运动中的生物力学问题

关于运动中的生物力学问题内容提要第一节运动中的生物力学问题一、作用于人体的力二、骨组织的生物力学三、关节软骨的生物力学四、胶原组织的生物力学五、关节的生物力学六、肌肉的生物力学七、人体运动的杠杆原理第2页,共61页，2024年2月25日，星期天第一节运动中的生物力学问题力（force）是一种作用，它能改变受力物体的静止或运动状态。对力进行广泛综合研究的学科称为力学（Mechanics）。当力作用于人体和其他生物体上并加以研究的学科，则称之为生物力学（Biomechanics）。在康复治疗中常以运动治疗作为主要方法。第3页,共61页，2024年2月25日，星期天运动生物力学学科演变123萌芽时期形成时期发展时期第4页,共61页，2024年2月25日，星期天研究人体结构与运动功能的关系研究人体运动技术的规律研究人体运动技术的最佳化设计与改进运动器械研究运动损伤的力学原因.运动生物力学学科任务第5页,共61页，2024年2月25日，星期天第6页,共61页，2024年2月25日，星期天运动员膝关节屈伸肌力量比例:田径(35)、举重(21)、赛艇(15)项目运动员共71名第7页,共61页，2024年2月25日，星期天KineticanalysisForceplatformPressureplatformPressureinsole第8页,共61页，2024年2月25日，星期天运动损伤第9页,共61页，2024年2月25日，星期天第10页,共61页，2024年2月25日，星期天

疲劳骨折-治疗原则

停止致伤动作

调整训练量

手法按摩治疗

局部物理治疗

小腿气垫夹板第11页,共61页，2024年2月25日，星期天作用于人体的力重力支撑反作用力摩擦力流体作用力器械的其他阻力外力第12页,共61页，2024年2月25日，星期天如果没有重力第13页,共61页，2024年2月25日，星期天一、作用于人体的力第14页,共61页，2024年2月25日，星期天一、作用于人体的力第15页,共61页，2024年2月25日，星期天作用于人体的力肌肉收缩时产生的力各组织器官间的被动阻力各内脏器官的摩擦力内脏器官和固定装置间的阻力血液淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力内力第16页,共61页，2024年2月25日，星期天二、骨组织的生物力学人体共有206块骨,其功能是对人体起支持、运动和保护的作用.骨按形状可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨等.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.第17页,共61页，2024年2月25日，星期天二、骨组织的生物力学从力学观点来看,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.第18页,共61页，2024年2月25日，星期天

人体骨骼颅骨躯干骨上肢骨下肢骨第19页,共61页，2024年2月25日，星期天骨的图片第20页,共61页，2024年2月25日，星期天二、骨组织的生物力学

1、骨的力学性能强度和刚度是骨的重要力学性能。加载荷后的变形曲线可以给出决定结构强度的三个参数：①结构断裂前所能承受的载荷；②断裂前所能承受的变形；③断裂前所储存的能量。在曲线上，由载荷和变形显示的强度，用极限断裂点表示；由能量储存显示的强度，用整个曲线下面积大小来表示；结构的刚度用弹性区的曲线斜率来表示。第21页,共61页，2024年2月25日，星期天二、骨组织的生物力学应力是结构内某一平面上响应外部施加的载荷而产生的单位面积的负荷，以单位面积所受的力来表示。应变是结构在载荷下某一点上发生的变形。应变有两种类型：线应变，它是长度的改变，是与以结构原长相除后的变形量（伸长或缩短），以百分比表示，如cm/cm。剪应变是某一结构在承受载荷下所发生的角改变，以弧度(rad)表示（1弧度约等于57.3°）。第22页,共61页，2024年2月25日，星期天2、骨组织结构骨骼是由皮质骨和松质骨组成。皮质骨和松质骨均呈各向异性(anisotropy)。各向异性是指在不同方向受载显示不同的力学性能。由于骨的结构在横向和纵向各不相同，因而骨的强度也随所加载荷的不同方向而异。第23页,共61页，2024年2月25日，星期天由骨内部解剖结构易见骨是一种复合材料结构.复合材料结构的特点就是各向异性,即其力学性能具有较强的对成分和结构的依赖性.复合材料的力学特性,包括扬氏模量、剪切模量、粘弹性、极限盈利应变等,不仅与其物质成分有关,而且与其结构有关.这个结构关系包括各成分的几何形状,纤维与基质之间的结合,纤维接触点的结合等.人们很早就发现,人密质骨的横向（径向或切向）试件的压缩模量约为纵向试件的56%.应该注意的是,同一块骨的不同部分的力学性能是有差别的.第24页,共61页，2024年2月25日，星期天由图可见,股骨最强之处在上三分之一处的外侧.同时,即使是骨的某一点上,各个方向的力学性能也不相同.即具有明显的各向异性.

