08级运动生物力学讲稿第三章.doc

第三章 运动器系的生物力学特性 人体运动器系由骨、关节和肌肉以及韧带组成，其主要功能是使人体运动。研究人体运动器系的力学特性和人体基本活动形式的特征是运动生物力学的基础研究。 第一节 骨的生物力学 一、材料力学的基本概念 （一）载荷 1、概念：通常指施加于物体或某种结构上的外力，或某种能引起物体结构内力的非力学因素称为载荷。 2、分类： （1）静载荷：载荷由0渐增至某一值后不再改变，物体各部分不产生加速度或加速度很小可忽略。例如慢起倒立时，作用在手臂上的载荷。 （2）动载荷：使物体整体或某些部分产生显著加速度的载荷。又可分为冲击载荷和交变载荷。 ①冲击载荷：物体在载荷的作用下，速度在极短时间内变化很大。此时的载荷称为冲击载荷。如网球、乒乓球拍击球、踏跳等。 ②交变载荷：随时间作周期改变并多次重复地作用在物体上的载荷。（重复次数可达几十万次或几百万次），如马拉松跑时作用在运动员双腿骨骼上的载荷。 3、载荷的表现形式: （1）拉伸载荷（2）压缩载荷（3）弯曲载荷（4）剪切载荷（5）扭转载荷（6）复合载荷。 （二）应变与应力 1、应变：物体在受到外力作用时，单位长度所产生的伸长或缩短或单位角度的变化叫做相对变形或应变。 （1）具体表现为物体的尺寸和几何形状的改变。 （2）其本质是在外力作用下，物体任意两点间的距离和任意两直线或两平面的夹角发生改变。 2、应力：物体单位面积上内力的大小。 （1）内力：由于外力作用而引起的固体内部各质点之间相互作用力的改变量。 （2）内力的产生是外力作用于物体的结果。由于外力的作用使物体发生应变而最终使物体内部产生内力。（有应变才有应力） （3）注意在材料力学中内力是指某一物体内部各质点间相互作用力的改变量。 （4）任意方向的内力都可正交分解为垂直截面的法向分力和截面内的切向分力。（分别用ΔN和ΔT表示） （5）应力的单位是：工程中kg/cm2，kg/mm2，N/m2（帕Pa） 3、应力—应变曲线： 应力—应变曲线描述了应变过程中应力的变化过程。即应力随应变的改变量而变化的情况。（以拉伸实验为例，可分为四个阶段） （1）弹性阶段：卸载后，变形能完全恢复的阶段。即发生弹性形变的阶段。特点是：弹性形变，应力—应变符合虎克定律。 （2）屈服阶段：在载荷作用下，形变继续增加而应力并不增加的阶段。特点是：时间较短，卸载后不再恢复原状，称为残余变形或塑性变形。 （3）强化阶段：屈服阶段后继续加载，物体抗变形能力又有所恢复的阶段。特点：是加载时应力继续增加，卸载后形变仅能恢复到屈服阶段。 （4）颈缩阶段：强化阶段后，应力随变形的增加而下降，直至试件断裂。特点是变形加大，应力减小，物体被破坏。 （三）粘弹性： 1、粘弹性：弹性材料的力学性质和粘性材料力学性质相结合的一种力学性质。 （1）弹性材料的力学性质是应力与应变成正比，材料能保持固定形状，在外力作用时，外力功转换为弹性能。 （2）粘性材料一般为流体，无固定形状，在外力作用下，外力功能转换为分子热消耗了。 （3）生物固体材料如骨、软骨、肌肉、血管壁、皮肤等都具有粘弹性。 2、粘弹性材料的力学特性： （1）物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，称应力松驰。（如肌肉的松驰） （2）若应力保持一定，物体的应变随时的增加而增大，称蠕变。 （3）加载时的应力—应变曲线与卸载时应力—应变曲线不重合，称为滞后。 二、骨的生物力学特征： 人体骨共有206块，其功能是对人体起支持、运动和保护作用。按其形状可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨。从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。其中长骨结构最为典型。长骨又称管状骨，两端为骨松质（呈海绵状），中间为骨密质。（骨密质的多孔性程度占5～30%，骨松质占30～90%）。 （一）骨的成分与结构特点： 1、骨组织由有机物和无机物组成。其中25%～30%是水，其余70%～75%是无机物和有机物。成人枯骨含1/3有机物（胶原纤维）和2/3无机物（主要是钙和磷等。） 2、骨的有机成分组成网状结构，无机物填充在有机物的网状结构中（象钢筋水泥结构一样）。 （二）不同载荷时骨的力学特征（骨对外力作用的反应）： 根据外力作用的不同，人体骨的受力形式可分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷几种形式。 1、拉伸：骨的两端受到方向相反的拉力。（拉伸载荷是沿骨的长轴方向上，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） 人体悬重动作或手提重物时，骨干都要承受拉伸负荷。 在较大的拉伸载荷下骨会伸长。人体股骨和肱骨的拉伸强度相近，约为125×106N/m2。 2、压缩：骨的两端受到方向相反的压力。（压缩载荷是在骨的长轴方向上，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） 压缩载荷是骨最经