定理和动量守恒定律 1 动量与冲量的概念 动量 矢量性 单位 米 千克 秒 m kg s 冲量 矢量性 单位 牛顿 秒 N s 32 冲量的几何含义 K F t 33 动量定理 物体在运动过程中 在某段时间内动量的改变 等于所受合外力在这段时间内的冲量 即 34 动量定理在运动中的应用 1 在投掷项目中 为了增加器械的出手速度 即增加器械的出手动量 应增加在最后用力阶段对器械的冲量 这要求在发挥最大力量的同时 延长力的作用时间 2 若要减少对人体的冲力 就得延长力作用的时间 各种落地缓冲动作就是典型的例子 3 给物体或人体强大冲力 要求与物体或人体接触的时间要短 例如钉钉子 35 2 力的空间累积效应力与力作用方向上移动距离的乘积 F S 称力对物体作了功 力作用方向与其引起的物体运动方向改变一致 力对物体所做的功为正功 物体的运动方向与力的作用方向相反 这时力所做的功为负功 功的国际单位是焦耳 J 36 通常讲骨骼肌做功 是指骨骼肌做的机械功 肌将其贮存的化学能转化为机械能 克服阻力使环节及外界物体产生位移 等长收缩运动中 环节不产生位移 没有做机械功 此时骨骼肌消耗的能量完成了 生理功 功和能之间是可以相互转换的 能的量值是通过做功来确定的 力对物体做的功等于物体机械能 动能和势能 的增量 37 力矩 M 是作用于物体或人体的合力 F 与支点到力作用线距离 d 的乘积 即M F 一种情况 即大小相等 方向相反 作用线互相平行但不重合的两个力作用在同一物体上 虽然其合力为零 但物体同样会转动 这一对力称为力偶 其产生的转动力矩称为力偶矩 另一种情况 物体在无支撑情况下受到力的作用 这个力若不通过物体的重心 也会引起物体的转动 这个力称为偏心力 由其产生的转动力矩称为偏心矩 力矩 力偶矩和偏心矩是人体或物体转动的条件 二 运动中的力矩 38 一 人体的简化 根据人体运动的特征 可将人体运动模型简化为 质点 刚体和多刚体系统等运动模型 1 质点 具有一定质量 忽略其大小形态的几何点 研究地球绕太阳运动 地球可以当作质点 研究地球的自转 地球就不能当作质点 第二节牛顿运动定律及其应用 39 2 刚体是由相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体 它有一定形状 占据空间一定位置 是由实际物体抽象出来的力学简化模型 在运动生物力学中 把人体看作是一个多刚体系统 40 人体简化以后的运动形式人体运动的形式多种多样 把人体简化成质点 分为直线运动和曲线运动 把人体简化成刚体 分为平动 转动和复合运动 41 牛顿第一定律 任何物体在不受外力作用 或所受合外力为零 时 物体将保持静止或匀速直线运动状态不变 物体的这种性质称为惯性 牛顿第二定律 物体加速度 a 的大小与物体所受合外力 F 的大小成正比 与物体的质量 m 成反比 即 F ma 牛顿第三定律 作用力与反作用力 两个物体相互作用时 物体甲对物体乙的作用力 F1与F2大小相等 方向相反 沿同一直线 即F1 F2 二 牛顿运动定律 42 运动中很多动作可以借助惯性完成 巧妙地利用惯性 不但省力且减少能量消耗 减少运动性疲劳 因此 人体活动中保持动作的连贯性和动作间的连续性能起到省力的作用 例如 康复治疗中偏瘫患者自主从仰卧位到侧卧位 可以利用健侧肢体的惯性完成体位转换例子 三 牛顿运动定律在人体运动中的应用 一 运动中合理利用惯性可以省力 43 指在人体在克服外界阻力负荷运动时 需要遵循由大肌群首先活动 逐步过渡到中小肌群活动 因为大肌群能产生较大的力或力矩 有利于克服阻力物体的惯性 可以有效预防运动开始时的中小肌群的损伤 例如 搬动较重物体时应用下蹲通过大腿的肌群用力来克服重物的惯性 而不应用弯腰通过腰部肌群的用力克服重物的惯性 由于腰部肌群的力量弱 弯腰搬重物易导致腰部肌的急性损伤 二 克服重物惯性需要遵循骨骼肌活动顺序原理 44 运动中 要使人体运动速度增加或减小 需要外界对人体的作用力增加或减小 