人體運動力學-PPT課件

1、人體運動力學機械工程學院單麗君2022/7/202緒論1、運動生物力學概述2、運動生物力學的任務和內容3、運動生物力學的應用、前景與發(fā)展主要內容2022/7/203第一節(jié)運動生物力學概述一、運動生物力學概念（一）生物力學：研究生物體機械運動規(guī)律。一般生物力學、人類工程生物力學、醫(yī)用生物力學、康復生物力學、運動生物力學、生物力學研究方法（二）運動生物力學：運動生物力學是用靜力學、運動學和動力學的基本原理結合解剖學、生理學等研究人體運動的學科。用理論力學的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領域。運動生物力學是研究體育運動中人體運動規(guī)律的科學。 運動生物力學把體育運動中各項動作技術的研究

2、課題，賦予生物學和力學的觀點及方法，使復雜的體育動作技術奠基于最基本的生物學和力學的規(guī)律之上，并以數學、力學、生物學及運動技術原理的形式加以定量描述。2022/7/204二、運動形式簡單的、低級的運動形式復雜的、高級的運動形式三、人體運動的復雜性人體是個開放的系統(tǒng)四、人體的機械運動（一）人體機械運動的表現(xiàn)方式 人體某一部分相對身體另一部分的空間、時間位移；人體整體相對外界環(huán)境的空間、時間位移；由人體局部位移而造成器械的空間位移。2022/7/205（二）人體機械運動的特點1人體機械運動有很大的主動性和可變性，而不決定于外部條件。2人體長時間連續(xù)工作或運動后易出現(xiàn)疲勞，但經過休整可以完全恢復。3

3、人體的大部分機械運動形式，尤其是體育技術動作都是后天、自發(fā)或自覺地形成的。4人體機械運動受大腦皮質的控制、調節(jié)并有意識參與。 2022/7/206第二節(jié) 運動生物力學的任務和內容一、運動生物力學的任務（一）運動生物力學學科任務1研究人體結構與運動功能之間的相互關系。2研究人體技術動作的規(guī)律。3研究運動技術的最佳化。4研究、設技和改造運動器械。5研究運動損傷的原因和預防措施。6為運動選材提供生物力學參數。2022/7/207（二）運動生物力學課程任務1深刻理解體育動作的生物力學原理，探索運動技術的力學規(guī)律。2擴大知識視野。3學習從事運動技術科學研究的生物力學理論和方法。2022/7/208二、運

4、動生物力學的課程內容1.運動生物力學概論2.人體運動實用力學基礎3骨、肌肉及人體基本活動的生物力學4.人體運動數據采集及處理5.運動技術的生物力學分析 三、學習運動生物力學的指導思想（一）系統(tǒng)分析的觀點（二）發(fā)展變化和對立統(tǒng)一的觀點（三）內外力相互作用和人體內力起主導作用的觀點2022/7/209第三節(jié)運動生物力學的應用、前景與發(fā)展一、運動生物力學的應用二、運動生物力學發(fā)展趨勢（一）分類1基礎研究2理論研究3應用研究（二）趨勢1同步化2模型化3最佳化4準確化5計算機化（核心）2022/7/20102022/7/2011第二章運動器系的生物力學特性本章主要內容1、人體骨、關節(jié)軟骨、韌帶、肌腱、關

5、節(jié)及骨骼肌的生物力學特性；2、運動器系整體的生物力學特性及在運動中骨、關節(jié)、肌肉的相互作用規(guī)律；3、人體運動動作結構與動作系統(tǒng)的構成與特點。 2022/7/2012第一節(jié) 骨的生物力學特性 骨骼系統(tǒng)的作用是保護內臟器官，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動。 一、骨結構的生物力學特性（一）骨形態(tài)結構和物理化學屬性對力學特性的影響 1、骨形態(tài)結構的影響 （1）骨分類：分為長、短、扁和不規(guī)則4種類型。（2）骨分布：骨的分布和力學功能是相適應的 長骨分布于四肢，在肌肉的牽拉下，能產生運動。 短骨多是立方形，分布于負重壓而運動復雜的部位，如腕骨和跗骨。 扁骨呈板狀。 若干扁骨圍成空

6、腔，有保護作用，如顱骨圍成顱腔，容納和保護腦。不規(guī)則骨形狀不規(guī)則，如椎骨等。2022/7/2013 2、物理化學屬性的影響 （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，取決于骨的化學成分。成人枯骨由含有13的有機物(膠原纖維)和23的無機物(主要是鈣和磷等)組成。（2）有機物使骨具有彈性 無機物則使骨堅硬而脆，它能提高骨的強度。骨內的有機物和無機物的比例，隨著年齡和生活條件而異，年齡越小，骨內有機物相對較多，因此小兒骨的彈性較大，較易發(fā)生變形。老年入骨無機物相對增多而變得脆弱，較易發(fā)生骨折。2022/7/2014(二)骨組織的力學特性 1各向異性 骨

