人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)

關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)第1頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/272緒論1、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)概述2、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容3、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的應(yīng)用、前景與發(fā)展主要內(nèi)容第2頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/273第一節(jié)

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)概述一、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)概念（一）生物力學(xué)：研究生物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一般生物力學(xué)、人類工程生物力學(xué)、醫(yī)用生物力學(xué)、康復(fù)生物力學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、生物力學(xué)研究方法（二）運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是用靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)等研究人體運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。用理論力學(xué)的原理和方法研究生物是個(gè)開展得比較早、比較深入的領(lǐng)域。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是研究體育運(yùn)動(dòng)中人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)把體育運(yùn)動(dòng)中各項(xiàng)動(dòng)作技術(shù)的研究課題，賦予生物學(xué)和力學(xué)的觀點(diǎn)及方法，使復(fù)雜的體育動(dòng)作技術(shù)奠基于最基本的生物學(xué)和力學(xué)的規(guī)律之上，并以數(shù)學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)及運(yùn)動(dòng)技術(shù)原理的形式加以定量描述。第3頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/274二、運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單的、低級(jí)的運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜的、高級(jí)的運(yùn)動(dòng)形式三、人體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性人體是個(gè)開放的系統(tǒng)四、人體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)（一）人體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)方式人體某一部分相對(duì)身體另一部分的空間、時(shí)間位移；人體整體相對(duì)外界環(huán)境的空間、時(shí)間位移；由人體局部位移而造成器械的空間位移。第4頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/275（二）人體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)1．人體機(jī)械運(yùn)動(dòng)有很大的主動(dòng)性和可變性，而不決定于外部條件。2．人體長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作或運(yùn)動(dòng)后易出現(xiàn)疲勞，但經(jīng)過(guò)休整可以完全恢復(fù)。3．人體的大部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式，尤其是體育技術(shù)動(dòng)作都是后天、自發(fā)或自覺(jué)地形成的。4．人體機(jī)械運(yùn)動(dòng)受大腦皮質(zhì)的控制、調(diào)節(jié)并有意識(shí)參與。

第5頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/276第二節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容一、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的任務(wù)（一）運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)科任務(wù)1．研究人體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)功能之間的相互關(guān)系。2．研究人體技術(shù)動(dòng)作的規(guī)律。3．研究運(yùn)動(dòng)技術(shù)的最佳化。4．研究、設(shè)技和改造運(yùn)動(dòng)器械。5．研究運(yùn)動(dòng)損傷的原因和預(yù)防措施。6．為運(yùn)動(dòng)選材提供生物力學(xué)參數(shù)。第6頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/277（二）運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)課程任務(wù)1．深刻理解體育動(dòng)作的生物力學(xué)原理，探索運(yùn)動(dòng)技術(shù)的力學(xué)規(guī)律。2．?dāng)U大知識(shí)視野。3．學(xué)習(xí)從事運(yùn)動(dòng)技術(shù)科學(xué)研究的生物力學(xué)理論和方法。第7頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/278二、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的課程內(nèi)容1.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)概論2.人體運(yùn)動(dòng)實(shí)用力學(xué)基礎(chǔ)3．骨、肌肉及人體基本活動(dòng)的生物力學(xué)4.人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集及處理5.運(yùn)動(dòng)技術(shù)的生物力學(xué)分析

三、學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的指導(dǎo)思想（一）系統(tǒng)分析的觀點(diǎn)（二）發(fā)展變化和對(duì)立統(tǒng)一的觀點(diǎn)（三）內(nèi)外力相互作用和人體內(nèi)力起主導(dǎo)作用的觀點(diǎn)第8頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/279第三節(jié)

