生物固体力学.ppt

部分部分 I生物固体力学1.1 什么是生物力学？定义、研究对象及方法、发展过程、意义。1.2 生物力学的力学基础1.2.1 经典力学理论基础回顾1.2.2 体积力与表面力1.2.3 外力与荷载1.2.4 内力与应力1.2.5 位移、变形与应变1.2.6 约束1.2.7 胡克定律第一章 概论生物固体力学1.1 什么是生物 力学定义：定义：采用力学的理论来研究生物体内物质运动的学科。分类：分类：生物固体力学、生物流体力学、运动生物力学。生物固体力学研究对象及方法：研究对象及方法：生生物物固固体体力力学学：利用材料力学、塑性力学、断裂力学的基本理论和方法，研究生物及其组织器官中与之相关的力学问题。生生物物流流体体力力学学：研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层和流变学有关的力学问题。运运动动生生物物力力学学：用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深入的领域。生物力学的意义：生物力学的意义：生物固体力学 冯元桢生物力学：活体组织的力学特性 冯元桢冯元桢，生物力学创始人，“生物力学之父”。国立中央大学航空工程系，毕业后即赴美加州理工学院留学,先后任加州理工学院、加州大学圣地亚哥分校教授。血管循环系统生物力学，组织生物力学等“Biology can no more be understood without biomechanics than an airplane can without aerodynamics.For an organism,biomechanics helps us to understand its normal function,predict changes due to alterations,and propose methods of artificial intervention.Thus,diagnosis,surgery,and prosthesis are closely associated with biomechanics”.冯元桢生物力学：活体组织的力学特性 生物固体力学1615William Harvey血液循环1661Marcello Malpighi蛙肺动脉血液循环1581Galileo Galilei单摆测量脉搏1689Giovanni Borelli动物运动学1775Leonhard Euler动脉中的波动1733Stephen Hales血流压力及速度1808Thomas Young心脏和血管的功能1819Jean Poiseuille血液流体力学测量血液粘滞性质之鼻祖生物学与力学的交叉发展过程：生物学与力学的交叉发展过程：生物固体力学Hermann von Helmholtz生医工程之父，发现视觉聚焦机制、三原色理论、测量眼球尺寸之眼折射力计、发明研究听觉的共振器、测定神经脉冲之鼻祖等1898Horace Lamb血管中之波动传播Otto Frank循环系统流体力学理论1920August Krogh微循环力学1922Archibald Hill 肌肉力学1929Balthasar Van der Pol心脏的非线性震荡模式生物固体力学肌肉收缩力学过程动画生物固体力学解决的问题生物固体力学解决的问题l 强度问题 强度不因发生断断裂裂或塑性变形或塑性变形而失效；l 刚度问题 刚度不因发生过过大大的的弹性变形弹性变形而失效；l 稳定性问题;稳定性不因发生因平平衡形式衡形式的突然转变而失效。生物固体力学生物固体力学1.2 生物力学的力学基础力力的的概概念念：使物体变形和运动的一种机械作用，三要素：大小、方向和作用点。从微观到宏观，广泛存在于我们的日常生活中。微观宏观A生物固体力学噬菌体侵染细菌动画生物固体力学部分部分 I部分部分 II1.2.1 经典力学理论基础回顾经典力学理论基础回顾（1）牛顿第一惯性定律：如果不受力的作用，物体保持静止或匀速直线运动状态。（2）牛顿第二运动定律：物体加速度大小的大小与所受的力成正比，跟物体的质量成反比，方向沿力的作用线。F=ma（3）牛顿第三作用于反作用定律：对于一个作用必有一个大小相等、方向相反的反作用生物固体力学1.2.2 体积力与表面力：体积力与表面力：表面力：必须通过物体接触面传递的力。体积力：能穿越空间作用到物体上的力，取决于物体的局部性质。ma思考：请问磁场力和风对建筑物的作用力分别是什么力？思考：请问磁场力和风对建筑物的作用力分别是什么力？1.2.3 外力与荷载：外力与荷载：外力：由系统外的物体对于该系统或它的某一部分所作用的力。生物固体力学(a)(b)思考：图思考：图b中的摩擦力对三角物体是外力吗？