9运动生物力学.ppt

运动生物力学运动生物力学针灸系康复医学教研室针灸系康复医学教研室一、运动生物力学概念一、运动生物力学概念 运动生物力学是研究人体运动力学规运动生物力学是研究人体运动力学规律的科学，它是体育科学的重要组成部分。律的科学，它是体育科学的重要组成部分。运动生物力学是研究运动中人体机械运动生物力学是研究运动中人体机械运动规律的科学。运动规律的科学。第一节第一节 概述概述二、运动生物力学的任务二、运动生物力学的任务1.1.研究人体结构与机能之间的相互关系研究人体结构与机能之间的相互关系2.2.研究各项动作技术，确立技术原理，建立研究各项动作技术，确立技术原理，建立 技术模式技术模式3.3.进行动作诊断进行动作诊断4.4.研究、设计和改进运动器械研究、设计和改进运动器械5.5.研究运动损伤的原因和预防措施研究运动损伤的原因和预防措施第二节第二节 骨的生物力学骨的生物力学一、一、材料力学基本概念材料力学基本概念（一）载荷（一）载荷 1.1.静载荷与动载荷静载荷与动载荷 按照载荷作用的性质，可分为静载荷和动载荷。按照载荷作用的性质，可分为静载荷和动载荷。2.2.载荷的表现形式载荷的表现形式 可将载荷分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和可将载荷分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷。复合载荷。物物体体在在受受到到外外力力作作用用而而变变形形时时，其其内内部部各各质质点点间间的的相相互互作作用用力力发发生生变变化化。这这种种由由于于外外力力作作用用而而引引起起的的固固体体内内各各质质点点之之间间相相互互作作用用力力的的改改变变量量，简简称称为为内内力力。确确定定内内力力就就是是材材料料力力学学要要解解决决的的问问题题。在在一一物物体体上上沿沿载载面面CDCD截截取取一一部部分分，围围绕绕截截面面上上某某一一点点M M取取一一块块微微面面积积 S S，如果作用在这一块微面积上的内力，如果作用在这一块微面积上的内力 F F，可令，可令这里称为这里称为 S S上的平均应力。上的平均应力。（二）应力（二）应力 要要研研究究内内力力在在截截面面上上的的分分布布规规律律，首首先先必必须须研研究究物物体体中中各各点点处处的的变变形形程程度度。假假设设把把物物体体分分为为无无数数很很小小的的正正六六面面体体，沿沿X X轴轴方方向向的的ABAB边边原原长长 X X，变变形形后后长长度度改改变变了了 X X，X X称称为为线线段段ABAB的的线线变变形形。伸伸长长时时 X X为为正正值值，缩缩短短时时为为负负值值。若若ABAB上上各各点点的的变变形形程程度度相相同同，则比值为：则比值为：表表示示单单位位长长度度的的伸伸长长或或缩缩短短，称称为为线线应应变变。若若沿沿ABAB线段各点变形程度不同，则线应变定义为：线段各点变形程度不同，则线应变定义为：（三）应变（三）应变1.1.弹性阶段弹性阶段2.2.弹塑性阶段弹塑性阶段3.3.屈服阶段屈服阶段4.4.强化阶段强化阶段5.5.颈缩阶段颈缩阶段（四）（四）应力应力应变曲线应变曲线（五）粘弹性材料的力学性质（五）粘弹性材料的力学性质1.1.概念概念n 弹弹性性材材料料：外外力力消消除除后后会会恢恢复复原原来来的的形形状状。F=-KxF=-Kx，K=1K=1。由外力功转换成弹性势能。由外力功转换成弹性势能。n 粘粘性性材材料料：0K10K1，粘粘性性材材料料无无固固定定形形状状，其其流流动动过过程是不可逆的。