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的應(yīng)用、前景與發(fā)展一、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的應(yīng)用二、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)發(fā)展趨勢(shì)（一）分類1．基礎(chǔ)研究2．理論研究3．應(yīng)用研究（二）趨勢(shì)1．同步化2．模型化3．最佳化4．準(zhǔn)確化5．計(jì)算機(jī)化（核心）第9頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2710第10頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2711第二章運(yùn)動(dòng)器系的生物力學(xué)特性本章主要內(nèi)容1、人體骨、關(guān)節(jié)軟骨、韌帶、肌腱、關(guān)節(jié)及骨骼肌的生物力學(xué)特性；2、運(yùn)動(dòng)器系整體的生物力學(xué)特性及在運(yùn)動(dòng)中骨、關(guān)節(jié)、肌肉的相互作用規(guī)律；3、人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)作結(jié)構(gòu)與動(dòng)作系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)。

第11頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2712第一節(jié)骨的生物力學(xué)特性

骨骼系統(tǒng)的作用是保護(hù)內(nèi)臟器官，支持人體，為骨骼肌提供附著部位，以利于肌肉工作和人體運(yùn)動(dòng)。

一、骨結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性（一）骨形態(tài)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)屬性對(duì)力學(xué)特性的影響

1、骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響（1）骨分類：分為長(zhǎng)、短、扁和不規(guī)則4種類型。（2）骨分布：骨的分布和力學(xué)功能是相適應(yīng)的長(zhǎng)骨分布于四肢，在肌肉的牽拉下，能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。短骨多是立方形，分布于負(fù)重壓而運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的部位，如腕骨和跗骨。扁骨呈板狀。若干扁骨圍成空腔，有保護(hù)作用，如顱骨圍成顱腔，容納和保護(hù)腦。不規(guī)則骨形狀不規(guī)則，如椎骨等。第12頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/27132、物理化學(xué)屬性的影響（1）骨具有兩種最基本的物理屬性。即硬度和彈性。骨之所以能具有一定的硬度和一定的彈性，取決于骨的化學(xué)成分。成人枯骨由含有1／3的有機(jī)物(膠原纖維)和2／3的無(wú)機(jī)物(主要是鈣和磷等)組成。（2）有機(jī)物使骨具有彈性無(wú)機(jī)物則使骨堅(jiān)硬而脆，它能提高骨的強(qiáng)度。骨內(nèi)的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的比例，隨著年齡和生活條件而異，年齡越小，骨內(nèi)有機(jī)物相對(duì)較多，因此小兒骨的彈性較大，較易發(fā)生變形。老年入骨無(wú)機(jī)物相對(duì)增多而變得脆弱，較易發(fā)生骨折。第13頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2714(二)骨組織的力學(xué)特性

1．各向異性

骨的結(jié)構(gòu)為中間多孔介質(zhì)的夾層結(jié)構(gòu)材料。2．彈性和堅(jiān)固性

骨組織中大約有25％～30％是水，其余70％，75％是無(wú)機(jī)物和有機(jī)物。有機(jī)成分組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使骨具有彈性。無(wú)機(jī)成分填充在有機(jī)物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅(jiān)固性，能承受各種形式的應(yīng)力。第14頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2715物理性能鋼骨花崗石洋松密度／g.cm-27.81.87～1.972.60.63沿縱軸的最高張力強(qiáng)度／N.cm-241571.69114～11760490632.1沿縱軸的最高壓力強(qiáng)度／N.cm-24155211858～20580132304155.2垂直縱軸的切變強(qiáng)度／N.cm-234398116621381.81038.8平行縱軸的切變強(qiáng)度／N.cm-2

—4949——3．骨是人體理想的結(jié)構(gòu)材料

表2-1人脛骨與其他材料比較第15頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/27164.耐沖擊力和持續(xù)力差

不同載荷作用時(shí)，若在骨中所引起的張力分布一樣，但效果不一樣，兩者相等時(shí)，沖擊力在骨中引起的變化較大，也就是說(shuō)，骨對(duì)沖擊力的抵抗比較小。另一方面，骨的耐持續(xù)性能比較差，同其他材料相比，抗疲勞性能亦差。5．機(jī)械力對(duì)骨結(jié)構(gòu)的影響

