運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)課講稿：第二章(2007).ppt

1、第二章 運(yùn)動(dòng)器系的生物力學(xué),重點(diǎn)： 1、 人體骨骼、軟骨、關(guān)節(jié)、韌帶和肌腱的生物 力學(xué)特性及其在運(yùn)動(dòng)中的表現(xiàn)； 2、 骨骼肌的生物力學(xué)基礎(chǔ)及其在體育運(yùn)動(dòng)實(shí)踐 中的應(yīng)用； 3、 運(yùn)動(dòng)器系整體活動(dòng)的生物力學(xué)特征與規(guī)律。 難點(diǎn)： 材料力學(xué)基本概念。,一、載荷,（一）分類(lèi) 靜載荷 載荷 沖擊載荷 動(dòng)載荷 交變載荷,靜 載 荷：逐漸加于物體上的，由零漸增至一定值以后不再改變。 動(dòng) 載 荷：物體在載荷的作用下，它的某些部分或各部分所引起的加速度相當(dāng)顯著。 沖擊載荷：當(dāng)某一物體同其他物體作用，使其速度在極短時(shí)間內(nèi)有很大改變時(shí)所受的載荷。 交變載荷：隨時(shí)間作周期性的改變并且多次重復(fù)地作用在物體上的載荷。,(二

2、)載荷的表現(xiàn)形式,1.拉伸與壓縮 這類(lèi)變形形式是由大小相等，方向相反，作用線與桿件軸線重合的一對(duì)力引起的，表現(xiàn)為桿件的長(zhǎng)度發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短。如起吊重物的鋼索，液壓油缸的活塞桿等的變形，都屬于拉伸或壓縮變形。,外力的作用方式不同，變形的形式也不同，按照變形的特點(diǎn)，可以把變形歸納為四種基本變形形式，即：拉伸與壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲。,基本變形的表現(xiàn)形式:,拉伸與壓縮,2.剪切 這類(lèi)變形形式是由大小相等，方向相反，作用線相互平行的力引起的，表現(xiàn)為受剪桿件的兩部分沿外力作用方向發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。機(jī)械中常用的聯(lián)接件，如銷(xiāo)釘、螺栓等都產(chǎn)生剪切變形。,剪切,3.扭轉(zhuǎn) 這類(lèi)變形形式是由大小相等，方向相反，作用面都垂

3、直于桿軸的兩個(gè)力偶引起的。表現(xiàn)為桿件的任意兩個(gè)橫截面發(fā)生繞軸線的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。汽車(chē)的傳動(dòng)軸，電機(jī)和水輪機(jī)的主軸等都是受扭桿件。,4.彎曲 這類(lèi)變形形式是由垂直于桿件軸線的橫向力，或由作用于包含桿軸的縱向平面內(nèi)的一對(duì)大小相等，方向相反的力偶引起的，表現(xiàn)為桿件軸線由直線變?yōu)榍€。橋式起重機(jī)的大梁，各種心軸以及車(chē)刀等的變形，都屬于彎曲變形。,1拉伸載荷：自物體表面向外施加大小相等而方向相反的載荷。 2壓縮載荷：向內(nèi)加于物體表面的大小相等而方向相反的載荷。 3彎曲載荷：使物體沿其軸線發(fā)生彎曲的載荷。 4剪切載荷：使物體受到一對(duì)相距很近，大小相等，方向相反 力的載荷。 5扭轉(zhuǎn)載荷：使物體沿軸線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的載荷

4、。 6復(fù)合載荷：物體同時(shí)受到多種載荷的作用。,根據(jù)基本變形的形式,載荷相應(yīng)的有:,二、應(yīng)變,1變形： 物體在受到外力作用時(shí)，其中任意兩點(diǎn)間的距離和任意兩直線或兩平面間的夾角會(huì)發(fā)生變化，它們反映了物體的尺寸和幾何形狀的改變。 2線應(yīng)變： 單位長(zhǎng)度內(nèi)的線變形。（）,X,Z,Y,三、應(yīng)力,正應(yīng)力（） 應(yīng)力 剪應(yīng)力（）,M,四、應(yīng)力應(yīng)變曲線,圖2-5 拉伸圖,（一）彈性階段：（AB）卸載后變形能完全恢復(fù)，為彈性變形。 比例極限（p）：規(guī)定與A點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。 剛度=EA (E：彈性模量或楊氏模量；A：構(gòu)件橫截面積) 彈性極限（s）：與B點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，若除去外力，將留有殘余變形