由外力功转换成分子势能。程是不可逆的。由外力功转换成分子势能。n 塑性材料：塑性材料：K=0K=0，不能够恢复原来形状的材料。，不能够恢复原来形状的材料。n 粘粘弹弹性性材材料料：既既有有弹弹性性材材料料的的力力学学性性质质，又又有有粘粘性性材材料的力学性质。料的力学性质。人体的骨骼、肌肉是粘弹性材料。人体的骨骼、肌肉是粘弹性材料。2.2.粘弹性材料的特点粘弹性材料的特点n 滞滞后后：对对物物体体作作用用周周期期性性的的加加载载和和卸卸载载，则则加加载载时时的的应应力力应应变变曲曲线线同同卸卸载载时时的的应应力力应应变变曲曲线不重合。线不重合。n 应应力力松松弛弛：当当物物体体突突然然发发生生应应变变时时，若若应应变变保保持持一一定定，则则相相应应的的应应力力将将随随时时间间的的增增加加而而减减小。小。n 蠕蠕变变：若若令令应应力力保保持持一一定定，物物体体的的应应变变随随时时间的增加而增大。间的增加而增大。二、骨的应力二、骨的应力应变曲线应变曲线骨abo-ao-a：弹性阶段；：弹性阶段；a a：屈服点；：屈服点；a-ba-b：塑性阶段；：塑性阶段；b b：断裂点：断裂点骨的强度：骨的强度：是指骨抵抗破坏的能力，用极限应力值来表示。是指骨抵抗破坏的能力，用极限应力值来表示。骨的刚度：骨的刚度：是指骨抵抗形变的能力，用弹性阶段的斜率来表示。是指骨抵抗形变的能力，用弹性阶段的斜率来表示。三、骨的性质三、骨的性质n 骨骨的的力力学学性性质质受受多多种种因因素素的的影影响响，如如种种族族、性别、年龄等。性别、年龄等。n 同一根骨的不同部位，其性质也不同。同一根骨的不同部位，其性质也不同。n 与与其其他他材材料料相相比比，骨骨的的密密度度比比钢钢小小的的多多，它它的的强强度度虽虽小小于于钢钢，但但比比花花岗岗岩岩、洋洋松松要要大大的的多。多。骨骨是是人人体体最最合合理理的的材材料料，具具有有高高强强度度、低低重量的特点。重量的特点。人体胫骨与其他材料的强度比较人体胫骨与其他材料的强度比较 四、骨的受力形式与表现四、骨的受力形式与表现n 拉伸拉伸n 压缩压缩n 弯曲弯曲n 剪切剪切n 扭转扭转n 复合载荷复合载荷力和力矩自不同的方向施加于骨上，产生力和力矩自不同的方向施加于骨上，产生1.1.拉伸拉伸 拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。2.2.压缩压缩 压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。载荷，在骨内部产生压应力和压应变。3.3.弯曲弯曲 使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内同时产生拉应力载荷。在弯曲负荷下，骨骼内同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴中性轴“。4.4.剪切剪切 标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势，在骨骼内部的剪切面产错动（剪切）的趋势，在骨骼内部的剪切面产生剪应力。生剪应力。5.5.扭转扭转 载荷加于骨上使其沿轴线产生扭曲时，载荷加于骨上使其沿轴线产生扭曲时，即形成扭转。即形成扭转。6.6.复合载荷复合载荷 由于骨的几何结构不规则，且始终受到由于骨的几何结构不规则，且始终受到多种不定的载荷，因此，在体骨的载荷是复杂多种不定的载荷，因此，在体骨的载荷是复杂的。的。四、骨的受力形式与表现四、骨的受力形式与表现 骨的强度大小的排列顺序是压缩、拉伸、骨的强度大小的排列顺序是压缩、拉伸、弯曲、剪切。