在骨承受載荷的限度內(nèi)，成人骨對(duì)機(jī)械力的反應(yīng)是由應(yīng)力的值所決定的。骨對(duì)生理應(yīng)力刺激的反應(yīng)往往處于平衡狀態(tài)，應(yīng)力越大，骨的增生和密度增厚越強(qiáng)。

第16頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2717

6．應(yīng)力強(qiáng)度的方向性

骨結(jié)構(gòu)中骨密質(zhì)和骨松質(zhì)中的密度不同，它們承受的力量也就不同。骨密質(zhì)的多孔性程度占5％～30％，而骨松質(zhì)卻占30％～90％，骨密質(zhì)的剛性比骨松質(zhì)大，骨密質(zhì)的變形(約2％)比骨松質(zhì)的變形(約7％)小。第17頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2718

二、骨的力學(xué)特征骨由骨密質(zhì)與骨松質(zhì)組成。骨密質(zhì)是一種由骨單位、骨間質(zhì)系統(tǒng)和有機(jī)的粘彈性的聯(lián)接物質(zhì)共同構(gòu)成的復(fù)合材料。骨松質(zhì)則是由許多針狀和片狀的骨小梁相交織成網(wǎng)格形的蜂窩狀固體。骨松質(zhì)與骨密質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，其力學(xué)性質(zhì)也截然不同。第18頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2719（一)骨密質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)

1．應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系

屈服點(diǎn)（B)，即過(guò)此點(diǎn)骨就會(huì)發(fā)生某種持久變形，極限斷裂點(diǎn)(C)．即過(guò)此點(diǎn)標(biāo)本發(fā)生破壞。第19頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2720

2．不同載荷作用下骨密質(zhì)的特性

(1)拉伸人在股骨和肱骨的拉仲?gòu)?qiáng)度相近，約為125×106N／m2。較大拉伸載荷的作用下骨會(huì)伸長(zhǎng)。骨組織在拉伸載荷下斷裂的機(jī)理主要是結(jié)合線的分離和骨單位的脫離。如在跟腱附著點(diǎn)附近的跟骨骨折，就是由于小腿三頭肌的強(qiáng)力收縮對(duì)跟骨產(chǎn)生異常大的拉伸載荷引起的。

(2)壓縮

骨干最經(jīng)常承受的載荷是壓縮載荷，而且壓縮負(fù)荷能夠刺激新生骨的生長(zhǎng)，促進(jìn)骨折的愈合。

人股骨所能承的最大壓縮強(qiáng)度為170×106N／m2,比拉伸強(qiáng)度大36％左右。第20頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2721

(3)彎曲

當(dāng)骨承受彎曲載荷時(shí)，骨要同時(shí)受到拉伸和壓縮，而且骨有一中性軸，在中性軸的凹側(cè)的骨受壓縮應(yīng)力，凸側(cè)受拉伸應(yīng)力。在中性軸上沒(méi)有應(yīng)力。應(yīng)力的大小與至骨干中性軸的距離成正比．距中性軸越遠(yuǎn)，應(yīng)力越大。由于骨是不對(duì)稱的，所以拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力可不相等。骨受外力作用而彎曲往往是造成骨傷和骨折的原因之一，尤其是沖擊彎曲影響更大。第21頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2722(4)剪切

