人体力学基础PPT学习教案

1、会计学1人体力学基础人体力学基础第一节第一节 物体的弹性物体的弹性第二节第二节 肌肉和骨骼的力学性质肌肉和骨骼的力学性质第三节第三节 人体静力学人体静力学第四节第四节 人体动力学人体动力学第1页/共64页学习目标学习目标1. 掌握：掌握：物质弹性的基本概念；骨骼物质弹性的基本概念；骨骼与肌肉的力学性质。与肌肉的力学性质。2. 熟悉：熟悉：人体的静力平衡条件；人体人体的静力平衡条件；人体动力学的特征及其在人体运动中的体现。动力学的特征及其在人体运动中的体现。3. 了解：了解：人体内的杠杆结构，作用在人体内的杠杆结构，作用在髋关节和脊柱上的力以及临床力学器械的应髋关节和脊柱上的力以及临床力学器械的

2、应用。用。 第2页/共64页第一节第一节 物体的弹性物体的弹性第3页/共64页第一节 物体的弹性在一定的形变限度在一定的形变限度内，去掉外力后物体能够内，去掉外力后物体能够完全恢复原状。完全恢复原状。 形形 变变弹性形变弹性形变塑性形变塑性形变外力超过一定限度外力超过一定限度后，去掉外力后物体不能后，去掉外力后物体不能够完全恢复原状。够完全恢复原状。第4页/共64页一、线应变与正应力一、线应变与正应力 线应变线应变：对一细长物体施加拉力：对一细长物体施加拉力F使使之拉伸之拉伸, 其伸长变化率。其伸长变化率。 0ll ll若物体被拉伸若物体被拉伸 0, 0, 0 0；若物体被压缩若物体被压缩 0

3、, 0, 0 0。第一节 物体的弹性第5页/共64页应力：应力：指作用于物体单位面积上的力。指作用于物体单位面积上的力。正应力：正应力：指与作用面垂直的应力，用指与作用面垂直的应力，用表示表示。其单位为。其单位为Nm-2，又称帕斯卡（，又称帕斯卡（Pa）。）。SF 如果物体受力不均匀或者内部材料不均匀如果物体受力不均匀或者内部材料不均匀，正应力在横截面上不同位置数值并不相同。，正应力在横截面上不同位置数值并不相同。 第一节 物体的弹性第6页/共64页正应力与线应变的关系正应力与线应变的关系 图为低碳钢正应图为低碳钢正应力与线应变的关系，可力与线应变的关系，可将拉伸分为将拉伸分为弹性、屈服弹性、

4、屈服、硬化、硬化和和颈缩颈缩四个阶段四个阶段：第一节 物体的弹性第7页/共64页弹性阶段：弹性阶段：曲线中曲线中OA段，段，A点称为正比极限点称为正比极限。B点的正应力叫做弹性极限。点的正应力叫做弹性极限。屈服阶段：屈服阶段：过了过了C点是屈服阶段点是屈服阶段 ，这一阶段，这一阶段的最大正应力为屈服强度。的最大正应力为屈服强度。硬化阶段：硬化阶段：从从D点开始是硬化阶段，只有加大点开始是硬化阶段，只有加大正应力，才能使物体进一步伸长，此即材料的硬化正应力，才能使物体进一步伸长，此即材料的硬化；E点的正应力叫做强度极限。点的正应力叫做强度极限。颈缩阶段：颈缩阶段：过了过了E点是颈缩阶段点是颈缩阶

5、段 ；F点称为断点称为断裂点。裂点。BF是材料的范性（塑性）范围。是材料的范性（塑性）范围。 如果如果F点距点距B点较远，材料表现为展性。点较远，材料表现为展性。 如果如果F点距点距B点较近，材料表现为脆性。点较近，材料表现为脆性。第一节 物体的弹性第8页/共64页在正比极限在正比极限OA内，正应力与线应变成正比：内，正应力与线应变成正比： E式中比例系数式中比例系数E称为杨氏模量。杨氏模量只称为杨氏模量。杨氏模量只与材料的性质有关，反映了材料抵抗线变的能力与材料的性质有关，反映了材料抵抗线变的能力。 材料低碳钢花岗岩铅骨橡胶血管拉伸压缩E（109Nm-2）19650171690.0010.0