说明骨在承受压力负荷时不易弯曲、剪切。说明骨在承受压力负荷时不易被破坏，承受剪切负荷时容易被破坏。被破坏，承受剪切负荷时容易被破坏。五、运动对骨的力学性能的影响五、运动对骨的力学性能的影响 人体从出生后骨骼所受的外力，即使骨产人体从出生后骨骼所受的外力，即使骨产生形变的外源性机械力可概括为生形变的外源性机械力可概括为内源性肌肉收内源性肌肉收缩力与外源性反作用力。缩力与外源性反作用力。这些力对骨生长发育这些力对骨生长发育的调控主要通过调节软骨内生长与骨化、关节的调控主要通过调节软骨内生长与骨化、关节软骨的发育、以及软骨周缘软骨的发育、以及软骨周缘/骨膜的骨化和软骨膜的骨化和软骨内成骨。研究揭示，骨内成骨。研究揭示，力学信号激活骨细胞网力学信号激活骨细胞网络通路而成骨。络通路而成骨。尤其在达到峰值骨量之前，除尤其在达到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形态结构。增加骨密度外，更能有效地改善骨的形态结构。（一）适宜应力对骨的力学性能的良好影响（一）适宜应力对骨的力学性能的良好影响 综合目前研究结果，机械力综合目前研究结果，机械力学信号可转化成促进成骨的生化学信号可转化成促进成骨的生化信号。长期坚持体育锻炼，可使信号。长期坚持体育锻炼，可使骨密质增厚，骨变粗，骨面肌肉骨密质增厚，骨变粗，骨面肌肉附着处突起明显，骨小梁的排列附着处突起明显，骨小梁的排列根据拉（张）应力和压应力的方根据拉（张）应力和压应力的方向排列更加整齐而有规律。向排列更加整齐而有规律。1 1运动训练对骨的力学性能的良好影响运动训练对骨的力学性能的良好影响2.2.不同运动项目对骨的力学性能的影响不同运动项目对骨的力学性能的影响 大量横向和纵向研究表明，负重和冲击大量横向和纵向研究表明，负重和冲击性体育运动项目（如跑、跳、投、网球和垒性体育运动项目（如跑、跳、投、网球和垒球等球类项目）均有助于增加峰值骨量。球等球类项目）均有助于增加峰值骨量。（二）肌肉活动对骨应力分布的影响（二）肌肉活动对骨应力分布的影响 骨骼在体内受载荷时，附着于骨骼的肌骨骼在体内受载荷时，附着于骨骼的肌肉收缩可以改变骨骼的应力分布。肌肉收缩肉收缩可以改变骨骼的应力分布。肌肉收缩产生的应力，可以抵消部分外力产生的应力，产生的应力，可以抵消部分外力产生的应力，从而减低或消除加于骨骼上的应力。从而减低或消除加于骨骼上的应力。（三）常见运动性骨损伤生物力学分析（三）常见运动性骨损伤生物力学分析 1 1疲劳性骨折疲劳性骨折 疲劳性骨折是一种在运动中常见的低应疲劳性骨折是一种在运动中常见的低应力性骨折。当骨受低应力重复载荷作用时，力性骨折。当骨受低应力重复载荷作用时，常可观察到疲劳细微骨折。疲劳骨折的产生常可观察到疲劳细微骨折。疲劳骨折的产生不仅与载荷的大小和循环次数有关，而且还不仅与载荷的大小和循环次数有关，而且还与载荷的频率有关。与载荷的频率有关。（1 1）疲劳性骨折或永久性弯曲（塑性形变）疲劳性骨折或永久性弯曲（塑性形变）（2 2）周期性载荷引起的骨折，开始于应力集）周期性载荷引起的骨折，开始于应力集中点，形成蚌壳式裂纹中点，形成蚌壳式裂纹（3 3）疲劳过程：）疲劳过程：（4 4）重复载荷的骨疲劳引起的骨折往往是低）重复载荷的骨疲劳引起的骨折往往是低载荷的情况载荷的情况（5 5）疲劳寿命随载荷增加而减小，随温度的）疲劳寿命随载荷增加而减小，随温度的升高亦减小，而随密度的增加而增加升高亦减小，而随密度的增加而增加2.2.