运动学总结资料

第二讲

人体运动的基本知识

第一节人体运动中的参数

*标量

只有大小没有方向的物理量叫标量。

如：温度、时间

*矢量

既有大小又有方向的物理量叫矢量。力、位移、速度等力学中的大多数物理量都是矢量。

矢量的合成遵循平行四边形法则.

第一节人体运动中的参数

*运动学参数

时间参数

空间参数

时空参数

1.时间参数

(1)时刻

是人体位置的时间量度，是时间上的一个点。

(2)时间

是运动结束时刻与运动开始时刻之差值，过程量。

第一节人体运动中的参数

(3)频率

是动作重复性的度量。

频率就是单位时间内重复进行的动作次数。

第一节人体运动中的参数

2.空间参数

(1)路程

指人体从一个位置移到另一个位置时，人体

运动的实际路线的长度。标量

(2)位移

表示人体在整个运动过程中位置总的变化，

是矢量，是对运动的直线量度。

举例：100m、400m.

第一节人体运动中的参数

(3)角位移(转动角)0>

定义：描述人体转动的空间物理量，人体整体或关节绕某轴转动时转过的角度。

方向：逆时针转动的为正，顺时针转动为负

单位：弧度(red)、角度、周。

第一节人体运动中的参数

第一节人体运动中的参数

3.时空参数

(1)速度(V)

速度=位移/时间，

是描述人体运动快慢和方向的物理量，矢量

(2)速率

速率=路程/时间之比，

是描述人体运动快慢程度的物理量，标量

第一节人体运动中的参数

飞行速度最快的球一一羽毛球

第一节人体运动中的参数

(3)角速度((9)