剪切載荷作用時(shí)，載荷施加方向與骨表面平行或垂直，且在骨內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力和剪應(yīng)變。骨剪切載荷時(shí)其內(nèi)部發(fā)生角變形。通過(guò)對(duì)骨進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，骨密質(zhì)的剪切強(qiáng)度要大于骨松質(zhì)的剪切強(qiáng)度，垂直于骨纖維方向的剪切強(qiáng)度要明顯大于順纖維方向的剪切強(qiáng)度。第22頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2723(5)扭轉(zhuǎn)載荷加于物體上使其沿軸線產(chǎn)生扭曲時(shí)，即形成扭轉(zhuǎn)。當(dāng)骨受到扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，骨將沿其軸線產(chǎn)生扭曲。當(dāng)骨發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)骨都有剪應(yīng)力分布，且剪應(yīng)力的量值與其距中性軸的距離成正比，距中軸越遠(yuǎn)，剪應(yīng)力越大。圖2—11是成人骨密質(zhì)試樣壓縮、拉伸和剪切試驗(yàn)時(shí)的極限應(yīng)力比較。第23頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2724(6)復(fù)合載荷物體同時(shí)受到多種載荷的作用?；铙w骨承受載荷是很復(fù)雜的，多屬于復(fù)合載荷。在人的日常生活和體育運(yùn)動(dòng)中，骨干上的載狀況并非是單一的載荷，作用在體內(nèi)骨的載荷是復(fù)雜多變的，往往是多種載荷的復(fù)合。例如，人體髖關(guān)節(jié)的股骨頸斷裂時(shí)，它是壓、彎、剪切力3種載荷的復(fù)合。又如，人體腔骨在步行狀態(tài)時(shí)，在脛骨上的載荷往往也是在變的，它也是幾種載荷的復(fù)合；如圖2—12。第24頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2725（7）沖擊載荷

骨在沖擊載荷作用下產(chǎn)生損傷的程度和損傷的形式，一方面取決于沖擊載荷具有的能量大小，另一方面還取決于沖擊載荷作用的時(shí)間，沖擊能力越大造成的骨損傷越厲害。骨承受沖擊能力的大小與骨的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。有人進(jìn)行骷實(shí)驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)頭顱骨耐沖擊能力要比長(zhǎng)骨高40％左右，其原因一方面在于顱骨為扁骨，內(nèi)外表面是密質(zhì)骨骨板，中間一層海綿骨具有吸收沖擊能的作用；另一方面顱骨呈薄殼狀結(jié)構(gòu)，具有良好的承受外部載荷的能力。第25頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/27263．骨密質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)與年齡、性別的關(guān)系骨密質(zhì)的年齡與性剮特征在骨的生理學(xué)、病理學(xué)及臨床研究中具有重要的意義。雖然骨平均密度男性與女性沒(méi)有顯著性差異(表2—2)，但在骨的生長(zhǎng)過(guò)程中，骨密質(zhì)的密度隨年齡而變化。特別是女性，在24～85歲范圍內(nèi)密度降低約8％。一般說(shuō)，男子骨密質(zhì)的抗壓縮強(qiáng)度在26歲左右時(shí)最低，到31歲左右最大，然后隨年齡的增加而逐漸下降。

男

女

平均值／g.cm-21.791.80

標(biāo)準(zhǔn)差

0.0600.066P0.631表2-2男女長(zhǎng)骨骨干平均密度的比較第26頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/27274．骨松質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)

人體椎骨、肋骨頭和顱顱骨上的骨松質(zhì)，發(fā)現(xiàn)骨松質(zhì)的密度與結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。當(dāng)骨松質(zhì)的相對(duì)密度(骨松質(zhì)的密度ρ與骨小梁的密度ρS比為相對(duì)密度)較低，小于0．13g／cm3時(shí)，骨松質(zhì)的結(jié)構(gòu)是針狀的網(wǎng)格。當(dāng)相對(duì)密度增加，大于0．2g／cm3時(shí)，較多的材料聚集在網(wǎng)格壁上，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺畹妮^致密的網(wǎng)格。中等相對(duì)密度的骨松質(zhì)結(jié)構(gòu)是針狀和片狀網(wǎng)格混合而成。第27頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2728在壓縮情況下，骨松質(zhì)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(圖2一13)與典型的蜂窩狀固體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線相似。曲線可分為3個(gè)部分，初始的線部分，中部的較平穩(wěn)階段和最后的突增階段。據(jù)報(bào)道．骨松質(zhì)的抗壓縮強(qiáng)度與其密度的平方成正比。當(dāng)相對(duì)密度增加時(shí)，骨松質(zhì)的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度增加。