5、。 （二）屈服階段：（BC）：曲線的坡度逐漸減小，即材料對(duì)于變形的抵抗力逐漸減弱。 材料的屈服：變形繼續(xù)增長(zhǎng)而應(yīng)力并不增加。 屈服強(qiáng)度（y）：屈服階段的下極限（與C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值）。 殘余變形（塑性變形）：如果材料達(dá)到屈服，卸載之后就不再回復(fù)到原狀。,（三）強(qiáng)化階段（CD）： 能力恢復(fù)。 強(qiáng)度極限（b）： D點(diǎn)對(duì)應(yīng) 的應(yīng)力值。 （四）頸縮階段（D ） 材料的塑性：試件斷裂后的殘余相對(duì)拉長(zhǎng)的百分比。 塑性材料（ 5%） 材料的塑性 脆性材料（ 5%）,五、粘彈性,1定義：如果有一種材料，其力學(xué)性質(zhì)既具有彈性材料的力學(xué)性質(zhì)，又有粘性材料的力學(xué)性質(zhì)，那么這種性質(zhì)就粘彈性。 2特點(diǎn) （1）當(dāng)物體突然發(fā)

6、生應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變保持一定，則相應(yīng)的應(yīng)力將隨時(shí)間的增加而下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力松弛。 （2）若令應(yīng)力保持一定，物體的應(yīng)變隨時(shí)間的增加而增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。 （3）對(duì)物體作周期性的加載和卸載，則加載應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線不重合，稱(chēng)為種現(xiàn)象為滯后。,第二節(jié),骨的生物力學(xué)特性,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 2物理化學(xué)屬性的影響 （二）骨組織的力學(xué)特性 1各向異性； 2彈性和堅(jiān)固性；骨組織中水占25-30%；無(wú)機(jī)物和 有機(jī)物占70-75%。 3骨是人體理想的結(jié)構(gòu)材料；強(qiáng)度大，重量輕。 4耐沖擊力和持續(xù)力差； 5機(jī)械力對(duì)骨結(jié)構(gòu)的影響； 美國(guó)學(xué)者

7、拉希（Rasch）認(rèn)為恒定的壓應(yīng)力會(huì)引起骨萎縮， 而間歇性的壓力則促使骨的生長(zhǎng)。 6應(yīng)力強(qiáng)度的方向性。,二、骨的力學(xué)特征,（一）骨密質(zhì)的力學(xué)性質(zhì) 1應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(圖2-10 p29)；,B,C,2不同載荷作用下骨密質(zhì)的特性 骨受沖擊載荷的特點(diǎn)：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。,壓 縮,拉 伸,剪 切,50,100,150,200,3骨密質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)與年齡、性別的關(guān)系； 骨密質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)男性與女性沒(méi)有顯著差異； 一般說(shuō)，男子骨密質(zhì)的抗壓縮強(qiáng)度在26歲左右最底，到31歲左右最大，然后隨年齡的增加而逐漸下降。,（二）骨松質(zhì)的力學(xué)

8、性質(zhì) 當(dāng)相對(duì)密度增加時(shí)，骨松質(zhì)的彈性模量和抗壓強(qiáng)度增加。,應(yīng)力,應(yīng)變,青年,老年,拉伸,三、骨疲勞,（一）產(chǎn)生原因 造成疲勞性損傷的典型情況是：作用次數(shù)較少而 載荷較高；或作用次數(shù)較多而載荷相對(duì)正常。 （二）特征 1疲勞性骨折或永久性彎曲（塑性形變）； 周期性載荷引起的骨折，開(kāi)始于應(yīng)力集中點(diǎn)，形成蚌 殼式裂紋；,損傷,重復(fù),負(fù)載,1疲勞過(guò)程如下：,劇烈運(yùn)動(dòng) 肌肉疲勞 儲(chǔ)存能量的能力的喪失 步態(tài)改變 載荷失常 改變應(yīng)力分布 加強(qiáng)壓力 復(fù)合 加強(qiáng)張力 斜行裂縫 骨骼分離橫行裂縫 斜行骨折 橫向骨折,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

