9運(yùn)動生物力學(xué)

運(yùn)動生物力學(xué)針灸系康復(fù)醫(yī)學(xué)教研室一、運(yùn)動生物力學(xué)概念運(yùn)動生物力學(xué)是研究人體運(yùn)動力學(xué)規(guī)律的科學(xué)，它是體育科學(xué)的重要組成部分。運(yùn)動生物力學(xué)是研究運(yùn)動中人體機(jī)械運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。

第一節(jié)概述二、運(yùn)動生物力學(xué)的任務(wù)1.研究人體結(jié)構(gòu)與機(jī)能之間的相互關(guān)系2.研究各項動作技術(shù)，確立技術(shù)原理，建立技術(shù)模式3.進(jìn)行動作診斷4.研究、設(shè)計和改進(jìn)運(yùn)動器械5.研究運(yùn)動損傷的原因和預(yù)防措施第二節(jié)骨的生物力學(xué)一、材料力學(xué)基本概念（一）載荷

1.靜載荷與動載荷按照載荷作用的性質(zhì)，可分為靜載荷和動載荷。

2.載荷的表現(xiàn)形式可將載荷分為拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)和復(fù)合載荷。

物體在受到外力作用而變形時，其內(nèi)部各質(zhì)點間的相互作用力發(fā)生變化。這種由于外力作用而引起的固體內(nèi)各質(zhì)點之間相互作用力的改變量，簡稱為內(nèi)力。確定內(nèi)力就是材料力學(xué)要解決的問題。在一物體上沿載面CD截取一部分，圍繞截面上某一點M取一塊微面積

S，如果作用在這一塊微面積上的內(nèi)力

F，可令這里稱為

S上的平均應(yīng)力。（二）應(yīng)力

要研究內(nèi)力在截面上的分布規(guī)律，首先必須研究物體中各點處的變形程度。假設(shè)把物體分為無數(shù)很小的正六面體，沿X軸方向的AB邊原長

X，變形后長度改變了

X，

X稱為線段AB的線變形。伸長時

X為正值，縮短時為負(fù)值。若AB上各點的變形程度相同，則比值為：

表示單位長度的伸長或縮短，稱為線應(yīng)變。若沿AB線段各點變形程度不同，則線應(yīng)變定義為：

（三）應(yīng)變1.彈性階段2.彈塑性階段3.屈服階段4.強(qiáng)化階段5.頸縮階段（四）應(yīng)力——應(yīng)變曲線（五）粘彈性材料的力學(xué)性質(zhì)1.概念彈性材料：外力消除后會恢復(fù)原來的形狀。F=-Kx，K=1。由外力功轉(zhuǎn)換成彈性勢能。粘性材料：0<K<1，粘性材料無固定形狀，其流動過程是不可逆的。由外力功轉(zhuǎn)換成分子勢能。塑性材料：K=0，不能夠恢復(fù)原來形狀的材料。粘彈性材料：既有彈性材料的力學(xué)性質(zhì)，又有粘性材料的力學(xué)性質(zhì)。人體的骨骼、肌肉是粘彈性材料。2.粘彈性材料的特點

滯后：對物體作用周期性的加載和卸載，則加載時的應(yīng)力應(yīng)變曲線同卸載時的應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合。

應(yīng)力松弛：當(dāng)物體突然發(fā)生應(yīng)變時，若應(yīng)變保持一定，則相應(yīng)的應(yīng)力將隨時間的增加而減小。蠕變：若令應(yīng)力保持一定，物體的應(yīng)變隨時間的增加而增大。

二、骨的應(yīng)力——應(yīng)變曲線骨abo-a：彈性階段；a：屈服點；a-b：塑性階段；b：斷裂點骨的強(qiáng)度：是指骨抵抗破壞的能力，用極限應(yīng)力值來表示。骨的剛度：是指骨抵抗形變的能力，用彈性階段的斜率來表示。三、骨的性質(zhì)

骨的力學(xué)性質(zhì)受多種因素的影響，如種族、性別、年齡等。同一根骨的不同部位，其性質(zhì)也不同。與其他材料相比，骨的密度比鋼小的多，它的強(qiáng)度雖小于鋼，但比花崗巖、洋松要大的多。骨是人體最合理的材料，具有高強(qiáng)度、低重量的特點。人體脛骨與其他材料的強(qiáng)度比較