第28頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2729青年和老年骨的極限強(qiáng)度相似，但老年骨試樣僅能耐受青年骨試樣的應(yīng)變的一半，說(shuō)明老年骨的延展性低于青年骨，破壞時(shí)能量貯存亦少。因此，人們常說(shuō)老年人的骨脆，也即是說(shuō)老年人的骨骼變形能力差。第29頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2730

三、骨疲勞人在不斷運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，骨會(huì)反復(fù)受力，當(dāng)這種反復(fù)作用的力超過(guò)某一生理限度時(shí)會(huì)使骨組織受到損傷，這種循環(huán)載荷下造成骨的損傷為疲勞性損傷。所有物質(zhì)，其載荷和重復(fù)作用的關(guān)系都能作成一條疲勞曲線(圖2—15)。有些物質(zhì)(如某些金屬)，它們的疲勞曲線是漸近的，這說(shuō)明如果載荷保持低于某一水平的話，不管重復(fù)的次數(shù)多少，此物質(zhì)將仍保持完好，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的骨，曲線不是漸近的，因?yàn)楣窃诮?jīng)受低載荷重復(fù)作用時(shí)，可產(chǎn)生疲勞性微骨折。第30頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2731骨疲勞的特征有第一，疲勞性骨折或永久性彎曲(塑性形變)；第二，周期性載荷引起的骨折，開始于應(yīng)力集中點(diǎn)，形成蚌殼式裂紋；第三，疲勞過(guò)程如圖2—16；第四，重復(fù)載荷的

第五，骨的疲勞極限可以通過(guò)疲勞試驗(yàn)加以測(cè)定，約為3.45kN／cm2。

第六，疲勞壽命隨載荷增加而減小，隨溫度升高亦減小，而隨密度的增加而增加。第31頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2732四、肌肉活動(dòng)對(duì)骨應(yīng)力的影響

骨承受載荷時(shí)，附著于骨骼上的肌肉收縮可改變骨的應(yīng)力分布情況。肌肉收縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力，能部分或全部抵消作用于骨骼上的張應(yīng)力。

圖2—17A所示一名向下滑行的滑雪者的小腿脛骨承受了彎曲力矩的作用，此時(shí)脛骨后面產(chǎn)生了很大的拉應(yīng)力，而脛骨前面則受大壓應(yīng)力的作用。由于小腿三頭肌收縮，對(duì)脛骨后面產(chǎn)生大的壓應(yīng)力(圖2一17B)，抵消了其很大的張應(yīng)力，因此能保護(hù)脛骨免受大張力之害。同時(shí)，此肌肉收縮還對(duì)脛骨前面產(chǎn)生大的壓應(yīng)力，成人骨一般能夠承受這個(gè)應(yīng)力，但發(fā)育未成熟的骨，比較纖弱，會(huì)由于壓應(yīng)力過(guò)大而受損。第32頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2733

在50歲以上人群中,骨性關(guān)節(jié)病在導(dǎo)致長(zhǎng)期殘疾的疾病中僅次于心血管疾病排在第二,人類的關(guān)節(jié)可以在30歲左右就產(chǎn)生沒(méi)有癥狀的退化改變,且女性膝關(guān)節(jié)病人比例比男性更高。日常生活中步行對(duì)膝關(guān)節(jié)的力學(xué)刺激最為普遍,研究人步行中膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性對(duì)認(rèn)識(shí)關(guān)節(jié)力學(xué)行為,有意識(shí)的保護(hù)關(guān)節(jié),減少關(guān)節(jié)損傷有積極意義。人在坡路等不同足地界面下行走時(shí),步態(tài)會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)人體三維步態(tài)實(shí)驗(yàn)研究和分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)女性穿鞋跟高度不同的鞋子行走時(shí),膝關(guān)節(jié)在矢狀面、冠狀面及水平面所受力矩出現(xiàn)不同程度的變化,同時(shí)對(duì)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的影響也非常顯著,特別表現(xiàn)在矢狀面和水平面膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍減少,在冠狀面膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍增加。實(shí)例1第33頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2734第三節(jié)