指人体在单位时间内转过的角度.矢量

角速度3=角位移①/时间t

表示物体转动的快慢与转动方向。

单位red/So

第一节人体运动中的参数

(4)加速度

指单位时间内人体速度的变化量，是描述人体运动速度变化快慢的物理量，用a表示。

①直线运动中，速度方向在同一条直线上；

②曲线运动中，由于速度大小和方向均会发生改变，将a分解为两个分量，一个沿法线方向称

法向加速度(an),一个沿切线方向称切向加速度(at)。

第一节人体运动中的参数

第一节人体运动中的参数

(5)角力口速度

表示人体转动时角速度变化的快慢，用D表示。指转动中角速度的时间变化率。

人体所有环节的运动均是绕关节轴的转动，因此我们常用角加速度来表征环节运动状态的

变化情况。

*人体运动中的量的特征：

瞬时性

矢量性

相对性

独立性

第一节人体运动中的参数

*描述人体运动参数注意问题

1.质点是指具有质量、但可以忽略其大小、形状和内部结构而视为几何点的物体，是由实际

物体抽象出来的力学简化模型。

第一节人体运动中的参数

1.质点的运动包括直线运动和曲线运动。

2.直线运动又分为匀速直线运动和变速直线运动，后者在运动中比较多见。

3.曲线的运动方向始终在变化，具有矢量性。曲线运动又常分为圆周运动和斜抛物体运动。

4.斜抛物体作为质点，在运动中形成的轨迹是一条抛物线。

第一节人体运动中的参数

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。

第一节人体运动中的参数

*人体的运动形式

（1）平动：指运动过程中，身体上的任意两点的连线始终保持等长和平行。

其运动轨迹是直线或曲线，人体平动时，身体上各点的位移、速度和加速度都一致，可简化成质

点处理。

彘一节人体运动中的参数

第一节人体运动中的参数

*（2）转动：指运动过程中，身体上的各点都围绕同一直线（即轴）作圆周运动，称转动。

转动时人体各点距离轴的距离不同，所以其线速度也不同，只能简化成刚体来处理。

第一节人体运动中的参数

第一节人体运动中的参数

（3）复合运动：人体的绝大部分运动包括平动和转动，两者结合的运动称为复合运动。

如骑自行车时，躯干可近似地看作平动，下肢各关节围绕关节轴进行多级转动。

研究中通常把复合运动分解为平动和转动，使问题大大简化。

人体的机械运动都是在一定的空间和时间中进行的。

第一节人体运动中的参数

*人体的运动有三个面：

水平面：与地面平行的面，把人体分为上下两部分；

额状面：与身体前或后面平行的面，把人体分成前后两部分；

矢状面：与身体侧面平行的面，把人体分为左右两部分。

第一节人体运动中的参数

*人体的运动有三个轴：

横轴（与地面平行且与额状面平行的轴）

纵轴（额状面与矢状面相交叉形成的、上下贯穿人体正中的轴）

矢状轴（与地平面平行且又与矢状面平行的轴，在水平方向上前后贯穿人体）

第一节人体运动中的参数

*人体运动的始发姿势

在康复医学中，为人体运动的始发姿势，即：身体直立，面向前，双目平视，双足并立，足尖向

前，双上肢下垂于体侧，掌心贴于体侧。其中手的姿势（又名中立位）是手的掌心贴于躯干两侧，

是唯一有别于解剖学中的人体基本姿势的，应提起注意。

第一节人体运动中的参数

*自由度

关节面的形态及结构决定了关节可能活动的轴，自由度与关节活动轴有关，关节轴有几个活动

方向，就有几个自由度。

例如，靛关节可作屈伸、内收外展、内旋外旋三个轴的运动，有三个自由度。

凡具备两个以上自由度的关节均可产生环绕动作。

肢体一般环绕关节轴来进行旋转活动。

关节轴（即活动轴）可反映肢体活动范围和运动方式。

第三讲

人体运动的基本知识

在运动技术研究中，不仅需要掌握各种动作在时间、空间上所表现出来的差异特征，而且更需

要了解产生这些差异的内在原因。

第二节人体运动中的动力学

*学习目标：

1.掌握动力学基本概念，如力、应力和应变、强度和刚度、弹性和塑性、蠕变、应力松弛等。掌

握梅脱、心脏的功能能力、运动能力和靶心率的概念。

2.熟悉牛顿的二个运动定律；熟悉人体的功能关系在制定运动处方中的重要作用。

3.了解人体简化后的主要运动形式，以及动量定理和动量守恒定律。

第二节人体运动中的动力学

•慨电

第二节人体运动中的动力学

2.力（force）是物体间的相互作用。

力三要素:力的大小、力的方向、力的作用点。

第二节人体运动中的动力学

二.人体内力

内力：若将人体看作一个力学系统,则人体内部各部分相互作用的力称为人体内力。

如：肌肉张力、韧带张力、组织粘滞力、关节约束力、各内脏器官的摩擦力、血液淋巴液的

流体阻力等等。

第二节人体运动中的动力学

*内力虽然可引起人体力学系统各部分之间的相互作用，但不能引起人体整体运动状态的改变。

第二节人体运动中的动力学

*三.人体外力

若将人体确定为研究对象，即人体力学系统，那么外界对人体作用的力称人体外力。

它可以引起人体由静止状态改变为运动状态。

第二节人体运动中的动力学

*四.人体内力与外力的关系

1.内力与外力的区别

内力和外力的区分是相对的。如何确定某个力是内力或是外力，取决于研究对象。由于研究对象

的不同，同一个力既可看作内力又可看作外力。

2.内力与外力的相互关系

人体内力不能直接引起人体整体的运动，但可以通过人体与外界环境的相互作用，这时人体内力

的合效应可以引起人体特定外力，从而使人体发生整体运动。

第二节人体运动中的动力学

*举例：跳远的起跳蹬地动作，这时人体依靠下肢肌肉收缩力（人体内力）使下肢诸关节

伸，在此过程中人体给地面以作用力，同时地面以支撑反作用力（人体外力）作用于人体，从而改

变人体的运动状态。

第二节人体运动中的动力学

*五.人体运动中常见的力

（一）重力

人体重力即地球对人体的引力，是人体各部分受地球引力的矢量合成。

乘座电梯时，在向上升的时候，是一种超重现象；

在向下降的时候，是一种失重现象。

公式：W=mgo

第二节人体运动中的动力学

（二）弹力

弹力产生在直接接触的物体之间，以物体间的相互接触使物体发生形变的先决条件，以形变恢

复作用于它物体的力。

第二节人体运动中的动力学

举例：我们在扣打排球时，给排球一个力，排球发生形变，当力去除后，排球恢复其原来的样子。

篮球，它的硬度比排球硬，也就是说不同物体有一定的弹性限度。

第二节人体运动中的动力学

*弹力的方向

一般情况下，凡是支持物对物体的支持力，都是支持物因发生形变而对物体产生弹力。

所以，支持力的方向总是垂直于支持面而指向被支持的物体。

第二节人体运动中的动力学

（二）弹力

（三）摩擦力

摩擦力是两相互接触的物体作相对运动或相对运动趋势时发生的力。

1.静摩擦力

2.滑动摩擦力

3.滚动摩擦力

第二节人体运动中的动力学

1.静摩擦力

*相互接触的两物体有相对滑动趋势，在尚未产生相对滑动时，在接触面上产生阻止其出现

相对滑动的力称静摩擦力。

*两物体即将滑动时的静摩擦力称为最大静摩擦力。

*2.滑动摩擦力当物体沿接触面滑动时，所产生的阻碍滑动的力称作滑动摩擦力。

*3.滚动摩擦力

当物体沿接触面滚动时，所产生的阻碍滚动的力称为滚动摩擦力.

产生滚动摩擦力的原因是滚动的物体在和接触面相互作用时总有一些形变。

公式：F=W.K/R

（k是摩擦系数，R是圆柱体的半径，W是圆柱体的重量。）

*（四）支撑反作用力

人体处于支撑状态时，力作用于支点（支撑面）上，支点又反作用于人体,这种反作用力称支

撑反作用力。

第二节人体运动中的动力学

*1.静力性支撑反作用力

由于受到重力对支点产生的压力，支点则对人体产生一个反作用力，它是一种约束反力，称静力

性支撑反作用力。

*2.动力性支撑反作用力

人体处于支撑状态，而人体局部环节作加速运动,其结果是给支点以作用力，支点则给人体一个

反作用力，称动力性支撑反作用力。其中局部环节加速度有三种情况。

第二节人体运动中的动力学

*（1）加速垂直离开支点。

例如，我们站在磅秤上竖直上跳，此时加速度向上，即N-mg=maN>mg.经常出现在人体垂

直向上摆臂、蹬离地面时，如跳高时两臂的向上摆动。

（2）加速垂直朝向支点

站在磅秤上竖直下蹲，此时加速度向下mg-N=ma

N=mg-ma也就是N<mg,在人体各种等动作中较常见。

（3）加速斜向离开支点

加速斜向离开支点，支撑反作用力也会增大，并与水平面成一定角度。例如短跑的后蹬阶段，就

是这种情况。

（五）流体作用力

人体或器械在流体介质内进行运动，必然要与流体发生接触，并相互作用，这种作用的力称为流

体作用力。

分阻力与动力。力的大小与速度、流体密度成正比。

举例：在进行田径赛时要测风速，一般规定风速不超过2m/s,可看出空气动力作用在比赛中的影

响是很大。

空气阻力的公式：F=1/2PCSV2

（S为横截面积，V为流体与人体的相对速度，C为人在水中或物体在水中

的流线型有关）。

第二节人体运动中的动力学

举例：在游泳项目，当运动员向前游时受到的阻力很大，其中包括粘滞阻力、截面阻力等等。故

此，游泳项目要求S型滑水，这样可增加滑水时间，增加滑静水的时间，也就是有效滑程长。从而

有利于提高运动员的运动成绩。

（六）向心力和离心力

物体在作圆周运动时，必须有一个跟速度方向垂直，并且指向圆心的力作用于进行圆周运动的物

体

上，这个力叫做向心力。

公式：F=ma=mV2R

（其中V为运动物体的线速度）。

V=（oR,F=mco2R»