四、骨的受力形式與表現(xiàn)

拉伸壓縮彎曲剪切扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷力和力矩自不同的方向施加于骨上，產(chǎn)生1.拉伸拉伸載荷是自骨的表面向外施加相等而反向的載荷，在骨內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。2.壓縮壓縮載荷為加于骨表面的向內(nèi)而反向的載荷，在骨內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變。3.彎曲使骨沿其軸線發(fā)生彎曲的載荷稱為彎曲載荷。在彎曲負(fù)荷下，骨骼內(nèi)同時產(chǎn)生拉應(yīng)力（凸側(cè)）和壓應(yīng)力（凹側(cè)）。在最外側(cè)，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大，向內(nèi)逐漸減小，在應(yīng)力為零的交界處會出現(xiàn)一個不受力作用的“中性軸“。4.剪切標(biāo)準(zhǔn)的剪切載荷是一對大小相等，方向相反，作用線相距很近的力的作用，有使骨發(fā)生錯動（剪切）的趨勢，在骨骼內(nèi)部的剪切面產(chǎn)生剪應(yīng)力。5.扭轉(zhuǎn)載荷加于骨上使其沿軸線產(chǎn)生扭曲時，即形成扭轉(zhuǎn)。6.復(fù)合載荷由于骨的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，且始終受到多種不定的載荷，因此，在體骨的載荷是復(fù)雜的。四、骨的受力形式與表現(xiàn)

骨的強(qiáng)度大小的排列順序是壓縮、拉伸、彎曲、剪切。說明骨在承受壓力負(fù)荷時不易被破壞，承受剪切負(fù)荷時容易被破壞。五、運(yùn)動對骨的力學(xué)性能的影響

人體從出生后骨骼所受的外力，即使骨產(chǎn)生形變的外源性機(jī)械力可概括為內(nèi)源性肌肉收縮力與外源性反作用力。這些力對骨生長發(fā)育的調(diào)控主要通過調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)生長與骨化、關(guān)節(jié)軟骨的發(fā)育、以及軟骨周緣/骨膜的骨化和軟骨內(nèi)成骨。研究揭示，力學(xué)信號激活骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)通路而成骨。尤其在達(dá)到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

（一）適宜應(yīng)力對骨的力學(xué)性能的良好影響

綜合目前研究結(jié)果，機(jī)械力學(xué)信號可轉(zhuǎn)化成促進(jìn)成骨的生化信號。長期堅持體育鍛煉，可使骨密質(zhì)增厚，骨變粗，骨面肌肉附著處突起明顯，骨小梁的排列根據(jù)拉（張）應(yīng)力和壓應(yīng)力的方向排列更加整齊而有規(guī)律。1．運(yùn)動訓(xùn)練對骨的力學(xué)性能的良好影響2.不同運(yùn)動項目對骨的力學(xué)性能的影響

大量橫向和縱向研究表明，負(fù)重和沖擊性體育運(yùn)動項目（如跑、跳、投、網(wǎng)球和壘球等球類項目）均有助于增加峰值骨量。（二）肌肉活動對骨應(yīng)力分布的影響

骨骼在體內(nèi)受載荷時，附著于骨骼的肌肉收縮可以改變骨骼的應(yīng)力分布。肌肉收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，可以抵消部分外力產(chǎn)生的應(yīng)力，從而減低或消除加于骨骼上的應(yīng)力。（三）常見運(yùn)動性骨損傷生物力學(xué)分析

1．疲勞性骨折疲勞性骨折是一種在運(yùn)動中常見的低應(yīng)力性骨折。當(dāng)骨受低應(yīng)力重復(fù)載荷作用時，常可觀察到疲勞細(xì)微骨折。疲勞骨折的產(chǎn)生不僅與載荷的大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)，而且還與載荷的頻率有關(guān)。（1）疲勞性骨折或永久性彎曲（塑性形變）（2）周期性載荷引起的骨折，開始于應(yīng)力集中點，形成蚌殼式裂紋（3）疲勞過程：（4）重復(fù)載荷的骨疲勞引起的骨折往往是低載荷的情況（5）疲勞壽命隨載荷增加而減小，隨溫度的升高亦減小，而隨密度的增加而增加2.疲勞性骨折的特點及產(chǎn)生過程劇烈運(yùn)動第三節(jié)肌肉的生物力學(xué)一、骨骼肌的物理特性

