第二章 运动器系的生物力学.ppt

第一节 材料力学基础 人体在日常生活和体育运动中时刻受到外力的作用，在外力在以下材料具有哪些重要的性质？ 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 载荷可分为：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷。 载荷的几种形式 应变是变形量与原来尺寸的比值载荷下人体发生相应的应变 应变是量度物体形变程度的量，分为线应变和剪应变。 应力 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 应力-—应变曲线阶段划分 （一）弹性阶段：（A—B）卸载后变形能完全恢复，为弹性变形。 应力超过弹性极限后，若除去外力，将留有残余变形。 （二）屈服阶段：（B—C）：曲线的坡度逐渐减小，即材料对于变形的抵抗力逐渐减弱。 材料的屈服：变形继续增长而应力并不增加 残余变形（塑性变形）：如果材料达到屈服，卸载之后就不再回复到原状。 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。 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，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 （2）骨分布：骨的分布和力学功能是相适应的 长骨分布于四肢，在肌肉的牵拉下，能产生运动。 短骨多是立方形，分布于负重压而运动复杂的部位，如腕骨和跗骨。 扁骨呈板状。 若干扁骨围成空腔，有保护作用，如颅骨围成颅腔，容纳和保护脑。不规则骨形状不规则，如椎骨等。 第五节 骨骼肌的生物力学特征 骨骼肌的结构模型 1.收缩成份 2 串联弹性成份 3 并联弹性成份 * * 骨疲劳的特征有 第一，疲劳性骨折或永久性弯曲(塑性形变)； 第二，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； 第三，疲劳过程如图； 第四，重复载荷的 第五，骨的疲劳极限可以通过疲劳试验加以测定，约为3.45 kN／cm2。 第六，疲劳寿命随载荷增加而减小，随温度升高亦减小，而随密度的增加而增加。 * * 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体的运动，二是传递力。 在有滑液的或能自由运动的关节内，被连结的骨的末端被1～5 mm厚致密无色的结缔组织和关节软骨所覆盖。 关节软骨既使力在关节中的传递变得均匀，又提供了润滑良好的关节面，使关节能灵活运动而且少受磨损。 一般来说，关节软骨是一种各向异性、非均匀、粘弹性、充满液体的可渗透物质。 * * (一)渗透性 第一种液体输送机制是隙闭液体可以借助于组织两边液体的正压力梯度终过多孔的可渗透基质后输送。液体的输送与压力梯度成正比(图2—18 A)；第二种液体输送机制是软骨基质的形变(图2—18 B)． 关节软骨是一种粘弹性材料，但它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，在应力作用下，液体可在组织中流进流出 * * 由于关节软骨对液体的流动有很大的阻力，也就是渗透性能低，所以它的材料性能与载荷的施加和消除速率密切相关。在快速加载与减载的情况下，没有时间让软骨组织将液体挤出(如跳跃时)。软骨组织有点像一种弹性单相物质，加载时立即变形，卸载后又立即复原。但如果缓慢地对软骨组织施加载荷并维持恒定，如长期站立时，随着液体被挤出，组织变形将不断增加。消除载荷后，如果有充分的时间使组织获得足够的液体，组织就可以恢复原来状态。上述材料性能的两种类型是：①与时间无关的或称弹性材料特性(可复原)；②与时间有关的或称粘弹性材料特性(也面复原)。 (二)关节软骨的材料性能与负载速度的关系 * * 曲线最初的低坡