疲劳性骨折的特点及产生过程疲劳性骨折的特点及产生过程剧烈运动第三节第三节 肌肉的生物力学肌肉的生物力学一、骨骼肌的物理特性一、骨骼肌的物理特性n 伸展性：伸展性：骨骼肌在受到外力牵拉或负骨骼肌在受到外力牵拉或负重时可被拉长的特性。重时可被拉长的特性。n 弹性：弹性：当外力或负重取消后，肌肉的当外力或负重取消后，肌肉的长度又可恢复的特性。长度又可恢复的特性。n 粘滞性：粘滞性：肌浆内各分子之间的相互摩肌浆内各分子之间的相互摩擦作用所产生的特性。擦作用所产生的特性。二、肌肉结构的力学模型二、肌肉结构的力学模型收缩元：收缩元：代表肌节中的肌代表肌节中的肌动蛋白和肌球蛋白微丝，动蛋白和肌球蛋白微丝，兴奋时可产生主动张力。兴奋时可产生主动张力。并联弹性元：并联弹性元：代表肌束膜代表肌束膜等结缔组织，当被牵拉时等结缔组织，当被牵拉时时产生弹力，称被动张力。时产生弹力，称被动张力。串联弹性元：串联弹性元：代表肌微丝、代表肌微丝、横桥等的固有弹性，当收横桥等的固有弹性，当收缩元兴奋后，使肌肉具有缩元兴奋后，使肌肉具有弹性。弹性。整块肌肉可以整块肌肉可以认为是由许多模认为是由许多模型混联在一起构型混联在一起构成的。串联构成成的。串联构成了肌肉的长度，了肌肉的长度，并联构成了肌肉并联构成了肌肉的厚度。速度性的厚度。速度性项目和力量性项项目和力量性项目在训练与选材目在训练与选材时有其特有的形时有其特有的形态特征。态特征。FF FFF2FLLLLL2L三、肌肉结构力学模型的性质三、肌肉结构力学模型的性质（一）肌肉张力（一）肌肉张力长度特性长度特性 1.1.收缩元张力收缩元张力长度曲线长度曲线2.2.并联弹性元张力并联弹性元张力长度曲线长度曲线3.3.肌肉总张力肌肉总张力长度曲线长度曲线（二）肌肉收缩力（二）肌肉收缩力速度特性速度特性 上世纪上世纪3030年代，年代，Hill的经典性工作奠定了骨骼肌力的经典性工作奠定了骨骼肌力学的基础。他取青蛙的缝匠肌为试样，两端夹紧，保学的基础。他取青蛙的缝匠肌为试样，两端夹紧，保持长度为持长度为L L0 0。以足够高的频率和电压加电刺激，使缝。以足够高的频率和电压加电刺激，使缝匠肌挛缩产生张力匠肌挛缩产生张力T T0 0。然后将肌肉一端松开，使其张。然后将肌肉一端松开，使其张力降为力降为T(TTT(TT0 0)，则肌肉以速度，则肌肉以速度v v缩短。缩短。Hill不仅测定了不仅测定了T T、v v与与T T0 0的关系，还测定了肌肉缩短时产生的热量，的关系，还测定了肌肉缩短时产生的热量，以及维持挛缩状态所需的热量。以及维持挛缩状态所需的热量。Hill依据热力学第一定律对实验结果进行分析得方程：依据热力学第一定律对实验结果进行分析得方程：(a T)(v+b)=b(T0 a)从力学观点来看，从力学观点来看，HiliHili方程描述了骨骼肌收缩时方程描述了骨骼肌收缩时的力一速度关系。显然，张力越大，缩短速率越小。的力一速度关系。显然，张力越大，缩短速率越小。四、肌肉的激活状态四、肌肉的激活状态n由肌肉激活状态过程示意图说明，兴奋后肌肉能迅速地由肌肉激活状态过程示意图说明，兴奋后肌肉能迅速地达到激活状态的高峰，但整块肌肉张力的发展过程要慢的达到激活状态的高峰，但整块肌肉张力的发展过程要慢的多。多。n由肌肉结构力学模型的原理可知，收缩元兴奋产生的张由肌肉结构力学模型的原理可知，收缩元兴奋产生的张力，最初被串联弹性元的形变所缓冲。当串联弹性元的形力，最初被串联弹性元的形变所缓冲。当串联弹性元的形变达到一定程度后，收缩元的主动张力才能直接作用于肌变达到一定程度后，收缩元的主动张力才能直接作用于肌肉的起止点，表现为肌肉收缩。