第二节人体运动中的动力学

*离心力与向心力是一对相反力，

2

Fisj=F«=-mwRo

向心力与离心力之间的关系为：

①它们具有瞬时关系，等大反向。

②作用点，向心力作用在物体上，离心力作用在人体上。

③运动方向，向心力和离心力方向相反。

举例：弯道跑时，身体内倾，单杠时滑脱……

第三节

牛顿运动定律及其应用

第三节牛顿运动定律及其应用

*（-）牛顿第一运动定律及其应用

*（二）牛顿第二运动定律及其应用

*（三）牛顿第三运动定律及其应用

（-）牛顿第一运动定律及其应用

任何物体，在不受力作用时，都保持静止状态或匀速直线运动状态。

保持一定的速度比改变速度要容易、省力的多。

特别注意动作的连贯性，尽可能避免平凡地改变运动速度，以减少不必要的负荷。

（-）牛顿第一运动定律及其应用

举例：举重，动作中途停顿，则会加大动作的难度，甚至会导致动作的失败。

（-）牛顿第二运动定律及其应用

*当一个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

速度的方向与合外力的方向一致。

*注意：对质点，方向性，

（三）牛顿第三运动定律及其应用

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

(三)牛顿第三运动定律及其应用

正确理解和应用牛顿第三定律应注意的儿点：

(=)牛顿第三运动定律及其应用

*第三运动定律在康复运动中的应用

最重要的是提高肌肉收缩速度和力量，以加大蹬地力从而得到一个大的反作用力，使人体运动状

态发生变化。

创造良好的作用条件：鞋钉、助跑器

第四讲

人体运动的基本知识

内容提要：

本章从人体运动的基本动

作形式出发，把复杂的人体

运动分解为摆动动作、鞭打

动作、相向动作、冲击动

作、缓冲动作、蹬伸动作六

种基本动作。分别阐述各种

基本动作的运动形式、运动

生物力学原理和动作特征。

第四节人体运动的形式和原理

*学习目标

1.掌握关节运动的形式和各个关节的主要运动方向；掌杠杆原理和关节活动顺序性原理，熟

悉相关概念。

2.熟悉人体运动的基本形式，推、拉、鞭打、蹬伸、缓冲的定义，掌握摆动、躯干扭转和相向

运动的概念(能够举例说明)。

3.了解人体简化后的主要运动形式(前面已介绍)。

第四节人体运动的形式和原理

(-)人体简化以后的运动形式

人体运动的形式多种多样。

*如上所述，把人体简化成质点，按照质点的运动轨迹可分为直线运动和曲线运动。

*把人体简化成刚体，运动形式包括(平动)、转动和复合运动。

第四节人体运动的形式和原理

*(二)人体关节的运动形式

1.屈曲(flexion)/伸展(extension):主要是以横轴为中心，在矢状面上的运动。

2.内收(adduction)/外展(abduction):主要是以矢状轴为中心,在前额面上的运动。

3.内旋(internalrotation)/外旋(externalrotation):主要是以纵轴为中心,在水平面上的运动。

4.前臂和小腿有旋刖/旋后运动。

5.足踝部还有内翻(inversion)/外翻(eversion)运动。

第四节人体运动的形式和原理

推

上肢拉

鞭

打

缓

冲

蹬

伸

人体运动下肢

鞭

打

摆

动

躯

干

转

扭

全身相

向

运动

第四节人体运动的形式和原理

*(三)人体的基本运动形式

1.上肢的基本运动形式由上肢各关节共同完成。

(1)推：在克服阻力时，上肢由屈曲态变为伸展态的动作过程。如胸前传球。

(2)拉：在克服阻力时，上肢由伸展态变为屈曲态的动作过程。如游泳。

在运动中，上肢往往是推、拉动作相结合的运动形式，如划船:有时在伸直时做推拉。

(3)鞭打：在克服阻力或自体位移时，上肢各环节依次加速、制动，使末端环节产生极大速度的动

作形式，叫鞭打动作。如投掷。

第四节人体运动的形式和原理

*2.下肢的基本运动形式

(1)缓冲：在克服阻力时，下肢由伸展态转为较为屈曲态的动作过程。如跳远前起跳时摆动

腿的动作。

(2)蹬伸：在克服阻力时，下肢由屈曲态主动转为伸展态的动作过程。如跳远前起跳时起跳腿

的动作。

(3)鞭打：在完成自由泳的两腿打水动作时，下肢各环节有类似上肢的鞭打动作。

第四节人体运动的形式和原理

*3.全身基本运动形式

(1)摆动：摆动动作是指人体肢体为增加全身活动的协调性及增加动作效果而绕某一轴进行的一定

幅度的转动。

第四节人体运动的形式和原理

*3.全身基本运动形式

在人体运动中，肢体的摆动获得的是角加速度，角加速度和线加速度之间存在着如下的关系式:

