《人机工程学》第4章_人体力学

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1、第4章 人体力学 第4章 人体力学 4.1 肌肉收缩与肌力 4.2 骨杠杆系统 4.3 静态肌肉施力 4.4 作业姿势 4.5 人的操纵力 第4章 人体力学 .1 肌肉收缩与肌力 人体内有三种类型的肌肉。 第一类为骨骼肌， 通过 腱与骨骼相连。 骨骼肌的收缩能力强， 但不能持久， 其活动能随人的意志运动， 也称随意肌。 第二类为平滑 肌， 构成人体某些脏器的管壁， 其活动不受意志支配， 故称不随意肌。 第三类为心肌， 分布在心脏的房、 室 壁上， 组成心肌层， 也属不随意肌。 人机工程学所讨论的仅限于骨骼肌， 以下简称肌肉 。 第4章 人体力学 4.1.1 肌肉的组织结构 骨骼肌是人体内数量最

2、多、 分布极广的一种组织 ， 对于成年男性约占体重的40%， 女性约占35%。 骨骼肌的形状一般可分为长肌、 短肌、 阔肌、 轮 匝肌四种。 第4章 人体力学 骨骼肌的中间部位称为肌腹， 主要由骨骼肌纤维 构成， 有收缩性。 骨骼肌的两端称为肌腱， 由致密结 缔组织构成， 无收缩性。 骨骼肌纤维是长圆柱状细胞， 表面由肌膜包围， 其长度一般约为340 mm， 直径约为10100 m。 许多肌纤维排列成束， 构成肌束。 肌肉则由许多聚集 在一起的肌束构成。 第4章 人体力学 4.1.2 肌肉收缩的机理和形式 1. 肌肉收缩机理 肌肉的基本机能是将生物化学能转变为机械位能 或动能。 这种转变是靠骨

3、骼肌所具有的生理特性收 缩性实现的。 人体的每一块骨骼肌都受一定的神经支 配。 当来自中枢神经系统的神经冲动， 由分布于肌肉 中的运动神经末梢通过运动终板传递给所支配的肌纤 维并引起肌纤维兴奋时， 肌纤维的机械状态即发生变 化。 肌纤维在刺激作用下所发生的这种机械状态的变 化称为肌肉收缩。 第4章 人体力学 人体的任何一种运动， 包括最简单的动作在内， 都是众肌肉群共同收缩的结果。 在肌肉共同活动中， 作用相同者称为协同肌， 作用相反者， 则称为拮抗肌 。 如肱二头肌和肱肌、 肱桡肌都有屈肘的作用， 属于 协同肌； 而肱二头肌和肱三头肌， 对肘关节是一屈一 伸， 故二者属于拮抗肌。 屈肘时，

4、既要有屈肌组的协 同收缩， 又要有伸肌组的舒张相配合， 才能完成屈肘 动作。 协同肌与拮抗肌的收缩， 都是在神经系统的调 节下进行的， 是高度协调的。 第4章 人体力学 图4 - 1 肌微丝滑动示意图 (a) 静止状态； (b)收缩状态(c) 弛张状态 第4章 人体力学 2. 肌肉收缩的形式 1) 等长收缩。 肌肉收缩所产生的拉力等于外界阻 力时， 肌肉的长度不变， 这种收缩形式称为等长收缩 。 2) 非等长收缩。 肌肉收缩所产生的拉力不等于外 界阻力时， 肌肉的长度发生改变， 这种收缩形式称为 非等长收缩。 第4章 人体力学 4.1.3 肌肉收缩的力学特征 肌肉收缩时的力学特征的不同表现，

5、主要取决于 负荷(阻力、 重量)的大小。 1. 潜伏期 负荷增大时， 从肌肉受到刺激到肌肉开始缩短的 时间间隔变长， 即潜伏期延长， 如图4 - 2所示。 2. 缩短程度 图4 - 3所示为人体右胸大肌负荷与肌肉缩短程度、 速度的关系， 当负荷较大时， 肌肉的缩短程度较小。 第4章 人体力学 图4 - 2 负荷与潜伏期的关系 第4章 人体力学 图4 - 3 负荷与缩短程度以及缩短速度的关系 第4章 人体力学 3. 缩短速度 人体右胸大肌在负荷较大时， 肌肉缩短速度慢(如 图4 - 3所示)。 肌肉收缩速度与待收缩量成正比。 在某一负荷下 ， 肌肉收缩时， 最初缩短速度较快， 随着肌肉的缩短 ，