9、的壓應(yīng)力能部分或全部抵消作用于骨骼上的張應(yīng)力。 體育鍛煉可促進(jìn)骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使骨變得更加粗壯和堅(jiān)固，抵抗各種載荷的能力不斷提高。,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,（一）滲透性 蒙索爾（Mansour）和莫?dú)W（Mow）：隨著壓力和變形的加大，正常關(guān)節(jié)軟骨的滲透性顯著下降。 （二）關(guān)節(jié)軟骨的材料性能與負(fù)載速度的關(guān)系 1彈性材料特性； 2粘彈性材料特性。 （三）單軸向張力下關(guān)節(jié)軟骨的性能 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)面的增加而減少。,（四）關(guān)節(jié)軟骨的蠕變反應(yīng) （五）潤(rùn)滑作用 界面潤(rùn)滑 液靜潤(rùn)滑 液膜潤(rùn)滑 液動(dòng)潤(rùn)滑 擠壓潤(rùn)滑 （六）磨損

10、 界面磨損：由承載面之間相互作用引起 疲勞性磨損：由接觸體變形引起的疲勞性磨損,二 韌帶、肌腱結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性,（一）應(yīng)力應(yīng)變曲線,膠原纖維,5,10,應(yīng)變/%,8,6,應(yīng)力,0,彈性纖維,100,200,應(yīng)變/%,應(yīng)力,0,（二）影響韌帶和肌腱力學(xué)特性的因素 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)； 韌帶的強(qiáng)度和剛度受應(yīng)力大小影響； 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)韌帶力學(xué)性質(zhì)的影響； 年齡對(duì)韌帶力學(xué)性質(zhì)的影響； 時(shí)間對(duì)韌帶力學(xué)性質(zhì)的影響。,第四節(jié),人 體 關(guān) 節(jié) 力 學(xué),關(guān)節(jié)的構(gòu)造及特點(diǎn),人體206塊骨借助韌帶、肌肉組成骨骼系統(tǒng)。關(guān)節(jié)是人體運(yùn)動(dòng)樞紐，骨杠桿活動(dòng)的支點(diǎn)。根據(jù)關(guān)節(jié)在骨與

11、骨連接處的不同功能，分為直接連接和間接連接。,直接功能：支持、保護(hù)。 特點(diǎn)：牢固、堅(jiān)韌稱(chēng)不動(dòng)關(guān)節(jié),間接功能：傳接力、運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：靈活，稱(chēng)活動(dòng)關(guān)節(jié),各種關(guān)節(jié)共同特性： 靈活（可三維）； 關(guān)節(jié)面摩擦系數(shù)小，耐 磨，具有一定的穩(wěn)定性。,一、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué),1關(guān)節(jié)的基本運(yùn)動(dòng)形式； 屈伸運(yùn)動(dòng)、收展運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。,關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的形式?jīng)Q定于關(guān)節(jié)面的形式。每一運(yùn)動(dòng)可以作繞某一軸實(shí)現(xiàn)。根據(jù)軸的方向，可把關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分為以下幾種。,（一）屈伸運(yùn)動(dòng)：繞額狀軸，角度減小為屈，反之為伸,（二）內(nèi)收與外展運(yùn)動(dòng)：,繞矢狀軸運(yùn)動(dòng)，接近正中矢面為內(nèi)，反之為外,（三）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：繞自身縱軸，前轉(zhuǎn)向內(nèi)為內(nèi)旋，反之外旋,（四）環(huán)展運(yùn)動(dòng)：近側(cè)端在