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骨具有明显的各向异性.例如长骨主要承受的是轴向的压力,因此沿轴向具有较高的强度和弹性模量.第26页,共61页，2024年2月25日，星期天

骨结构在横向与纵向上是不同的,故骨胳强度随载荷的方向而异.在最常见的载荷方向,骨胳的强度和刚度最大.第27页,共61页，2024年2月25日，星期天3、不同加载形式下骨的性能

以不同方向的力或力矩施加在结构上可以产生拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和联合载荷第28页,共61页，2024年2月25日，星期天压缩载荷拉伸载荷扭转载荷弯曲载荷剪切载荷第29页,共61页，2024年2月25日，星期天

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.第30页,共61页，2024年2月25日，星期天4、肌肉活动对骨应力分布的影响骨在体内受载时，止于骨上的肌肉收缩可以改变骨的应力分布。这种肌肉收缩时所产生的压应力，可减少或消除骨上的拉应力，使拉应力全部或部分抵消。第31页,共61页，2024年2月25日，星期天三、关节软骨的生物力学关节是骨骼系统中相邻骨间的功能性联接。主要功能是：①把施加于关节上的载荷扩散到较大的区域，以减少接触应力；②使对应的关节面以最小的摩擦和磨损进行相对运动。第32页,共61页，2024年2月25日，星期天1、软骨的成分关节软骨的固体基质大约占组织湿重的20％~40%，是由胶原纤维（60%）、与水亲和力很强的原纤维间糖蛋白凝胶（40%）以及软骨细胞（少于2%）所组成。剩下的重量为水分，占60%~80%，大部分水分在承载时可被挤出。第33页,共61页，2024年2月25日，星期天第34页,共61页，2024年2月25日，星期天（1）胶原：胶原是体内最丰富的蛋白。具有高级的结构组织，可形成最佳的力学性能。胶原的基本生物单位是一种多肽链的三键螺旋,称为原胶原。（2）糖蛋白凝胶：软骨的另一主要结构成分是高含水量凝胶，此种凝胶由分布不均匀的糖蛋白大分子及其聚合物组成。（3）软骨各成分间结构上的相互作用：糖蛋白有很强的亲水性，在水中的溶解度很高。第35页,共61页，2024年2月25日，星期天3.软骨变性的生物力学关节软骨破坏的进程与下述各点有关：①承受的应力值；②承受应力峰值的总数；③胶原-糖蛋白基质的分子和显微结构。第36页,共61页，2024年2月25日，星期天关节软骨的生物学性质1渗透性：渗透性越低，承载时液体流动阻力越大2关节软骨的蠕变(creep)反应3润滑：两种基本的润滑类型：界面润滑和液膜润滑。第37页,共61页，2024年2月25日，星期天四、胶原组织的生物力学胶原组织主要由三种类型的纤维组成：胶原纤维、弹性纤维和网状纤维。胶原纤维主要为组织提供强度和刚度，弹性纤维在组织受载时提供延展性，而网状纤维提供容积。1.胶原组织的力学特性在载荷下，胶原组织的特性受三种主要因素影响：①纤维的结构；②胶原纤维和弹性纤维的特性；③胶原纤维和弹性纤维之间的比例。第38页,共61页，2024年2月25日，星期天（1）纤维的结构：肌腱、韧带、皮肤中三种胶原的结构不同，并与每种结构的功能相适应。肌腱纤维几乎完全平行排列，使肌腱更适应于承受高拉伸载荷。韧带纤维，包括关节囊，较少恒定的结构，在不同的韧带中，结构随韧带的功能而异。皮肤纤维呈网状，这种结构使皮肤在各个方向上具有延展性。第39页,共61页，2024年2月25日，星期天（2）胶原纤维和弹性纤维的特性：胶原组织的主要成分是胶原纤维和弹性纤维，二者一起构成该组织的90%左右。由于胶原纤维为类塑性材料，而弹性纤维为类脆性材料，故受载时这两类纤维的表现完全不同。第40页,共61页，2024年2月25日，星期天（3）胶原纤维和弹性纤维的比例：胶原组织中弹性纤维和胶原纤维之间的比例随该组织功能的不同而不同，并影响组织的力学性能。第41页,共61页，2024年2月25日，星期天2.骨-韧带-骨复合体前面提到的是离体韧带的力学性能，但是必须把韧带的结构考虑为骨-韧带-骨复合体的一个环节。第42页,共61页，2024年2月25日，星期天3.各种载荷条件下骨-韧带-骨复合体的性能

