運動學(xué)基礎(chǔ)第二章-運動學(xué)基礎(chǔ)

運動學(xué)基礎(chǔ)1第二章運動力學(xué)基礎(chǔ)一、運動中的力與力矩二、人體運動的動力學(xué)三、人體運動的靜力學(xué)四、人體運動的轉(zhuǎn)動力學(xué)五、骨與關(guān)節(jié)生物力學(xué)2第一節(jié)運動中的力與力矩一、運動中的力力：一個物體對另一個物體的作用，是使物體產(chǎn)生形變或線運動狀態(tài)改變的原因，包括外力和內(nèi)力。內(nèi)力：人體內(nèi)部各個部分互相作用的力（肌力、韌帶張力、軟骨應(yīng)力、骨應(yīng)力）外力：外來的作用力。重力、摩擦力、支撐反作用力，流體作用力，器械的阻力等。二、運動中的力矩力矩：力和力臂的乘積，是使物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的原因。3（一）、外力1、重力：G=mg（重力=質(zhì)量×重力加速度）

重力與運動康復(fù)之間的聯(lián)系：中風(fēng)后功能位的保持42.摩擦力（靜摩擦力、滾動摩擦力與滑動摩擦力）f=FN*μFN：正壓力（不一定等于施力物體的重力）μ：動摩擦因數(shù)摩擦力與康復(fù)：應(yīng)用于康復(fù)器械中，如拐杖前的橡皮墊、矯形器紋路，其他相關(guān)訓(xùn)練53.支撐反作用力在靜止?fàn)顟B(tài)下地面或器械通過支撐點作用于人體對重力的反作用力4.流體作用力人體在流體中運動時所承受的流體阻力，能抵消大部分的重力65.器械的其他阻力7虎克定律：固體材料受力之后，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變（單位變形量）之間成線性關(guān)系。F=k·x或△F=k·Δx，其中k是常數(shù)，是物體的勁度（倔強）系數(shù)。在國際單位制中，F(xiàn)的單位是牛，x的單位是米，它是形變量（彈性形變），k的單位是牛/米。倔強系數(shù)在數(shù)值上等于彈簧伸長（或縮短）單位長度時的彈力。6.彈性力8（二）內(nèi)力定義：是指人體內(nèi)部各組織器官間相互作用的力。各種內(nèi)力總要相互適應(yīng)，以維持最佳活動，同時也不斷和外力相抗衡以適應(yīng)人體生活的需要。1）肌拉力2）組織彈力3）其他內(nèi)力：各內(nèi)臟器官的摩擦力、內(nèi)臟器官和固定裝置間的阻力、血液淋巴液在管道內(nèi)流動時產(chǎn)生的流體阻力，在分流時產(chǎn)生的湍流等。9（二）內(nèi)力1、肌拉力這種力通過其在骨骼上的附著點，可以維持人體姿勢，引起人體內(nèi)部各部分、各環(huán)節(jié)間的相對運動。是人體內(nèi)力中最重要的主動力。肌拉力線：肌肉起點、止點中心的連線。若是超關(guān)節(jié)，則以動點中心到拐彎中心的連線。

10（二）內(nèi)力2、組織彈力：當(dāng)機體拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)時會發(fā)生形變，彈力是機體形變做功的能力。希爾三元素：a，可收縮成分：骨骼肌纖維b，串聯(lián)彈性元：肌腱c，并聯(lián)彈性元：結(jié)締組織11（二）內(nèi)力3、其他：各內(nèi)臟器官的摩擦力、內(nèi)臟器官和固定裝置間的阻力、血液淋巴液在管道內(nèi)流動時產(chǎn)生的流體阻力，在分流時產(chǎn)生的湍流等。12（三）力的合成與分解1、合力與分力2、力的合成3、力的分解力的平行四邊形法則13力的平行四邊形法則αRФ1Ф214(四)力的時間與空間累積效應(yīng)1、力的時間累積效應(yīng):在力學(xué)上，將作用于物體的合外力與其作用時間的乘積稱為沖量。2、力的空間累積效應(yīng)：力與力作用方向上移動距離的乘積(F.S)，是力的空間累積效應(yīng)，在力學(xué)上稱力對物體做了功。151）、動量定理

物體在運動過程中，在某段時間內(nèi)動量的改變，等于所受合外力在這段時間內(nèi)的沖量。即：

16動量定理和動量守恒定律：1.

