康復(fù)醫(yī)學(xué)：運(yùn)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

運(yùn)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)（一）人體生物力學(xué)的概念1、人體力的種類力學(xué)是研究物體間相互作用的力與物體發(fā)生位移（運(yùn)動(dòng)）之間關(guān)系的物理學(xué)分支。自然界常見的力有重力、引力、壓力等，這些力作用于物體使之發(fā)生位置或狀態(tài)的改變，物體之間發(fā)生位置變化的過程稱之為運(yùn)動(dòng)。與人體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的力主要有內(nèi)力和外力兩種。（1）內(nèi)力是指人體內(nèi)部各種組織器官相互作用的力。其中最重要的首先是肌肉收縮所產(chǎn)生的主動(dòng)拉力，是維持人體姿勢(shì)和產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力；其次是各種組織器官的被動(dòng)阻力，包括肌肉、骨、軟骨、關(guān)節(jié)囊、韌帶、筋膜等受壓力或拉力作用時(shí)對(duì)抗變形的阻力，軀體的慣性力和內(nèi)臟器官間的摩擦力及其固定裝置(如腹膜、腸系膜、大血管等)的阻力等。（2）外力是指外界環(huán)境作用于人體的力，包括重力、器械的阻力、支撐反作用力、摩擦力及流體作用力。各種外力經(jīng)常被利用來作為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的負(fù)荷，這種負(fù)荷要求肢體運(yùn)動(dòng)的方向和力量與之相適應(yīng)，因而選擇投入工作的肌群及其收縮強(qiáng)度，這是肌力訓(xùn)練的方法學(xué)理論基礎(chǔ)。2、人體杠桿人的軀體運(yùn)動(dòng)遵循杠桿原理，各種復(fù)雜動(dòng)作都可分解為一系列的杠桿運(yùn)動(dòng)。杠桿包括支點(diǎn)、力點(diǎn)和阻力點(diǎn)。支點(diǎn)到力點(diǎn)的垂直距離為力臂，支點(diǎn)到阻力點(diǎn)的垂直距離為阻力臂。根據(jù)杠桿上三個(gè)點(diǎn)的不同位置關(guān)系，可將杠桿分成三類：（1）第1類杠桿（平衡杠桿）其支點(diǎn)位于力點(diǎn)與阻力點(diǎn)之間。如頭顱與脊柱的連結(jié)，支點(diǎn)位于寰枕關(guān)節(jié)的額狀軸上，力點(diǎn)(如斜方肌、肩胛提肌、頭夾肌等的作用點(diǎn))在支點(diǎn)的后方，阻力點(diǎn)(頭的重心)位于支點(diǎn)的前方。主要作用是傳遞動(dòng)力和保持平衡，支點(diǎn)靠近力點(diǎn)時(shí)有增大速度和幅度的作用，支點(diǎn)靠近阻力點(diǎn)時(shí)有省力的作用。（2）第2類杠桿（省力杠桿）其阻力點(diǎn)位于力點(diǎn)和支點(diǎn)的之間。如站立位提踵時(shí)，以跖趾關(guān)節(jié)為支點(diǎn)，小腿三頭肌以粗大的跟腱附著于跟骨上的止點(diǎn)為力點(diǎn)，人體重力通過距骨體形成阻力點(diǎn)，在跗骨與跖骨構(gòu)成的杠桿中位于支點(diǎn)和力點(diǎn)之間。這類杠桿力臂始終大于阻力臂，可用較小的力來克服較大的阻力，有利于作功。（3）第3類杠桿（速度杠桿）其力點(diǎn)位于阻力點(diǎn)和支點(diǎn)的之間。如肱二頭肌屈起前臂的動(dòng)作，支點(diǎn)在肘關(guān)節(jié)中心，力點(diǎn)(肱二頭肌在橈骨粗隆上的止點(diǎn))在支點(diǎn)和阻力點(diǎn)(手及所持重物的重心)的中間。此類杠桿因?yàn)榱Ρ凼冀K小于阻力臂，力必須大于阻力才能引起運(yùn)動(dòng)，不省力，但可以獲得較大的運(yùn)動(dòng)速度。人體活動(dòng)大部分是速度杠桿。（二）運(yùn)動(dòng)平面和運(yùn)動(dòng)軸記述人體運(yùn)動(dòng)通常采用基本姿勢(shì)位，將人體運(yùn)動(dòng)的方向用三個(gè)相互垂直的平面和軸來表示。1、基本姿勢(shì)位（1）基本姿勢(shì)位是人體運(yùn)動(dòng)的始發(fā)姿勢(shì)。身體直立，面向前，雙目平視，雙足并立，足尖向前，雙手下垂于身體兩側(cè)，掌心貼于體側(cè)。（2）解剖學(xué)體位是闡述人體各部位結(jié)構(gòu)位置關(guān)系時(shí)采用的體位。身體直立，雙眼向前平視，兩腳跟靠攏，足尖向前，兩上肢垂于軀干兩側(cè)，手掌向前。2、基本運(yùn)動(dòng)平面人體可分為三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)平面，即矢狀面、額狀面和水平面，相互間呈垂直狀。矢狀面是與人體側(cè)面向平行的面，把人分為左右兩部分；額狀面是與身體前或后面平行的面，把身體分為前后兩部分；水平面則是與地面平行的面，把人體分為上下兩部分。