对三角物体和长方形物体中的摩擦力对三角物体是外力吗？对三角物体和长方形物体构成的系统是不是外力？构成的系统是不是外力？静荷载随时间变化而保持常量的荷载动荷载随时间变化或不稳定和移动的荷载生物固体力学荷载荷载：使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素，单位：Newton（N）荷荷载载(1)集中力与分布力（具有较强的相对性）：集中力与分布力（具有较强的相对性）：生物固体力学分布力：作在物体上的外力如果作用面积较大而不能简化为集中力，可简化为分布力。集中力：作在物体上的外力如果作用面积远远小于物体尺寸，可以简化为集中力。思考：集中力和分布力属于体积力还是表面力？思考：集中力和分布力属于体积力还是表面力？生物固体力学(2)力偶与力矩：力偶与力矩：力矩：单个力对物体转动效应的度量，分为对点和对轴的矩。M=Fr力偶：一对相互平行、大小相等、方向相反的力组成力偶。T=Fd思考：力偶和力矩属于集中力还是表面力？思考：力偶和力矩属于集中力还是表面力？TdM生物固体力学例例题题(1)：打开水龙头最小需要10N.m的力偶，水龙头柄长度为8cm，请问需要施加多大的力？8cm例例题题(2)：一桶水重200N，辘轳本身的尺寸见右上图，请问，需要施加多大的力才能将水提上来？半径=10cm摇杆长40cm生物固体力学1.2.4 内内力与应力力与应力内力：内力：物体系统内部相互作用的力。思考：图思考：图b中的摩擦力对三角物体和长方形物体构成的系统是内力还是外力中的摩擦力对三角物体和长方形物体构成的系统是内力还是外力？(a)(b)生物固体力学求内力的方法：截面法求内力的方法：截面法F1F3F2Fn假想截面假想截面F1F2F3Fn分布内力分布内力如果只有一个物体，内力怎么求？1）用假想的横截面将物体剖开；2）留下左半部分和右半部分；3）将弃去的部分对留下的部分的作用用内力来代替；4）利用牛顿定律建立平衡方程。生物固体力学例题例题(3)：根杆件两端各受力P作用，请计算m-m截面上的内力。一方法二：牛顿第三定律牛牛顿顿第第三三定定律律：当当两两个个物物体体互互相相作作用用时时，彼彼此此施施加加于于对方的力，其大小相等、方向相反。对方的力，其大小相等、方向相反。方法一：截面法生物固体力学FFF/剪应力剪应力正应力正应力应力应力：单位面积内的内力集度，单位为N/mm2(MPa)例题例题 (4)：根据例题(3),如果杆件的截面面积为10cm2，杆端施加的外力为30N，计算m-m截面上的应力。(5)：某人体重60kg，每条腿截面积为60cm2，请计算其直立时每条腿内的应力？生物固体力学1.2.5 位移、变形与应变位移、变形与应变位位移移：由初位置到末位置的有向线段，其大大小小与路径无关，方方向向由起点指向终点。位移距离路径方向思考：（思考：（1）上述曲线运动过程中，位移的方向与速度的方向一样么？）上述曲线运动过程中，位移的方向与速度的方向一样么？（2）竖直向上抛出物体的过程中，位移的方向与速度的方）竖直向上抛出物体的过程中，位移的方向与速度的方向一样么？向一样么？生物固体力学变形：变形：由荷载引起的结构形状和尺寸的变化。变形变形弹性变形载荷撤除后，可完全恢复的变形可逆转的断裂载荷作用下，材料的分离不可逆转塑性变形载荷撤除后，可部分恢复的变形部分逆转生物固体力学剪切变形剪切变形拉伸变形拉伸变形弯曲变形弯曲变形扭转变形扭转变形扭转变形扭转变形思考：请找出高尔夫击球过程中手思考：请找出高尔夫击球过程中手臂，球杆，腿部，腰部各部分的变臂，球杆，腿部，腰部各部分的变形形生物固体力学应变：应变：由荷载引起的结构形状和尺寸的变化。正应变:常用希腊字母 表示.剪应变:常用希腊字母 表示.1.2.6 约束约束生物固体力学一个物体受到另一个物体的阻碍而使其运动受到一定眼知识，称该物体受到了约束。常见的有：(1)固定约束；(2)铰链约束；(3)滑动约束；(4)光滑面约束；(5)柔性约束。(1)(4)(2)(3)(5)生物固体力学例题例题(6)：一块儿长方形板ABCD长150mm，宽100mm，在点C处施加一外集中力F，点C发生位移到C处，请计算CD边的正应变和剪应变。生物固体力学1.2.7 胡克定律：胡克定律：弹簧的延伸量与施加在上面的荷载成正比FF=-kLLL+L生物固体力学思考题：如果应力应变满足关系式思考题：如果应力应变满足关系式 ，是一根长度为，是一根长度为L，横，横截面积为截面积为A的橡胶棒，在外力的橡胶棒，在外力F作用下，其发生作用下，其发生L的变形，请结合，的变形，请结合，内力求法、应力、应变定义，推倒胡克定律常数内力求法、应力、应变定义，推倒胡克定律常数k的表达式。的表达式。F本节课参考书籍：刘鸿文，材料力学，第本节课参考书籍：刘鸿文，材料力学，第1,2章章