7、的結構為中間多孔介質的夾層結構材料。2彈性和堅固性 骨組織中大約有2530是水，其余70，75是無機物和有機物。有機成分組成網狀結構，使骨具有彈性。無機成分填充在有機物的網狀結構中，使骨具有堅固性，能承受各種形式的應力。2022/7/2015物理性能鋼骨花崗石洋松密度g.cm-27.81.871.972.60.63沿縱軸的最高張力強度N.cm-241571.6911411 760490632.1沿縱軸的最高壓力強度N.cm-2415521185820 58013 2304 155.2垂直縱軸的切變強度N.cm-234398116621381.81 038.8平行縱軸的切變強度N .cm-2 4

8、9493骨是人體理想的結構材料 表2-1 人脛骨與其他材料比較2022/7/20164. 耐沖擊力和持續(xù)力差 不同載荷作用時，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，沖擊力在骨中引起的變化較大，也就是說，骨對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機械力對骨結構的影響 在骨承受載荷的限度內，成人骨對機械力的反應是由應力的值所決定的。骨對生理應力刺激的反應往往處于平衡狀態(tài)，應力越大，骨的增生和密度增厚越強。 2022/7/2017 6應力強度的方向性 骨結構中骨密質和骨松質中的密度不同，它們承受的力量也就不同。骨密質的多孔性程度占53

9、0，而骨松質卻占3090，骨密質的剛性比骨松質大，骨密質的變形(約2)比骨松質的變形(約7)小。2022/7/2018 二、骨的力學特征 骨由骨密質與骨松質組成。 骨密質是一種由骨單位、骨間質系統(tǒng)和有機的粘彈性的聯(lián)接物質共同構成的復合材料。 骨松質則是由許多針狀和片狀的骨小梁相交織成網格形的蜂窩狀固體。骨松質與骨密質的結構不同，其力學性質也截然不同。2022/7/2019（一)骨密質的力學性質 1應力一應變關系 屈服點（B)，即過此點骨就會發(fā)生某種持久變形，極限斷裂點(C)即過此點標本發(fā)生破壞。2022/7/2020 2不同載荷作用下骨密質的特性 (1)拉伸 人在股骨和肱骨的拉仲強度相近，約為

10、125106 Nm2。較大拉伸載荷的作用下骨會伸長。骨組織在拉伸載荷下斷裂的機理主要是結合線的分離和骨單位的脫離。如在跟腱附著點附近的跟骨骨折，就是由于小腿三頭肌的強力收縮對跟骨產生異常大的拉伸載荷引起的。 (2)壓縮 骨干最經常承受的載荷是壓縮載荷，而且壓縮負荷能夠刺激新生骨的生長，促進骨折的愈合。 人股骨所能承的最大壓縮強度為170106Nm2,比拉伸強度大36左右。2022/7/2021 (3)彎曲 當骨承受彎曲載荷時，骨要同時受到拉伸和壓縮，而且骨有一中性軸，在中性軸的凹側的骨受壓縮應力，凸側受拉伸應力。在中性軸上沒有應力。應力的大小與至骨干中性軸的距離成正比距中性軸越遠，應力越大。由

11、于骨是不對稱的，所以拉伸應力與壓縮應力可不相等。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。2022/7/2022(4)剪切 剪切載荷作用時，載荷施加方向與骨表面平行或垂直，且在骨內部產生剪切應力和剪應變。骨剪切載荷時其內部發(fā)生角變形。通過對骨進行剪切實驗的結果表明，骨密質的剪切強度要大于骨松質的剪切強度，垂直于骨纖維方向的剪切強度要明顯大于順纖維方向的剪切強度。2022/7/2023(5)扭轉 載荷加于物體上使其沿軸線產生扭曲時，即形成扭轉。當骨受到扭轉載荷時，骨將沿其軸線產生扭曲。當骨發(fā)生扭轉時，整個骨都有剪應力分布，且剪應力的量值與其距中性軸的距離成正比，距

12、中軸越遠，剪應力越大。圖211是成人骨密質試樣壓縮、拉伸和剪切試驗時的極限應力比較。2022/7/2024(6)復合載荷 物體同時受到多種載荷的作用?；铙w骨承受載荷是很復雜的，多屬于復合載荷。在人的日常生活和體育運動中，骨干上的載狀況并非是單一的載荷，作用在體內骨的載荷是復雜多變的，往往是多種載荷的復合。例如，人體髖關節(jié)的股骨頸斷裂時，它是壓、彎、剪切力3種載荷的復合。又如，人體腔骨在步行狀態(tài)時，在脛骨上的載荷往往也是在變的，它也是幾種載荷的復合；如圖212。 2022/7/2025（7）沖擊載荷 骨在沖擊載荷作用下產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