载荷的速度和持续时间对骨-韧带-骨复合体的影响，在估计关节损伤和治疗各种关节疾病方面具有很高的临床价值。（1)恒定载荷效应关节在长时间内承受恒定的低载荷时，软组织发生缓慢变形即蠕变。（2)加载荷速度的影响在慢速和快速下做拉伸破坏试验，韧带的骨性止点是最弱的部分。第43页,共61页，2024年2月25日，星期天4、肌腱肌腱装置有两种类型：有鞘肌腱和无鞘肌腱。第44页,共61页，2024年2月25日，星期天（1）肌肉-肌腱-骨复合体：有两个因素决定肌腱的强度：肌腱的粗细形状以及加载荷速度。活动时，有两个主要因素影响肌腱承受的应力值：①与肌腱连结的肌肉收缩量；②肌腱的直径与肌肉直径的比值。（2）手术修复后屈肌腱的愈合：手术修复的主要目的是恢复肌腱断端的连结和肌腱的正常滑动功能。人手术后必须制动3周左右，以防止修复的肌腱再断裂。但制动3周以上，常引起肌腱、腱鞘和周围软组织的粘连。第45页,共61页，2024年2月25日，星期天

五、关节的生物力学关节的结构关节面及关节软骨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第46页,共61页，2024年2月25日，星期天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.第47页,共61页，2024年2月25日，星期天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第48页,共61页，2024年2月25日，星期天2.关节的活动度和稳定性（1）关节的功能取决于其活动度（rangeofmotion,ROM或柔韧性flexibility）和稳定性（stability）（2）影响关节活动度和稳定性的因素有：构成关节两个关节面的弧度之差。关节囊的厚薄与松紧度。关节韧带的强弱与多少。关节周围肌群的强弱与伸展性。第49页,共61页，2024年2月25日，星期天3.开链和闭链人们通常将一侧上下肢视为一条长链，每个关节均为链扣。第50页,共61页，2024年2月25日，星期天六、肌肉的生物力学

肌肉力学是生物力学里最吸引人的一个领域.这是因为肌肉（骨骼肌）是人体运动系统的动力器官.肌肉不但可以被动地承受载荷,而且具有自主收缩的能力,可以能动地将化学能转化为机械能而作功.20世纪50年代Huxley提出了关于肌肉收缩机制的肌丝滑移学说,从肌细胞的微细结构出发,开辟了一条新的道路.

目前,肌肉生物力学面对的要求是,不仅要适应所有应用力学先进的理论和技术,还要不断丰富和挑战力学已存在的分支和新领域.第51页,共61页，2024年2月25日，星期天骨骼肌的结构模型

肌动蛋白（细）

收缩成分

肌球蛋白（粗）骨骼肌的结构模型

并联弹性成分

弹性成分

串联弹性成分第52页,共61页，2024年2月25日，星期天骨骼肌的解剖结构肌原纤维肌纤维小肌束大肌束肌肉肌群第53页,共61页，2024年2月25日，星期天1.影响肌力的4个因素肌肉的横断面。肌肉的初长度即肌肉收缩前的长度。肌肉的募集。肌纤维走向与肌腱长轴的关系。第54页,共61页，2024年2月25日，星期天２.肌肉的收缩形式等张收缩(isotoniccontraction)：是肌力大于阻力时产生的加速度运动和小于阻力时产生的减速度运动。向心收缩(concentriccontraction)肌肉收缩时，当肌肉的支点和起