3、基本運(yùn)動(dòng)軸與基本運(yùn)動(dòng)平面相適應(yīng)，有矢狀軸、額狀軸和垂直軸3個(gè)基本運(yùn)動(dòng)軸。矢狀軸是沿前后方向垂直通過額狀面的軸；額狀軸是沿左右方向垂直通過矢狀面的軸；垂直軸是沿上下方向垂直通過水平面的軸。（三）骨骼的生物力學(xué)特性骨主要由細(xì)胞、膠原纖維與羥磷灰石組成，有密質(zhì)骨與松質(zhì)骨之分，二者的強(qiáng)度與剛度不同。成人成熟密質(zhì)骨的極限應(yīng)力值為：壓縮＞拉伸＞剪切。影響骨骼強(qiáng)度與剛度的因素：（１）應(yīng)力肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的壓應(yīng)力可減少或抵消作用于骨的拉應(yīng)力，保護(hù)骨免受拉伸骨折。（２）載荷速度骨的能量?jī)?chǔ)存，隨著載荷速度增加而增加。骨折時(shí)所儲(chǔ)能量要釋放出來。在低速下能量可通過單個(gè)裂紋散失，使骨及軟組織保持相對(duì)完整性；但在高速下，所儲(chǔ)更大能量不能通過單個(gè)裂紋散失，故可發(fā)生粉碎性骨折及廣泛的軟組織損傷。（３）骨的大小、形狀和特性骨的橫截面積(大小)及骨組織在中軸周圍的分布(形狀)均影響骨的強(qiáng)度。（四）關(guān)節(jié)的力學(xué)特性關(guān)節(jié)面的形態(tài)及結(jié)構(gòu)決定了關(guān)節(jié)可能活動(dòng)的軸，所有的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)都可以分解為環(huán)繞三個(gè)相互垂直的軸心，沿三個(gè)相互垂直的平面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。即環(huán)繞額狀軸在矢狀面上的運(yùn)動(dòng)，環(huán)繞矢狀軸在額狀面上的運(yùn)動(dòng)，環(huán)繞垂直軸在水平面上的運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)軸的活動(dòng)方向就是自由度，具有兩個(gè)以上自由度的關(guān)節(jié)都可做繞環(huán)運(yùn)動(dòng)。1、關(guān)節(jié)的分型（1）單軸關(guān)節(jié)圍繞一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸而在一個(gè)平面上運(yùn)動(dòng)，如指間關(guān)節(jié)（滑車關(guān)節(jié)），近側(cè)、遠(yuǎn)側(cè)橈尺關(guān)節(jié)(車軸關(guān)節(jié))的屈伸運(yùn)動(dòng)。（2）雙軸關(guān)節(jié)圍繞兩個(gè)互為垂直的運(yùn)動(dòng)軸并在兩個(gè)平面上運(yùn)動(dòng)，包括：橈腕關(guān)節(jié)（橢圓關(guān)節(jié)）、拇指腕掌關(guān)節(jié)（鞍狀關(guān)節(jié)）的屈伸、收展和環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（3）三軸關(guān)節(jié)圍繞三個(gè)互相垂直的運(yùn)動(dòng)軸并在三個(gè)平面上運(yùn)動(dòng)，可做屈伸、收展及旋轉(zhuǎn)、環(huán)轉(zhuǎn)等多方向的運(yùn)動(dòng)。包括：肩關(guān)節(jié)（球窩關(guān)節(jié)）、髖關(guān)節(jié)（杵臼關(guān)節(jié)）、肩鎖關(guān)節(jié)（平面關(guān)節(jié)）。2、關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和靈活性關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)幅度取決于關(guān)節(jié)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，后者又決定了關(guān)節(jié)的功能。各關(guān)節(jié)在形態(tài)和結(jié)構(gòu)上各有其特點(diǎn)，穩(wěn)定性大的關(guān)節(jié)（例如膝關(guān)節(jié)）活動(dòng)度較小，靈活性較差；而靈活性大的關(guān)節(jié)（例如肩關(guān)節(jié)）穩(wěn)定性較差。影響關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和靈活性的因素：構(gòu)成關(guān)節(jié)的兩個(gè)關(guān)節(jié)面的弧度之差、關(guān)節(jié)囊的厚薄與松緊度、關(guān)節(jié)韌帶的強(qiáng)弱與多少、關(guān)節(jié)周圍肌群的強(qiáng)弱與伸展性。