6、002第一节 物体的弹性第9页/共64页二、切应变与切应力二、切应变与切应力dSFFxdtanxdx第一节 物体的弹性 切应变：切应变：指相对偏移位移指相对偏移位移 与两底面垂直与两底面垂直距离距离 的比值：的比值：第10页/共64页切应力切应力：切向内力和切面面积的比值，用：切向内力和切面面积的比值，用 表示表示 。SF切应力与切应变的关系：切应力与切应变的关系： 在一定限度内，切应力与切应变成正比，比在一定限度内，切应力与切应变成正比，比例系数为切变模量，即例系数为切变模量，即 G第一节 物体的弹性第11页/共64页练一练在各种应变中应力的方向：在各种应变中应力的方向：一定与截面垂直一定与

7、截面垂直一定与截面平行一定与截面平行两者都对两者都对两者都不对两者都不对答案：两者都不对答案：两者都不对第12页/共64页练一练杨氏模量表示在正比极限内：杨氏模量表示在正比极限内：正应力与线应变的比值正应力与线应变的比值切应力与切应变的比值切应力与切应变的比值正应力与切应变的比值正应力与切应变的比值切应力与线应变的比值切应力与线应变的比值答案：正应力与线应变的比值答案：正应力与线应变的比值第13页/共64页练一练.在日常生活中，哪些变形属于弹性形变在日常生活中，哪些变形属于弹性形变，哪些属于塑性形变？，哪些属于塑性形变？2.杨氏模量的物理含义是什么？杨氏模量的物理含义是什么？第14页/共64页

8、第二节第二节 肌肉和骨骼的力学性质肌肉和骨骼的力学性质第15页/共64页一、肌肉的力学性质一、肌肉的力学性质 肌原纤维肌原纤维肌凝蛋白肌凝蛋白肌纤蛋白肌纤蛋白 肌纤维肌纤维 肌肌 肉肉肌肉的功能是将化学能转变成机械能。肌肉的功能是将化学能转变成机械能。 第二节 肌肉和骨骼的力学性质第16页/共64页第二节 肌肉和骨骼的力学性质肌纤维是肌肉的主要组成部分肌纤维是肌肉的主要组成部分、肌纤维的直径为10-60m，它是由直径为1m左右的许多肌原纤维组成。肌原纤维肌原纤维是由肌凝蛋白组成的粗丝（是由肌凝蛋白组成的粗丝（直径为直径为0.01m0.01m左右）和肌纤蛋白组成的细丝（左右）和肌纤蛋白组成的细丝

9、（直径直径0.004m0.004m左右）构成。左右）构成。第17页/共64页第二节 肌肉和骨骼的力学性质粗丝和细丝之间的相对滑行使肌肉发生伸长和收缩。肌原纤维发生伸缩的基本单元是肌节，肌节的长度是变化的，充分缩短时长约1.5m，放松是为2.0-2.5m.第18页/共64页 肌纤维具有主动收缩性，肌纤维及其周围的肌纤维具有主动收缩性，肌纤维及其周围的结缔组织还可被动承载，因此整块肌肉伸缩时总结缔组织还可被动承载，因此整块肌肉伸缩时总张力应为主动张力与被动张力之和张力应为主动张力与被动张力之和. C表示收缩时长度变化与表示收缩时长度变化与主动张力变化的关系主动张力变化的关系;A表示被动承载时的长度

10、变表示被动承载时的长度变化与被动张力变化的关系；化与被动张力变化的关系；曲线曲线B是曲线是曲线C与曲线与曲线A之和，之和，表示总张力表示总张力 第二节 肌肉和骨骼的力学性质第19页/共64页整块肌肉的力学特性比较复杂，为研究方便，可整块肌肉的力学特性比较复杂，为研究方便，可将其表为如图的将其表为如图的三单元模型三单元模型. 1.1.收缩元：代表肌肉有活性的主收缩元：代表肌肉有活性的主动收缩成分。动收缩成分。2.2.串联弹性元：代表收缩元的固串联弹性元：代表收缩元的固有弹性及与之相串联的部分结缔有弹性及与之相串联的部分结缔组织。组织。3.3.并联弹性元：代表肌肉被动状并联弹性元：代表肌肉被动状态

