运动生物力学课讲稿：第二章(2007)

1、 第二章 运动器系的生物力学 重点：1、 人体骨骼、软骨、关节、韧带和肌腱的生物力学特性及其在运动中的表现；2、 骨骼肌的生物力学基础及其在体育运动实践中的应用；3、 运动器系整体活动的生物力学特征与规律。 难点： 材料力学基本概念。一、载荷（一）分类 静载荷 载荷 冲击载荷 动载荷 交变载荷静静 载载 荷：荷：逐渐加于物体上的，由零渐增至一定值以后不再改变。动动 载载 荷：荷：物体在载荷的作用下，它的某些部分或各部分所引起的加速度相当显著。冲击载荷：冲击载荷：当某一物体同其他物体作用，使其速度在极短时间内有很大改变时所受的载荷。交变载荷：交变载荷：随时间作周期性的改变并且多次重复地作用在物体

2、上的载荷。 (二)载荷的表现形式无载荷无载荷拉伸载荷拉伸载荷压缩载荷压缩载荷弯曲载荷弯曲载荷剪切载荷剪切载荷扭转载荷扭转载荷复合载荷复合载荷1.拉伸与压缩拉伸与压缩这类变形形式是由大小相等，方向相反，作用线与这类变形形式是由大小相等，方向相反，作用线与杆件轴线重合的一对力引起的，表现为杆件的长度杆件轴线重合的一对力引起的，表现为杆件的长度发生伸长或缩短。如起吊重物的钢索，液压油缸的发生伸长或缩短。如起吊重物的钢索，液压油缸的活塞杆等的变形，都属于拉伸或压缩变形。活塞杆等的变形，都属于拉伸或压缩变形。 外力的作用方式不同，变形的形式也不同，按照变外力的作用方式不同，变形的形式也不同，按照变形的特

3、点，可以把变形归纳为四种基本变形形式，形的特点，可以把变形归纳为四种基本变形形式，即：拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲。即：拉伸与压缩、剪切、扭转、弯曲。 基本变形的表现形式基本变形的表现形式:无载荷无载荷拉伸拉伸压缩压缩拉伸与压缩拉伸与压缩2.剪切剪切这类变形形式是由大小相等，方向相反，作用线这类变形形式是由大小相等，方向相反，作用线相互平行的力引起的，表现为受剪杆件的两部分相互平行的力引起的，表现为受剪杆件的两部分沿外力作用方向发生相对错动。机械中常用的联沿外力作用方向发生相对错动。机械中常用的联接件，如销钉、螺栓等都产生剪切变形。接件，如销钉、螺栓等都产生剪切变形。剪切剪切3.扭转扭转这类变

4、形形式是由大小相等，方向相反，作用这类变形形式是由大小相等，方向相反，作用面都垂直于杆轴的两个力偶引起的。表现为杆面都垂直于杆轴的两个力偶引起的。表现为杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动。件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动。汽车的传动轴，电机和水轮机的主轴等都是受汽车的传动轴，电机和水轮机的主轴等都是受扭杆件。扭杆件。4.弯曲弯曲这类变形形式是由垂直于杆件轴线的横向力，这类变形形式是由垂直于杆件轴线的横向力，或由作用于包含杆轴的纵向平面内的一对大或由作用于包含杆轴的纵向平面内的一对大小相等，方向相反的力偶引起的，表现为杆小相等，方向相反的力偶引起的，表现为杆件轴线由直线变为曲线。桥式

5、起重机的大梁，件轴线由直线变为曲线。桥式起重机的大梁，各种心轴以及车刀等的变形，都属于弯曲变各种心轴以及车刀等的变形，都属于弯曲变形。形。1拉伸载荷拉伸载荷：自物体表面向外施加大小相等而方向相反的载荷。自物体表面向外施加大小相等而方向相反的载荷。2压缩载荷压缩载荷：向内加于物体表面的大小相等而方向相反的载荷。向内加于物体表面的大小相等而方向相反的载荷。3弯曲载荷弯曲载荷：使物体沿其轴线发生弯曲的载荷。使物体沿其轴线发生弯曲的载荷。4剪切载荷剪切载荷：使物体受到一对相距很近，大小相等，方向相反使物体受到一对相距很近，大小相等，方向相反 力的载荷。力的载荷。5扭转载荷扭转载荷：使物体沿轴线产生扭转