動量與沖量的概念

①

動量（矢量性）

，單位：米.千克/秒（m.kg/s）。②

沖量（矢量性）單位：牛頓.秒（N.s）

17動量定理在體育運動中的應(yīng)用

1．在投擲項目中，為了增加器械的出手速度，即增加器械的出手動量，應(yīng)增加在最后用力階段對器械的沖量。這要求在發(fā)揮最大力量的同時，延長力的作用時間。

18動量定理在體育運動中的應(yīng)用

2．若要減少對人體的沖力，就得延長力作用的時間，各種落地緩沖動作就是典型的例子。

19動量定理在體育運動中的應(yīng)用

3.為了給物體或人體強大的沖擊力，要求物體與人體接觸的時間要短。20任何物質(zhì)系統(tǒng)在不受外力作用或所受外力之和為零時，其總動量保持不變。這就是動量守恒定律。

在動量定理中，當(dāng)Ft=0時得

mVt—mV1=0即：

mVt=mV1動量守恒定律21在人體：我們認為，人體是由多環(huán)節(jié)組成的生物系統(tǒng)，各個環(huán)節(jié)的動量的矢量和等于人體的總動量。當(dāng)人體整體所受外力為零時，人體內(nèi)力可改變各個環(huán)節(jié)的相對位置，使環(huán)節(jié)的動量發(fā)生相互傳遞，但不能改變?nèi)梭w的總動量。

動量守恒定律總動量=各肢體環(huán)節(jié)的矢量和22二、運動中的力矩力矩：作用于物體或人體的合力與支點到力作用線距離的乘積（M=F*d）阻力矩：與力矩作用方向相反。如握球屈曲肘關(guān)節(jié)。力偶矩：大小相等，方向相反，作用線相互平行，如擰螺絲偏心矩：物體無支撐情況下，力線不通過重心，引起物體轉(zhuǎn)動，也就是偏心力的力矩。如乒乓球中旋轉(zhuǎn)球。23杠桿的原理

（1）第1類杠桿平衡（2）第2類杠桿省力杠桿

（3）第3類杠桿速度杠桿24（1）第1類杠桿平衡

25AxisForceResistExample:Neckextension26（2）第2類杠桿省力杠桿

Force27ForceResist.Axis28通過籽骨、肌在骨上附著點的隆起等來延長力臂。29303132Force（3）第3類杠桿速度杠桿33343.杠桿的原理在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

（1）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。

353.杠桿的原理在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用（2）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。36（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，所以阻力過大的時候，容易引起運動杠桿各環(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。注意：除通過訓(xùn)練增強肌力以外，還應(yīng)適當(dāng)控制阻力及阻力矩，以保護肌杠桿。

37第二節(jié)人體運動的動力學(xué)一、牛頓運動定律二、牛頓運動定律在人體運動中的應(yīng)用38一、牛頓運動定律（一）牛頓第一定律（慣性定律）及其應(yīng)用定義：只有在收到外力作用，并且外力作用的合力不為零時，物體重心的運動狀態(tài)才會改變。應(yīng)用：合理利用慣性，提高運動效率以適宜的均勻速度長跑動作連貫不停頓完成舉重動作勻速運動可以節(jié)省能量自行車車輛克服重物慣性要遵循骨骼肌活動順序原理推鉛球要從下至上發(fā)力舉重物要下蹲39牛頓第二定律及其應(yīng)用牛頓第二定律：當(dāng)物體收到的合外力不為零時，物體的運動狀態(tài)會發(fā)生改變。（加速度定律）計算F=ma這點也就是前面所言的沖量的內(nèi)容40牛頓第三定律及其應(yīng)用牛頓第三定律：作用力與反作用力牛頓第三定律的應(yīng)用：增加人體對外界的作用力可以增大外界對人體的反作用力（起跑）41第三節(jié)人體運動靜力學(xué)人體的平衡是指物體速度和方向不變的狀態(tài)。分為動態(tài)平衡和靜態(tài)平衡，穩(wěn)定是物體保持平衡的能力，兩者都是運動的重要基礎(chǔ)。一、力系平衡條件與人體平衡類型二、穩(wěn)定性及其影響因素三、人體平衡與穩(wěn)定特點42（一）人體平衡