伸展性：骨骼肌在受到外力牽拉或負(fù)重時可被拉長的特性。

彈性：當(dāng)外力或負(fù)重取消后，肌肉的長度又可恢復(fù)的特性。

粘滯性：肌漿內(nèi)各分子之間的相互摩擦作用所產(chǎn)生的特性。二、肌肉結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型收縮元：代表肌節(jié)中的肌動蛋白和肌球蛋白微絲，興奮時可產(chǎn)生主動張力。并聯(lián)彈性元：代表肌束膜等結(jié)締組織，當(dāng)被牽拉時時產(chǎn)生彈力，稱被動張力。串聯(lián)彈性元：代表肌微絲、橫橋等的固有彈性，當(dāng)收縮元興奮后，使肌肉具有彈性。

整塊肌肉可以認(rèn)為是由許多模型混聯(lián)在一起構(gòu)成的。串聯(lián)構(gòu)成了肌肉的長度，并聯(lián)構(gòu)成了肌肉的厚度。速度性項目和力量性項目在訓(xùn)練與選材時有其特有的形態(tài)特征。FFFFF2FLLLLL2L三、肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的性質(zhì)（一）肌肉張力——長度特性

1.收縮元張力——長度曲線2.并聯(lián)彈性元張力——長度曲線3.肌肉總張力——長度曲線（二）肌肉收縮力——速度特性

上世紀(jì)30年代，Hill的經(jīng)典性工作奠定了骨骼肌力學(xué)的基礎(chǔ)。他取青蛙的縫匠肌為試樣，兩端夾緊，保持長度為L0。以足夠高的頻率和電壓加電刺激，使縫匠肌攣縮產(chǎn)生張力T0。然后將肌肉一端松開，使其張力降為T(T<T0)，則肌肉以速度v縮短。Hill不僅測定了T、v與T0的關(guān)系，還測定了肌肉縮短時產(chǎn)生的熱量，以及維持?jǐn)伩s狀態(tài)所需的熱量。Hill依據(jù)熱力學(xué)第一定律對實驗結(jié)果進(jìn)行分析得方程：(a＋T)(v+b)=b(T0＋a)

從力學(xué)觀點來看，Hili方程描述了骨骼肌收縮時的力一速度關(guān)系。顯然，張力越大，縮短速率越小。四、肌肉的激活狀態(tài)由肌肉激活狀態(tài)過程示意圖說明，興奮后肌肉能迅速地達(dá)到激活狀態(tài)的高峰，但整塊肌肉張力的發(fā)展過程要慢的多。由肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的原理可知，收縮元興奮產(chǎn)生的張力，最初被串聯(lián)彈性元的形變所緩沖。當(dāng)串聯(lián)彈性元的形變達(dá)到一定程度后，收縮元的主動張力才能直接作用于肌肉的起止點，表現(xiàn)為肌肉收縮。五、肌肉收縮的做功與功率（一）肌肉做功

肌肉做功：通常是指肌肉做的機(jī)械功。肌肉做功與載荷有關(guān)，載荷大時做功大，載荷小時做功少。W=F×S（二）肌肉功率

肌肉功率：在很多運(yùn)動中往往要求在極短時間內(nèi)發(fā)揮出最大力量，一般稱爆發(fā)力。這種極短時間內(nèi)肌力的變化可以用力的梯度加以度量，常用下列兩個指標(biāo)中的一個表示：P=W/t=F×S/t

達(dá)到1/2最大力量所需的時間（1/2tmax），稱為力的時間梯度。力的最大值與所需時間的比值Fmax/

tmax，稱為力的速度梯度。

肌肉功率主要取決于速度和力量的乘積。從圖中可看出二者不可能同時達(dá)最大值。因此，我們?nèi)∽畲笏俣鹊?/3和最大力1/3的乘積值定為功率的最大值。P=F×V不同項目肌肉功率的差異六、實例分析（一）利用肌肉力學(xué)模型的串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)分析速度性和力量性項目的運(yùn)動員肌肉特征