根据作用力与反作用力定律 外界物体对人体的作用力增加或减小时 人体对外界的作用力也需要增加或减小 三 增加人体对外界的作用力可以增大外界对人体的反作用力 45 第三节平衡与稳定 一个物体如果受到几个力的作用 这几个力称为力系 力系平衡的条件因力系的不同而有所差异 力系通常有以下4种情况 1 共点 共线力系2 平面汇交力系3 平面平行力系4 空间一般力系 一 力系平衡条件与人体平衡类型 一 力系的平衡条件 1 共点 共线力系 2 平面汇交力系 3 平面平行力系 4 空间一般力系 条件 合力为零 合力矩为零 50 人体平衡的类型 二 人体平衡的类型 上支撑平衡 单杠悬垂平衡 下支撑平衡 人体站立 混合支撑平衡 1 面对肋木架站立 单腿抬起置于练习架横杆上 依次由低向高放腿部肌肉拉伸练习 2 面对肋木架站立 双手上举握紧上端横杆 双腿离地蹬踏在下端横杆上 然后做深蹲拉起练习 3 背对肋木架站立 双手向上握紧上端横杆 双脚垂直绷紧做双腿抬起练习 通常上肢平衡都是稳定平衡 下肢平衡都是有限的稳定平衡 这在体育运动中最常见 不稳定平衡仅限于下支撑中的点支撑或线支撑 例如 杂技中自行车定位 高空走钢丝等是不稳定平衡 它们的支撑面很窄 可近似看成线支撑 人体的随遇平衡只是在失重时才可能有 例如球体的平衡 55 稳定性是指人体和物体抵抗各种干扰作用保持平衡的能力 1 静态稳定性人体静止时抵抗各种干扰的能力 2 动态稳定性人体重心偏移平衡位置后 干扰因素除去时 人体仍能恢复到初始平衡范围 二 稳定性及其影响因素 一 稳定性 56 1 影响人体下支撑稳定性的因素支撑面大小 支撑面大 稳定度大 支撑面小 稳定度小 重心的高低 在支撑面不变的情况下 人体的重心位置低 稳定度大 重心位置高 稳定度小 二 影响人体下支撑稳定性的因素与评价指标 57 1 定义 整个人体所受重力的合力的作用点 叫人体重心 它位于身体正中面上第三骶椎上缘前方7厘米处 大约在身高的55 56 人体重心 58 2 人体重心位置正常站立姿势下人体重心位置 59 人体重心位置 人体重心位置随人体姿势变化而改变 60 人体重心的变化 61 人体重心可移动出身体之外 62 为了训练平衡功能差的患者的平衡能力 开始训练时 可以先练习坐位 重心低支撑面较大 平衡 完成后练习立位平衡时 可先分开双腿以加大支撑面使重心比较低 练习静态和动态平衡 达到一定效果后 再逐渐过渡到并足训练 应用 63 1 人体整体主动运动的必要条件是 A 摩擦力B 重力C 肌力D 支撑反作用力2 运动物体的质量和速度的乘积称为 A 动量B 冲量C 动能D 势能3 人体站立姿势平衡 A 上支撑平衡B 混合支撑平衡C 上下支撑平衡D 下支撑平衡4 简述人体平衡与稳定的特点有哪些 5 简述影响人体下支撑平衡稳定性的因素 以及评价其稳定性的方法 回顾 64 2 人体下支撑稳定性的评价指标 1 稳定角 稳定角是指重力作用线和重心至支撑面边缘相应点的连线间的夹角 重心高度相同 支撑面越大 稳定角越大 支撑面相同 重心越高 稳定角越小 稳定角越大 物体的稳定度越大 65 66 2 稳定系数 稳定系数是指稳定力矩与倾倒力矩之比值 稳定系数表明物体依靠重力抵抗平衡受破坏的能力 稳定系数大于1时 物体能抵抗外来翻倒力矩 平衡不被破坏 稳定系数小于1时 物体抵抗不住外来的翻倒力矩 平衡将遭到破坏 即物体会翻倒 67 F h G r 稳定系数的计算 68 结论 K 1 K1时 物体本身重力产生的恢复力矩足以对抗倾倒 当K 1时 物体恢复力矩对抗不了倾倒力矩 物体倾倒 平衡破坏 所以 物体越重 其稳定力矩越大 抗倾倒的能力越强 69 人体不能绝对静止 人体的呼吸 循环运动使得人体重心不是定点 另一方面人体肌张力任何时候不能恒定 人体形状可变 由于人体支撑面边缘均为软组织 有效支撑面面积要小于 理论 支撑面的面积 人体自身的姿势自动调节系统 人体有翻倒趋势时 依靠反射性地改变身体姿势 可以保持原有平衡 三 人体平衡与稳定的特点 70 