肉的起止点，表现为肌肉收缩。五、肌肉收缩的做功与功率五、肌肉收缩的做功与功率（一）肌肉做功（一）肌肉做功n 肌肉做功：肌肉做功：通常是指肌肉做的机械功。通常是指肌肉做的机械功。n 肌肉做功与载荷有关，载荷大时做功肌肉做功与载荷有关，载荷大时做功大，载荷小时做功少。大，载荷小时做功少。W=FS（二）肌肉功率（二）肌肉功率n 肌肉功率：肌肉功率：在很多运动中往往要求在在很多运动中往往要求在极短时间内发挥出最大力量，一般称爆极短时间内发挥出最大力量，一般称爆发力。发力。n 这种极短时间内肌力的变化可以用力这种极短时间内肌力的变化可以用力的梯度加以度量，常用下列两个指标中的梯度加以度量，常用下列两个指标中的一个表示：的一个表示：P=W/t=FS/tn 达到达到1/2最大力量所需的时间（最大力量所需的时间（1/2 tmax），），称为力的时间梯度。称为力的时间梯度。n 力的最大值与所需时间的比值力的最大值与所需时间的比值 Fmax/tmax，称为力的速度梯度。称为力的速度梯度。肌肉功率主要取决于速度和力量的乘积。肌肉功率主要取决于速度和力量的乘积。从图中可看出二者不可能同时达最大值。因从图中可看出二者不可能同时达最大值。因此，我们取最大速度的此，我们取最大速度的1/31/3和最大力和最大力1/31/3的乘的乘积值定为功率的最大值。积值定为功率的最大值。P=FV不同项目肌肉功率的差异不同项目肌肉功率的差异六、实例分析六、实例分析（一）利用肌肉力学模型的串、并联结构分析速度性（一）利用肌肉力学模型的串、并联结构分析速度性和力量性项目的运动员肌肉特征和力量性项目的运动员肌肉特征 根据肌肉结构的力学模型根据肌肉结构的力学模型可知，模型的串联构成了肌纤可知，模型的串联构成了肌纤维的长度，而长度的增加可以维的长度，而长度的增加可以增加肌肉的收缩速度，模型的增加肌肉的收缩速度，模型的并联构成了肌肉的粗度，粗度并联构成了肌肉的粗度，粗度的增加可以增大力量。因此，的增加可以增大力量。因此，速度性项群运动员的身材比较速度性项群运动员的身材比较匀称，肌肉比较细长，这有利匀称，肌肉比较细长，这有利于速度的发挥，力量性项群运于速度的发挥，力量性项群运动员身材比较粗壮，肌肉比较动员身材比较粗壮，肌肉比较发达。在选材的过程中应注意发达。在选材的过程中应注意其特征。其特征。F FFLL2L2FFF（二）利用肌肉力学模型中弹性元件的特性来（二）利用肌肉力学模型中弹性元件的特性来说明体育竞赛时机的选择和准备活动的作用。说明体育竞赛时机的选择和准备活动的作用。由于肌肉结构力学模型中由于肌肉结构力学模型中弹性元件为粘弹性体，它表示弹性元件为粘弹性体，它表示肌肉具有粘滞性。当温度升高肌肉具有粘滞性。当温度升高时，粘滞性下降内阻减小，温时，粘滞性下降内阻减小，温度下降时，粘滞性增加。所以，度下降时，粘滞性增加。所以，我们应选择温度比较适宜的季我们应选择温度比较适宜的季节进行比赛，如欧洲一般选择节进行比赛，如欧洲一般选择8 8月份，而我国一般选择风沙比月份，而我国一般选择风沙比较小的秋季。为了降低粘滞性、较小的秋季。为了降低粘滞性、减小内阻力，运动员在进入比减小内阻力，运动员在进入比赛或训练时，要预先做大约赛或训练时，要预先做大约20min 20min 的准备活动（的准备活动（worm up)来降低肌肉粘滞性。来降低肌肉粘滞性。（三）利用肌肉结构力学模型来分析体育运动（三）利用肌肉结构力学模型来分析体育运动中超越器械动作。中超越器械动作。1.1.预先拉长原动肌群，使其在静息长度下收缩，预先拉长原动肌群，使其在静息长度下收缩，增加收缩力。