根據(jù)肌肉結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型可知，模型的串聯(lián)構(gòu)成了肌纖維的長度，而長度的增加可以增加肌肉的收縮速度，模型的并聯(lián)構(gòu)成了肌肉的粗度，粗度的增加可以增大力量。因此，速度性項群運(yùn)動員的身材比較勻稱，肌肉比較細(xì)長，這有利于速度的發(fā)揮，力量性項群運(yùn)動員身材比較粗壯，肌肉比較發(fā)達(dá)。在選材的過程中應(yīng)注意其特征。F

FFLL2L2FFF（二）利用肌肉力學(xué)模型中彈性元件的特性來說明體育競賽時機(jī)的選擇和準(zhǔn)備活動的作用。

由于肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型中彈性元件為粘彈性體，它表示肌肉具有粘滯性。當(dāng)溫度升高時，粘滯性下降內(nèi)阻減小，溫度下降時，粘滯性增加。所以，我們應(yīng)選擇溫度比較適宜的季節(jié)進(jìn)行比賽，如歐洲一般選擇8月份，而我國一般選擇風(fēng)沙比較小的秋季。為了降低粘滯性、減小內(nèi)阻力，運(yùn)動員在進(jìn)入比賽或訓(xùn)練時，要預(yù)先做大約20min的準(zhǔn)備活動（wormup)來降低肌肉粘滯性。（三）利用肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型來分析體育運(yùn)動中超越器械動作。1.預(yù)先拉長原動肌群，使其在靜息長度下收縮，增加收縮力。2.利用彈性元件所儲存的彈性勢能，節(jié)省能量，增加肌力。靜息長度第四節(jié)人體運(yùn)動的杠桿原理一、概述

支點：是指杠桿繞著轉(zhuǎn)動的軸心點，在肢體杠桿上支點是關(guān)節(jié)的運(yùn)動中心。

力點：動力作用點稱為力點，在骨杠桿上力點是肌肉的附著點。阻力點：阻力在杠桿上的作用點，阻力包括運(yùn)動節(jié)段的重力、運(yùn)動器械的重力及摩擦力等。力臂：從支點到動力作用線的垂直距離。阻力臂：從支點到阻力作用線的垂直距離。力矩：力和力臂的乘積。阻力矩：阻力和阻力臂的乘積。二、杠桿的分類第一類杠桿（平衡杠桿）特征：支點在力點與阻力點中間，主要作用是傳遞動力和保持平衡，支點靠近力點時有增大速度和幅度的作用，支點靠近阻力點時有省力的作用。第二類杠桿（省力杠桿）特征：阻力點在支點與力點中間，這類杠桿的力臂始終大于阻力臂，可以用較小的力來克服較大的阻力。第三類杠桿（速度杠桿）特征：力點在支點與阻力點中間，這類杠桿的力臂始終小于阻力臂，力必須大于阻力才能引起運(yùn)動，所以不省力，但可以使阻力點獲得較大的運(yùn)動速度和幅度。三、杠桿原理在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的作用省力

要用較小的力去克服較大阻力，就要使力臂增長或縮短阻力臂。在人體杠桿中肌拉力的力臂一般都短，可以通過籽骨、肌在骨上附著點的隆起等來延長力臂。提重物時，使重物靠近身體可以縮短阻力臂而省力，舉重的技術(shù)關(guān)鍵就是讓杠鈴盡可能貼近身體。獲得速度

為使阻力點移動的幅度和速度增大，就要增加阻力臂和縮短力臂。人體杠桿中大多數(shù)雖是速度杠桿，但在運(yùn)動中為了獲得更大速度，還經(jīng)常使幾個關(guān)節(jié)組成一個長的阻力臂，如擲鐵餅就先要伸展手臂。有時要附加延長的阻力臂，如利用擊球棒和球拍的桿來延長阻力臂。3.防止損傷從杠桿原理可知速度杠桿一般不能省力，而人體骨骼與肌組成的杠桿大多屬于速度杠桿，所以阻力矩過大的時候，容易引起運(yùn)動杠桿各環(huán)節(jié)，特別是其力點和支點，即肌腱、肌止點以及關(guān)節(jié)的損傷。除通過訓(xùn)練增強(qiáng)肌力以外，還應(yīng)適當(dāng)控制阻力及阻力矩，以保護(hù)肌杠桿。