11、下的力学性质。态下的力学性质。第二节 肌肉和骨骼的力学性质并联弹性元并联弹性元第20页/共64页模型的串联构成肌肉的长度，模型的并联构成肌模型的串联构成肌肉的长度，模型的并联构成肌肉的厚度肉的厚度. 多模型串联后，其总长度和各模型的长度的关系怎样？多模型串联后，其总长度和各模型的长度的关系怎样？每个模型受到的外力的关系怎样？每个模型受到的外力的关系怎样？多模型并联后，各模型的作用力与两端的作用力关系怎多模型并联后，各模型的作用力与两端的作用力关系怎样？各模型的形变与收缩速度怎样？样？各模型的形变与收缩速度怎样？第二节 肌肉和骨骼的力学性质7看书回答：看书回答：第21页/共64页练一练当把肌肉看

12、作是由多个单元模型串联时，以下当把肌肉看作是由多个单元模型串联时，以下说法正确的是：说法正确的是：各个收缩元产生的收缩力不相同各个收缩元产生的收缩力不相同每个单元模型所受外力不相等每个单元模型所受外力不相等肌肉的总伸长量等于每个单元模型伸长量之和肌肉的总伸长量等于每个单元模型伸长量之和肌肉长度增加，其收缩力也增加肌肉长度增加，其收缩力也增加答案：肌肉的总伸长量等于每个单元模型伸长量之和答案：肌肉的总伸长量等于每个单元模型伸长量之和第22页/共64页二、骨骼的力学性质二、骨骼的力学性质 骨骼是非线性弹性体，受力形式根据外力的方向，骨骼是非线性弹性体，受力形式根据外力的方向，分为拉伸、压缩、弯曲、

13、切变、扭转等形式。分为拉伸、压缩、弯曲、切变、扭转等形式。 1线变线变 当线应变小于当线应变小于0.5%时，正时，正应力和线应变有直线关系，属于应力和线应变有直线关系，属于弹性体；当线应变大于弹性体；当线应变大于0.5%时直时直线逐渐变成曲线，即增加应力所线逐渐变成曲线，即增加应力所产生的应变比弹性体大得多；当产生的应变比弹性体大得多；当线应变等于线应变等于1.5% 左右时曲线会左右时曲线会突然停止，这相应于骨断裂。突然停止，这相应于骨断裂。 第二节 肌肉和骨骼的力学性质第23页/共64页线变包括拉伸和压缩两部分。线变包括拉伸和压缩两部分。拉伸拉伸是指自骨的表面向外施加的载荷。拉伸是指自骨的表

14、面向外施加的载荷。拉伸的极限应力为的极限应力为134 MNm-2 。压缩压缩是指加于骨表面大小相等、方向相反的是指加于骨表面大小相等、方向相反的载荷。压缩的极限应力约为载荷。压缩的极限应力约为170 MNm-2 。2弯曲：弯曲：指骨骼受到使其轴线发生弯曲的载荷作用。指骨骼受到使其轴线发生弯曲的载荷作用。 3切变切变：指载荷施加方向与骨骼横截面平行。：指载荷施加方向与骨骼横截面平行。 4扭转扭转：指载荷（扭矩作用）加于骨骼并使其沿：指载荷（扭矩作用）加于骨骼并使其沿轴线产生扭曲。轴线产生扭曲。 第二节 肌肉和骨骼的力学性质第24页/共64页练一练骨骼属于：骨骼属于：线性弹性体线性弹性体非线性弹性

