運動生物力學講稿

1、第二章 運動器系的生物力學特性第一節(jié) 材料力學基本概念一、載荷（一）概念：通常指施加于物體或某種結構上的外力，或某種能引起物體結構內(nèi)力的非力學因素稱為載荷。（二）分類：1、靜載荷：載荷由0漸增至某一值后不再改變，物體各部分不產(chǎn)生加速度或加速度很小可忽略。例如慢起倒立時，作用在手臂上的載荷。2、動載荷：使物體整體或某些部分產(chǎn)生顯著加速度的載荷。又可分為沖擊載荷和交變載荷。沖擊載荷：物體在載荷的作用下，速度在極短時間內(nèi)變化很大。此時的載荷稱為沖擊載荷。如網(wǎng)球、乒乓球拍擊球、踏跳等。交變載荷：隨時間作周期改變并多次重復地作用在物體上的載荷。（重復次數(shù)可達幾十萬次或幾百萬次），如馬拉松跑時作用在運動員

2、雙腿骨骼上的載荷。（三）載荷的表現(xiàn)形式（P19圖2-1）1、拉伸載荷：物體（如骨）的兩端受到方向相反的拉力。常見于身體懸重姿勢中。2、壓縮載荷：物體的兩端受到方向相反的壓力。常見于身體處于垂直姿勢，一般一端是重力和外加負荷，另一端是支撐反作用力。（骨骼承受壓縮載荷的能力最強）3、彎曲載荷：物體的兩端受到橫向或側向的壓力或拉力時，使物體彎曲。一般是骨起杠桿作用時出現(xiàn)。4、剪切載荷：物體受方向相反的橫向或平行作用力時，使物體產(chǎn)生剪應變（使內(nèi)部發(fā)生角變形）。5、扭轉(zhuǎn)載荷：物體兩端受方向相反的扭轉(zhuǎn)力矩作用時，使物體產(chǎn)生沿軸線的扭曲。常見于扭轉(zhuǎn)動作中。6、復合載荷：物體同時受到多種載荷的作用。二、應變與

3、應力（一）應變：物體在受到外力作用時，單位長度所產(chǎn)生的伸長或縮短或單位角度的變化叫做相對變形或應變。1、具體表現(xiàn)為物體的尺寸和幾何形狀的改變。2、其本質(zhì)是在外力作用下，物體任意兩點間的距離和任意兩直線或兩平面的夾角發(fā)生改變。（二）應力：物體單位面積上內(nèi)力的大小。1、內(nèi)力：由于外力作用而引起的固體內(nèi)部各質(zhì)點之間相互作用力的改變量。2、內(nèi)力的產(chǎn)生是外力作用于物體的結果。由于外力的作用使物體發(fā)生應變而最終使物體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)力。（有應變才有應力）3、注意在材料力學中內(nèi)力是指某一物體內(nèi)部各質(zhì)點間相互作用力的改變量。4、任意方向的內(nèi)力都可正交分解為垂直截面的法向分力和截面內(nèi)的切向分力。（分別用N和T表示）5

4、、應力的單位是：工程中kg/cm2，國際單位kg/mm2，N/m2（帕Pa）（三）應力應變曲線（P22圖2-5）應力應變曲線描述了應變過程中應力的變化過程。即應力隨應變的改變量而變化的情況。（以拉伸實驗為例，可分為四個階段）1、彈性階段：卸載后，變形能完全恢復的階段。即發(fā)生彈性形變的階段。特點是：彈性形變，應力應變符合虎克定律。2、屈服階段：在載荷作用下，形變繼續(xù)增加而應力并不增加的階段。特點是：時間較短，卸載后不再恢復原狀，稱為殘余變形或塑性變形。3、強化階段：屈服階段后繼續(xù)加載，物體抗變形能力又有所恢復的階段。特點：是加載時應力繼續(xù)增加，卸載后形變僅能恢復到屈服階段。4、頸縮階段：強化階段