第四节人体运动的形式和原理

*3.全身基本运动形式

(2)躯干扭转：在身体各部位完成动作时,躯体上下肢沿身体纵轴的反向转动的运动形式。

第四节人体运动的形式和原理

*3.全身基本运动形式

(3)相向运动：依据运动形式，把身体两部分相互接近或远离的运动形式称相向运动。

第四节人体运动的形式和原理

人体在腾空状态，由于肌群的收缩使身体两部分同时向相反方向转动称为相向动作。

相向动作时人体在腾空状态下动作的主要表现形式，如挺身式跳远空中动作过程、排球空中大力

扣(发)球动作。

第四节人体运动的形式和原理

*力学原理

当人体以初始条件冲量矩为零和动量矩为零进入腾空状态时,若人体一部分环节以动量矩绕

身体某轴发生转动时，则必引起人体另一部分环节以动量矩绕同一轴作反向转动，且满足

这种动作形式称为i。相向动作i士。

第四节人体运动的形式和原理

第四节人体运动的形式和原理

*跨栏中的相向动作

起跨腿时，起跨腿对人体纵轴产生动量矩。同侧臂必须伸直以增大转动惯量,同时做反向大幅度摆

臂动作。

第四节人体运动的形式和原理

第四节人体运动的形式和原理

*(五)人体基本动作原理

1.杠杆原理

运用杠杆原理对运动进行分析，是运动力学研究的重要途径之一。

2.关节活动顺序性原理

3.鞭打动作原理

4.缓冲与蹬伸动作原理

5.摆动动作

6.躯干扭转

7.相向运动

第四节人体运动的形式和原理

*杠杆原理

第四节人体运动的形式和原理

*杠杆原理

第四节人体运动的形式和原理

第四节人体运动的形式和原理

第四节人体运动的形式和原理

杠杆原理在康复治疗学的应用

1.省力：当阻力一定时通过缩短阻力臂/延长力臂来减少阻力矩，可以达到省力的目的。

第四节人体运动的形式和原理

2.增速

在做投掷或击打动作时，为了提高肢体未端的运动速度，应当尽量伸展肢体。通过增大阻力臂来

增加肢端速度。

第四节人体运动的形式和原理

3.发展肌力

在发展肌肉力量的练习中，为增大肌肉所承受的负荷，既可用增加阻力（负荷重量）的方法，也可

用延长阻力臂的手段。

第四节人体运动的形式和原理

*关节活动顺序性原理

1.运动中需要克服大的阻力/需要快的速度时，虽然运动链中各个关节同时用力，但总是大关节最先

产生运动，然后依据关节的大小出现一定的先后顺序。

2.其意义在于主动强化训练大关节，发挥其潜力，利于训练的完成。小关节是人体动作的支撑点，

对动作完成后身体的平衡保持有重要作用，还可影响动作时间，提高速度。

3.不需要克服大的阻力/需要快的速度的运动，可以不采用以上所述的顺序。

第四节人体运动的形式和原理

*3.鞭打动作原理

第四节人体运动的形式和原理

第四节人体运动的形式和原理

排球扣球为例

第四节人体运动的形式和原理

*以足球大力踢球为例阐述下肢鞭打动作形式

下肢鞭打动作主要是打击性鞭打动作，其主要目的：使末端环节获得极大速度。遵循由近端至远

端环节依次加速的关节活动顺序性原理。

第四节人体运动的形式和原理

第四节人体运动的形式和原理

*鞭打动作各环节速度特征

鞭打动作各环节速度特征即每一环节最大运动速度是在前一环节达到最大速度后获得的,近端环

节制动的同时远端环节作加速运动，远端环节速度是由近端环节动量传递和速度依次叠加而成的，

使远端获得很大的线速度.