人体保持平衡稳定的补偿动作 71 人体的补偿作用 达瓦孜 72 人体内力起重要作用 内力可以通过对外界环境 人体或物体 的主动作用 从而影响人体的平衡 心理因素的影响 紧张心理反应对人体平衡稳定性的影响最为明显 感觉系统在保持人体平衡中的作用 视觉 位觉与本体感觉等感觉系统起着重要作用 人体各个环节的运动都是围绕关节轴的转动 走 跑 跳等动作是通过关节的转动来实现的 所以 转动是人体运动的基础 在康复医学中所讲的关节活动度的测定和训练 都是指肢体围绕关节轴所进行的转动 第四节人体运动的转动力学 转动轴 刚体转动时 刚体上的各点都做圆周运动形成大小不等的同心圆 各圆的中心都位于同一条直线上 这条直线叫做转动轴 实体轴 人体围绕固定在地面上的运动器械转动使 器械就是人体的转动轴 非实体轴 人体局部肢体或整体转动时所围绕的是位于人体内部的某特定的直线 花式单杠 63岁老人单杠30秒转30圈 一 转动运动学 1 角速度人体 肢体在单位时间内转过的角度叫角速度 它是矢量 其方向与角位移方向相同 采用等速训练器进行患者的等速肌力训练时 等速 是指肢体围绕关节轴转动时的角速度是相等的 2 线速度是质点围绕一点转动或者人体围绕某个轴转动时 质点或者人体上各点的瞬时速度 它具体描述转动的人体或器械上各个点转动的快慢 3 角加速度指单位时间内角速度的变化量 它也是矢量 在描述匀变速运动时 其特点是角加速度恒定 4 角位移人体整体或环节围绕某个轴转动时转过的角度叫角位移 二 转动动力学 人体的转动包括肢体在肌力的作用下牵引骨围绕关节轴的转动和人体整体的转动 人体转动的力学条件是作用在人体上的外力对某一转轴的力矩的矢量和不为零 即合外力矩不为零 肢体绕关节轴转动的条件是阻力矩与肌力矩之和不为零 对多轴关节的转动 要对每个轴做力矩的合成 正确判定阻力和肌力对于相应轴的力矩 如上臂作肩关节的屈伸时 其阻力与肌力对额状轴产生力矩 而上臂作肩关节的内收外展时 其阻力与肌力对矢状轴产生力矩 一 转动定律 物体的转动惯量是物体转动惯性的大小 由于人体的质量分布不均匀 其转动惯量的计算很困难 通常采用人体力学模型 将人体简化成16个刚体 通过铰链联结形成刚体系统 然后分别计算各个刚体的转动惯量 环节的转动惯量 I I m r2 环节中质点的质量 质点到转轴的垂直距离的平方 人体运动时 随着姿势的变化转动惯量也会发生变化 因此对一种姿势算出的转动惯量只是说明一瞬间的情况 这种可变性可以使人根据训练目的 调节姿势以改变转动惯量 达到自我控制的目的 转动定律 转动定律 刚体绕固定轴转动时 转动惯量与角加速度的积等于作用在刚体上的合外力矩 M I a 转动惯量 角速度 二 动量矩定理 假定转动惯量为I的刚体在外力矩M的作用下 经过了时间 t 转动角速度从 1变成 2 则这个过程中角速度变化量为 2 1 角加速度a 2 1 t M I a I 2 1 t M t I 2 1 冲量矩 动量矩 二 动量矩定理 M t I 2 1 冲量矩是力矩和时间的乘积 表示外力矩对转动物体作用于时间上的累积效用 转动惯量与转动的角速度的乘积 叫动量矩 反映了刚体的转动状态 不同时刻刚体动量矩的变化是外力引起冲量矩的作用结果 外力矩越大 作用时间越长 刚体转动状态变化越大 三 肢体的转动作用 人的肢体在运动时 大多是围绕关节轴的转动 当肌力矩大于阻力矩时 肢体向肌拉力的方向转动 当阻力矩大于肌力矩时 肢体向阻力方向转动 当肌力矩等于阻力矩时 肢体平衡 肌肉作静态的等长收缩 三 转动定律的应用 为了增加肢体的转动角速度 训练关节的活动度和灵活程度 可以增大肌力矩 主要通过增强肌力来实现 另一方面 当肌力矩一定时 减小转动惯量也可提高转动的角速度或角加速度 可以在完成动作时 尽量使肢体靠近关节轴 从而加大肢体的转动速度 例如跑步时的摆臂摆腿动作 可以采用屈肘摆臂 从而减小上肢的转动惯量 小腿后摆时 尽量靠近大腿做折叠动作 减小下肢围绕髋关节的转动惯量 以便提高摆动的角速度 M I aI mr2 