15、体非线性弹性体刚体刚体流体流体答案：非线性弹性体答案：非线性弹性体第25页/共64页练一练骨骼断裂时的应力称为：骨骼断裂时的应力称为：负荷应力负荷应力剪切应力剪切应力扭曲应力扭曲应力极限应力极限应力答案：极限应力答案：极限应力第26页/共64页练一练骨骼压缩和拉伸的极限应力关系是：骨骼压缩和拉伸的极限应力关系是：压缩极限应力等于拉伸的极限应力压缩极限应力等于拉伸的极限应力压缩极限应力大于拉伸的极限应力压缩极限应力大于拉伸的极限应力压缩极限应力小于拉伸的极限应力压缩极限应力小于拉伸的极限应力以上都不对以上都不对答案：压缩极限应力大于拉伸的极限应力答案：压缩极限应力大于拉伸的极限应力第27页/共6

16、4页第三节第三节 人体静力学人体静力学第28页/共64页一、物体平衡条件一、物体平衡条件1.合力为零；合力为零；2.合力矩为零合力矩为零刚体平衡的充分必要条件：刚体平衡的充分必要条件： 合力的作用使刚体发生平移合力的作用使刚体发生平移 合力矩的作用使刚体发生转动合力矩的作用使刚体发生转动 第三节 人体静力学第29页/共64页二、杠杆作用二、杠杆作用作用力离支点的距离作用力离支点的距离LF称为力臂称为力臂阻力离支点的距离阻力离支点的距离LR称为阻力臂称为阻力臂 杠杆的平衡条件：杠杆的平衡条件： FLFRLR 第三节 人体静力学第30页/共64页杠杆的分类杠杆的分类： 1.支点位于作用支点位于作用

17、力与阻力之间。力与阻力之间。 2.阻力位于作用阻力位于作用力和支点之间，且作力和支点之间，且作用力点的移动方向与用力点的移动方向与阻力点的移动方向相阻力点的移动方向相同。同。 3.作用力位于阻作用力位于阻力与支点之间。力与支点之间。第三节 人体静力学第31页/共64页头、足、臂部的杠杆作用头、足、臂部的杠杆作用 第三节 人体静力学第32页/共64页练一练物体处于静力平衡的充分必要条件是：物体处于静力平衡的充分必要条件是：所有外力的矢量和为零所有外力的矢量和为零所有外力矩的代数和为零所有外力矩的代数和为零所有外力的矢量和为零，所有外力矩的代数和为零所有外力的矢量和为零，所有外力矩的代数和为零所有

18、外力代数和为零，所有外力矩的代数和为零所有外力代数和为零，所有外力矩的代数和为零答案：所有外力的矢量和为零，所有外力答案：所有外力的矢量和为零，所有外力矩的代数和为零矩的代数和为零第33页/共64页三、作用在髋关节和脊柱上的力三、作用在髋关节和脊柱上的力当人体单足站立时当人体单足站立时，在髋关节处维持平衡的，在髋关节处维持平衡的力主要来自髋外展肌力主要来自髋外展肌 。单足站立时，股骨头所承单足站立时，股骨头所承受的力约为体重的受的力约为体重的2.5倍倍 。作用在髋关节上的力作用在髋关节上的力 第三节 人体静力学第34页/共64页作用在脊柱上的力作用在脊柱上的力 第三节 人体静力学第35页/共6

19、4页四、临床力学器械四、临床力学器械临床上常用的牵引手段可分为皮肤牵引和骨牵引，临床上常用的牵引手段可分为皮肤牵引和骨牵引， 第三节 人体静力学第36页/共64页第四节第四节 人体动力学人体动力学第37页/共64页一、人体的动力学特征一、人体的动力学特征惯性特征惯性特征 :一切物体都保持自己原来的静止状态一切物体都保持自己原来的静止状态或匀速直线运动状态，直到外力的作用改变这种状态或匀速直线运动状态，直到外力的作用改变这种状态为止。为止。 第四节 人体动力学牛顿第一定律牛顿第一定律(惯性定律惯性定律)任何物体，在不受力作任何物体，在不受力作用时，都保持静止或匀用时，都保持静止或匀速直线运动状态