人體保持某一姿態(tài)的穩(wěn)定性或動態(tài)中的控制能力。靜止?fàn)顟B(tài)勻速運動狀態(tài)二、人體或人體局部受力分析43力系平衡的條件和類型（一）、平衡條件--合力為零，合力矩為零1、共點，共線力系：拔河2、平面交匯力系3、平面平行力系4、空間一般力系A(chǔ)F2F1F4F3FR平面匯交力系F1F2F3F4F5A平面平行力系空間一般力系44力系平衡的類型（二）、平衡類型上支撐點平衡重點與支撐點的關(guān)系下支撐點平衡混合支撐平衡平衡穩(wěn)定平衡平衡穩(wěn)定程度有限穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡隨遇平衡45人體平衡的分類上支撐平衡（懸垂平衡）下支撐平衡（倒立平衡）混合支撐平衡（肋木側(cè)平衡）1、根據(jù)人體重心與支撐點的位置關(guān)系2、根據(jù)平衡的穩(wěn)定性（穩(wěn)度）----保持平衡的能力穩(wěn)定平衡（吊袋、懸垂）有限度的穩(wěn)定平衡（人下支撐平衡）不穩(wěn)定平衡（單臂倒立）隨遇平衡（球的平衡）46（1）上支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支點在人體重心的上方，這種平衡狀態(tài)稱為上支撐平衡。如體操中的各種懸垂動作。人體平衡的分類（2）下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支點在人體重心的下方，這種平衡狀態(tài)稱為下支撐平衡。例如，站立、平衡木上的平衡動作。（3）混合支撐平衡：是一種多支撐點的平衡狀態(tài)，這時有的支撐點在人體重心上方，有的支撐點在人體重心的下方。例如，肋木側(cè)身平衡。47人體平衡的分類（1）穩(wěn)定平衡：去除破壞平衡力的作用后可恢復(fù)平衡。其特點是當(dāng)偏離平衡位置時，重心升高，產(chǎn)生的重力矩使物體向平衡位置運動。（2）不穩(wěn)定平衡：去除破壞平衡力的作用后不可恢復(fù)平衡。其特點是偏離平衡位置時，重心降低，產(chǎn)生的重力矩使物體繼續(xù)傾倒。僅在下支撐平衡動作出現(xiàn)。

根據(jù)平衡的穩(wěn)定程度把人體平衡分為4種：48人體平衡的分類（3）有限度的穩(wěn)定平衡：去除破壞平衡力的作用后僅能在有限的范圍內(nèi)恢復(fù)平衡。其特點是在一定限度內(nèi)的偏離平衡位置時，人體重心升高，產(chǎn)生的重力矩使人體向平衡位置移動，最終恢復(fù)平衡。（4）隨遇平衡：不管什么位置下都能平衡。其特點是偏離原來位置時，重心高度不變，不產(chǎn)生使物體位置移動的重力矩。49二、人體平衡的條件（穩(wěn)定性及其影響因素）與平衡有關(guān)的因素:①支撐面；②重心；③穩(wěn)定角；④平衡角；⑤穩(wěn)定系數(shù)；50(1)支撐面由支撐點和他們所圍成的面積。

支撐面越大，穩(wěn)定性越大。51（2）重心：重心越低，則穩(wěn)定性越大。52人體重心位置正常站立姿勢下人體重心位置。53人體重心的變化人體重心位置，人體重心位置隨人體姿勢變化而改變。54人體重心的變化