第四节人体运动的形式和原理

人体鞭打的理论基础则是通过环节间动量矩的传递以实现末端环节最大动量的获得。

动量矩的传递

人体运动链在鞭打动作中是通过动量矩的传递而实现末端环节最大动量的获得。鞭打动作中动量

矩的传递是通过相邻环节相互作用力产生的冲量矩来实现的。

人作为生物体，在鞭打动作过程中是一个有人的意识参与的过程。

3、人体运动表现为一定自由度内的运动

第四节人体运动的形式和原理

第四节人体运动的形式和原理

鞭打的动作特征

1.参与鞭打的关节表现出活动的顺序性。关节活动的顺序性有肌肉力矩的大小决定。

2.要重视小关节的作用。小关节有定向的作用，它的运动质量直接影响到动作的质量和速度。

3.鞭打动作是一个关节肌肉主动力产生新的冲量矩的过程。

4.鞭打动作受关节解剖结构的制约。

4、冲与蹬伸动作原理

(1)缓冲动作

缓冲是在外力作用下，由伸展下肢的肌肉群作退让(离心)收缩完成的。缓冲的意义主要

有：

*,减少外力作用：根据动力定理,当动量变化一定时，力的作用时间延长，可以减小外力对人体

的作用。

*缓冲动作是完成动作的重要环节：用于对动作技术运动学特征分析。

*准备性动作：提供适宜的肌肉发力条件,为蹬伸创造有利条件。

*非能量代谢的利用：提高肌肉与肌腱的弹性势能。

(2)蹬伸动作

蹬伸动作原理遵循“关节活动顺序性原理”，即大关节首先活动，大小关节(肌肉)依次活动

(用力)原理。

5、摆动动作

(1)摆动的运动学特征

(2)摆动动作的合理配合形式

(3)摆动的作用

*提高重心相对高度

*增加起跳力量

6、躯干扭转

*协调身体动作

*增加动作幅度，提高动作效果

7、相向运动

*维持人体在空中的稳定性

*增加动作效果

思考题

*人体运动的基本原理有哪些？

*什么是“大关节活动顺序”原理？举例说明它在动作中的作用。

*摆动的作用是什么？试举例进行说明。

第五节人体运动的静力学

*学习目标

L掌握静力学的概念和作用；

2.掌握力矩、力偶、力的平移定理，稳定角、平衡角、稳定系数和人体重心的概念，以及人体重

心的位置。

3.熟悉恢复力矩、倾倒力矩的概念，和保持人体平衡的条件。

人体运动的静力学

*人体静力学是研究人体在外力作用下处于平衡状态下的性质和行为的力学分支。

*它是主要讨论人体在完成静力性动作，即处于相对静止的姿势(或称平衡状态)时的受力情况，

以及获得和维持平衡的力学条件。

掌握人体运动的静力学的重要性

*康复治疗对象的问题主要是运动功能障碍，其平衡功能的恢复对其身体姿势的保持、意外摔伤

的预防和全身运动功能的恢复至关重要，不仅要恢复他们的坐位和立位的自动态和他动态的静态平

衡，还要恢复其行走、从事各种医疗体操、健身和家务劳动等活动中的动态平衡。

一、人体平衡

(-)相关概念

*1.力矩是力对物体转动作用的量度，是力和力臂的乘积。力使物体绕点或定轴转动，其效果

除了取决于力的大小和方向以外，还取决于所围绕的定点或者定轴与作用线的距离。只有与轴既不

平行，也不相交的力才能使物体转动，且起作用的仅仅是该力在垂直转轴平面内的分力。

*通常规定从轴的正面看去，力使物体按逆时针方向转动时，力矩为正，力使物体按顺时针方

向转动时，力矩为负。力矩的单位用牛顿•米来表示。

第五节人体运动的静力学

*人体的各种运动多是肌的拉力矩作用于相应环节，使之围绕关节轴转动而实现的。所以，肌力

的测定和训练一般是就肌力矩而言。

*恢复力矩是使物体恢复到原来平衡位置的力矩，它等于重力乘以重力对倾倒支点的力臂。倾倒

力矩为倾倒力乘以对倾倒支点力臂的乘积。

恢复力矩和倾倒力矩

第五节人体运动的静力学

2.力偶：通常把两个大小相等、方向相反、作用线互相平行、但不在同一条直线上的一对力称为力

偶。它作用在刚体上，能改变刚体的转动状态。

力与力偶臂的乘积称为力偶矩。使物体产生逆时针方向转动的力偶矩，取正值，反之取负值。

3.力的平移定理

刚体上的力可以平行于自身移动到任一点，但需要添加一力偶，其力偶矩等于原力对于新作用点

的力矩。这样，就可以把力平移到重心上去分析，并且不需要改变对人体的作用效果；但是，必须

附加上一个力偶，此力偶等于原力对重心之距。这种方法可以简化受力图，对运动的受力分析有重

要意义。设有力F作用于A点，如何使力平移后与原来的力等效呢？

第五节人体运动的静力学

第五节人体运动的静力学

*现在任选O点并在这一点加反向的两个力F，和F”，使其大小均等于F,作用线与F平行。由

于「和F”为一平衡力系，故F、F\F”的作用与F单独的作用等效。

*但F和F”可视为一力偶,因此作用于A点的力F可用作用于O点的F，和力偶矩M=F-d来代

替。

第五节人体运动的静力学

*(~)人体平衡的条件

1.人体平衡的力学条件是合外力为0,合外力矩为0。两个基本点条件同时满足,人体才能平衡。

2.平衡稳定性反映了物体维持原有平衡状态和抵抗倾倒的能力，对于康复治疗对象来讲很重要。

与平衡有关的因素：

①.支撑面；

②.重心；

③.人体的重心垂直投影线越远离支撑面的边缘，则稳定性越大。

稳定角

*是重心垂直投影线和重心至支撑面边缘相应点的连线间的夹角。

*稳定角是影响人体平衡稳定性的力学因素。某方向上的稳定角越大，人体在该方向上的稳定程

度越大，即在某方位上平衡稳定性的储备能力越大。它综合反映支撑面积大小、重心高低和重心垂

直投影线在支撑面内的相对位置对平衡稳定性的影响。

第五节人体运动的静力学

*平衡角

1.等于某方位平面上稳定角的总和。它可以说明物体在某方位上总的稳定程度，

2.通常称为稳度，即物体失去平衡的难易程度。

第五节人体运动的静力学

*一个物体是否失去平衡，取决于该物体重心垂直投影线是否落在支撑面内。

*物体开始倾斜时，随着物体的倾斜，重力产生一个使物体恢复到原来

*平衡位置的恢复力矩，它等于重力乘以重力对倾倒支点的力臂。

*倾倒力矩为倾倒力乘以对倾倒支点力臂的乘积。

*倾倒过程中，如恢复力矩大于倾倒力矩，即重力作用线在支撑面内，则恢复力矩使物体恢复到

原位置。

第五节人体运动的静力学

*倾倒过程中，如倾倒使得重力作用线通过支点时，则恢复力矩为0,重力矩起着加剧倾倒的作

用。

*稳定系数为倾倒力开始作用时稳定力矩与倾倒力矩的比值。当稳定系数大于1时，物体本身重

力产生的恢复力矩足以对抗倾倒，当稳定系数小于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。

*二、人体重心

1.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跋椎上缘前方7厘米

处，大约在身高的55%〜56%。

2.重心移动的幅度取决于身体移动的幅度和移动部分的质量。如上肢上伸时重心上移，下蹲时重心

下移，大幅度体前屈或作“桥式动作”可以引起重心移出体外。

第五节人体运动的静力学

*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。

*当人体重心偏移时，人体能借助补偿动作来抵消和中和重心的不适宜移动，如果还不足以维持

平衡时，则可借助恢复动作/改变支撑面来获得新的平衡。即人体可以通过视觉和本体感觉，在大脑

皮质的控制下，通过肌肉收缩造成平衡的力学条件，恢复和维持平衡。

第五节人体运动的静力学

*因此，人的平衡离不开肌的收缩。

*肌力主要起固定关节、调节控制人体平衡的作用，其活动需消耗生理能量。

*如果保持平衡的时间太长，能量消耗增多，肌肉疲劳，会使人体控制平衡的能力降低。紧张、

疲劳、注意力不集中及突然的声、光刺激都会影响平衡的稳定性。

*人体平衡还受心理的影响。所以对患者进行平衡训练时，除了注意适宜技术的使用，还要进行

鼓励，解除患者平衡训练时心理上的恐惧感。

*

由于人体的呼吸和循环的存在，肌张力也不恒定，重心在一定范围内波动，因此人体平衡是相对的

静态平衡。

学习目标

1.掌握人体转动的力学条件，和肢体围绕关节转动的力学条件。

2.熟悉康复治疗中所评测和训练肌力中肌力概念的实质。

3.了解转动定律、动量矩和冲量矩的内容。

第五节人体转动力学

*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。

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。

*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。

（-）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15个刚体，通过钱链联结形成刚体系统，然后分别计算

各个刚体的转动惯量。

*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：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。

(二)动量矩

*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。

*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。

(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。

*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。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，减小下肢围绕靛关节的转动惯量，以便提高摆动的角速度。

第一节骨的结构与功能解剖

*1.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.

*2.骨按形状可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨等.

*长骨(longbone)呈长管状，分布于四肢，分一体两端。

生理学角度：体又称骨干，内有空腔称髓，容纳骨髓。

体表面有1〜2个血管出入的孔，称滋养孔。

两端膨大称箭，有一光滑的关节面，与相邻关节面

构成关节。

骨干与幼相邻的部分称干断端，幼年时保留一片软

骨，称箭软骨，筋软骨细胞不断分裂繁殖和骨化，

使骨不断加长。成年后，髓软骨骨化，骨干与甑融

为一体，其间遗留一箭线。

从力学角度：长骨是最佳工程设计一①轻；②抗弯曲；③抗扭曲。

短骨(shortbone)形似立方体，多成群分布于连结牢固且稍灵活的部位，如腕骨。①多个关节面;