5、后，應力隨變形的增加而下降，直至試件斷裂。特點是變形加大，應力減小，物體被破壞。三、粘彈性：（一）粘彈性：彈性材料的力學性質(zhì)和粘性材料力學性質(zhì)相結合的一種力學性質(zhì)。1、彈性材料的力學性質(zhì)是應力與應變成正比，材料能保持固定形狀，在外力作用時，外力功轉(zhuǎn)換為彈性能。2、粘性材料一般為流體，無固定形狀，在外力作用下，外力功能轉(zhuǎn)換為分子熱消耗了。3、生物固體材料如骨、軟骨、肌肉、血管壁、皮膚等都具有粘彈性。（二）粘彈性材料的特點（P24-25圖）1、物體突然發(fā)生應變時，若應變保持一定，則相應的應力將隨時間的增加而下降，稱應力松馳。（如肌肉的松馳）2、若應力保持一定，物體的應變隨時的增加而增大，稱蠕變。3

6、、加載時的應力應變曲線與卸載時應力應變曲線不重合，稱為滯后。第二節(jié) 骨的力學特性一、骨結構的生物力學特性：（一）骨的成分與結構特點：1、骨組織由有機物和無機物組成。其中25%30%是水，其余70%75%是無機物和有機物。成人枯骨含1/3有機物（膠原纖維）和2/3無機物（主要是鈣和磷等。）2、骨的有機成分組成網(wǎng)狀結構，無機物填充在有機物的網(wǎng)狀結構中（象鋼筋水泥結構一樣）。3、全身骨分為長骨、短骨、扁骨和不規(guī)則骨。長骨又稱管狀骨，兩端為骨松質(zhì)（呈海綿狀），中間為骨密質(zhì)。（骨密質(zhì)的多孔性程度占530%，骨松質(zhì)占3090%）。（二）骨的生物力學特性：1、彈性和堅固性：彈性是由骨中有機物形成的。堅固性又

7、稱硬度或剛性，是由無機物形成的。（有人認為骨中的骨膠原承受拉應力，鈣鹽承受壓應力）。2、骨是人體理想的結構材料質(zhì)輕而強度大。（參見P26數(shù)據(jù)和P27表2-1）。3、各向異性和應力強度的方向性：各向異性是指骨在不同方向上的力學性質(zhì)不同，（多孔結構所致）。應力強度的方向性表現(xiàn)在骨密質(zhì)與骨松質(zhì)剛性的差別和各向異性使骨對應力的反應在不同方向上各不相同。4、耐沖擊力和耐持續(xù)力差：骨對沖擊力的抵抗和持續(xù)受力能力較其它材料差?？蛊谛阅芤膊?。5、應力對骨結構的影響：外加機械力改變骨結構中的應力。而應力通常與骨組織之間存在著一種生理平衡。對成人骨而言，骨組織的量與應力值成正比。對生長發(fā)育中的骨，應力增加（外傷

8、和過度訓練）會引起骺軟骨過早愈合，骨化提前。二、骨的力學特征：（一）骨的應力應變關系：具有典型的應力應變關系曲線。屈服點和極限斷裂點明顯。（P29圖2-10）（二）不同載荷時骨的力學特征：1、拉伸：人體懸重動作或手提重物時，骨干都要承受拉伸負荷。在較大的拉伸載荷下骨會伸長。人體股骨和肱骨的拉伸強度相近，約為125×106N/m2。2、壓縮：是骨最經(jīng)常承受的載荷形式。壓縮載荷能刺激新生骨的生長，促進骨折的愈合。人體骨承受壓縮負荷的能力最強，股骨所能承受的最大壓縮強度為170×106N/m2，比拉伸強度大36%。3、彎曲：骨承受彎曲載荷時，要同時受到拉伸和壓縮。骨干中部為中性軸

9、，沒有應力，所以長骨一般是中空的，省料，減重又不影響荷載。中性軸的凹側骨受到壓縮應力，凸側骨受拉伸應力。骨承受彎曲載荷的能力較小，是造成骨傷和骨折的主要原因，所以足球比賽規(guī)則禁止蹬踏。當摔倒時用直臂撐地造成骨拆的原因是由于支撐反作用力與胸大肌的拉力，對肱骨形成彎曲載荷。4、剪切：載荷施加方向與骨表面平行或垂直，在骨內(nèi)部產(chǎn)生剪切應力或剪應變。骨承受剪切載荷的能力低于彎曲和拉伸，而且垂直于骨纖維方向的剪切強度要明顯大于順纖維方向的剪切強度。（人體骨受剪切載荷的情況較少）5、扭轉(zhuǎn)：骨兩端受方向相反的扭轉(zhuǎn)力矩。骨將沿其軸線產(chǎn)生扭曲。骨承受扭轉(zhuǎn)載荷的能力最小。如投擲標槍時，肘過分低，在肩的外側經(jīng)過，這個