55人體重心可移動出身體之外。56為了訓(xùn)練平衡功能差的患者的平衡能力，開始訓(xùn)練時，可以先練習(xí)坐位（重心低支撐面較大）平衡，完成后練習(xí)立位平衡時，可先分開雙腿以加大支撐面使重心比較低，練習(xí)靜態(tài)和動態(tài)平衡，達到一定效果后，再逐漸過渡到并足訓(xùn)練。應(yīng)用57（3）穩(wěn)定角

是重心垂直投影線和重心至支撐面邊緣相應(yīng)點的連線間的夾角。某方向上的穩(wěn)定角越大，人體在該方向上的穩(wěn)定程度越大。58（4）平衡角等于某方位平面上穩(wěn)定角的總和。它可以說明物體在某方位上總的穩(wěn)定程度，通常稱為穩(wěn)度，即物體失去平衡的難易程度。

59一個物體是否失去平衡，取決于該物體重心垂直投影線是否落在支撐面內(nèi)。60（5）穩(wěn)定系數(shù)：穩(wěn)定力矩與傾倒力矩的比值分別討論：K>1，K<1的情況61FhGr穩(wěn)定系數(shù)的計算62結(jié)論：K>1，K<1當(dāng)K>1時，物體本身重力產(chǎn)生的恢復(fù)力矩足以對抗傾倒，當(dāng)K<1時，物體恢復(fù)力矩對抗不了傾倒力矩，物體傾倒，平衡破壞。所以，物體越重，其穩(wěn)定力矩越大，抗傾倒的能力越強。63三、人體平衡與穩(wěn)定特點1、人體不能處于絕對靜止的狀態(tài)由于人體的呼吸和循環(huán)的存在，肌張力也不恒定，重心在一定范圍內(nèi)波動，因此人體平衡是相對的靜態(tài)平衡。642、人體形狀可變?nèi)梭w在完成或維持靜力姿勢的過程中，當(dāng)人體重心發(fā)生偏移有失去平衡的傾向時，人體能借助于補償動作在一定范圍內(nèi)“中和”或“抵消”重心的不適宜移動。65人體的補償作用達瓦孜663、人體內(nèi)力在維持平衡中起重要作用在某些靜力性姿勢中，維持平衡的不僅僅是重力和支撐反作用力。而是由重力矩與肌肉和韌帶的拉力矩共同維持的，如體操的平衡動作。674、人體平衡受心理因素影響5、感覺系統(tǒng)在保持人體平衡的作用。68第四節(jié)、人體運動的轉(zhuǎn)動力學(xué)轉(zhuǎn)動運動學(xué)轉(zhuǎn)動動力學(xué)轉(zhuǎn)動定律的應(yīng)用69一、轉(zhuǎn)動運動學(xué)

人體各個環(huán)節(jié)的運動都是圍繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動,走、跑、跳等動作是通過關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。所以，轉(zhuǎn)動是人體運動的基礎(chǔ)。70（一）人體轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動軸：剛體轉(zhuǎn)動時，各點都做圓周運動形成大小不等的同心圓，各圓中心部位都位于同一條直線上，稱為轉(zhuǎn)動軸。實體軸：實體器械提供的軸，如體操單杠。非實體軸：人體自身特定的直線，XYZ三軸（前面說過的）71

（二）、角運動學(xué)1.角速度人體/肢體在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度叫角速度。它是矢量，其方向與角位移方向相同。2.線速度是質(zhì)點圍繞一點轉(zhuǎn)動或者人體圍繞某個軸轉(zhuǎn)動時，質(zhì)點或者人體上各點的瞬時速度。它具體描述轉(zhuǎn)動的人體或器械上各個點轉(zhuǎn)動的快慢。3.角加速度指單位時間內(nèi)角速度的變化量。它也是矢量。4.角位移人體整體或環(huán)節(jié)圍繞某個軸轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)過的角度叫角位移。72

二、轉(zhuǎn)動動力學(xué)

1.形成人體轉(zhuǎn)動的力學(xué)條件--外力矩不為零人體轉(zhuǎn)動，一種是人體局部肢體在肌肉力的作用下，牽引骨骼繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動，一種是人體整體繞人體基本運動軸的轉(zhuǎn)動。73繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動人體整體繞人體基本運動軸的轉(zhuǎn)動74