第五节骨与关节生物力学 骨是以骨组织为主体的器官有新陈代谢和生长发育的特点很强的修复和再生能力支持 保护 杠杆 造血 储备钙磷等 人体共有206块骨 其功能是对人体起支持 运动和保护的作用 骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看 都是十分复杂的 这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的 骨的功能适应性 是指对所担负工作的适应能力 一 骨的概述 从力学观点来看 骨是理想的等强度优化结构 它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷 力 的优越性 而且在外力条件发生变化时 能通过内部调整 以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境 越是深入了解人体骨的特性 就越是为其优良的受力结构感到惊叹 制造出这种 智能 型的材料和结构 一直是科学工作者孜孜以求的目标 人体骨骼 颅骨 躯干骨 上肢骨 下肢骨 四肢骨 29 51 126 骨的分类 1 按照部位 颅骨 躯干骨 四肢骨2 根据发生 膜化骨 软骨化骨 有的二者共同组成 称为复合骨 如枕骨 3 按照形态特点 长骨 短骨 扁骨 不规则骨 骨的分类 按形态 长骨 长管状 分骨体和骨骺 主要分布在四肢 起杠杆和支撑作用 骨的分类 短骨 形似立方体 在腕和踝处成群分布 使手 足的运动灵活 分散压力 骨的分类 扁骨 呈板状 分布在颅 肩胛骨等处 参与构成体腔 保护脏器 提供肌肉附着点 骨的分类 不规则骨 形状不规则 分布在躯干 颅 髋骨等处 还包括内含空腔的含气骨 二 骨的结构 骨膜 骨外膜由纤维结缔组织构成 含有丰富的神经 血管和成骨 破骨细胞 衬在髓腔内面和松质间隙内的膜称骨内膜 也含有成骨细胞和破骨细胞 骨质 由骨组织构成 分骨密质和骨松质骨髓 充填于骨髓腔和松质间隙内 胎儿和幼儿的骨髓有造血功能 称红骨髓 5岁以后的长骨骨干内渐被黄骨髓替代 骨膜 骨外膜 外层厚而致密 有穿通纤维固定膜和韧带 内层薄而疏松 含骨祖细胞 成骨细胞及小血管 神经 骨内膜 骨髓腔面 骨小梁表面 中央管及穿通管内表面的薄层结缔组织 扁平状骨祖细胞常排成一层 能分裂分化为成骨细胞 有利于骨生长 改建 功能 对骨组织具营养 保护 生长 改建及骨折后修复等作用 骨质 骨板骨基质基本结构形式呈板层状 同一骨板内的纤维相互平行 相邻骨板的纤维则相互垂直 骨盐沉积 结合在胶原原纤维间 分骨密质和骨松质 骨密质分布于长骨骨干和骨髓的外侧份 外环骨板 较厚 约有10 40层 较整齐 环绕骨干排列 内环骨板 较薄 仅数层 排列不规则 内 外环骨板均有横向穿越的小管 穿通管 其与纵行排列的骨单位中央管相通连 它们都是小血管 神经及骨膜成分的通道 并含有组织液 骨单位 哈佛系统 P22 位于内 外环骨板之间 是长骨干起支持作用的主要结构单位 中轴 中央管 哈佛氏管 内含神经 中间 由10 20层同心圆排列的骨板围成的长筒状结构 内有突起相互连接的骨细胞 骨骺 骨松质 分布于长骨骨骺和骨干的内侧份 为大量针状或片状骨小梁相互连接而成的多孔隙网架结构 骨小梁排列方向组成张力和压力曲线 网孔中充满骨髓 骨组织的构成 骨组织包括细胞和骨基质位于骨基质内面的骨细胞量多位于骨组织表面的有骨祖细胞 成骨细胞 破骨细胞骨基质为钙化的细胞外基质 骨的图片 骨的图片 骨的图片 107 第五节骨 关节生物力学 一 骨受载荷形式 二 骨的生物力学性质 拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷剪切载荷扭转载荷复合载荷 骨骼系统是人体的支架 在完成活动时 承受着来自于自身及外界的各种形式的载荷作用 根据力和力矩由不同方向作用于骨 108 骨的应力是指骨结构受到外来载荷时其表面单位面积所受到的力 骨的应变是指骨在外力作用下的局部形变 