10、錯誤動作往往造成肱骨扭轉(zhuǎn)性骨折。因為此時三角肌前部的作用力使肱骨上端產(chǎn)生逆時針方向扭轉(zhuǎn)力矩，而標槍的阻力（慣性力）使肱骨下端產(chǎn)生順時針方負的扭轉(zhuǎn)力矩。（動作正確時，相對肱骨的扭轉(zhuǎn)力矩較?。?、復合載荷：活體骨承受的載荷往往是復合載荷。且隨運動過程載荷的形式不斷變化。骨受沖擊載荷的特點：骨承受沖擊載荷的情況取決于沖擊載荷的作用時間和沖擊載荷具有的能量。但短骨、扁骨的耐沖擊能力要大于長骨。實驗表明：顱骨的耐沖擊能力比長骨高40%左右。三、骨疲勞（一）骨疲勞的概念：反復作用的循環(huán)載荷超過某一生理限度時會使骨組織受到損傷，稱為骨疲勞。（二）骨疲勞的特征：1、疲勞性骨折或永久性彎曲（塑性形變）。（就象多

11、次彎曲竹桿）2、周期性載荷引起的骨折，開始于應力集中點，形成蚌殼式裂紋。3、重復載荷的骨疲勞，引起的骨折往往是低載荷的情況。4、疲勞壽命隨載荷增加而減小，隨溫度升高而減小，隨密度的增加而增加。5、骨的疲勞極限為3.45KN/cm2。（三）骨疲勞的過程和原因：1、過程見P35圖2-16。2、原因：骨結構在反復應力刺激下導致結構的改變而發(fā)生骨折。（四）影響骨疲勞的因素和疲勞曲線：1、作用次數(shù)少而載荷較高。2、載荷較小或相對正常但作用次數(shù)較多。3、疲勞曲線見P34圖2-15。四、體育運動對骨的影響。（一）肌肉收縮能克服一部分作用于骨骼上的應力，起到保護骨骼的作用。（二）體育鍛煉可促進骨的形態(tài)結構發(fā)生

12、變化，提高骨抵抗載荷的能力。第三節(jié) 關節(jié)軟骨、韌帶、肌腱的生物力學特性和人體關節(jié)力學（課下自學）作業(yè)：自學P37-51第三節(jié)關節(jié)軟骨、韌帶、肌腱的生物力學特性和人體關節(jié)力學并回答問題。1、簡述關節(jié)軟骨的力學性質(zhì)，并分析關節(jié)軟骨在關節(jié)活動中的作用。2、淺析影響韌帶和肌腱力學特性的因素。3、淺析影響關節(jié)靈活性和穩(wěn)定性的因素。第四節(jié) 骨骼肌的生物力學特性一、肌肉結構的力學模型三元素模型（P52圖2-29）（一）收縮成分：肌動蛋白和肌球蛋白，能主動收縮產(chǎn)生張力。（二）并聯(lián)彈性成分：肌纖維膜、肌束膜和肌外膜等結締組織。屬于粘彈性體，被牽拉時產(chǎn)生彈力。（三）串聯(lián)彈性成分：橫橋和Z線、肌腱等結締組織。粘彈性

13、體可產(chǎn)生彈力。二、力學模型的有關概念：（一）肌肉的凈收縮力主動張力Fc：指肌肉收縮成分收縮時產(chǎn)生的張力。（二）被動張力Fp：指肌肉工作時并聯(lián)彈性成分的張力。（三）總張力Ft：被動張力與主動張力之和。Ft = Fc + Fp（四）肌肉的平衡長度：無任何負荷時肌肉的長度。在人體內(nèi)的肌肉長度總是稍許大于平衡長度，所以放松的肌肉也保持一定張力。（五）肌肉的靜息長度o（也稱最適長度）：指肌肉收縮成分產(chǎn)生最大收縮力時肌肉的長度。研究表明： o =1.25時，收縮成分的張力最大。如果肌肉長度i=2.0時，肌肉能恢復原長。i=2.5時，肌肉收縮力Fc=0，i=3.0時，肌肉斷裂。三、肌肉長度與肌肉收縮力量的關