增加收缩力。2.2.利用弹性元件所储存的弹性势能，节省能量，利用弹性元件所储存的弹性势能，节省能量，增加肌力。增加肌力。静息长度第四节第四节 人体运动的杠杆原理人体运动的杠杆原理一、概述一、概述n 支点：支点：是指杠杆绕着转动的轴心点，在肢体杠杆上支点是关是指杠杆绕着转动的轴心点，在肢体杠杆上支点是关节的运动中心。节的运动中心。n 力点：力点：动力作用点称为力点，在骨杠杆上力点是肌肉的附着动力作用点称为力点，在骨杠杆上力点是肌肉的附着点。点。n 阻力点：阻力点：阻力在杠杆上的作用点，阻力包括运动节段的重力、阻力在杠杆上的作用点，阻力包括运动节段的重力、运动器械的重力及摩擦力等。运动器械的重力及摩擦力等。n 力臂：力臂：从支点到动力作用线的垂直距离。从支点到动力作用线的垂直距离。n 阻力臂：阻力臂：从支点到阻力作用线的垂直距离。从支点到阻力作用线的垂直距离。n 力矩：力矩：力和力臂的乘积。力和力臂的乘积。n 阻力矩：阻力矩：阻力和阻力臂的乘积。阻力和阻力臂的乘积。二、杠杆的分类二、杠杆的分类1.1.第一类杠杆（平衡杠杆）第一类杠杆（平衡杠杆）n特征：特征：支点在力点与阻力点中间，主要作用是传递动力和保支点在力点与阻力点中间，主要作用是传递动力和保持平衡，支点靠近力点时有增大速度和幅度的作用，支点靠持平衡，支点靠近力点时有增大速度和幅度的作用，支点靠近阻力点时有省力的作用。近阻力点时有省力的作用。2.2.第二类杠杆（省力杠杆）第二类杠杆（省力杠杆）n特征：特征：阻力点在支点与力点中间，这类杠杆的力臂始终大于阻力点在支点与力点中间，这类杠杆的力臂始终大于阻力臂，可以用较小的力来克服较大的阻力。阻力臂，可以用较小的力来克服较大的阻力。3.3.第三类杠杆（速度杠杆）第三类杠杆（速度杠杆）n特征：特征：力点在支点与阻力点中间，这类杠杆的力臂始终小于力点在支点与阻力点中间，这类杠杆的力臂始终小于阻力臂，力必须大于阻力才能引起运动，所以不省力，但可阻力臂，力必须大于阻力才能引起运动，所以不省力，但可以使阻力点获得较大的运动速度和幅度。以使阻力点获得较大的运动速度和幅度。三、杠杆原理在康复医学中的作用三、杠杆原理在康复医学中的作用1.省力省力 要用较小的力去克服较大阻力，就要使力臂增要用较小的力去克服较大阻力，就要使力臂增长或缩短阻力臂。长或缩短阻力臂。在人体杠杆中肌拉力的力臂一般都短，可以通过籽骨、肌在骨上附着点的隆起等来延长力臂。提重物时，使重物靠近身体可以缩短阻力臂而省力，举重的技术关键就是让杠铃尽可能贴近身体。2.获得速度获得速度 为使阻力点移动的幅度和速度增大，就要增加为使阻力点移动的幅度和速度增大，就要增加阻力臂和缩短力臂。阻力臂和缩短力臂。人体杠杆中大多数虽是速度杠杆，但在运动中为了获得更大速度，还经常使几个关节组成一个长的阻力臂，如掷铁饼就先要伸展手臂。有时要附加延长的阻力臂，如利用击球棒和球拍的杆来延长阻力臂。3.防止损伤防止损伤 从杠杆原理可知速度杠杆一般不能省力，而人体骨骼与肌组成的杠杆大多属于速度杠杆，所以阻力矩过大的时候，容易引起运动杠杆各环节，特别是其力点和支点，即肌腱、肌止点以及关节的损伤。除通过训练增强肌力以外，还应适当控制阻力及阻力矩，以保护肌杠杆。三、杠杆原理在康复医学中的作用三、杠杆原理在康复医学中的作用第五节第五节 关节的生物力学关节的生物力学一、关节的生物力学特征一、关节的生物力学特征1 1关节的摩擦系数关节的摩擦系数 人体关节的摩擦系数与工程上的人工润人体关节的摩擦系数与工程上的人工润滑结构相比，其摩擦系数是非常小的。这滑结构相比，其摩擦系数是非常小的。