12、原位移動(dòng)，遠(yuǎn)側(cè)端作圓周運(yùn)動(dòng)。,2關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度及測(cè)量方法； （1）影響關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度的因素： 構(gòu)成關(guān)節(jié)的兩關(guān)節(jié)面弧度差：（正相關(guān)） 關(guān)節(jié)周?chē)浗M織的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性。,（2）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度測(cè)量方法 攝影測(cè)量、錄像測(cè)量、X光攝影測(cè)量、關(guān)節(jié)測(cè)量器直接測(cè)量、電子關(guān)節(jié)角度儀測(cè)量。,3關(guān)節(jié)的靈活性和穩(wěn)固性。 （1）影響關(guān)節(jié)靈活性的因素： 關(guān)節(jié)面軟骨、關(guān)節(jié)腔、關(guān)節(jié)囊內(nèi)的滑液、滑膜皺襞、粘液囊等。 關(guān)節(jié)內(nèi)滑液： 1/10s時(shí)，柔軟的彈性體； 1/100s時(shí)，關(guān)節(jié)動(dòng)作靈活； 1/1000s時(shí)，堅(jiān)硬的“固體”。 （2）維持關(guān)節(jié)穩(wěn)固性的因素： 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(fù)壓等。,第五節(jié) 骨骼肌的生物力

13、學(xué)特性 一、骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型,1骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型,骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型,收縮成分,彈性成分,肌動(dòng)蛋白（細(xì)）,肌球蛋白（粗）,并聯(lián)彈性成分,串聯(lián)彈性成分,并聯(lián)彈 性成分,串聯(lián)彈 性成分,收縮 成分,收縮成分,并聯(lián)彈 性成分,串聯(lián)彈 性成分,骨骼肌的結(jié)構(gòu)模型：,二、肌肉長(zhǎng)度與肌肉收縮力量的關(guān)系,基本概念 1被動(dòng)張力（Fp）： 是指肌肉工作時(shí)并聯(lián)彈性成分的張力。 2主動(dòng)張力（Fc）： 指收收縮成分收縮時(shí)產(chǎn)生的張力。 3總張力（Ft）： 被動(dòng)張力與主動(dòng)張力之和。 4平衡長(zhǎng)度（L）： 無(wú)任何負(fù)荷時(shí)肌肉的長(zhǎng)度。 5肌肉的靜息長(zhǎng)度（L0）： 肌肉收縮成分產(chǎn)生最大收縮時(shí)的長(zhǎng)度。,(一) 收縮成分的長(zhǎng)度張力關(guān)系（了

14、解）；,(二)并聯(lián)彈性成分的長(zhǎng)度張力關(guān)系（了解）；,(三)肌肉長(zhǎng)度總張力的關(guān)系；,短時(shí)間內(nèi)反復(fù)拉，其長(zhǎng)度增加比首次多，曲線2。這種特性用于靈活性練習(xí)，多種彈性動(dòng)作，重復(fù)擺蕩等。,靜息肌肉有彈性，受外力被拉長(zhǎng)，撤除外力，恢復(fù)初長(zhǎng)度，載荷與長(zhǎng)度并不成比例。,圖a曲線1最初易被拉長(zhǎng)，以后，小伸長(zhǎng)需更大的力，彈性主要由結(jié)締組織產(chǎn)生，肌受拉、纖維被進(jìn)一步拉緊，就象針織圍巾。,不同肌肉長(zhǎng)度同受力的關(guān)系,A平衡長(zhǎng)度，B靜息長(zhǎng)度,肌肉受激，收縮成分產(chǎn)生張力，隨長(zhǎng)度而變化，曲線3。,圖a,張力疊加真正記錄到的是圖b曲線1，曲線有下凹由收縮成分和彈性成分重疊部分引起。,平衡長(zhǎng)度：撤除一切負(fù)荷時(shí)肌肉長(zhǎng)度,靜息長(zhǎng)度：

15、收縮成分的力量最大時(shí)的肌長(zhǎng)度。,肌肉拉長(zhǎng)超過(guò)平衡長(zhǎng)度，并聯(lián)彈性成分出現(xiàn)彈力，肌肉超過(guò)平衡長(zhǎng)度收縮。收縮成分、并聯(lián)彈性成分張力疊加，合力增加。,收縮成分與并聯(lián)彈性成分平行，,完成放松仍有張力,第六節(jié),運(yùn) 動(dòng) 器 系整 體 的 生物 力 學(xué) 性 能 與特點(diǎn),一、概念,生物力學(xué)系統(tǒng)： 在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中把運(yùn)動(dòng)器系抽象 為人體簡(jiǎn)化模型，這個(gè)簡(jiǎn)化模型叫生 物力學(xué)系統(tǒng)，用以模擬人體運(yùn)動(dòng)。,二、環(huán)節(jié)、運(yùn)動(dòng)鏈與骨杠桿,（一）環(huán)節(jié) 環(huán)節(jié)： 相互關(guān)節(jié)之間部分。 人體運(yùn)動(dòng)器系： 是由若干可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部分組 合而成的整體。,（二）生物運(yùn)動(dòng)鏈,1生物運(yùn)動(dòng)偶： 兩個(gè)相鄰骨環(huán)節(jié)之間的可動(dòng)連接。 2生物運(yùn)動(dòng)鏈： 兩個(gè)或兩個(gè)以