13、于沖擊載荷作用的時間，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構關系密切。有人進行骷實驗比較，發(fā)現(xiàn)頭顱骨耐沖擊能力要比長骨高40左右，其原因一方面在于顱骨為扁骨，內外表面是密質骨骨板，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構，具有良好的承受外部載荷的能力。2022/7/20263骨密質的力學性質與年齡、性別的關系 骨密質的年齡與性剮特征在骨的生理學、病理學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22)，但在骨的生長過程中，骨密質的密度隨年齡而變化。特別是女性，在2485歲范圍內密度降低約8。一般說，男子骨密質的抗壓縮強度在2

14、6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-2 1.79 1.80 標準差 0.060 0.066 P 0.631表2-2男女長骨骨干平均密度的比較2022/7/20274骨松質的力學性質 人體椎骨、肋骨頭和顱顱骨上的骨松質，發(fā)現(xiàn)骨松質的密度與結構有密切關系。當骨松質的相對密度(骨松質的密度與骨小梁的密度S比為相對密度)較低，小于013 gcm3時，骨松質的結構是針狀的網格。當相對密度增加，大于02 gcm3時，較多的材料聚集在網格壁上，結構轉變?yōu)槠瑺畹妮^致密的網格。中等相對密度的骨松質結構是針狀和片狀網格混合而成。2022/7/2028在壓縮情況下

15、，骨松質的應力一應變曲線(圖2一13)與典型的蜂窩狀固體的應力應變曲線相似。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。據報道骨松質的抗壓縮強度與其密度的平方成正比。當相對密度增加時，骨松質的楊氏模量和抗壓強度增加。 2022/7/2029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。2022/7/2030 三、骨疲勞 人在不斷運動的過程中，骨會反復受力，當這種反復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

16、為疲勞性損傷。所有物質，其載荷和重復作用的關系都能作成一條疲勞曲線(圖215)。有些物質(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，不管重復的次數多少，此物質將仍保持完好，對于實驗中的骨，曲線不是漸近的，因為骨在經受低載荷重復作用時，可產生疲勞性微骨折。2022/7/2031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，開始于應力集中點，形成蚌殼式裂紋； 第三，疲勞過程如圖216； 第四，重復載荷的 第五，骨的疲勞極限可以通過疲勞試驗加以測定，約為3.45 kNcm2。 第六，疲勞壽命隨載荷增加而減小，隨溫度升高亦減小

17、，而隨密度的增加而增加。2022/7/2032四、肌肉活動對骨應力的影響 骨承受載荷時，附著于骨骼上的肌肉收縮可改變骨的應力分布情況。肌肉收縮產生的壓應力，能部分或全部抵消作用于骨骼上的張應力。 圖217A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，此時脛骨后面產生了很大的拉應力，而脛骨前面則受大壓應力的作用。由于小腿三頭肌收縮，對脛骨后面產生大的壓應力(圖2一17 B)，抵消了其很大的張應力，因此能保護脛骨免受大張力之害。同時，此肌肉收縮還對脛骨前面產生大的壓應力，成人骨一般能夠承受這個應力，但發(fā)育未成熟的骨，比較纖弱，會由于壓應力過大而受損。2022/7/2033 在50歲以上

18、人群中,骨性關節(jié)病在導致長期殘疾的疾病中僅次于心血管疾病排在第二,人類的關節(jié)可以在30歲左右就產生沒有癥狀的退化改變,且女性膝關節(jié)病人比例比男性更高。日常生活中步行對膝關節(jié)的力學刺激最為普遍,研究人步行中膝關節(jié)的生物力學特性對認識關節(jié)力學行為,有意識的保護關節(jié),減少關節(jié)損傷有積極意義。 人在坡路等不同足地界面下行走時,步態(tài)會發(fā)生變化,通過人體三維步態(tài)實驗研究和分析發(fā)現(xiàn)當女性穿鞋跟高度不同的鞋子行走時,膝關節(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,同時對膝關節(jié)運動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節(jié)活動范圍減少,在冠狀面膝關節(jié)活動范圍增加。實例12022/7/2034

19、第三節(jié) 關節(jié)軟骨、韌帶、肌腱的生物力學特性 一、關節(jié)軟骨的力學特性 關節(jié)是人體中重要的骨與骨可動連接，是活動杠桿的支點。關節(jié)的作用一是保證人體的運動，二是傳遞力。 在有滑液的或能自由運動的關節(jié)內，被連結的骨的末端被15 mm厚致密無色的結締組織和關節(jié)軟骨所覆蓋。 關節(jié)軟骨既使力在關節(jié)中的傳遞變得均勻，又提供了潤滑良好的關節(jié)面，使關節(jié)能靈活運動而且少受磨損。 一般來說，關節(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。2022/7/2035 (一)滲透性第一種液體輸送機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多孔的可滲透基質后輸送。液體的輸送與壓力梯度成正比(圖218 A)