20、。速直线运动状态。第38页/共64页力的特征力的特征: 第四节 人体动力学 力的概念力的概念 影响力的作用效果的三个要素：大小、方向和作用点。力影响力的作用效果的三个要素：大小、方向和作用点。力的矢量性。的矢量性。 人体运动的内力和外力人体运动的内力和外力 外力与内力的相对性：如果把人体看成一个力学系统，外力与内力的相对性：如果把人体看成一个力学系统，那么来自于人体外界的力称为外力。例如重力、支持力、摩那么来自于人体外界的力称为外力。例如重力、支持力、摩擦力等。只有外力才能引起人体的整体运动。擦力等。只有外力才能引起人体的整体运动。 第39页/共64页第四节 人体动力学 人体运动中所受到的外力

21、人体运动中所受到的外力 a. 重力重力 大小与方向：大小与方向： ，方向：指向地球心。，方向：指向地球心。 g=9.8m/s2 重力与重量的关系；重量与质量和区别。重力与重量的关系；重量与质量和区别。mgG b. 摩擦力摩擦力概念，和特性。概念，和特性。静摩擦力和最大静摩擦力静摩擦力和最大静摩擦力滑动摩擦力滑动摩擦力Nfc. 弹性力弹性力概念：由物体发生形变产生的力。概念：由物体发生形变产生的力。弹性力的胡克定律：弹性力的胡克定律：第40页/共64页牛顿第二定律牛顿第二定律第四节 人体动力学要使物体运动状态发生变化，就必须对物体施加力要使物体运动状态发生变化，就必须对物体施加力。当物体受到的合

22、外力不为零时，物体运动的加速度与。当物体受到的合外力不为零时，物体运动的加速度与合外力成正比，与其质量成反比，加速度的方向与合外合外力成正比，与其质量成反比，加速度的方向与合外力的方向一致，用公式可表示为：力的方向一致，用公式可表示为： Fma 第41页/共64页第四节 人体动力学例 一个人以1m/s的速度步行时，头碰到一根很低的横梁上，碰撞的持续时间为5ms，如果头的质量为4kg，求碰撞时头部所受的力。NtmvF800005. 04)(tmvmaF)(smkgsmsmkgmv/4)/0/1 (4)(第42页/共64页第四节 人体动力学 （讨论）（讨论） 如果横梁上有如果横梁上有2cm厚的垫料

23、，使碰厚的垫料，使碰撞时间增加到撞时间增加到0.04s，问此时头部所受的力是多，问此时头部所受的力是多少？少？NtmvF10004. 04)(NtmvF800005. 04)(第43页/共64页第四节 人体动力学 如果一个人从如果一个人从1m高处跳下且着地时腿是伸直的，高处跳下且着地时腿是伸直的，他将受到很大的冲击。他将受到很大的冲击。在人着地的瞬间，其速度是在人着地的瞬间，其速度是4.5m/s，设地面在，设地面在5ms内内使人体停止，此时所受的力约是其体重的使人体停止，此时所受的力约是其体重的100倍。倍。如果人落在体操垫上，则其减速时间会长一些，如果人落在体操垫上，则其减速时间会长一些，另

24、外，如果他按照人体的正常反应，先将脚尖着地然另外，如果他按照人体的正常反应，先将脚尖着地然后曲膝，使减速的时间更长，则可减少着地力。后曲膝，使减速的时间更长，则可减少着地力。第44页/共64页第四节 人体动力学牛顿第三定律牛顿第三定律:作用力和反作用力作用力和反作用力 若物体A对物体B作用一力FAB，则物体B同时以力FBA反作用物体A，两力的大小相等，方向相反，并在同一直线上。即： FAB= -FBA 第45页/共64页第四节 人体动力学正确理解和应用牛顿第三定律应注意的几点：正确理解和应用牛顿第三定律应注意的几点：(1) 作用力和反作用力分别作用在不同的物体上，分别产生各自的作用力和反作用力