14、系指肌肉收縮前的初長度對肌肉收縮時產(chǎn)生張力的影響。（一）收縮成分的長度張力關系（Fci曲線P54圖2-30）1、肌肉收縮成分收縮力的大小，主要取決于參與收縮的橫橋數(shù)目。2、靜息長度o時，粗、細肌絲處于最理想的重疊狀態(tài)，使收縮時起作用的橫橋數(shù)目達到最大，此時肌肉收縮能產(chǎn)生最大的張力。肌節(jié)全拉長時約為4.0mm，全部重疊時長1.5mm。（二）并聯(lián)彈性成分的長度張力關系（P54圖2-31）1、肌肉放松狀態(tài)時i（肌肉處于平衡長度或小于平衡長度）Fp = 0（無被動張力）2、i（隨著肌肉變長，并聯(lián)彈性成分開始被拉長）Fp 0，且Fp隨i的增加而增大。3、肌肉彈性成分的時間效應肌肉的松馳。被拉長的肌肉，隨

15、著時間的延長，其彈性形變力逐漸下降的現(xiàn)象（特性）。（粘彈性體的性質(zhì)）實驗：下蹲后立即跳和下蹲后稍停再跳起（不擺臂），重心騰起高度不同。意義：保持動作的連慣性，緩沖時間不能過長。（三）肌肉長度總張力的關系（Fti曲線，P55圖2-32）Ft = Fc + Fp分析：1、i時，若肌肉收縮，F(xiàn)t = Fc（此時Fp = 0）2、i=o時，F(xiàn)c = Fc max，則Ft =Fc max + Fp3、io時，F(xiàn)c減小，F(xiàn)t一般減小。i=o時為緩沖和超越器械動作的生物力學意義之一。（四）串聯(lián)彈性成分對肌肉收縮長度張力曲線的影響。1、肌肉在小于平衡長度時收縮（i）Fp = 0，串聯(lián)彈性成分被拉長，起緩沖作用

16、。（力的傳導）2、肌肉等長收縮時肌肉收縮成分的縮短量 = 串聯(lián)彈性成分的拉長量。（起止點不變）肌肉整體對外表現(xiàn)的張力仍是Fc。3、肌肉預先拉長后收縮（先離心后向心）拉長時串聯(lián)彈性成分被拉長，貯存一部分彈性勢能，縮短時釋放出來。正常情況下，串聯(lián)彈性成分不能增加肌肉力量，只能起緩沖或緩釋肌肉收縮力或緩沖外界對肌肉的沖擊性拉力作用。四、肌肉收縮力與肌肉收縮速度的關系用外加負荷對肌肉收縮速的影響來描述（一）希爾方程及其意義：（a+P）（v+b）= b（Po+a）或（a+F）（v+b）= b（Fo+a）其中：a =14.35g，b =1.03cm/s為常數(shù)。V為肌肉的收縮速度。P（或F）為收縮力或外加負

17、荷。Po（或Fo）為初始張力（等長收縮時，電刺激使之攣縮）。參見P59圖2-36希爾方程的意義：描述了骨骼肌收縮時，負荷P（收縮力F）與收縮速度V的關系。（肌肉做功的功率為常數(shù)）攣縮狀態(tài)下（P58圖2-35）， 表明：P增加，V減小， P減小，V增大，或F1/V 。（二）肌肉離心收縮力速度的關系：（P60圖2-37）隨著肌肉被拉長速度的增加，肌力也增加，F(xiàn)V原因：1、“切斷”粗細肌絲連合所需的力要比保持等長收縮的力更大。2、收縮的粘滯性摩擦作用。四、肌肉的功及功率：（一）肌肉收縮的功：W = F·S 生理功（內(nèi)功）摩擦產(chǎn)熱肌肉功機械功（外功）力在空間的累積效應。（二）肌肉收縮的功率：