这是人体关节抗摩耐用的重要原因之一。是人体关节抗摩耐用的重要原因之一。摩擦系数摩擦系数膝关节膝关节0.0140.024右手中指关节右手中指关节0.0055正常关节综合正常关节综合0.0030.024关节炎关节炎0.010.09摩擦系数摩擦系数油润滑的钢轴承油润滑的钢轴承0.21滑液润滑的人工关节滑液润滑的人工关节 0.06水润滑的滑冰刀对冰水润滑的滑冰刀对冰 0.03人体某些关节的摩擦系数人体某些关节的摩擦系数 一些润滑结构的摩擦系数一些润滑结构的摩擦系数 2.2.关节的润滑机制关节的润滑机制关节的润滑机制主要与关节液和关节面软骨有关关节的润滑机制主要与关节液和关节面软骨有关n 界面润滑界面润滑 界面润滑是依靠吸附于关节面表面的关节液分子界面润滑是依靠吸附于关节面表面的关节液分子形成的界面层来作润滑。在关节面承受小负荷，作速形成的界面层来作润滑。在关节面承受小负荷，作速度较低相对运动时，起到降低剪切应力的作用。度较低相对运动时，起到降低剪切应力的作用。n 压渗润滑压渗润滑 关节面软骨是一种多孔的粘弹性材料，其组织间关节面软骨是一种多孔的粘弹性材料，其组织间隙中充满着关节液。在受拉伸应力下间隙扩大，液体隙中充满着关节液。在受拉伸应力下间隙扩大，液体流入，压缩时液体被挤出。软骨中没有血管，它正是流入，压缩时液体被挤出。软骨中没有血管，它正是靠这种应力下液体的流动来保证营养的供应。关节面靠这种应力下液体的流动来保证营养的供应。关节面软骨依靠这样一种力学反馈机制来调节关节液的进出。软骨依靠这样一种力学反馈机制来调节关节液的进出。2.2.关节的润滑机制关节的润滑机制 关节面软骨的形变与外力的作用速度有关。关节关节面软骨的形变与外力的作用速度有关。关节面软骨受到的挤压速度越快，液体流出小孔的阻力也面软骨受到的挤压速度越快，液体流出小孔的阻力也就越大，关节液就越不容易流出；而速度越慢，关节就越大，关节液就越不容易流出；而速度越慢，关节液越容易流出。研究表明，当外力作用的时间在液越容易流出。研究表明，当外力作用的时间在1/100 1/100 s s左右时，关节液是同时具有流动性和弹性的粘弹性体，左右时，关节液是同时具有流动性和弹性的粘弹性体，像橡皮垫一样，缓冲关节面之间的碰撞；当作用时间像橡皮垫一样，缓冲关节面之间的碰撞；当作用时间大于大于1/100 s1/100 s时，关节液像润滑液一样，使关节灵活运时，关节液像润滑液一样，使关节灵活运动。如果外力作用的时间很短，达到动。如果外力作用的时间很短，达到1/1000 s1/1000 s左右时，左右时，关节液不再表现为液体或弹性体，而是呈现出关节液不再表现为液体或弹性体，而是呈现出固体固体的特点，对碰撞时的冲力不再起缓冲的作用。打球的特点，对碰撞时的冲力不再起缓冲的作用。打球时手指的挫伤往往就是这样造成的。时手指的挫伤往往就是这样造成的。二、脊柱的生物力学二、脊柱的生物力学 1 1脊柱的功能单位脊柱的功能单位 脊柱的功能单位是指脊柱的运动节段，脊柱的功能单位是指脊柱的运动节段，它由两个椎骨和介于它们之间的软组织组成。它由两个椎骨和介于它们之间的软组织组成。两个叠在一起的椎体、椎间盘和纵韧带两个叠在一起的椎体、椎间盘和纵韧带形成节段的前部；椎弓、椎间关节、横突、形成节段的前部；椎弓、椎间关节、横突、棘突以及韧带组成节段的后部。棘突以及韧带组成节段的后部。（1 1）运动节段的前部）运动节段的前部 椎体椎体 椎体的设计主要是为了承担压缩负荷。椎体的设计主要是为了承担压缩负荷。椎间盘椎间盘 由髓核和纤维环组成。由髓核和纤维环组成。（2 2）运动节段的后部）运动节段的后部n运动节段的后部控制节段的运动。