运动生物力学2

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1、第二章 运动器系的 生物力学特性本章主要有两部分内容： 人体生物材料的力学特性（包括骨、 关节软骨、韧带、肌腱、关节和骨骼 肌的生物材料特性） 人体整体运动器系的运动生物力学特 性。第一节 材料力学的基本概 念构成人体的材料是骨骼、肌肉、肌腱 、韧带及关节软骨等生物材料，这些生物 材料的力学性质，决定了人体运动器官和 运动系统的力学性质和功能。 人体生物材料与非生命的材料在力学性能 上有很大不同，人体生物材料的力学性能 是与其功能相适应的。一、载荷人体在日常生活和体育运动中时刻受 到外力的作用，包括载荷和约束力， 载荷就是人体所受外力的一种。静载荷 静载荷是逐渐加于物体上的， 其特点是在这种载

2、荷作用下，物体各 部分不产生加速度或产生可以忽略的 很小的加速度。动载荷 动载荷所引起的加速度显著。 动载荷又分冲击载荷和交变载荷。载荷的表现形式载荷可分为：拉伸、 压缩、弯曲、剪切、 扭转和复合载荷。二、应变应变是量度物体形变程度的量，分为 线应变和剪应变。线应变表示单位长度的伸长或缩短， 用符号来表示（等于改变的量比原长 度）剪应变用单元体任何一个直角变形后 发生的微小角度的改变，以弧度度量 。线应变和剪应变应变三、应力应力的概念：物体在受到外力作用而变 形 时，其内部各质点间的相互作用力 发生变化。这种由于外力作用而引起 的固体内各质点之间相互作用力的改 变量，简称为内力。单位面积上的内

3、 力称为平均应力，当面积趋近于0时平 均应力的极限称为应力。 应力分为垂直于截面的法向分力和沿着 截面方向的切向分力。应力四、应力应变曲线应力-应变曲线是描述材料力学性质的曲线 。它反映了材料在加载过程中受力和变形之 间的关系。 为了确定一种材料的力学性能，通常将该材 料制作成一定的形状称为“试件”，将此“ 试件”在专门的仪器上施加载荷，直至破坏 。在加载过程中连续记录载荷和应变，绘制 成曲线，纵坐标代表应力（载荷），横坐标 代表应变（变形），这就是应力-应变曲线 。应力-应变曲线模式图从应力应变曲线看材料的强度和刚度强度 结构破坏前所能承受的变形；结构破 坏前所能承受的载荷；结构在破坏前所能

4、贮 存的能量；在应力应变曲线上用极限断裂点来表示由载 荷和变形所表达的强度；整个曲线下方的面 积表示由贮存能量所表达的强度；刚度 弹性范围内曲线的斜率表示结构的刚 度。应力应变曲线脆性材料和塑性材料的断裂五、粘弹性材料按其力学性能，可以分为许多类，例如 ，弹性材料，粘性材料等。弹性材料特点是：应力与应变成正比。粘性材料的特点是：应力取决于应变的时间 变化率。粘弹性 如果一种材料，既具有弹性材料的 力学性质，又具有粘性材料的力学性质，这 种性质就叫“粘弹性”生物固体材料具有粘弹性例如骨软骨肌肉血管壁皮肤都是具有粘弹性的生物材料。粘弹性材料的三个特点：若应变保持一定，则应力随着时间 的增加而下降，

5、称为应力松弛若应力保持一定，应变随着时间的 增加而增大，称为蠕变对物体作周期性加载和卸载，加载 和卸载时的应力-应变曲线不重合 ，称为滞后粘弹性材料的应力应变与时间关系 曲线第二节 骨的生物力学特性一、骨结构的生物力 学特性 形态结构的影响 理化属性的影响 应力强度的方向性二、骨的力学特征骨密质的应力-应变关 系载荷的形式 及不同载荷下骨密质的特性拉伸 人体作各种悬垂动作或手提重物时骨干 承受该种载荷压缩 骨所能承受的压缩载荷最大弯曲 承受弯曲载荷时，骨的一侧压缩，另一侧拉 伸 剪切 沿着骨纤维方向骨能够承受的剪切强度小于垂直骨纤维方向的剪切强度扭转 骨发生扭转时，整个骨都有剪应力分 布，离骨