包括线性应变和剪切应变 二 骨的应力与应变曲线 109 应力较小时 在一定的范围内 应力与应变之间存在着一个线性关系 应力 应变曲线为直线 即应力与应变成正比关系 称为弹性区 去除外部载荷移后 材料将恢复到原来的形状 即不会造成永久形变 载荷持续增加时 骨最外层某些部位就会发生屈服 即弹性区末端点称为屈服点 屈服点以后的曲线则变成了非线性 骨将产生永久变形 称为塑性区 载荷持续增加 骨组织的结构体将在某个部位失效 骨折 图中C点为断裂点 对应的应力称为极限应力 C 110 在应力 应变曲线图中的弹性区 材料的应力与应变之间存在着一定的关系 即应力 应变是常数 此常数为材料的弹性模量或杨氏模量 其大小等于这段直线的斜率 弹性模量或杨氏模量大小表示了材料抵抗变形的能力 称为刚度 111 达到极限应力时的应力 应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量 一般骨在生理负荷范围内 骨产生弹性变形 当外力去除后 弹性区内的能量能同时被骨释放 使骨恢复原状 但当骨不断受到外力作用时 其应变能量不能被及时完全释放 经积累后可能会损坏材料的结构 成人皮质骨的极限应力在压缩 拉伸和剪切旗荷时是不同的 皮质骨所能承受的压应力大于拉应力 所能承受的拉应力又大于剪应力 113 骨的生长是破坏和重建两个过程对立统一的结果 骨的塑形与重建是通过适应力的作用 这种适应性是按沃尔夫 Wolff 定律进行的 适宜的载荷对骨有积极的影响 但过载 过用或过度冲击性载荷可引起骨损伤甚至骨折发生 三 机械应力对骨生长的影响 114 运动中 骨会反复受力 超过某一生理限度时使骨组织受到损伤 造成骨的损伤为疲劳性损伤 在持续性紧张的骨骼肌运动中 首先引起骨骼肌疲劳 收缩能力降低 其结果是抵消作用于骨上的应力的能力也减弱 导致对骨的作用力过大 骨结构在反复的应力刺激下导致结构的改变而发生骨折 四 骨疲劳 115 疲劳性骨折的发生过程示意图 116 骨的力学性质还受到以下因素的影响 骨的大小和形状骨折愈合 当骨折愈合开始时 骨痂在骨折处周围形成套状以稳定骨折区 骨痂使截面积显著增加 从而增加骨骼的强度和刚度 手术因素 有些外科手术造成骨缺损而使其力学性能明显减弱 衰老与骨质疏松 骨组织总量的减少和骨体积的轻度减少 五 影响骨力学性能的其他因素 117 人类三种类型的杠杆 六 骨的杠杆功能 杠杆的分类 Title 第2类杠杆 又称省力杠杆 第1类杠杆 又称平衡杠杆 第3类杠杆 又称速度杠杆 阻力点在支点和动力点之间的杠杆 阻力点在支点和动力点之间的杠杆 动力点在支点与阻力点之间的杠杆 又称为费力杠杆 杠杆原理在康复医学中的作用 省力 要用较小的力去克服较大阻力 就要缩短阻力臂或延长力臂 获得速度 许多动作不要求省力 而要求获得较大的运动速度和幅度 防止损伤 从上述杠杆原理可知第3类杠杆不利于负重和载荷 而人体肌肉杠杆又大都属于第3类杠杆 因而可以理解阻力过大容易引起运动杠杆各环节的损伤 特别是其力点和支点 即肌腱系统和肌肉止点以及关节的损伤 三 关节的生物力学 关节的结构骨连接有直接连接和间接连接 关节面及关节软基本结构关节囊关节腔韧带关节内软骨辅助结构关节唇滑膜囊滑膜襞 关节的基本功能 关节的基本功能是传递人体运动的力和保证身体各部分间的灵活运动 明确力在各种关节中的传递方式以及关节的运动特点是关节生物力学的主要目标 人体关节最奇妙之处在于它是一个集自如的快速和慢速运动 承受高载荷和低载荷于一体 可正常运行数十年的既灵活又稳固的结构 在现今的科学技术水平上 人体关节在承受不同载荷下作不同的运动被认为分属于不同的运行机制 目前还无法模拟 1 关节的分型 按关节面的形态 运动轴数分类如下 屈戍关节 滑车关节 单轴关节车轴关节根据关节结构分为椭圆关节双轴关节单关节鞍状关节球窝关节复关节多轴关节平面关节联合关节 2 关节的活动度和稳定性 1 关节的功能取决于其活动度 柔韧性 和稳定性 2 影