6、 缩短速度渐慢， 到最大缩短值时， 缩短速度为零。 这一关系可用下式 表示： (4 - 1) 第4章 人体力学 4.1.4 肌肉收缩的机械效率 肌肉收缩所产生的能量， 一部分用于克服外界阻 力， 完成外功， 即将肌肉中的生物化学能转变为机械 位能或身体运动的动能； 另一部分则用于克服肌肉内 部所特有的内阻力， 做了内功， 即将生物化学能转变 为热能。 因此， 肌肉作功时所消耗的总能量E为 （ - 2 ） 式中： A完成外功消耗的能量； Q做内功所消耗 的能量。 第4章 人体力学 肌肉收缩的机械效率为 （ - 3） 第4章 人体力学 4.1.5 肌力 肌肉收缩所产生的力通常以肌肉收缩时对外用力

7、所测定的数值表示。 人的一条肌纤维所发挥的力量约 为0.010.02 N， 肌力为许多肌纤维的收缩力之和。 肌肉的最大肌力为每平方厘米横截面上3040 N。 可 见一个人能产生多大的肌力取决于其肌肉横截面面积 的大小。 肌力还与收缩肌肉的长度有关， 当肌肉长度 为静息状态长度时， 肌肉产生的力量最大， 随着肌肉 长度的缩短， 肌肉产生力量的能力也逐渐下降。 第4章 人体力学 4.2 骨杠杆系统 成人全身共有206块骨， 通过骨连结组成的骨骼系 统， 约占体重的1/5。 骨依其所在部位可分为颅骨、 躯干骨、 四肢骨三部分； 依其形态则可分为长骨、 短 骨、 扁骨和不规则骨四种。 骨骼的主要功能是

8、： 骨骼 构成人体的支架， 有维持体型、 支撑软组织、 承担全 身重量的作用； 第4章 人体力学 骨骼形成体腔壁， 可保护大脑及内脏器官， 并能帮助 呼吸； 骨是人体运动的杠杆， 肌肉牵动骨绕关节转动 ， 使人体产生各种运动； 骨的红、 黄骨髓有造血、 储藏脂肪的功能， 骨还是人体内矿物盐的储备仓库。 第4章 人体力学 表4 - 1 身体主要部位肌肉所产生的力 第4章 人体力学 骨与骨之间借纤维结缔组织、 软骨或骨组织相连 结， 称骨连结。 人体的骨连结可分为直接连结和间接 连结两种形式。 两骨之间通过结缔组织、 软骨或骨相 连接， 其间无腔隙， 活动范围很小或不活动的连结形 式称为直接连结，

9、 如椎弓间的韧带联合、 胸骨和第一 肋骨的软骨结合以及骶椎间的骨性结合等。 两骨之间 借膜性囊互相连结， 其间具有腔隙， 活动性较大的连 结形式称为间接连结， 这种连接也称为关节。 第4章 人体力学 4.2.1 关节的运动 关节的运动是绕轴的转动， 其运动形式与关节面 的形态有密节关系。 根据关节运动轴的方位， 关节运 动有以下四种形式。 1 . 屈伸运动 关节绕冠状轴所进行的运动。 同一关节的两骨之 间， 角度减小为屈， 角度增大为伸。 如肘关节连结的 前臂骨与肱骨， 肘关节绕冠状轴转动时， 前臂骨与肱 骨之间角度减小时为屈肘，反之则为伸肘。 第4章 人体力学 2. 内收外展 关节沿矢状轴所