25、分别作用在不同的物体上，分别产生各自的效应。效应。它们不同于一对平衡力。它们不同于一对平衡力。如踢足球，脚对球的作用力为如踢足球，脚对球的作用力为F，作用在球上，使球产生加速度和形变。而球对脚的作用力作用在球上，使球产生加速度和形变。而球对脚的作用力F，同时，同时作用在脚上，使脚产生向后的加速度和受到压迫。虽然二力大小相作用在脚上，使脚产生向后的加速度和受到压迫。虽然二力大小相等，但作用在不同的物体上，产生不同的效果。等，但作用在不同的物体上，产生不同的效果。(2) (2) 作用力和反作用力互为存在条件。它们总是同时产生、同时存作用力和反作用力互为存在条件。它们总是同时产生、同时存在，同时消失

26、。在，同时消失。(3) (3) 作用力和反作用力必是同种性质的力。如果作用力是摩擦力，作用力和反作用力必是同种性质的力。如果作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力；如果作用力是弹性力，反作用力一定也是弹反作用力也是摩擦力；如果作用力是弹性力，反作用力一定也是弹性力。性力。(4) (4) 作用力与反作用力等值反向，沿同一直线这一规律，不受相互作用力与反作用力等值反向，沿同一直线这一规律，不受相互作用的两物体的运动状态的影响。不管它们处于静止状态还是运动作用的两物体的运动状态的影响。不管它们处于静止状态还是运动状态，相互作用力的上述规律仍然成立。状态，相互作用力的上述规律仍然成立。第46页/共64页3

27、能量特征能量特征 功表征了系统能量变化的过程，能量则表征功表征了系统能量变化的过程，能量则表征系统由于做功而改变了的状态。系统由于做功而改变了的状态。在人体的运动中，由一种运动状态转变为另在人体的运动中，由一种运动状态转变为另一种运动状态时，能量也要发生相应形式的转化一种运动状态时，能量也要发生相应形式的转化。 第四节 人体动力学第47页/共64页二、人体的运动二、人体的运动第四节 人体动力学 人体在走步、跑步、跳跃、转动等运动中都涉及一些力学问题，而这些问题基本上都和我们前面所讲述的人体动力学特征密切相关。1、走步、走步 走步是人体连续失去平衡和恢复平衡的过程，走步近似匀速运动，它具有人体动

28、力学的惯性特征。2、跑步、跑步 跑步可分为腾空阶段和支承阶段。跑的速度取决于步长和步频，而速度的变化又取决于对这两个因素的控制情况。第48页/共64页第四节 人体动力学起跑过程中的外力作用起跑过程中的外力作用第49页/共64页第四节 人体动力学第三节第三节 人体动人体动力学力学跑的人体受力分析跑的人体受力分析第50页/共64页第四节 人体动力学 计算运动员速度达到10m/s需要跑多少步。假设步长为2.3m，步频为每秒4.30步。若运动员腿所做的功全部转化为动能，用来增加速度；腿所发出的最大力F等于体重的1.5倍，；一个步长内运动员身体重心前移的距离为s= m，那么该运动员在起跑后需要跑多远的距

29、离可达到10m/s的速度呢？根据功能原理可得221mvFns （n为步长个数）)(10318 . 95 . 1210222步FsmvnL=2.3n=2.3010=23(m)可知，达到10m/s的速度只需跑10步，即23m的距离。31第51页/共64页第四节 人体动力学3、跳跃跳跃 跳跃是以腾空方式克服距离的。有的要求达到最大跳程，有的要求达到最大高度。人体质心在腾空中的轨迹为gvs2sin2gvh2sin22第52页/共64页第四节 人体动力学第53页/共64页第四节 人体动力学4、转动、转动 刚体是指在外力作用下，它的大小和形状都不发生变化的物体。其绕定轴的转动惯量转动惯量由下式决定niiirmJ12上式说明，刚体相对于某轴的转动惯量是组成刚体各质元的质量与它们各自到该轴距离平方的乘积之和。第54页/共64页第四节 人体动力学刚体对转轴的角动量角动量L等于其转动惯量J和角速度的乘积，其大小可表