②承受压力是拱桥结构；③运动形式复杂；④仅表面为骨密质，内部多为骨松质。

扁骨⑴atbone)呈板状，主要构成颅腔、胸腔和盆腔的壁，起保护作用，如颅盖骨和肋骨。

不规则骨(irregularbone)形状不规则，如椎骨。有些不规则骨内有腔洞，称含气骨，如上颌骨。

*3.结构

*3.结构

骨组织由骨质构成，分密质和松质。

骨密质质地致密，耐压性较大，分布于骨的表面。

骨松质呈海绵状，由相互交织的量小梁排列而成，分布于骨的内部，骨小梁的排列与骨所承受的压

力和张力的方向一致，因而能承受较大的重量。

颅盖骨表层为密质，分别称外板和内板，外板厚而坚韧，富有弹性，内板薄而松脆，故颅骨骨折多

见于内板。

*骨膜：覆盖在新鲜骨的表面（关节面除外）。骨膜由纤维结缔组织构成，含有丰富的神经和血

管，对骨的营养、再生和感觉有重要作用。骨膜可分为内外两层，外层致密有许多胶原纤维束穿入

骨质，使之固着于骨面。内层疏松有成骨细胞和破骨细胞，分别具有产生新骨质和破坏骨质的功能，

幼年期功能非常活跃，直接参与骨的生成；成年时转为静止状态，但是，骨一旦发生损伤，如骨折，

骨膜又重新恢复功能，参与骨折端的修复愈合。如骨膜剥离太多或损伤过大，则骨折愈合困难。

*登髓充填于骨髓腔和松质间隙内。胎儿和幼儿的骨髓内含发育阶段不同的红细胞和某些白细胞,

呈红色，称红骨髓，有造血功能。5岁以后，长骨骨干内的红骨髓逐渐被脂肪组织代替，呈黄色，

称黄骨髓，失去造血活力。但在慢性失血过多或重度贫血时，黄骨髓可转化为红骨髓，恢复造血功

能。而在椎骨、骼骨、肋骨、胸骨和股骨的近侧端松质内，终生都是红骨髓。

*4.骨的成分

骨主要由有机质和无机质组成。

有机质主要是骨胶原纤维束和粘多糖蛋白等，作成骨的支

架，赋予骨以弹性和韧性。

无机质主要是碱性磷酸钙，使骨坚硬挺实。

脱钙骨（去掉无机质）仍具原骨形状，但柔软有弹性；

煨烧骨（去掉有机）虽形状不变，但脆而易碎。

*两种成分比例，随年龄的增长而发生变化。

*幼儿有机质和无机质各占一半，故弹性较大，柔软，易发生变形，在外力作用下不易骨折或折

而不断，称青枝状骨折。

*成年人骨的有机质和无机质比例约为3：1,最为合适，因而骨具有很大硬度和一定的弹性，较

坚韧。

*老年人的骨，无机质所占比例更大，脆性较大，易发生骨折。

*5、性能要求：

足够的强度：抵抗破坏的能力

足够的刚度：抵抗变形的能力

足够的稳定性：保持原有形状的能力耐磨损

*6.骨的代谢

骨构建（modeling）:在人的生长期，骨的形成大于骨的吸收，骨量呈线性增长，表现为骨皮质

增厚，骨松质更密集，这一过程称为骨构建。

骨重建（remodeling）：成人时期，骨生长停止，但骨的形成和吸收还在继续，处于一种平衡状态，

称为骨重建。

*骨重建过程

分为5期

*一个骨重建周期约需3个月。

*一个骨重建所形成的结构为一个骨重建单位（BRU）。

*在骨重建过程中，先出现骨的吸收，然后再有骨的形成，但吸收与形成的骨量大致相当。

*骨重建可调节骨矿盐平衡、修复显微损伤及移除无承载功能的骨组织，可维持或降低骨强度和

骨量。

*每年在骨表面上出现的BRU数量称为BRU的激活率，激活

率越高，骨表面BRU数量则越多，更新的骨量也就越多，一般将其称为高转换，反之则称之

为低转换。

*1年中全身骨的95%参与骨重建过程。

*影响骨重建的因素：

*骨吸收的因素：

甲状腺激素、甲状旁腺激素、皮质类固醇激素、前列腺素E2及雌激素等。

*促进骨形成的因素：

维生素D、胰岛素、运动等。

*当任何一种因素缺乏时均会影响到骨代谢的过程。

*7.骨的钙化

概念：在成骨细胞合成并分泌骨的有机成分（有机基质）后、在一定的条件下无机盐有序地

沉积于有机质内的过程。

骨的钙化过程极为复杂而微妙，它涉及细胞内、外生物化学和生物物理学的过程。

*骨钙化的途径是：

首先，成骨细胞合成并分泌骨的有机成分（主要是骨胶原，其次还少量的骨钙素蛋白、多糖类

等）。有机物为骨钙化提供结构基础。

其次，体内的钙离子与磷离子结合形成晶体形式的羟基磷灰石［CalO（PO,）6（OH）2|（无机盐）。

羟基磷灰石结晶呈针状或板状，经转运至骨胶原间隙区域内。

然后，无机盐再与有机质相鳌合形成整合物，最后形成正常骨质。

*影响骨钙化的因素

1.胶原骨胶原含有丝氨酸和甘氨酸，大量的丝氨酸以磷酸丝氨酸盐的形式存在，在胶原

基质的纤维上、纤维内与钙离子结合或与磷离子结合，形成羟磷灰石结晶。

2.粘多糖类粘多糖是大分子的蛋白多糖类物质，这种蛋白多糖复合物和钙化作用有关。酸

性蛋白多糖的游离阴离子可选择性结合钙离子，减少羟磷灰石结晶的形成，从而抑制钙化作用。当

蛋白多糖被酶分解后，即可解除该抑制作用。

3.基质小泡是由成骨细胞向类骨质中所释放的小泡，泡内含钙、小的骨盐结晶和钙结合蛋白。

基质小泡是使类骨质钙化的重要结构。基质小泡出现时，可增加磷酸钙的沉淀。基质小泡中所

含的各种酶可通过多种途径促进软骨钙化。

骨的机能

(-)力学机能

1.支撑机能骨是全身最坚硬的组织，通过骨连接构成一个有机的整体，使机体保持一定的形

状和姿势，对机体起着支撑作用，并负荷身体自身的重量及附加的重量。如脊柱、四肢在支撑。

2.杠杆机能运动系统的各种机械运动均是在神经系统的支配下，通过骨骼肌的收缩、牵拉骨

围绕关节而产生的。骨在其各种运动中发挥着杠杆机能和承重作用。

3.保护机能某些骨按一定的方式互相连接围成体腔或腔隙，如头颅骨借缝隙及软骨连接方式

围成颅腔，以保护脑。

*(二)生理学机能

骨的生理学机能包括钙、磷贮存机能、物质代谢机能、造血机能和免疫机能等。

1.钙、磷贮存机能与物质代谢机能

骨是人体最大的钙库和磷库，在维护血中的钙、磷含量的恒定中起调节作用。

2.造血机能和免疫机能

出生后，红骨髓是唯一的造血器官。

在正常的生理状态下，血液中各种血细胞的生成、发育、释放、死亡和清除均处于动态平衡，

并发挥着运送气体、防御、免疫等生理功能。这种动态平衡及生理功能的实现则依赖于红骨髓的正

常造血功能。

第二节骨的生物力学

*内容介绍

骨生物力学是以骨骼为主要研究对象、研究骨的机械运动规律的科学。它由力学、生物学、

生理学、解剖学等有关学科结合而成，其研究的目的在于分析骨关节的力学性质及力的传导，揭示

骨骼生长、发育、退化、病变、死亡与力作用的关系。为预防、诊断及治疗骨疾病、骨移植、骨矫

形，控制骨生长，促进骨愈合，及假体的研制提供理论依据。

第二节骨的生物力学

*学习目标

1.掌握骨的应力、应变、骨的载荷和变形；

2.掌握骨的功能适应性原则；

3.熟悉骨的生物力学特征；

4.熟悉运动对骨形态结构的影响及作用原理；

5.了解载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。

第二节骨的生物力学

*一、骨的承载能力

衡量骨承载能力的三要素：

第一，要求骨有足够的强度。

即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。

第二，要求骨有足够的刚度。

即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。

第三，要求骨有足够的稳定性。

即指骨保持原有平衡形态的能力。

第二节骨的生物力学

二、骨的应力与应变

*根据外力作用的不同，人体骨骼的受力形式可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷几

种形式。

*这些载荷会在骨内产生拉应力、压应力和剪应力，相应产生拉应变（伸长）、压应变（缩短）和

剪应变（截面错位），对骨的结构造成不同的影响.

第二节骨的生物力学

*（―）骨的应力

概念：当外力作用于骨时，

骨以形变产生内部的阻抗

以抗衡外力，即是骨产生的应力。

特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为Pascal（Pa=N/m\即牛

顿/平方米。

计算公式：

应力对于骨骼的作用：骨萎缩

第二节骨的生物力学

*（二）骨的应变

概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。

其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示

（下图）。