二、轉(zhuǎn)動動力學(xué)

人體轉(zhuǎn)動的力學(xué)條件是作用在人體上的外力對某一轉(zhuǎn)軸的力矩的矢量和不為零。

肢體繞關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動的條件是阻力矩（包括重力矩）與肌力矩之和不為零。75

（一）轉(zhuǎn)動定律

由于人體的質(zhì)量分布不均勻，通常采用人體力學(xué)模型，將人體簡化成15個剛體，通過鉸鏈聯(lián)結(jié)形成剛體系統(tǒng)，然后分別計算各個剛體的轉(zhuǎn)動慣量。76

（一）轉(zhuǎn)動定律

轉(zhuǎn)動定律：

剛體繞固定軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)動慣量與角加速度的積等于作用在剛體上的合外力矩。77人體轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量的概念：描述物體轉(zhuǎn)動時保持原來轉(zhuǎn)動狀態(tài)能力的物理量。I為轉(zhuǎn)動慣量，m每個質(zhì)點的質(zhì)量，r為轉(zhuǎn)動半徑，單位：Kg·m2對一個物體來講：注意：轉(zhuǎn)動慣量大小必須指明是對哪個軸的。78（二）動量矩

轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)動的角速度的乘積，叫動量矩。反映了剛體的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。沖量矩是力矩和時間的乘積，表示外力矩對轉(zhuǎn)動物體作用于時間上的累積效用。79結(jié)論

不同時刻剛體動量矩的變化是外力引起沖量矩的作用結(jié)果。外力矩越大，作用時間越長，剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)的變化也越大。80（1）增大肌力矩：81（2）減小轉(zhuǎn)動慣量Ir82跑步動作中大小腿的折疊83例如；短跑運動員在擺腿時，通常需折疊大，小腿，以減小下肢對髖軸的轉(zhuǎn)動慣量，從而快速前擺。而上肢也是在肩關(guān)節(jié)內(nèi)擺動，采用屈前臂，以減小上肢對肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量而快速擺動。84第五節(jié)骨與關(guān)節(jié)生物力學(xué)骨的概述骨的生物力學(xué)特征關(guān)節(jié)生物力學(xué)85一、骨的概述（一）、骨的組成和分類1、人體骨骼206塊，分顱骨（29）、軀干骨（51）、四肢骨（126）。2、骨分類：長骨、短骨、扁骨、不規(guī)則骨。（二）、骨的結(jié)構(gòu)1、骨的器官水平結(jié)構(gòu)：骨質(zhì)、骨膜、骨髓2、骨的細微結(jié)構(gòu)：哈弗系統(tǒng)，血管互通，提供血供。3、骨的血管、淋巴管和神經(jīng)。骨血管豐富關(guān)節(jié)軟骨無營養(yǎng)血管，營養(yǎng)來自血管和關(guān)節(jié)和滑液滲透，要靠擠壓。神經(jīng)分布多，傳入纖維多在骨膜，所以痛。86骨的概述4、骨組織：細胞：骨細胞，成骨細胞、破骨細胞。細胞間質(zhì)：又稱骨基質(zhì)，分為無機和有機；

無機：鹽，65-70%，硬度。有機：骨膠原纖維，彈性。872024/11/588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有顯著性差異(表2—2)，但在骨的生長過程中，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，男子骨密質(zhì)的抗壓縮強度在26歲左右時最低，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男女長骨骨干平均密度的比較882024/11/589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)的相對密度(骨松質(zhì)的密度ρ與骨小梁的密度ρS比為相對密度)較低，小于0．13g／cm3時，骨松質(zhì)的結(jié)構(gòu)是針狀的網(wǎng)格。當(dāng)相對密度增加，大于0．2g／cm3時，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。中等相對密度的骨松質(zhì)結(jié)構(gòu)是針狀和片狀網(wǎng)格混合而成。892024/11/590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)報道．骨松質(zhì)的抗壓縮強度與其密度的平方成正比。當(dāng)相對密度增加時，骨松質(zhì)的楊氏模量和抗壓強度增加。