關(guān)節(jié)軟骨、韌帶、肌腱的生物力學(xué)特性

一、關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)特性

關(guān)節(jié)是人體中重要的骨與骨可動(dòng)連接，是活動(dòng)杠桿的支點(diǎn)。關(guān)節(jié)的作用一是保證人體的運(yùn)動(dòng)，二是傳遞力。

在有滑液的或能自由運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)內(nèi)，被連結(jié)的骨的末端被1～5mm厚致密無(wú)色的結(jié)締組織和關(guān)節(jié)軟骨所覆蓋。

關(guān)節(jié)軟骨既使力在關(guān)節(jié)中的傳遞變得均勻，又提供了潤(rùn)滑良好的關(guān)節(jié)面，使關(guān)節(jié)能靈活運(yùn)動(dòng)而且少受磨損。一般來(lái)說(shuō)，關(guān)節(jié)軟骨是一種各向異性、非均勻、粘彈性、充滿液體的可滲透物質(zhì)。第34頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2735

(一)滲透性第一種液體輸送機(jī)制是隙閉液體可以借助于組織兩邊液體的正壓力梯度終過(guò)多孔的可滲透基質(zhì)后輸送。液體的輸送與壓力梯度成正比(圖2—18A)；第二種液體輸送機(jī)制是軟骨基質(zhì)的形變(圖2—18B)．

關(guān)節(jié)軟骨是一種粘彈性材料，但它與眾不同的特點(diǎn)在于關(guān)節(jié)軟骨為多孔材料，組織間隙中充滿著液體，在應(yīng)力作用下，液體可在組織中流進(jìn)流出第35頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2736由于關(guān)節(jié)軟骨對(duì)液體的流動(dòng)有很大的阻力，也就是滲透性能低，所以它的材料性能與載荷的施加和消除速率密切相關(guān)。在快速加載與減載的情況下，沒(méi)有時(shí)間讓軟骨組織將液體擠出(如跳躍時(shí))。軟骨組織有點(diǎn)像一種彈性單相物質(zhì)，加載時(shí)立即變形，卸載后又立即復(fù)原。但如果緩慢地對(duì)軟骨組織施加載荷并維持恒定，如長(zhǎng)期站立時(shí)，隨著液體被擠出，組織變形將不斷增加。消除載荷后，如果有充分的時(shí)間使組織獲得足夠的液體，組織就可以恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)。上述材料性能的兩種類型是：①與時(shí)間無(wú)關(guān)的或稱彈性材料特性(可復(fù)原)；②與時(shí)間有關(guān)的或稱粘彈性材料特性(也面復(fù)原)。(二)關(guān)節(jié)軟骨的材料性能與負(fù)載速度的關(guān)系第36頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2737曲線最初的低坡部分是由于施加拉力的方向與膠原蛋白結(jié)構(gòu)的排列一致。最后，曲線的陡峭部分代表膠原蛋白本身的拉伸剛度。正常成人關(guān)節(jié)軟骨的抗張硬度和抗張強(qiáng)度，隨著離關(guān)節(jié)面的距離增加而減少。這些結(jié)果使人們相信膠原蛋白豐富密集的軟骨表淺層對(duì)軟骨組織起一種類似堅(jiān)韌耐磨的保護(hù)層的作用

（三）單軸向張力下關(guān)節(jié)軟骨的性能第37頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2738對(duì)粘彈性材料進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn)，可作為一種測(cè)定隨時(shí)間變化的材料反應(yīng)的方法。瞬時(shí)對(duì)標(biāo)本施加固定的載荷并維持到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，在施加載荷的情況下，壓縮性變形持續(xù)加重，這就是標(biāo)本的“蠕變”，直至獲得一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)或一個(gè)漸進(jìn)值為止。