6、中性轴越远，剪应力越大复合载荷 同时受到多种载荷作用中性轴骨承受不同载荷的能力三、骨疲劳运动中骨反复受力，超过一定生理 限度会使骨组织受到损伤，这种循 环载荷下造成的损伤称为疲劳性损 伤。造成疲劳损伤的典型情况是：作用 次数少而载荷高，或作用次数多而 载荷相对正常。骨疲劳的机制四、肌肉活动对骨应力的影 响肌肉收缩在骨上产生 压应力，能部分或全 部抵消作用在骨上的 张应力，而骨承受压 应力的能力大于承受 张应力的能力，故在 一定情况下可以使骨 免受损伤。第三节 关节软骨、韧带、肌腱 的 生物力学特性一、关节软骨的力学特性关节是人体中重要的骨与骨可动 连接，是活动杠杆的支点。关节的作 用一是保证人

7、体的运动，二是传递力 。关节软骨的独特力学性质是使力 在关节中的传递变的均匀，同时提供 了润滑关节面的作用。渗透性关节软骨与众不同的特点在于关节软骨为多孔材料，组织间隙中充满着液体，在应力的作用下，液体可在组织中流进流出，当组织膨胀时液体流入，当组织收缩时液体流出，因此软骨的力学性能随着液体的含量而改 变。关节软骨的材料性能与负载速度的关系 由于关节软骨对液体的流动有很大的阻力， 所以它的材料性能与载荷的施加和消除速率 密切相关。在快速加载或卸载的情况下，没 有时间让软骨组织将液体二、肌腱韧带结构的生物力学特性 肌腱和韧带都由致密结缔组织构成，主 要含胶原纤维和弹性纤维。 胶原纤维和弹性纤维具

8、有不同的力学性 质，胶原纤维承受载荷时变形小，抗拉力强 ；弹性纤维承受载荷时弹性好，伸展性好（ 变形较大）。 肌腱和韧带的力学性能取决于其组成中 两类纤维的比例。肌腱、韧带的力学性能与其功能 相适应，而力学性能又取决于其 组成成分 肌腱是骨骼肌与骨的连接部位，起着传递力的作 用，需要有较小的变形及较强的抗张力的能力。 与此相适应肌腱主要由胶原纤维组成。绝大部分韧带作用是加固关节，也需要变形小， 抗张力强，因而也是主要由胶原纤维组成。有些韧带，如项韧带和黄韧带分布于脊柱 ，脊柱需要有较大的灵活性，这就要求这种韧带 弹性好，伸展性好，所以该种韧带主要成分是弹 性纤维。1胶原纤维与弹性纤维的应力应变

9、 曲线运动对韧带力学性质的影响1977年诺耶斯（ Noyes）对固定8周 再进行恢复训练的灵 长动物前交叉韧带强 度和刚度的变化进行 了研究，结果见下图 ：第四节人体关节力学一、关节运动学关节运动的基本形式：关节是骨骼系统中 骨与骨之间的功 能性连接。关节运动的基本形式为： 屈伸运动、收展运动、旋转运动2 关节运动幅度的测量关节运动幅度的测量是对人 体运动动作进行运动学分析的重 要内容。目前测量关节运动幅度 的常用方法大致有：摄影测量法 、录象测量法、X光摄影测量法 、关节测量器直接测量法、电子 关节角度仪测量法。3关节的灵活性和稳定性 灵活性和稳定性是关节功能 同时存在的两个方面。灵活 性利

10、于人体适应于各种复杂 运动；稳定性保证人体在运 动中维持动态平衡。因此， 分析影响关节灵活性和稳定 性的因素具有重要的意义。1 影响关节灵活性的因素 从关节结构力学特性分析， 关节面软骨、关节腔、关节 腔内的滑液、滑液皱襞、黏 液囊等因素都有利于关节的 灵活性的提高。特别值得提出的是关节内 滑液对维持关节的灵活性和缓冲 功能。 （1）当外力的作用时间在 1/100s时，关节液是具有柔软特 性的弹性体起着缓冲骨与骨之间 的碰撞。 （2）当外力的作用时间大于 1/100s时，关节液就像液体一样 流变，提高关节的灵活性。 （3）当外力的作用时间在 1/1000s时，关节液表现为固体 的性质。2维持关

11、节稳定性的因素 在维持关节稳定性因素中，骨骼 、韧带、和肌肉起着突出的重要 作用。其中：骨骼决定了构成相 应关节的吻合程度；韧带作为关 节的辅助装置，在一定方向上制 约关节的运动；肌肉通过对抗、 协同、抵抗重力等形式来维持关 节的稳固。二关节动力学 一般在对关节进行动力学研究 时，需要根据研究目的建立关 节的力学模型。 首先，确定骨、肌肉等的用力 性质。 其次，确定关节力的方向。 第三，尽量减少未知变量的数 量。第五节 骨骼肌的生物力学模 型一、骨骼肌的结构模型 从肌肉的整体功能上看，肌肉可看成有两种 主要成分组成，即收缩成分和弹性成分。 三元素模型，由三部分组成： 串联弹性元：由肌原纤维本身