902024/11/591青年和老年骨的極限強度相似，但老年骨試樣僅能耐受青年骨試樣的應(yīng)變的一半，說明老年骨的延展性低于青年骨，破壞時能量貯存亦少。因此，人們常說老年人的骨脆，也即是說老年人的骨骼變形能力差。91骨組織的基本生物力學(xué)特性

1.各向異性骨的結(jié)構(gòu)為中間多孔介質(zhì)的各向異性體，其不同方向的力學(xué)性質(zhì)不同，即各向異性。

2.彈性和堅固性骨的有機成分組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使骨具有彈性，并具有抗張能力。骨的無機物填充在有機物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅固性，具有抗壓能力。

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3.抗壓力強、抗張力差骨對縱向壓縮的抵抗最強，即在壓力情況下不易損壞，在張力情況下易損壞。

4.耐沖擊力和持續(xù)力差骨對沖擊力的抵抗比較小。同其他材料相比，其持續(xù)性能、耐疲勞性能較差。

5.應(yīng)力強度的方向性皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)不同，承受的力量及兩者的剛度也不同。皮質(zhì)骨的剛度比松質(zhì)骨大，變形程度則較之要小。兩者的各向異性對應(yīng)力的反應(yīng)在不同方向各不相同。

93二、骨的生物力學(xué)特征（一）骨受載荷形式（二）骨的應(yīng)力與應(yīng)變（三）機械應(yīng)力對骨生長的影響（四）骨疲勞（五）影響骨力學(xué)性能的其他因素（六）骨的杠桿作用94（一）骨受載荷形式一、骨的承載能力衡量骨承載能力的三要素：第一，要求骨有足夠的強度。即指骨在承載負荷的情況下抵抗破壞的能力。第二，要求骨有足夠的剛度。即指骨在外力作用下抵抗變形的能力。第三，要求骨有足夠的穩(wěn)定性。即指骨保持原有平衡形態(tài)的能力。95（一）骨的載荷

載荷即為外力，是一物體對另一物體的作用。人體在運動或勞動時，骨要承受不同方式的載荷。當(dāng)力和力矩以不同方式施加于骨時，骨將受到拉伸a、壓縮b、彎曲c、剪切d、扭轉(zhuǎn)e和復(fù)合f等載荷。96

1.拉伸載荷(圖a)

在骨的兩端受到一對大小相等、方向相反沿軸線的力的作用。骨受力后，能夠?qū)е鹿趋纼?nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和應(yīng)變，使骨伸長并同時變細。例如在進行吊環(huán)運動時上肢骨被拉伸。

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2.壓縮載荷(圖b)

是施加于骨組織表面的兩個沿軸線的大小相等、方向相對的載荷。該載荷在骨組織內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力和應(yīng)變。

如舉重運動員舉起杠鈴后上肢和下肢骨被壓縮。98

3.彎曲載荷(圖c)

是使骨沿其軸線發(fā)生彎曲形變的載荷。例如當(dāng)脊柱前屈或后伸時脊柱的彎曲則為彎曲載荷。特點：骨骼在彎曲載荷時，其中性軸兩旁一側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，另一側(cè)則產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變，在中性軸上則沒有應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力的大小與至骨骼中性軸距離成正比，即距中性軸越遠，其應(yīng)力就越大。99

4.剪切載荷(圖d)

在骨的表面受到一對大小相等、方向相反且相距很近的力的作用。在骨內(nèi)部也會產(chǎn)生剪切應(yīng)力和應(yīng)變。

例如車床剪切斷肢體時即為剪切載荷。

100

5.扭轉(zhuǎn)載荷(圖e)

加在骨上并使其沿軸線發(fā)生扭轉(zhuǎn)的載荷即為扭轉(zhuǎn)載荷。如作轉(zhuǎn)身動作時，下肢骨受到的扭轉(zhuǎn)作用。在生理狀態(tài)下，扭轉(zhuǎn)載荷常見于前臂、脊柱的旋轉(zhuǎn)與骨關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動中。當(dāng)骨受到扭轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力便分布在整個骨骼結(jié)構(gòu)中。101