20、；第二種液體輸送機制是軟骨基質的形變(圖218 B) 關節(jié)軟骨是一種粘彈性材料，但它與眾不同的特點在于關節(jié)軟骨為多孔材料，組織間隙中充滿著液體，在應力作用下，液體可在組織中流進流出2022/7/2036由于關節(jié)軟骨對液體的流動有很大的阻力，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。在快速加載與減載的情況下，沒有時間讓軟骨組織將液體擠出(如跳躍時)。軟骨組織有點像一種彈性單相物質，加載時立即變形，卸載后又立即復原。但如果緩慢地對軟骨組織施加載荷并維持恒定，如長期站立時，隨著液體被擠出，組織變形將不斷增加。消除載荷后，如果有充分的時間使組織獲得足夠的液體，組織就可以恢復原來

21、狀態(tài)。上述材料性能的兩種類型是：與時間無關的或稱彈性材料特性(可復原)；與時間有關的或稱粘彈性材料特性(也面復原)。(二)關節(jié)軟骨的材料性能與負載速度的關系2022/7/2037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構的排列一致。最后，曲線的陡峭部分代表膠原蛋白本身的拉伸剛度。正常成人關節(jié)軟骨的抗張硬度和抗張強度，隨著離關節(jié)面的距離增加而減少。這些結果使人們相信膠原蛋白豐富密集的軟骨表淺層對軟骨組織起一種類似堅韌耐磨的保護層的作用 （三）單軸向張力下關節(jié)軟骨的性能2022/7/2038 對粘彈性材料進行蠕變實驗，可作為一種測定隨時間變化的材料反應的方法。瞬時對標本施加固定的載荷并維

22、持到實驗結束，在施加載荷的情況下，壓縮性變形持續(xù)加重，這就是標本的“蠕變”，直至獲得一個平穩(wěn)狀態(tài)或一個漸進值為止。 (四)關節(jié)軟骨的蠕變反應2022/7/2039(五)潤滑作用 關節(jié)軟骨相當于滑動軸承的軸瓦，作為滑膜關節(jié)中襯墊骨的軸承，在關節(jié)活動時防止磨損方面起著非凡的潤滑作用。摩擦系數比油對金屬的潤滑低兩個數量級，比最好的人工材料低許多倍。成年人的關節(jié)軟骨幾乎沒有再生能力，但能維持幾十年的磨損壽命。潤滑界面潤滑液膜潤滑是依靠化學吸附于接觸固體表面的單層潤滑分子來進行。一層較厚的潤滑劑膜使兩個承載面之間產生較大的間隙，這層液膜內的壓力可支持承載面上的負荷。2022/7/20402022/7/2

23、041 (六)磨損 磨損，是指由于機械作用引起的固體表面物質喪失。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。2022/7/2042二、韌帶、肌腱結構的生物力學特性 韌帶和肌腱都由致密結締組織構成，主要含有膠原纖維、彈性纖維及成纖維細胞。其形態(tài)特點是細胞成分少，纖維成分多，排列緊密。所不同的是人體肌腱和大多數韌帶都是以膠原纖維為主，只有項韌帶和黃韌帶是以彈性纖維為主。 (一)應力一應變曲線 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

24、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。不受載時纖維松弛呈波浪形，施加載荷時，與載荷方向一致的纖維被拉緊，此時被拉直的纖維在生理允許范圍內承受著載荷。 2022/7/2043膠原纖維拉伸曲線 彈性纖維拉伸曲線2022/7/2044膝關節(jié)前交叉韌帶的載荷、變形曲線韌帶內的膠原纖維占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韌帶。曲線有5個明顯的區(qū)域：2022/7/20451韌帶和肌腱的材料力學性質與溫度、加載速度、應變量等試驗條件密切相關2韌帶的強度和剛度受應力大小影響：應力增加 ，韌帶的強度和剛度會增加，而應力減少時強度和剛度也減少。體育鍛煉可能使人體的韌帶的強度和剛度增加，使韌帶增粗。 (二)影響韌帶和肌腱力學特性的因素靈長類動物關節(jié)制動實驗2022/7/20464年齡對韌帶力學性質的影響 3運動訓練對韌帶力學性質的影響 隨年齡增長，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23倍。 2022/7/20475時間對韌帶力學性質的影響 松弛：如將試件固定在一定變形之下，開始時材料內部有較大的應力，以后隨著時間的延長，該應力逐漸減小，這一過程稱為松弛。 蠕變：如果對試件施加一個不變的載荷，則試件的變形將隨著時間的延長而增長，