16、上生物運(yùn)動(dòng)偶的 串聯(lián)式連接。,（1）生物運(yùn)動(dòng)鏈類(lèi)別及其特點(diǎn)： 開(kāi)放鏈：末端為自由環(huán)節(jié)的生物運(yùn)動(dòng)鏈。 （每個(gè)環(huán)節(jié)都能發(fā)生立運(yùn)動(dòng)） 封閉鏈：無(wú)自由環(huán)節(jié)的生物運(yùn)動(dòng)鏈。 （環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)互相牽連）,（2）生物運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：,關(guān)節(jié)的構(gòu)造特點(diǎn)決定環(huán)節(jié)不能作單方向無(wú)限制的轉(zhuǎn)動(dòng)，而只能作往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)或以關(guān)節(jié)為中心的圓錐形運(yùn)動(dòng)。生物運(yùn)動(dòng)鏈中各環(huán)節(jié)繞關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)可使末端環(huán)節(jié)作圓弧運(yùn)動(dòng)或平動(dòng)，平動(dòng)是生物運(yùn)動(dòng)鏈中幾個(gè)環(huán)節(jié)繞相應(yīng)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)合成的結(jié)果。,（3）生物運(yùn)動(dòng)鏈中環(huán)節(jié)的自由度：,自由度：物體在空間運(yùn)動(dòng)，描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)稱(chēng)為這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的自由度。,（三）骨杠桿,骨杠桿：在生物運(yùn)動(dòng)鏈中，環(huán)節(jié)繞關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其

17、功 能與杠桿相同稱(chēng)骨杠桿。,二、骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉的相互作用 （一）生物運(yùn)動(dòng)鏈的動(dòng)力學(xué) （二）生物運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)能力 （三）生物運(yùn)動(dòng)鏈中肌群的工作,第七節(jié),人體動(dòng)作結(jié)構(gòu) 與 動(dòng)作系統(tǒng),一、人體動(dòng)作系統(tǒng),（一）動(dòng)作和動(dòng)作結(jié)構(gòu) 1動(dòng)作結(jié)構(gòu)： 每個(gè)完整的特定動(dòng)作都有固有的特點(diǎn)，各個(gè)動(dòng) 作成分之間都有著固定的聯(lián)系，這是一個(gè)動(dòng)作 區(qū)別于另一個(gè)動(dòng)作的特征，動(dòng)作的這種固有特 點(diǎn)和固定內(nèi)在聯(lián)系叫動(dòng)作結(jié)構(gòu)。 2運(yùn)動(dòng)學(xué)特征： 空間特征、時(shí)間特征和時(shí)空特征。 3動(dòng)力學(xué)特征： 慣性特征、力的特征和能量特征。,（二）動(dòng)作系統(tǒng),1動(dòng)作系統(tǒng)的概念 大量單一動(dòng)作按一定規(guī)律組成為成套的技術(shù)動(dòng)作，這些成套的技術(shù)動(dòng)作叫做動(dòng)作系統(tǒng)。,3動(dòng)作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （1）動(dòng)作之間具有相互幫助和相互促進(jìn)的作用，使整個(gè)動(dòng)作系統(tǒng)更加協(xié)調(diào)和完善； （2）動(dòng)作之間也存在一定的相互干擾，通過(guò)改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作以減小這種干擾作用是推動(dòng)動(dòng)作系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)因。,2動(dòng)作系統(tǒng)的組成,4動(dòng)作系統(tǒng)的分類(lèi)及特點(diǎn),（1）周期性動(dòng)作系統(tǒng) 動(dòng)作的反復(fù)性和連貫性； 動(dòng)作的節(jié)律性； 動(dòng)作的交互性；