6.復(fù)合載荷(圖f)

人體在運動時，由于骨的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，同時又受到多種不定的載荷，往往使骨處于兩種或多種載荷的狀態(tài)，即為復(fù)合載荷。如人體在受傷骨折時，往往是幾種作用力的復(fù)合。像跌倒后發(fā)生的橈骨遠端骨折，便是既有剪切力又有壓縮力等多種力綜合作用的結(jié)果。

102

持續(xù)載荷對骨也會產(chǎn)生一定的影響。

即骨受到持續(xù)低載荷作用一段時間后，其組織會產(chǎn)生緩慢變形或蠕變。在加載后的最初數(shù)小時（6～8小時），其蠕變現(xiàn)象最顯著，隨后蠕變的速率則會降低。一般而言，骨承受壓力負荷的能力最大，其次是拉力、剪切力和扭轉(zhuǎn)力。

骨所受的正常生理負荷是這些力的綜合。103骨的基本變形

骨骼在承受各種不同載荷時會發(fā)生不同程度的變形，如腰脊柱前凸即是受力變形。根據(jù)骨骼受載形式及受載后的變形形式，一般可將其變形分為拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)等五種基本變形。

104（二）、骨的應(yīng)力與應(yīng)變

骨力學(xué)包含二個最基本的元素，即應(yīng)力和應(yīng)變。（一）骨的應(yīng)力概念：當(dāng)外力作用于骨時，骨以形變產(chǎn)生內(nèi)部的阻抗以抗衡外力，即是骨產(chǎn)生的應(yīng)力。特點：應(yīng)力的大小等于作用于骨截面上的外力與骨橫斷面面積之比，單位為Pascal(Pa=N/m2)，即牛頓/平方米。計算公式：105

種類：根據(jù)作用于骨的力不同，其內(nèi)部分別會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，如壓應(yīng)力、拉壓力等。

作用：應(yīng)力對骨的改變、生長和吸收起著調(diào)節(jié)作用，應(yīng)力不足會使骨萎縮，應(yīng)力過大也會使骨萎縮。因此，對于骨來說，存在一個最佳的應(yīng)力范圍。106（二）應(yīng)變

概念：骨的應(yīng)變是指骨在外力作用下的局部變形。其大小等于骨受力后長度的變化量與原長度之比，即形變量與原尺度之比。一般以百分比來表示(下圖)。

由壓力、形變和樣本的大小計算出應(yīng)力和應(yīng)變的大小

當(dāng)骨承受了很重的力并超出其耐受應(yīng)力與應(yīng)變的極限時，便可造成骨骼損傷甚至發(fā)生骨折。107

（三）應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成兩個區(qū)：彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)。在彈性變形區(qū)內(nèi)的載荷不會造成永久性形變（如骨折）。彈性區(qū)末端點或塑性區(qū)初始點稱屈服點。該點對應(yīng)的應(yīng)力是產(chǎn)生骨最大應(yīng)力的彈性形變，亦稱為彈性極限。塑性區(qū)：屈服點以后的區(qū)。此時已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損壞和永久變形。當(dāng)載荷超過彈性極限后，骨發(fā)生斷裂即骨折。108

★導(dǎo)致骨折所需的應(yīng)力叫骨的最大應(yīng)力或極限強度。★在應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性區(qū)的斜率叫彈性模量或楊氏模量(Young‘sModules)，表示材料抗形變的能力。一般而言，彈性模量是一個常數(shù)。彈性模量越大，產(chǎn)生一定應(yīng)變所需的應(yīng)力越大。109（四）骨疲勞人在不斷運動的過程中，骨會反復(fù)受力，當(dāng)這種反復(fù)作用的力超過某一生理限度時會使骨組織受到損傷，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。有些物質(zhì)(如某些金屬)，它們的疲勞曲線是漸近的，這說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，對于實驗中的骨，曲線不是漸近的，因為骨在經(jīng)受低載荷重復(fù)作用時，可產(chǎn)生疲勞性微骨折。

1102024/11/5111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，形成蚌殼式裂紋；第三，疲勞過程如圖2—16；第四，重復(fù)載荷的