骨骼和韌帶對(duì)關(guān)節(jié)的靜態(tài)穩(wěn)定起主要作用，肌肉對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定起重要作用。（五）肌肉的力學(xué)特性每塊肌肉由許多肌纖維組成。每條肌纖維是一個(gè)肌細(xì)胞，外包肌膜(即細(xì)胞膜)，內(nèi)有肌漿(即細(xì)胞質(zhì))。在肌漿中含有豐富的肌原纖維，每條肌原纖維上都呈現(xiàn)出明暗相間的橫紋，故骨骼肌又稱橫紋肌。1、肌肉的理化特性（1）興奮性和收縮性肌肉的興奮性和收縮性表現(xiàn)為在刺激作用下能發(fā)生興奮和產(chǎn)生收縮的反應(yīng)。（2）伸展性和彈性肌肉的伸展性指肌肉在放松狀態(tài)下，受到外力的作用時(shí)長(zhǎng)度延伸的能力；肌肉的彈性是指當(dāng)外力去除后，肌肉恢復(fù)原來長(zhǎng)度的能力。2、肌力的影響因素（1）肌肉的生理橫斷面每條肌纖維橫斷面之和為肌肉的生理橫斷面，單位生理橫斷面肌纖維全部興奮時(shí)所能產(chǎn)生的最大肌力，稱為絕對(duì)肌力。（2）肌肉的初長(zhǎng)度指收縮前的長(zhǎng)度。當(dāng)肌肉被牽拉至靜息長(zhǎng)度的1.2倍時(shí)，肌力最大。（3）運(yùn)動(dòng)單位募集指進(jìn)行特定活動(dòng)動(dòng)作時(shí)，通過大腦皮質(zhì)的運(yùn)動(dòng)程序，調(diào)集相應(yīng)數(shù)量的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元及其所支配的肌肉纖維的興奮和收縮過程。運(yùn)動(dòng)單位募集越多，肌力就越大。運(yùn)動(dòng)單位募集受中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能狀態(tài)的影響，當(dāng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)發(fā)出的沖動(dòng)強(qiáng)度大時(shí)，動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)單位就多；當(dāng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)沖動(dòng)的頻率高時(shí)，激活的運(yùn)動(dòng)單位也多。（4）肌纖維走向與肌腱長(zhǎng)軸的關(guān)系：一般肌纖維走向與肌腱長(zhǎng)軸相一致，但也有不一致的。如在一些較大的肌肉中，部分肌纖維與肌腱形成一定的角度而呈羽狀連接。羽狀連接的肌纖維越多，成角也較大，肌肉較粗，能產(chǎn)生較多的力，如腓腸肌，具有較強(qiáng)的收縮力。而比目魚肌，肌纖維與肌腱的連接很少成角，故具有較高的持續(xù)等長(zhǎng)收縮能力。（5）杠桿效率：肌肉收縮產(chǎn)生的實(shí)際力矩輸出，受運(yùn)動(dòng)節(jié)段杠桿效率的影響。有報(bào)道髕骨切除后股四頭肌力臂縮短，使伸膝力矩減小約30%。（六）纖維的力學(xué)特性骨骼周圍的肌腱、韌帶、關(guān)節(jié)囊、皮膚，以及外傷后引起的瘢痕組織中的纖維組織，主要由膠原纖維構(gòu)成。由于膠原纖維內(nèi)的細(xì)纖維在末受載荷時(shí)呈波浪狀，載荷開始后膠原纖維被拉直、伸長(zhǎng)，直至屈服點(diǎn)，繼而產(chǎn)生非彈性變形，直至達(dá)到極限而斷裂破壞。破壞時(shí)的變形范圍為6%~8%。1、韌帶的力學(xué)特性（1）韌帶的粘彈性韌帶在牽拉載荷的應(yīng)力作用下呈現(xiàn)以下力學(xué)特征。①非線性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系韌帶膠原纖維并非全部平行排列，當(dāng)韌帶的拉伸載荷開始時(shí)，僅與載荷作用方向一致的纖維承受最大牽伸而被完全拉直。隨著牽伸力越加越大時(shí)，越來越多的非平行纖維受到載荷而被拉直。載荷的不斷增大，韌帶進(jìn)一步延長(zhǎng)，呈現(xiàn)越來越大的剛性，有利于在應(yīng)力下保持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定和牢固。②蠕變?cè)陟o力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，如載荷不再增加，但恒定地維持下去，韌帶還可以緩慢地繼續(xù)延長(zhǎng)。在反復(fù)多次牽伸后也有類似的蠕變現(xiàn)象，即牽伸到達(dá)同樣長(zhǎng)度所需的載荷逐步減少。③應(yīng)力松弛在韌帶受載荷牽伸而延長(zhǎng)時(shí)，如其長(zhǎng)度被維持不變，則韌帶內(nèi)因牽伸而提高的張力會(huì)逐步下降，稱之為應(yīng)力松弛現(xiàn)象。（2）塑性延長(zhǎng)肌腱在載荷牽伸下發(fā)生彈性延長(zhǎng)和塑性延長(zhǎng)。前者在應(yīng)力