运动的运动节段的后部控制节段的运动。运动的方向取决于椎骨间小关节突的朝向。整个方向取决于椎骨间小关节突的朝向。整个脊柱中，小关节突的朝向在水平面和冠状脊柱中，小关节突的朝向在水平面和冠状面上改变。面上改变。n椎骨间小关节还有承载功能。当脊柱处于椎骨间小关节还有承载功能。当脊柱处于过伸位时，小关节突的承载能力最明显。过伸位时，小关节突的承载能力最明显。（2 2）运动节段的后部）运动节段的后部n运动节段的后部控制节段的运动。运动的运动节段的后部控制节段的运动。运动的方向取决于椎骨间小关节突的朝向。整个方向取决于椎骨间小关节突的朝向。整个脊柱中，小关节突的朝向在水平面和冠状脊柱中，小关节突的朝向在水平面和冠状面上改变。面上改变。n椎骨间小关节还有承载功能。当脊柱处于椎骨间小关节还有承载功能。当脊柱处于过伸位时，小关节突的承载能力最明显。过伸位时，小关节突的承载能力最明显。2.2.脊柱的节段运动脊柱的节段运动n额状轴：屈、伸额状轴：屈、伸n矢状轴：侧屈矢状轴：侧屈n垂直轴：回旋垂直轴：回旋 脊柱的运动范围随脊柱部位的不同而脊柱的运动范围随脊柱部位的不同而不同，它取决于：不同，它取决于：n椎骨间小关节突的朝向椎骨间小关节突的朝向n肋骨架和骨盆等骨性结构的影响肋骨架和骨盆等骨性结构的影响n肌肉和韧带等结构的影响肌肉和韧带等结构的影响3.3.脊柱的负荷脊柱的负荷（1 1）不同体位和负重下腰椎的受力特征）不同体位和负重下腰椎的受力特征 nNachemson Nachemson 和和ElfstrElfstrm m（19701970）用微型压力传感）用微型压力传感器测量了一个体重器测量了一个体重7070公斤的人体在不同体位下第三公斤的人体在不同体位下第三腰椎（腰椎（L3L3）椎间盘上的载荷。其中最引人注目的是）椎间盘上的载荷。其中最引人注目的是不合理的举重动作，使腰椎的负荷剧增，达到正常不合理的举重动作，使腰椎的负荷剧增，达到正常情况的两倍以上。而人在大笑时腰椎所受的力也超情况的两倍以上。而人在大笑时腰椎所受的力也超过了体重的两倍，这显然是肌肉的作用引起的。过了体重的两倍，这显然是肌肉的作用引起的。姿姿 态态 负载负载 N kg（2 2）身体位置对腰椎负荷的影响）身体位置对腰椎负荷的影响（3 3）提举或携带物品对腰椎负荷的影响）提举或携带物品对腰椎负荷的影响 影响因素：影响因素：与脊柱运动中心有关的物体位置与脊柱运动中心有关的物体位置脊柱屈曲和旋转的程度脊柱屈曲和旋转的程度物体的特性、尺寸、形状、重量和密度物体的特性、尺寸、形状、重量和密度（4 4）运动对腰椎负荷的影响）运动对腰椎负荷的影响三、运动对关节力学性能的影响三、运动对关节力学性能的影响 1 1适宜的体育锻炼对提高关节负载能力和减适宜的体育锻炼对提高关节负载能力和减小摩擦阻力的影响小摩擦阻力的影响n 系统的体育锻炼可以使骨关节面骨密质增厚，从系统的体育锻炼可以使骨关节面骨密质增厚，从而能承受更大的负荷，并增强关节的稳固性。而能承受更大的负荷，并增强关节的稳固性。n 长期运动可以使关节面软骨增厚。长期运动可以使关节面软骨增厚。n 有研究表明一年的大强度的体育活动可以使关节有研究表明一年的大强度的体育活动可以使关节滑液量成倍增加，有助于减少关节运动时的摩擦滑液量成倍增加，有助于减少关节运动时的摩擦力。力。n 体育活动还可以使一些辅助结构如关节肌腱、韧体育活动还可以使一些辅助结构如关节肌腱、韧带增粗，肌肉力量增强，在骨附着处的直径增加，带增粗，肌肉力量增强，在骨附着处的直径增加，提高关节的稳定性和动作力矩。提高关节的稳定性和动作力矩。