12、的横桥和Z线 等组成。 并联弹性元：由肌束膜和肌纤维膜等结缔组 织组成。 收缩元：由肌小节的肌球蛋白和肌丝蛋 白组成。三元素模型二、肌肉长度与肌肉收缩力量的 关系收缩成分的长度与张力关系：收缩成 分长度的变化，影响收缩时起作用的 横桥数目。 并联弹性成分的长度与张力关系：肌 肉长度变化与产生的张力之间呈非线 性。肌肉长度与总张力的关系：肌肉的总 张力是主动张力和被动张力之生物叠 加。三、肌肉收缩力-速度关系快释放实验1935年芬恩（Feen）和马奇（March ）首次用实验的方法记录了离体肌肉 收缩力与收缩速度之间的关系，其实 验装置模式图如下：快释放实验装置图由快释放实验得到的 负荷与肌肉收

13、缩速度关系曲线希尔（Hill）方程1938年，英国生理学家希尔（A.V.Hill),取 离体青蛙缝匠肌进行实验，导出了具有广泛 意义的P-V关系，这就是著名的希尔（Hill) 特征方程：(a+P)(V+b)=b(P0+a)公式中P为收缩力，也就是负荷，V为收缩 速度，a和b为常数。希尔的实验装置模式图希尔方程描述了 肌肉收缩力与收缩速度的关 系 P增加，V减小V增加，P减小负荷（P）为零时收缩速度（V）达 到最大负荷（P）达到最大时，收缩速度 （V）为零。n离心收缩、等长收缩和向心收缩曲线离心收缩也就是拉长，等长收缩即长 度不变，向心收缩就是缩短。体育活动以及日常生活中，人们通 过骨骼肌的活动

14、来完成运动。根据肌肉 的活动方式是缩短、伸长、还是保持长 度不变，可以把肌肉活动分为向心、离 心和等长活动3种主要类型。当一块完全 激活的肌肉或肌纤维，以适宜速度从一 个恒定长度拉伸到另一个长度时，力要 大于同样长度的最大等长活动的力（通 常为2倍）。即，肌肉拉伸时和拉伸后的 力学行为具有：所谓的“拉伸过程的力 增强现象”。这种力增强与速度有关， 一般来说，随着拉伸速度的加大力也增 加。与肌肉运动有关的最著名的关系就 是双曲线关系它描述了力与运动速度之 间的函数关系。虽然这一关系最初是从 离体肌肉中观察中得出的，但已经证明 ，实际的体育运动中也有这样的关系。该曲线表明，肌肉收缩的速度与负荷 成

15、反比，快速运动中不可能产生很大的 力，低负荷条件下才能获得最大的速度 。已有的研究结果表明：肌肉功率由力 和速度的乘积所决定，并且在大约1/3的 最大速度和1/2的最大力量时达到了最大 功率（Zatsiorsky,1995）。即最大的动力 性肌肉功率，只有在外界阻力要求肌肉 以最大肌力的50%工作时，才能获得。 速度力量与力量速度通过力速度曲线为区分各种力量素质提 供了一种有效的方法。如果笼统地称之为“速 度力量”，则会掩盖某些“速度力量”项目要 求强调速度，而另一些则更强调力量的事实。 但是根据力速度曲线，显然我们能够通过对 2个极端的界定V=0（等长力量）和V=很大（ 爆发性力量）来界定它

16、们之间的各种力量素质 。为此，根据力速度曲线可以确定5种不 同的力量素质：零速度时的等长力量；很 低速度时的准等长力量；低速度时的速度力 量；中等速度时的速度力量；高速度时的 爆发力。四、肌力变化梯度肌力的变化梯度其数学表达式是力对时间的 导数 dF/dt。然而，在实际应用中常用以下两个指标之一 来表示力的梯度：达到1/2最大力所需要的时间（1/2tmax） ；力的最大值与达到该值所需的时间之比Fmax/tmaxn力的变化梯度曲线2第六节 运动器系整体的 生物力学性能与特点一、环节、运动链与骨杠杆环节 按照一定的模型分开的部分叫做 环节，整个人体可以分为若干个环节。例如 头部，躯干部，四肢等生物运动链生物运动偶： 两个相邻骨环节之 间的可动连接叫做生物运动偶。生物运动链： 生物运动偶的串联 式连接叫做生物