第五，骨的疲勞極限可以通過疲勞試驗加以測定，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。111

（五）、影響骨力學(xué)性能的其他因素

1、骨強度是指骨在承受載荷時所具有的足夠的抵抗破壞的能力，以致不發(fā)生破壞。在壓縮載荷的試驗中，載荷－變形曲線能反映結(jié)構(gòu)強度的三個參數(shù)是：①結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的載荷;②結(jié)構(gòu)在破壞前所能承受的變形;③結(jié)構(gòu)在破壞前所能貯存的能量。

2、骨的剛度是指骨具有足夠的抵抗變形的能力。在某種載荷作用下，骨雖不發(fā)生斷裂，但如果變形過大，往往會影響骨結(jié)構(gòu)與功能。骨結(jié)構(gòu)的剛度由彈性范圍內(nèi)的曲線斜率表示。112影響因素1、骨的大小和和形狀：橫截面積越大，強度剛度越大2、骨折愈合：骨痂增加橫截面3、手術(shù)因素：手術(shù)損傷橫截面，造成強度剛度下降4、衰老與骨質(zhì)疏松：造成強度剛度下降113（六）骨的杠桿作用運動系統(tǒng)的各種機械運動均是在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，通過骨骼肌的收縮、牽拉骨圍繞關(guān)節(jié)活動而產(chǎn)生的。其功能與杠桿原理相同。（見前文）114三、關(guān)節(jié)生物力學(xué)（一）骨連結(jié)：直接連結(jié)和間接連結(jié)（二）關(guān)節(jié)生物力學(xué)關(guān)節(jié)穩(wěn)定性關(guān)節(jié)的力和力矩關(guān)節(jié)軟骨生物力學(xué)特性115骨連結(jié)直接連結(jié)：骨與骨借致密結(jié)締組織、軟骨和骨直接相連，其間沒有腔隙，不活動或者活動度很小，包括纖維（韌帶）連結(jié)，軟骨連結(jié)和骨性結(jié)合。間接連結(jié)：又稱關(guān)節(jié)。骨與骨之間借膜性結(jié)締組織囊相連，在相對骨面之間具有腔隙，有較大的活動性。包括關(guān)節(jié)面，關(guān)節(jié)囊，關(guān)節(jié)腔。116骨連結(jié)關(guān)節(jié)類型球窩關(guān)節(jié)：肩關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)橢圓關(guān)節(jié)或髁狀關(guān)節(jié)：橈骨與腕骨之間關(guān)節(jié)鞍狀關(guān)節(jié)：拇指與掌骨之間的關(guān)節(jié)滑車關(guān)節(jié)：肘關(guān)節(jié)、指骨間關(guān)節(jié)117（二）關(guān)節(jié)生物力學(xué)關(guān)節(jié)的靈活性和穩(wěn)固性靈活性和穩(wěn)固性是關(guān)節(jié)功能同時存在的兩個方面。關(guān)節(jié)具有靈活性以便于人體適應(yīng)于各種靈活運動；關(guān)節(jié)的穩(wěn)固性以保證人體在運動中維持動態(tài)平衡，使關(guān)節(jié)在復(fù)雜多變的運動過程中處于合理的工作狀態(tài)，免受損傷。

(1)影響關(guān)節(jié)靈活性的因素：從關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析，關(guān)節(jié)面軟骨、關(guān)節(jié)腔、關(guān)節(jié)腔內(nèi)的滑液、滑膜皺襞、粘液囊等因素都有利于關(guān)節(jié)的靈活性。(2)維持關(guān)節(jié)穩(wěn)固性的因素：維持關(guān)節(jié)穩(wěn)固性的因素有骨骼、肌肉、韌帶、關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)軟骨和關(guān)節(jié)腔內(nèi)的負壓等。其中骨骼、韌帶和肌肉在維持關(guān)節(jié)穩(wěn)固性方面作用更為突出。

118關(guān)節(jié)軟骨生物力學(xué)特性

關(guān)節(jié)是人體中重要的骨與骨可動連接，是活動杠桿的支點