運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)第二章-運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)

運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)1第二章運(yùn)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、運(yùn)動(dòng)中的力與力矩二、人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)三、人體運(yùn)動(dòng)的靜力學(xué)四、人體運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)五、骨與關(guān)節(jié)生物力學(xué)2第一節(jié)運(yùn)動(dòng)中的力與力矩一、運(yùn)動(dòng)中的力力：一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體的作用，是使物體產(chǎn)生形變或線運(yùn)動(dòng)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(gè)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(lái)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(yùn)動(dòng)中的力矩力矩：力和力臂的乘積，是使物體轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)摩擦力與滑動(dòng)摩擦力）f=FN*μFN：正壓力（不一定等于施力物體的重力）μ：動(dòng)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(guò)支撐點(diǎn)作用于人體對(duì)重力的反作用力4.流體作用力人體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)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(qiáng)）系數(shù)。在國(guó)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(qiáng)系數(shù)在數(shù)值上等于彈簧伸長(zhǎng)（或縮短）單位長(zhǎng)度時(shí)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(dòng)，同時(shí)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流體阻力，在分流時(shí)產(chǎn)生的湍流等。9（二）內(nèi)力1、肌拉力這種力通過(guò)其在骨骼上的附著點(diǎn)，可以維持人體姿勢(shì)，引起人體內(nèi)部各部分、各環(huán)節(jié)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。是人體內(nèi)力中最重要的主動(dòng)力。肌拉力線：肌肉起點(diǎn)、止點(diǎn)中心的連線。若是超關(guān)節(jié)，則以動(dòng)點(diǎn)中心到拐彎中心的連線。

10（二）內(nèi)力2、組織彈力：當(dāng)機(jī)體拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生形變，彈力是機(jī)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流體阻力，在分流時(shí)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(shí)間與空間累積效應(yīng)1、力的時(shí)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(shí)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(dòng)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(duì)物體做了功。151）、動(dòng)量定理

物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在某段時(shí)間內(nèi)動(dòng)量的改變，等于所受合外力在這段時(shí)間內(nèi)的沖量。即：

16動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律：1.

動(dòng)量與沖量的概念

①

動(dòng)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(dòng)量定理在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

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

18動(dòng)量定理在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

2．若要減少對(duì)人體的沖力，就得延長(zhǎng)力作用的時(shí)間，各種落地緩沖動(dòng)作就是典型的例子。

19動(dòng)量定理在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

3.為了給物體或人體強(qiáng)大的沖擊力，要求物體與人體接觸的時(shí)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(shí)，其總動(dòng)量保持不變。這就是動(dòng)量守恒定律。

在動(dòng)量定理中，當(dāng)Ft=0時(shí)得

mVt—mV1=0即：

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

動(dòng)量守恒定律總動(dòng)量=各肢體環(huán)節(jié)的矢量和22二、運(yùn)動(dòng)中的力矩力矩：作用于物體或人體的合力與支點(diǎn)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(wú)支撐情況下，力線不通過(guò)重心，引起物體轉(zhuǎn)動(dòng)，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(lèi)杠桿平衡（2）第2類(lèi)杠桿省力杠桿

（3）第3類(lèi)杠桿速度杠桿24（1）第1類(lèi)杠桿平衡

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

Force27ForceResist.Axis28通過(guò)籽骨、肌在骨上附著點(diǎn)的隆起等來(lái)延長(zhǎng)力臂。29303132Force（3）第3類(lèi)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(zhǎng)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(diǎn)移動(dòng)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(guò)大的時(shí)候，容易引起運(yùn)動(dòng)杠桿各環(huán)節(jié)，特別是其力點(diǎn)和支點(diǎn)，即肌腱、肌止點(diǎn)以及關(guān)節(jié)的損傷。注意：除通過(guò)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。

