運動器系的生物力學

關于運動器系的生物力學第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)材料力學基礎

人體在日常生活和體育運動中時刻受到外力的作用，在外力在以下材料具有哪些重要的性質？第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月載荷人體在日常生活和體育運動中時刻受到外力的作用，包括載荷和約束力，載荷就是人體所受外力的一種載荷可分為：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉和復合載荷。第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月載荷的幾種形式第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月

應變是變形量與原來尺寸的比值載荷下人體發(fā)生相應的應變應變是量度物體形變程度的量，分為線應變和剪應變。第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月應力物體在受到外力作用而變形時，其內部各質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各質點之間相互作用力的改變量，簡稱為內力。單位面積上的內力稱為平均應力，當面積趨近于0時平均應力的極限稱為應力。應力分為垂直于截面的法向分力和沿著截面方向的切向分力。第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月應力應變曲線應力-應變曲線是描述材料力學性質的曲線。它反映了材料在加載過程中受力和變形之間的關系。為了確定一種材料的力學性能，通常將該材料制作成一定的形狀—稱為“試件”，將此“試件”在專門的儀器上施加載荷，直至破壞。在加載過程中連續(xù)記錄載荷和應變，繪制成曲線，縱坐標代表應力（載荷），橫坐標代表應變（變形），這就是應力-應變曲線。第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月應力-應變曲線模式圖第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月應力-—應變曲線階段劃分

（一）彈性階段：（A—B）卸載后變形能完全恢復，為彈性變形。應力超過彈性極限后，若除去外力，將留有殘余變形。（二）屈服階段：（B—C）：曲線的坡度逐漸減小，即材料對于變形的抵抗力逐漸減弱。材料的屈服：變形繼續(xù)增長而應力并不增加殘余變形（塑性變形）：如果材料達到屈服，卸載之后就不再回復到原狀。第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月強度結構破壞前所能承受的變形；結構破壞前所能承受的載荷；結構在破壞前所能貯存的能量；在應力應變曲線上用極限斷裂點來表示由載荷和變形所表達的強度；整個曲線下方的面積表示由貯存能量所表達的強度；剛度彈性范圍內曲線的斜率表示結構的剛度。第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月粘彈性材料的三個特點：若應變保持一定，則應力隨著時間的增加而下降，稱為應力松弛。若應力保持一定，應變隨著時間的增加而增大，稱為蠕變。對物體作周期性加載和卸載，加載和卸載時的應力-應變曲線不重合，稱為滯后。第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月粘彈性材料的應力應變與時間關系曲線第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2213第二節(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、骨組織的生物力學特性（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。第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月（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。第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/22152、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1／3的有機物(膠原纖維)和2／3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。第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2216(二)骨組織的力學特性

1．各向異性

骨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25％～30％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。第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2217物理性能鋼骨花崗石洋松密度／g.cm-27.81.87～1.972.60.63沿縱軸的最高張力強度／N.cm-241571.69114～11760490632.1沿縱軸的最高壓力強度／N.cm-24155211858～20580132304155.2垂直縱軸的切變強度／N.cm-234398116621381.81038.8平行縱軸的切變強度／N.cm-2

—4949——3．骨是人體理想的結構材料

表2-1人脛骨與其他材料比較第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/22184.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。

第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2219

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5％～30％，而骨松質卻占30％～90％，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。第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2220

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。第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2221（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。第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2222

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伸強度相近，約為125×106N／m2。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170×106N／m2,比拉伸強度大36％左右。第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2223

(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。第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2224(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。第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2225(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，距中軸越遠，剪應力越大。圖2—11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。第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2226(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。第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2227（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。第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/22283．骨密質的力學性質與年齡、性別的關系骨密質的年齡與性別特征在骨的生理學、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2—2)，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24～85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

標準差

0.0600.066P0.631表2-2男女長骨骨干平均密度的比較第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2229（二）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)現骨松質的密度與結構有密切關系。當骨松質的相對密度較低時，骨松質的結構是針狀的網格。當相對密度增加，大于0．2g／cm3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。第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2230在壓縮情況下，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。

第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2231

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

。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。第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2232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；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3.45kN／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。第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2233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1～5mm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。第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2234

(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2—18A)；第二種液體輸送機制是軟骨基質的形變(圖2—18B)．

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第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2235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狀態(tài)。上述材料性能的兩種類型是：①與時間無關的或稱彈性材料特性(可復原)；②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第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2236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)軟骨的性能第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2237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)軟骨的蠕變反應第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2238(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。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。第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2239二、(轉新教材)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向一致性較差，排列情況隨韌帶的功能不同而變化。

第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2240膠原纖維拉伸曲線彈性纖維拉伸曲線第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/22411．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第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/22424．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2～3倍。第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/22435．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，這一過程稱為蠕變。第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2244

第四節(jié)人體關節(jié)力學關節(jié)是人體運動的樞紐，骨杠桿活動的支點。其基本功能是傳遞力和保證人體各部分間的靈活運動。因此，研究關節(jié)結構及機能的生物力學特性對于指導體育教學與訓練和防、治運動損傷具有重要意義。

一、關節(jié)運動學

1．關節(jié)的基本運動形式

關節(jié)在人體中不同部位骨的形態(tài)各異，致使各關節(jié)的結構與機能不盡相同，其運動形式也是復雜多變的。但各關節(jié)的基本運動形式可以歸納為屈伸運動、收展運動、旋轉運動三種。

2．關節(jié)運動幅度及測量方法

關節(jié)運動幅度是指運動環(huán)節(jié)圍繞某運動軸進行轉動的極限活動范圍，通常關節(jié)運動幅度用角度來表示。第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/2245(1)影響關節(jié)運動幅度的因素①構成關節(jié)的兩關節(jié)面弧度差兩關節(jié)面弧度差越大，關節(jié)的運動