三、杠桿原理在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的作用第五節(jié)關(guān)節(jié)的生物力學(xué)一、關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特征1．關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)人體關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)與工程上的人工潤滑結(jié)構(gòu)相比，其摩擦系數(shù)是非常小的。這是人體關(guān)節(jié)抗摩耐用的重要原因之一。

摩擦系數(shù)膝關(guān)節(jié)0.014～0.024右手中指關(guān)節(jié)0.0055正常關(guān)節(jié)綜合0.003～0.024關(guān)節(jié)炎

0.01～0.09

摩擦系數(shù)油潤滑的鋼軸承0.21滑液潤滑的人工關(guān)節(jié)0.06水潤滑的滑冰刀對冰0.03人體某些關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)一些潤滑結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)2.關(guān)節(jié)的潤滑機(jī)制關(guān)節(jié)的潤滑機(jī)制主要與關(guān)節(jié)液和關(guān)節(jié)面軟骨有關(guān)界面潤滑界面潤滑是依靠吸附于關(guān)節(jié)面表面的關(guān)節(jié)液分子形成的界面層來作潤滑。在關(guān)節(jié)面承受小負(fù)荷，作速度較低相對運(yùn)動時，起到降低剪切應(yīng)力的作用。壓滲潤滑關(guān)節(jié)面軟骨是一種多孔的粘彈性材料，其組織間隙中充滿著關(guān)節(jié)液。在受拉伸應(yīng)力下間隙擴(kuò)大，液體流入，壓縮時液體被擠出。軟骨中沒有血管，它正是靠這種應(yīng)力下液體的流動來保證營養(yǎng)的供應(yīng)。關(guān)節(jié)面軟骨依靠這樣一種力學(xué)反饋機(jī)制來調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)液的進(jìn)出。

2.關(guān)節(jié)的潤滑機(jī)制

關(guān)節(jié)面軟骨的形變與外力的作用速度有關(guān)。關(guān)節(jié)面軟骨受到的擠壓速度越快，液體流出小孔的阻力也就越大，關(guān)節(jié)液就越不容易流出；而速度越慢，關(guān)節(jié)液越容易流出。研究表明，當(dāng)外力作用的時間在1/100s左右時，關(guān)節(jié)液是同時具有流動性和彈性的粘彈性體，像橡皮墊一樣，緩沖關(guān)節(jié)面之間的碰撞；當(dāng)作用時間大于1/100s時，關(guān)節(jié)液像潤滑液一樣，使關(guān)節(jié)靈活運(yùn)動。如果外力作用的時間很短，達(dá)到1/1000s左右時，關(guān)節(jié)液不再表現(xiàn)為液體或彈性體，而是呈現(xiàn)出‘固體’的特點，對碰撞時的沖力不再起緩沖的作用。打球時手指的挫傷往往就是這樣造成的。二、脊柱的生物力學(xué)1．脊柱的功能單位

脊柱的功能單位是指脊柱的運(yùn)動節(jié)段，它由兩個椎骨和介于它們之間的軟組織組成。兩個疊在一起的椎體、椎間盤和縱韌帶形成節(jié)段的前部；椎弓、椎間關(guān)節(jié)、橫突、棘突以及韌帶組成節(jié)段的后部。（1）運(yùn)動節(jié)段的前部

椎體椎體的設(shè)計主要是為了承擔(dān)壓縮負(fù)荷。椎間盤由髓核和纖維環(huán)組成。（2）運(yùn)動節(jié)段的后部運(yùn)動節(jié)段的后部控制節(jié)段的運(yùn)動。運(yùn)動的方向取決于椎骨間小關(guān)節(jié)突的朝向。整個脊柱中，小關(guān)節(jié)突的朝向在水平面和冠狀面上改變。椎骨間小關(guān)節(jié)還有承載功能。當(dāng)脊柱處于過伸位時，小關(guān)節(jié)突的承載能力最明顯。（2）運(yùn)動節(jié)段的后部運(yùn)動節(jié)段的后部控制節(jié)段的運(yùn)動。運(yùn)動的方向取決于椎骨間小關(guān)節(jié)突的朝向。整個脊柱中，小關(guān)節(jié)突的朝向在水平面和冠狀面上改變。椎骨間小關(guān)節(jié)還有承載功能。當(dāng)脊柱處于過伸位時，小關(guān)節(jié)突