(四)關(guān)節(jié)軟骨的蠕變反應(yīng)第38頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2739(五)潤(rùn)滑作用關(guān)節(jié)軟骨相當(dāng)于滑動(dòng)軸承的軸瓦，作為滑膜關(guān)節(jié)中襯墊骨的軸承，在關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)防止磨損方面起著非凡的潤(rùn)滑作用。摩擦系數(shù)比油對(duì)金屬的潤(rùn)滑低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比最好的人工材料低許多倍。成年人的關(guān)節(jié)軟骨幾乎沒(méi)有再生能力，但能維持幾十年的磨損壽命。潤(rùn)滑界面潤(rùn)滑液膜潤(rùn)滑是依靠化學(xué)吸附于接觸固體表面的單層潤(rùn)滑分子來(lái)進(jìn)行。一層較厚的潤(rùn)滑劑膜使兩個(gè)承載面之間產(chǎn)生較大的間隙，這層液膜內(nèi)的壓力可支持承載面上的負(fù)荷。第39頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2740第40頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2741

(六)磨損磨損，是指由于機(jī)械作用引起的固體表面物質(zhì)喪失。就像摩擦一樣，可把磨損分成：承載面之間相互作用引起的界面磨損和接觸體變形引起的疲勞性磨損兩種。第41頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2742二、韌帶、肌腱結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性

韌帶和肌腱都由致密結(jié)締組織構(gòu)成，主要含有膠原纖維、彈性纖維及成纖維細(xì)胞。其形態(tài)特點(diǎn)是細(xì)胞成分少，纖維成分多，排列緊密。所不同的是人體肌腱和大多數(shù)韌帶都是以膠原纖維為主，只有項(xiàng)韌帶和黃韌帶是以彈性纖維為主。(一)應(yīng)力一應(yīng)變曲線

在肌腱和韌帶中，膠原纖維和彈性纖維的排列不同，以滿足各種不同的功能要求。肌腱中纖維幾乎完全是平行排列的，這使它能夠承受很高的拉伸載荷。韌帶中纖維排列的方向一致性較差，排列情況隨韌帶的功能不同而變化。纖維在受載和不受載情況下也具有不同的狀況。不受載時(shí)纖維松弛呈波浪形，施加載荷時(shí)，與載荷方向一致的纖維被拉緊，此時(shí)被拉直的纖維在生理允許范圍內(nèi)承受著載荷。

第42頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2743膠原纖維拉伸曲線彈性纖維拉伸曲線第43頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/2744膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶的載荷、變形曲線韌帶內(nèi)的膠原纖維占90％，因此，這是典型的膠原纖維的受力曲線，如同肌腱和絕大多數(shù)韌帶。曲線有5個(gè)明顯的區(qū)域：第44頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/27451．韌帶和肌腱的材料力學(xué)性質(zhì)與溫度、加載速度、應(yīng)變量等試驗(yàn)條件密切相關(guān)2．韌帶的強(qiáng)度和剛度受應(yīng)力大小影響：應(yīng)力增加，韌帶的強(qiáng)度和剛度會(huì)增加，而應(yīng)力減少時(shí)強(qiáng)度和剛度也減少。體育鍛煉可能使人體的韌帶的強(qiáng)度和剛度增加，使韌帶增粗。

(二)影響韌帶和肌腱力學(xué)特性的因素靈長(zhǎng)類動(dòng)物關(guān)節(jié)制動(dòng)實(shí)驗(yàn)第45頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/27464．年齡對(duì)韌帶力學(xué)性質(zhì)的影響

3．運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)韌帶力學(xué)性質(zhì)的影響

隨年齡增長(zhǎng)，前交叉韌帶所能承受的最大破壞載荷、能量貯存能力及剛度均下降2～3倍。第46頁(yè)，講稿共52頁(yè)，2023年5月2日，星期三2023/6/27475．時(shí)間對(duì)韌帶力學(xué)性質(zhì)的影響松弛：如將試件固定在一定變形之下，開始時(shí)材料內(nèi)部有較大的應(yīng)力，以后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，該應(yīng)力逐漸減小，這一過(guò)程稱為松弛。蠕變：