37第二節(jié)人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)一、牛頓運(yùn)動(dòng)定律二、牛頓運(yùn)動(dòng)定律在人體運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用38一、牛頓運(yùn)動(dòng)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(shí)，物體重心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才會(huì)改變。應(yīng)用：合理利用慣性，提高運(yùn)動(dòng)效率以適宜的均勻速度長(zhǎng)跑動(dòng)作連貫不停頓完成舉重動(dòng)作勻速運(yùn)動(dòng)可以節(jié)省能量自行車(chē)車(chē)輛克服重物慣性要遵循骨骼肌活動(dòng)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(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。（加速度定律）計(jì)算F=ma這點(diǎn)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(duì)外界的作用力可以增大外界對(duì)人體的反作用力（起跑）41第三節(jié)人體運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)的重要基礎(chǔ)。一、力系平衡條件與人體平衡類(lèi)型二、穩(wěn)定性及其影響因素三、人體平衡與穩(wěn)定特點(diǎn)42（一）人體平衡

人體保持某一姿態(tài)的穩(wěn)定性或動(dòng)態(tài)中的控制能力。靜止?fàn)顟B(tài)勻速運(yùn)動(dòng)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(lèi)型（一）、平衡條件--合力為零，合力矩為零1、共點(diǎn)，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(lèi)型（二）、平衡類(lèi)型上支撐點(diǎn)平衡重點(diǎn)與支撐點(diǎn)的關(guān)系下支撐點(diǎn)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(lèi)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)作。人體平衡的分類(lèi)（2）下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支點(diǎn)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(dòng)作。（3）混合支撐平衡：是一種多支撐點(diǎn)的平衡狀態(tài)，這時(shí)有的支撐點(diǎn)在人體重心上方，有的支撐點(diǎn)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(lèi)（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(diǎn)是當(dāng)偏離平衡位置時(shí)，重心升高，產(chǎn)生的重力矩使物體向平衡位置運(yùn)動(dòng)。（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(diǎn)是偏離平衡位置時(shí)，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(dòng)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(lèi)（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(diǎn)是在一定限度內(nèi)的偏離平衡位置時(shí)，人體重心升高，產(chǎn)生的重力矩使人體向平衡位置移動(dòng)，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(diǎn)是偏離原來(lái)位置時(shí)，重心高度不變，不產(chǎn)生使物體位置移動(dòng)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(diǎn)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(shì)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(shì)變化而改變。54人體重心的變化

55人體重心可移動(dòng)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(kāi)始訓(xùn)練時(shí)，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(shí)，可先分開(kāi)雙腿以加大支撐面使重心比較低，練習(xí)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到一定效果后，再逐漸過(guò)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(diǎn)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(shuō)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(gè)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(jì)算62結(jié)論：K>1，K<1當(dāng)K>1時(shí)，物體本身重力產(chǎn)生的恢復(fù)力矩足以對(duì)抗傾倒，當(dāng)K<1時(shí)，物體恢復(fù)力矩對(duì)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(qiáng)。63三、人體平衡與穩(wěn)定特點(diǎn)1、人體不能處于絕對(duì)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(dòng)，因此人體平衡是相對(duì)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(shì)的過(guò)程中，當(dāng)人體重心發(fā)生偏移有失去平衡的傾向時(shí)，人體能借助于補(bǔ)償動(dòng)作在一定范圍內(nèi)“中和”或“抵消”重心的不適宜移動(dòng)。65人體的補(bǔ)償作用達(dá)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(shì)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(dòng)作。674、人體平衡受心理因素影響5、感覺(jué)系統(tǒng)在保持人體平衡的作用。68第四節(jié)、人體運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)動(dòng)定律的應(yīng)用69一、轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)

人體各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是圍繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng),走、跑、跳等動(dòng)作是通過(guò)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以，轉(zhuǎn)動(dòng)是人體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。70（一）人體轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸：剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)都做圓周運(yùn)動(dòng)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(dòng)軸。實(shí)體軸：實(shí)體器械提供的軸，如體操單杠。非實(shí)體軸：人體自身特定的直線，XYZ三軸（前面說(shuō)過(guò)的）71