当骨承受的力超过其耐受应力与应变的极限时，便可造成骨骼的损伤甚至骨折。

第二节骨的生物力学

*（三）应力-应变曲线

1.表示应力和应变之间的关系（讨论骨的材料特性）。

2.应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变形区。

3.在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。

4.弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。

5.该点对应的应力是产生骨最大应力的弹性形变，亦称为

弹性极限。

6.塑性区：屈服点以后的区。

7.此时已出现结构的损坏和永久变形。

8.当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。

第二节骨的生物力学

*（三）应力-应变曲线

9.应力/应变是常数，代表应力与应变之间存在一定得关系，即弹性模量（杨氏模量）。

10.直线的斜率，用以表示材料抵抗变形的能力（刚度）。

(四)骨应变能量

概念：达到极限负荷时的应力一应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量。

一般骨的生理负荷使骨产生弹性变形，是弹性区内骨所能承受应力的大小。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重复作用时，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，临床上则表现为疲劳性骨折。

第二节骨的生物力学

*三、骨的载荷及变形

人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨产生复杂的力。即骨会承受来自多方的不同形式

的载荷。

作用于骨骼上的外力：体积力和表面力(分布力和集中力)

第二节骨的生物力学

*(-)骨的载荷

载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。

人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到

拉伸a、压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。

*(1)拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变.

构件在受拉伸载荷时，最大拉应力出现在垂直于施加载荷的平面上.

*(2)压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变.

第二节骨的生物力学

第二节骨的生物力学

临床上，压缩载荷所致的骨折常见于椎体.中老年人椎体骨质疏松，在轻度外力作用下即可造成椎

体压缩性骨折。常见骨折原因是坐汽车时突然遇到颠簸，在自身重力作用下造成椎体压缩.

*(3)弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷.在弯曲负荷下，骨骼内部同时产生拉应

力(凸侧)和压应力(凹侧).在最外侧，拉应力和压应力最大,向内逐渐减小，在应力为零的交界处会

出现一个不受力作用的“中性轴”.

*(3)弯曲：中性轴没有应力与应变。在中性轴两侧的应力与应变，两者即相对立又相互依存，

并且通过周围软组织协调达到平衡。

第二节骨的生物力学

第二节骨的生物力学

*(4)：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反,作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动

(剪切)的趋势(图3-1)，在骨骼内部的剪切面产生剪应力.

第二节骨的生物力学

第二节骨的生物力学

*(5)扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力.常见于前臂、脊柱和

骨关节的活动中。

第二节骨的生物力学

第二节骨的生物力学

成人皮质骨的极限应力在压缩、拉伸和剪切时是不同的.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.

(6)复合载荷

*在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷.复合载荷即是

同时受到上述两个或两个以上的载荷作用.图3-2,3-3分别显示了行走和小跑时成人胫骨前内侧面的

应力.正常行走时，足跟着地时为压应力，支撑阶段为拉应力，足离地前一瞬间时为压应力.在步态周期

的后部分出现较高的剪应力，表示存在显著的扭转载荷，提示在支撑时相和足趾离地时相胫骨外旋(图

3-2).慢跑时的应力方式完全不同.在足趾着地时先是压应力，继而在离地时转为高拉应力，而剪应力在

整个支撑期间一直较小，表明扭转载荷很小(图3-3).

第二节骨的生物力学

第二节骨的生物力学

第二节骨的生物力学

*1.在整个跨步跑时，剪切应力低，说明胫骨在轻度外旋与内旋交替时所产生的扭转符合处于最

低状态。

*2.从慢跑到快步时速度的加快，将增加胫骨上的应力和应变。

*3.临床上一种或两种符合形式较少发生骨折，多数骨折是综合几个符合形式才会产生。

第二节骨的生物力学

*(-)骨的基本变形

骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的变形，如腰脊柱前凸即是受力变形。

根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转

等五种基本变形。

第二节骨的生物力学

*力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。

*在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时，骨的原有形状和几何学结构便恢复。

*如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断

裂。

第二节骨的生物力学

*决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力的大小、力的方向和力的作用点，及组

成骨组织的材料特性等。

*骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引起骨的断裂。

*骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲(bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大差异。

第二节骨的生物力学

*大骨抵抗力的能力优于小骨。

*骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性。

*在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物质特性也很重要(如：骨松质较骨密质容易断

裂)。

*当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性形变。

*如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为弹塑性。

*钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。

四、骨基本的生物力学特征

*骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻

的结构.结构优化设计理论主要包括：

*a）均匀强度分布，即在特定的加载条件下，材料的每一部分受到的最大应力相同.

*b）轨道结构理论（壳形结构），即只在力的承受及传递的路径上使用材料，而在其它地方是空洞.

*1.各向异性

*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.

*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.