18、P = F·V人體功率的含義：指人體將生物化學能轉(zhuǎn)換為機械能的快慢。在體育運動中，由于動作的特點和目的性的不同，人體肌肉瞬時功率的大小和發(fā)揮特點也不同。（三）人體爆發(fā)力及訓練：1、爆發(fā)力的概念：人體在短時間內(nèi)快速的將生物化學能轉(zhuǎn)換為機械能，對外輸出強大功率的能力。（爆發(fā)式用力需要人體的瞬時功率較大或最大。）因為F，如圖，F(xiàn) max時V = 0，Vmax時F = 0Pmax = Fmax·Vmax2、爆發(fā)力的訓練：由Pmax=Fmax·Vmax和F-V圖可知，F(xiàn)和V對Pmax的影響同等重要，故必須同時訓練F和V，才能提高人體爆發(fā)力。（1）提高肌肉功率的途徑：力量訓練

19、 速度訓練 找點（技術訓練）（2）提高方法：分別訓練法（0%Po，100%Po） 3060%訓練。 5Rm適用于舉重、投擲，610Rm跳躍。（3）加強收縮前的拉長，既可提高F，又提高V。第五節(jié) 運動器系整體的生物力學性能與特點一、生物運動偶與生物運動鏈：（一）生物運動偶：兩個相鄰骨環(huán)節(jié)之間的可動性連接。1、環(huán)節(jié)是指相鄰關節(jié)之間的部分。2、一個生物運動偶包括兩個環(huán)節(jié)和連接兩個環(huán)節(jié)的關節(jié)。如上肢的上臂，肘關節(jié)和前臂就構成一個運動偶。（二）生物運動鏈：1、概念：兩個或兩個以上生物運動偶的串聯(lián)式連接。如上肢就是一個生物運動鏈，由腕關節(jié)、前臂、肘關節(jié)、上臂構成。其中手、腕關節(jié)、前臂為一運動偶，而上臂、肘

20、關節(jié)、前臂為另一運動偶。2、分類：開放鏈：末端為自由環(huán)節(jié)的生物運動鏈。如上肢。自由環(huán)節(jié)又稱終末環(huán)節(jié)或游離端，它只加入一個運動偶。開放鏈的特點：A、有自由環(huán)節(jié)（游離端）。B、開放鏈中各個環(huán)節(jié)均可獨立活動。如上臂在肩關節(jié)固定時，小臂和手卻可以分別在肘、腕關節(jié)處活動。C、開放鏈的任何一處解開，開放鏈將解體為兩部分。封閉鏈（閉鎖鏈）：無自由環(huán)節(jié)的生物運動鏈。（運動鏈首尾相連，形成閉合狀態(tài)）較典型的封閉鏈是；胸廓的肋、脊柱和胸骨組成的閉鎖鏈。封閉鏈的特點：A、每個環(huán)節(jié)加入兩個運動偶，無游離環(huán)節(jié)。B、任何一個環(huán)節(jié)不能獨立運動，一個環(huán)節(jié)的運動總會引起另一些環(huán)節(jié)的運動。C、封閉鏈在某一處解開時，則變?yōu)殚_放鏈。

21、D開放鏈的自由端如果受到其它物體的約束即變成封閉鏈。如雙手握單杠懸垂時。3、生物運動鏈運動的特點：運動鏈的運動取決于關節(jié)的結構和關節(jié)周圍的組織。生物運動鏈中各環(huán)節(jié)繞關節(jié)軸的轉(zhuǎn)動可使末端環(huán)節(jié)作圓弧運動或平動，如擺動、直拳動作等。運動鏈中運動可以由一個環(huán)節(jié)向另一個環(huán)節(jié)傳遞，鏈中幾個環(huán)節(jié)的運動合成為末端環(huán)節(jié)的合運動。如擺動和鞭打。二、運動的約束和自由度：（一）約束：預先加給運動物體的限制條件。（阻止物體自由移動的限制）剛性約束： 光滑平面（使物體不能垂直平面向下運動）圓柱鉸鏈（單杠擺動、回環(huán)）球型鉸鏈（球窩關節(jié)，如肩、髖關節(jié)等） 柔性約束：肌肉、韌帶、繩索等（不能承受壓力）。（二）自由度：描述物體在