（二）、角運(yùn)動(dòng)學(xué)1.角速度人體/肢體在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)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(diǎn)圍繞一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)或者人體圍繞某個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)或者人體上各點(diǎn)的瞬時(shí)速度。它具體描述轉(zhuǎn)動(dòng)的人體或器械上各個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。3.角加速度指單位時(shí)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(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度叫角位移。72

二、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)

1.形成人體轉(zhuǎn)動(dòng)的力學(xué)條件--外力矩不為零人體轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，一種是人體整體繞人體基本運(yùn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。73繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)人體整體繞人體基本運(yùn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)74

二、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)

人體轉(zhuǎn)動(dòng)的力學(xué)條件是作用在人體上的外力對(duì)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)化成15個(gè)剛體，通過(guò)鉸鏈聯(lián)結(jié)形成剛體系統(tǒng)，然后分別計(jì)算各個(gè)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。76

（一）轉(zhuǎn)動(dòng)定律

轉(zhuǎn)動(dòng)定律：

剛體繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念：描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持原來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)能力的物理量。I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，r為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，單位：Kg·m2對(duì)一個(gè)物體來(lái)講：注意：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小必須指明是對(duì)哪個(gè)軸的。78（二）動(dòng)量矩

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

不同時(shí)刻剛體動(dòng)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(shí)間越長(zhǎng)，剛體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的變化也越大。80（1）增大肌力矩：81（2）減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ir82跑步動(dòng)作中大小腿的折疊83例如；短跑運(yùn)動(dòng)員在擺腿時(shí)，通常需折疊大，小腿，以減小下肢對(duì)髖軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而快速前擺。而上肢也是在肩關(guān)節(jié)內(nèi)擺動(dòng)，采用屈前臂，以減小上肢對(duì)肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而快速擺動(dòng)。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(lèi)1、人體骨骼206塊，分顱骨（29）、軀干骨（51）、四肢骨（126）。2、骨分類(lèi)：長(zhǎng)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(xì)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(wú)營(yíng)養(yǎng)血管，營(yíng)養(yǎng)來(lái)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(xì)胞：骨細(xì)胞，成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞。細(xì)胞間質(zhì)：又稱骨基質(zhì)，分為無(wú)機(jī)和有機(jī)；

無(wú)機(jī)：鹽，65-70%，硬度。有機(jī)：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(méi)有顯著性差異(表2—2)，但在骨的生長(zhǎng)過(guò)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(shuō)，男子骨密質(zhì)的抗壓縮強(qiáng)度在26歲左右時(shí)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(zhǎng)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(duì)密度(骨松質(zhì)的密度ρ與骨小梁的密度ρS比為相對(duì)密度)較低，小于0．13g／cm3時(shí)，骨松質(zhì)的結(jié)構(gòu)是針狀的網(wǎng)格。當(dāng)相對(duì)密度增加，大于0．2g／cm3時(shí)，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(duì)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(gè)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(bào)道．骨松質(zhì)的抗壓縮強(qiáng)度與其密度的平方成正比。當(dāng)相對(duì)密度增加時(shí)，骨松質(zhì)的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度增加。

902024/11/591青年和老年骨的極限強(qiáng)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(shuō)明老年骨的延展性低于青年骨，破壞時(shí)能量貯存亦少。因此，人們常說(shuō)老年人的骨脆，也即是說(shuō)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(jiān)固性骨的有機(jī)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(wú)機(jī)物填充在有機(jī)物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使骨具有堅(jiān)固性，具有抗壓能力。

92

3.抗壓力強(qiáng)、抗張力差骨對(duì)縱向壓縮的抵抗最強(qiáng)，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(duì)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(qiáng)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(duì)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(jī)械應(yīng)力對(duì)骨生長(zhǎng)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(qiáng)度。即指骨在承載負(fù)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(duì)另一物體的作用。人體在運(yùn)動(dòng)或勞動(dòng)時(shí)，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(shí)，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(duì)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(zhǎng)并同時(shí)變細(xì)。例如在進(jìn)行吊環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)上肢骨被拉伸。