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.从显微组织分析来看，针状的无机盐晶体和骨胶原纤维主要是沿纵向排列.其中较少一部分沿周

向排列.其主要作用是联系和约束纵向纤维，使纵向纤维在压缩和弯曲载荷的作用下不会失稳.

*2.弹性和坚固性

骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并具有抗张能力。

骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，具有抗压能力。

*3.抗压力强、抗张力差

骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损坏，在张力情况下易损坏。

*4.耐冲击力和持续力差

骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、耐疲劳性能较差。

*5.应力强度的方向性

皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚度也不同。

皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。

两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。

*6.骨的强度和刚度

1）骨强度是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。

在压缩载荷的试验中，载荷一变形曲线能反映结构强度的三个参数是：①结构在破坏前所能承受

的载荷;②结构在破坏前所能承受的变形;③结构在破坏前所能贮存的能量。

2）骨的刚度是指骨具有足够的抵抗变形的能力。

在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，往往会影响骨结构与功能。

骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。

影响骨强度与刚度的因素有：

①.压应力一一肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折的发生;

②.骨的大小和形状一一骨的横截面积的大小及骨组织在骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨

强度和刚度。

如骨试件在压缩时，骨的横截面积越大，强度和刚度也越大。

破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。

*7.机械力对骨的影响

机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。

骨对生理应力刺激的反应是处于动态平衡状态，应力越大，骨组织增生和骨密质增厚越明显。

*8.骨是人体理想的结构材料

骨具有强度大质量轻的特点。

*五、骨受载生物力学特征

1.骨对应力的反应

骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态，

应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提

高了骨的生理应力能力。

1)密质骨对应力的反应：

密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可承受较大的压缩应力。

2)松质骨对应力的反应：

骨松质的疏松度为30%〜90%,

其应力一应变特征与密质骨有很大差异。

松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快减低，低于应变水平。

松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低。

2.骨密质在受载时的生物力学特性

人类骨骼80%是皮质骨。

在受载时与骨松质相比，骨密质在断裂前应变较小，其应变超过原长的2%时就发生断裂，而

骨松质的应变超过7%时才断裂，这与密质骨的疏松度及能量储存能力较松质骨小有关。

3.骨松质在受载时的生物力学特性

骨松质具有多孔结构而具有较高的能量储存能力。

(1)骨松质的结构特点：

骨松质由针状或片状骨小梁相交织成网状结构。

其显微结构分为四种基本结构类型：

针状非对称形开放网格、

片状非对称形封闭网格、

针状圆柱体形开放网格、

片状圆柱体形封闭网格。

(2).骨松质结构特征与应力适应性

★骨松质的网格形式与其结构密度有密切关系。

不同部位骨松质具有着不同类型的显微结构。

★骨松质的结构密度与其所受的应力大小成正比.

在密度相对较低的骨松质部位，骨小梁主要表现为开放型的针状结构；

在密度相对较高的骨松质部位，形成封闭式的片状结构；

中等密度时，结构由针状和片状网格混合而成。

★骨小梁的排列方向依赖于作用在骨松质上的应力的大小、方向和力的类型。

(3)骨松质粘弹性性质与蠕变

骨松质具有粘弹性性质和蠕变性质，在一定应力作用下，其蠕变将随时间而变化，蠕变在开始

时速度快，继之变慢，最后速度又变快。

六、运动对骨的力学性能的影响

*人体从出生后骨骼所受的外力,即使骨产生形变的外源性机械力可概括为内源性肌肉收缩力与

外源性反作用力.这些力对骨生长发育的调控主要通过调节软骨内生长与骨化、关节软骨的发育、以

及软骨周缘/骨膜的骨化和软骨内成骨.

*从生物力学的角度来看，经常进行运动训练或体育锻炼,相当于营造一个新的骨的受力环境(条

件).根据骨的功能适应性原理，骨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.运动对

骨的影响，也就是骨对特定环境下力的变化的功能适应性的表现.决定骨的功能适应性的因素除了外

部形态之外,还有截面形状，材料沿各方向的分布规律,内部结构等.

(一)适宜应力对骨的力学性能的良好影响

1.体育锻炼对骨的力学性能的良好影响

综合目前研究结果，机械力学信号可转化成

促进成骨的生化信号.长期坚持体育锻炼对

骨骼的影响：

(1)促进未成年骨骼峰值骨量的增加；

(2)对成年骨骼的影响表现为一定程度的骨

量增加或保持骨量；

(3)对绝经后妇女或老年人骨骼的影响在于

尽量减少骨量的丢失速度；

(4)可使骨密质增厚、骨变粗；

(5)骨面肌肉附着处突起明显；

(6)骨小梁的排列根据拉(张)应力和压应力的方向排列更加整齐而有规律.

这是由于骨的新陈代谢加强，骨的血液循环得到改善，从而在形态结构上产生良好的结果.随着形

态结构的变化，骨变得更加粗壮和坚固，抗弯曲、抗压缩和抗扭转载荷的能力都有提高.

当体育锻炼停止后，骨所获得的变化就会慢慢消失.因此，体育锻炼应经常化，锻炼的项目要多样化.

专项训练与全面训练相结合.

2.不同运动项目对骨的力学性能的影响

*研究表明,体育锻炼的项目不同，对人体各部分骨的影响也不同.

*经常从事下肢活动的跑、跳项目的运动员，对下肢骨影响较大，对上肢骨影响较小.

*经常练习举重的运动员,对上肢和下肢的影响都较大.又如从事多年训练的跳远运动员，踏跳脚的

第二跖骨直径增大,芭蕾舞演员的第二、第三跖骨的骨密质,足球运动员第一跖骨的骨密质都有增厚.

拳击运动员梳骨骨密质也明显增厚.

3.适宜应力原则

*骨骼对体育运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号(应力)的应变.

*(1)有利的运动负荷及强度导致的骨应变会诱导骨量增加和骨的结构改善；

*(2)应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折；

*(3)应变过小或出现废用则导致骨质流失过快.

*因此对骨存在一个最佳的合适应力范围.

*骨骼的废用(如卧床、肢体固定或失重)对骨的影响也应受到重视.事实上，大量研究已证实骨

骼废用使骨密度下降和骨结构受损的速度远比体育锻炼对骨的有益影响快得多，而且恢复时间长且

困难.一旦发生由于上述原因造成的骨质快速丢失,如何制定有效的以体育运动为主的康复训练计划

仍缺乏研究,这应是今后的重点研究方向之一.

疲劳性骨折