10、进行的运动。 内收为关节转动时 ， 骨向正中面靠拢的运动； 外展则为骨离开正中面的 运动。 3. 旋转运动 骨围绕垂直轴或绕骨本身的纵轴的旋转运动。 骨 的前面转向内侧称为旋内， 而骨的前面转向外侧则称 为旋外。 第4章 人体力学 4. 环转运动 骨的近侧端在原位转动， 远侧端作圆周运动， 全 骨形式一圆锥形式运动轨迹。 环转运动实际上是屈、 展、 伸、 收的依次连续运动。 表4 - 2和图4 - 4为成年人各关节的活动范围及人体 保持舒适姿势时的关节调节范围。 第4章 人体力学 4 - 2 成年人肢体的主要活动范围和舒适姿势的调节范围 第4章 人体力学 图4 - 4 成年人关节的活动范围 (

11、a) 关节活动范围； (b) 保持舒适姿势时的关节调节范围 第4章 人体力学 4.2.2 关节的类型 根据关节面的形态和运动形式， 关节可分为单轴 关节、 双轴关节和多轴关节， 如图4 - 5所示。 第4章 人体力学 图4 - 5 关节的类型 第4章 人体力学 上述三种关节所包括的类型如下： 第4章 人体力学 4.2.3 人体运动的杠杆原理 骨在肌肉拉力的作用下绕关节轴转动， 其结构与 功能如同机械杠杆， 故称为骨杠杆。在图4 - 6所示的 骨杠杆中， 关节为支点(O)； 肌肉的起止点为力点(A) ； 负荷(或身体部位的重量)的作用点为阻力点(D)。 支点至肌肉拉力线的垂直距离为力臂(OC)；

12、 支点至阻 力作用线的垂直距离为阻力臂(OD)。 肌肉起止点至关 节轴的距离为杠杆臂(OA)。肌肉拉力(F)与力臂的乘积 为肌肉拉力矩， 阻力(P)与阻力臂的乘积为阻力矩。 力 臂和阻力臂之比值OC/OD为杠杆的机械效益。 第4章 人体力学 图4 - 6 骨杠杆示意图 第4章 人体力学 人体运动的骨杠杆形式基本有三种： 一是平衡杠 杆， 如图4 - 7(a)所示的头和颈椎的连结， 寰枕关节为 支点， 颈部背侧肌群的起点为力点， 头的重心为阻力 点， 因此支点位于重心点和力点之间。 二是省力杠杆 ， 如图4 - 7(b)所示， 跖趾关节为支点， 体重通过小腿 骨施加于踝关节处而成为阻力点， 腓肠

13、肌的拉力作用于 足跟骨上而成为力点， 因此， 重点位于支点与力点之 间。 第4章 人体力学 这种杠杆由于力臂大于阻力臂， 故其机械效益大于1 ， 因而省力。 三是速度杠杆， 如图4 - 7(c)所示， 髋 关节为支点， 髂腰肌止点为力点， 下肢重心为阻力点 ， 因此， 力点位于支点和重点之间。 这种杠杆由于力 臂小于阻力臂， 故其机械效益小于1， 因而费力， 但 阻力点的移动速度快， 所以是以力的消耗来换取较快 的运动速度。 人体内特别是肢体内大多为速度杠杆。 第4章 人体力学 图4 - 7 人体骨杠杆 (a) 平衡杠杆； (b) 省力杠杆； (c) 速度杠杆 第4章 人体力学 4.3 静态肌肉施力 4.3.1 肌肉施力的类型 肌肉收缩所产生的力作用于骨， 然后再通过人体 结构(如手、 脚等)作用于其他物体， 这一过程称为肌 肉施力。 肌肉施力可分为静态肌肉施力和动态肌肉施 力两种方式。 第4章 人体力学 1. 静态肌肉施力 静态肌肉施力是依靠肌肉等长收缩所产生的静态 性力量， 较长时间地维持身体的某种姿势， 致使肌肉 相应地作较长时间的收缩。 在静态肌肉施力情况下进 行作业称为静态作业。 如汽车行驶过程中， 驾驶员的 脚要长时间地踩在加速器上， 此时脚跟的状态即为静 态肌肉施力状态。 第4章 人体力学