人体运动力学 绪论 第二章 运动器系的生物力学特性.ppt

* * 四、肌肉活动对骨应力的影响 骨承受载荷时，附着于骨骼上的肌肉收缩可改变骨的应力分布情况。肌肉收缩产生的压应力，能部分或全部抵消作用于骨骼上的张应力。 图2—17A所示一名向下滑行的滑雪者的小腿胫骨承受了弯曲力矩的作用，此时胫骨后面产生了很大的拉应力，而胫骨前面则受大压应力的作用。由于小腿三头肌收缩，对胫骨后面产生大的压应力(图2一17 B)，抵消了其很大的张应力，因此能保护胫骨免受大张力之害。同时，此肌肉收缩还对胫骨前面产生大的压应力，成人骨一般能够承受这个应力，但发育未成熟的骨，比较纤弱，会由于压应力过大而受损。 * * 在50岁以上人群中,骨性关节病在导致长期残疾的疾病中仅次于心血管疾病排在第二,人类的关节可以在30岁左右就产生没有症状的退化改变,且女性膝关节病人比例比男性更高。日常生活中步行对膝关节的力学刺激最为普遍,研究人步行中膝关节的生物力学特性对认识关节力学行为,有意识的保护关节,减少关节损伤有积极意义。 人在坡路等不同足地界面下行走时,步态会发生变化,通过人体三维步态实验研究和分析发现当女性穿鞋跟高度不同的鞋子行走时,膝关节在矢状面、冠状面及水平面所受力矩出现不同程度的变化,同时对膝关节运动角度的影响也非常显著,特别表现在矢状面和水平面膝关节活动范围减少,在冠状面膝关节活动范围增加。 实例1 * * 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 * * 曲线最初的低坡部分是由于施加拉力的方向与胶原蛋白结构的排列一致。最后，曲线的陡峭部分代表胶原蛋白本身的拉伸刚度。 正常成人关节软骨的抗张硬度和抗张强度，随着离关节面的距离增加而减少。这些结果使人们相信胶原蛋白丰富密集的软骨表浅层对软骨组织起一种类似坚韧耐磨的保护层的作用 （三）单轴向张力下关节软骨的性能 * * 对粘弹性材料进行蠕变实验，可作为一种测定随时间变化的材料反应的方法。瞬时对标本施加固定的载荷并维持到实验结束，在施加载荷的情况下，压缩性变形持续加重，这就是标本的“蠕变”，直至获得一个平稳状态或一个渐进值为止。 (四)关节软骨的蠕变反应 * * (五)润滑作用 关节软骨相当于滑动轴承的轴瓦，作为滑膜关节中衬垫骨的轴承，在关节活动时防止磨损方面起着非凡的润滑作用。摩擦系数比油对金属的润滑低两个数量级，比最好的人工材料低许多倍。成年人的关节软骨几乎没有再生能力，但能维持几十年的磨损寿命。 润滑 界面润滑 液膜润滑 是依靠化学吸附于接触固体表面的单层润滑分子来进行。 一层较厚的润滑剂膜使两个承载面之间产生较大的间隙，这层液膜内的压力可支持承载面上的负荷。 * * * * (六)磨损 磨损，是指由于机械作用引起的固体表面物质丧失。就像摩擦一样，可把磨损分成：承载面之间相互作用引起的界面磨损和接触体变形引起的疲劳性磨损两种。 * * 二、韧带、肌腱结构的生物力学特性 韧带和肌腱都由致密结缔组织构成，主要含有胶原纤维、弹性纤维及成纤维细胞。其形态特点是细胞成分少，纤维成分多，排列紧密。所不同的是人体肌腱和大多数韧带都是以胶原纤维为主，只有项韧带和黄韧带是以弹性纤维为主。