97

2.壓縮載荷(圖b)

是施加于骨組織表面的兩個(gè)沿軸線的大小相等、方向相對(duì)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(yùn)動(dòng)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(shí)脊柱的彎曲則為彎曲載荷。特點(diǎn)：骨骼在彎曲載荷時(shí)，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(méi)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(yuǎn)，其應(yīng)力就越大。99

4.剪切載荷(圖d)

在骨的表面受到一對(duì)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(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力和應(yīng)變。

例如車(chē)床剪切斷肢體時(shí)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(dòng)作時(shí)，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(jiàn)于前臂、脊柱的旋轉(zhuǎn)與骨關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)活動(dòng)中。當(dāng)骨受到扭轉(zhuǎn)時(shí)，所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力便分布在整個(gè)骨骼結(jié)構(gòu)中。101

6.復(fù)合載荷(圖f)

人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于骨的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，同時(shí)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(shí)，往往是幾種作用力的復(fù)合。像跌倒后發(fā)生的橈骨遠(yuǎn)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(duì)骨也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

即骨受到持續(xù)低載荷作用一段時(shí)間后，其組織會(huì)產(chǎn)生緩慢變形或蠕變。在加載后的最初數(shù)小時(shí)（6～8小時(shí)），其蠕變現(xiàn)象最顯著，隨后蠕變的速率則會(huì)降低。一般而言，骨承受壓力負(fù)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(fù)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(shí)會(huì)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(gè)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(shí)，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(diǎn)：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(jì)算公式：105

種類(lèi)：根據(jù)作用于骨的力不同，其內(nèi)部分別會(huì)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(duì)骨的改變、生長(zhǎng)和吸收起著調(diào)節(jié)作用，應(yīng)力不足會(huì)使骨萎縮，應(yīng)力過(guò)大也會(huì)使骨萎縮。因此，對(duì)于骨來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)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(zhǎng)度的變化量與原長(zhǎng)度之比，即形變量與原尺度之比。一般以百分比來(lái)表示(下圖)。

由壓力、形變和樣本的大小計(jì)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(shí)，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(gè)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(huì)造成永久性形變（如骨折）。彈性區(qū)末端點(diǎn)或塑性區(qū)初始點(diǎn)稱屈服點(diǎn)。該點(diǎn)對(duì)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(diǎn)以后的區(qū)。此時(shí)已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損壞和永久變形。當(dāng)載荷超過(guò)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(qiáng)度?！镌趹?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(gè)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，骨會(huì)反復(fù)受力，當(dāng)這種反復(fù)作用的力超過(guò)某一生理限度時(shí)會(huì)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(shuō)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(duì)于實(shí)驗(yàn)中的骨，曲線不是漸近的，因?yàn)楣窃诮?jīng)受低載荷重復(fù)作用時(shí)，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(kāi)始于應(yīng)力集中點(diǎn)，形成蚌殼式裂紋；第三，疲勞過(guò)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(guò)疲勞試驗(yàn)加以測(cè)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(qiáng)度是指骨在承受載荷時(shí)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(yàn)中，載荷－變形曲線能反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的三個(gè)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(guò)大，往往會(huì)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(qiáng)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(qiáng)度剛度下降4、衰老與骨質(zhì)疏松：造成強(qiáng)度剛度下降113（六）骨的杠桿作用運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)均是在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，通過(guò)骨骼肌的收縮、牽拉骨圍繞關(guān)節(jié)活動(dòng)而產(chǎn)生的。其功能與杠桿原理相同。（見(jiàn)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(méi)有腔隙，不活動(dòng)或者活動(dòng)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(duì)骨面之間具有腔隙，有較大的活動(dòng)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(lèi)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(chē)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(shí)存在的兩個(gè)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(yùn)動(dòng)；關(guān)節(jié)的穩(wěn)固性以保證人體在運(yùn)動(dòng)中維持動(dòng)態(tài)平衡，使關(guān)節(jié)在復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(fù)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(dòng)連接，是活動(dòng)杠桿的支點(diǎn)