22、空間運動狀態(tài)的獨立變量的個數(shù)。1、自由剛體在空中有6個自由度。即繞三個軸的轉(zhuǎn)動和沿三個軸的直線運動。2、一點固定時，N=3，只能繞三軸轉(zhuǎn)動。3、二點固定時，N=1，只能繞一軸轉(zhuǎn)動。4、三點固定時，N=0，不能運動。說明：一般物體沒有兩個自由度的情況，但人體由于有雙軸關節(jié)，如鞍狀關節(jié)和橢圓關節(jié)，因而存在兩個自由度的情況。在開放運動鏈中，自由度可以疊加，末端環(huán)節(jié)的自由度等于運動鏈中各關節(jié)自由度之和。因此某一環(huán)節(jié)的自由度可以超過6個（仍視為自由剛體）。如：肩關節(jié)有三個自由度，肘關有兩個自由度，腕關節(jié)有兩個自由度，加起來為7個自由度，因此手作為上肢運動鏈末端，其自由度有7個，相當于自由剛體。（在以肩關

23、節(jié)為支點，以臂長為半徑的范圍內(nèi)活動。）自由度是人體或人體某一環(huán)節(jié)運動能力的量度。討論：跑的后蹬為什么要送髖？1、保證骨盆在支撐腿一側髖關節(jié)一點固定，從而使骨盆有三個自由度，進而加大步長。2、送髖使身體重心在支撐階段迅速前移，以減小后蹬角。3、屈髖（不送髖）的跑動造成骨盆在髖關節(jié)兩點固定。擺動腿只能作鐘擺式擺動，甚至出現(xiàn)“坐著跑”。影響步長和后蹬力量的發(fā)揮。三、人體的骨杠桿：（一）骨杠桿的概念：生物運動鏈中，骨環(huán)節(jié)繞關節(jié)軸轉(zhuǎn)動時，在結構和功能上與杠桿相同，稱為骨杠桿。物理學中的杠桿是指在力的作用下能繞支點轉(zhuǎn)動的硬棒。（二）杠桿的組成：支點和剛性硬棒。1、骨杠桿的支點：關節(jié)瞬時中心或地面的支撐點。

24、2、杠桿臂：肌力作用點到支點的距離。3、力 臂：支點到力的作用線的垂直距離。分為動力臂和阻力臂。4、力 矩：是使杠桿產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的原因。M1 = F·d 動力矩。M2 = P·d阻力矩。（三）杠桿的種類：1、平衡杠桿：支點在動力點與阻力點之間。（又稱雙臂杠桿）主要作用是維持平衡。如挑擔，蹺蹺板等。人體中的平衡杠桿主要有：寰枕關節(jié)（頭與頸椎的連接）。特點是：阻力臂短、肌力臂長，省力。低頭時，阻力臂變長，動臂變短，因而肌肉要產(chǎn)生更大的肌力。長時間低頭，會出現(xiàn)頸后肌群酸痛，同時頸椎彎曲，椎間盤變形，造成脫出或增生。推鉛球時上臂杠桿亦屬平衡杠桿，但由于阻力臂長、動力臂短，故而費力。（參見P65圖240）2、省力杠桿：阻力點在支點與動力點之間。（也稱單臂杠桿）3、速度杠桿：動力點在支點與阻力點之間。（也是單臂杠桿）人體內(nèi)此類杠桿較多。如髖關節(jié)、肘關節(jié)等。如果鉛球為5KG，那么肱二頭肌的拉力需50KG。但鉛球可以獲得大的速度。（四）骨杠桿的平衡及加速條件：1、平衡條件：動力矩=阻力矩 （人體中動力矩為肌肉拉力矩）2、加速條件：動力矩阻力矩 肌肉拉力矩阻力矩（+）， 向心收縮。肌肉拉力矩阻力矩（），離心收縮。第六節(jié) 人體動作結構與動作系統(tǒng)一、人體動作系統(tǒng)（一） 動作和動作結構1、動作結構：每個完整的特定動作都有