6、的载荷。使物体沿轴线产生扭转的载荷。 6复合载荷复合载荷：物体同时受到多种载荷的作用。物体同时受到多种载荷的作用。根据基本变形的形式根据基本变形的形式,载荷相应的载荷相应的有有:二、应变二、应变物体在受到外力作物体在受到外力作用时，其中任意两点间用时，其中任意两点间的距离和任意两直线或的距离和任意两直线或两平面间的夹角会发生两平面间的夹角会发生变化，它们反映了物体变化，它们反映了物体的尺寸和几何形状的改的尺寸和几何形状的改变。变。： 单位长度内的线变单位长度内的线变形。（形。（）XXXZY X XXX三、三、应力应力 正应力（正应力（） 应力应力 剪应力（剪应力（） SFPM S SP= F

7、F四、应力应变曲线图2-5 拉伸图（一）弹性阶段：（AB）卸载后变形能完全恢复，为弹性变形。 比例极限（p）：规定与A点相对应的应力值。 刚度=EA (E：弹性模量或杨氏模量；A：构件横截面积) 弹性极限（s）：与B点相对应的应力值，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：（BC）：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。 屈服强度（y）：屈服阶段的下极限（与C点对应的应力值）。 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。（三）强化阶段（CD）： 能力恢复。 强度极限（b）： D点对应 的应力

8、值。（四）颈缩阶段（D ） 材料的塑性：试件断裂后的残余相对拉长的百分比。 塑性材料（ 5%）材料的塑性 脆性材料（ 5%） 五、粘弹性1定义：如果有一种材料，其力学性质既具有弹性材料的力学性质，又有粘性材料的力学性质，那么这种性质就粘弹性。2特点（1）当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，这种现象称为应力松弛。（2）若令应力保持一定，物体的应变随时间的增加而增大，这种现象称为蠕变。（3）对物体作周期性的加载和卸载，则加载应的应力应变曲线不重合，称为种现象为滞后。第二节第二节一、骨结构的生物力学特性（一）骨形态结构和物理化学属性对力学特性的影响（一）骨形态结构

9、和物理化学属性对力学特性的影响 1骨形态结构的影响 2物理化学属性的影响（二）骨组织的力学特性（二）骨组织的力学特性 1各向异性； 2弹性和坚固性；骨组织中水占25-30%；无机物和 有机物占70-75%。 3骨是人体理想的结构材料；强度大，重量轻。 4耐冲击力和持续力差； 5机械力对骨结构的影响； 美国学者拉希（Rasch）认为恒定的压应力会引起骨萎缩， 而间歇性的压力则促使骨的生长。 6应力强度的方向性。二、骨的力学特征（一）骨密质的力学性质（一）骨密质的力学性质 1应力应变关系(图2-10 p29)；B BBC CC 2不同载荷作用下骨密质的特性 骨受冲击载荷的特点：一方面取决于冲击载荷

10、具有的能量大小，另一方面还取决于冲击载荷作用的时间，冲击能力越大造成的骨损伤越厉害。压压缩缩拉拉伸伸剪剪切切501001502003骨密质的力学性质与年龄、性别的关系； 骨密质的力学性质男性与女性没有显著差异； 一般说，男子骨密质的抗压缩强度在26岁左右最底，到31岁左右最大，然后随年龄的增加而逐渐下降。（二）骨松质的力学性质（二）骨松质的力学性质 当相对密度增加时，骨松质的弹性模量和抗压强度增加。应力应力应变应变青年青年老年老年拉伸拉伸三、骨疲劳（一）产生原因（一）产生原因 造成疲劳性损伤的典型情况是：作用次数较少而 载荷较高；或作用次数较多而载荷相对正常。 （二）特征（二）特征 1疲劳性骨

11、折或永久性弯曲（塑性形变）； 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； 损伤损伤重复重复负载负载1疲劳过程如下： 剧烈运动 肌肉疲劳 储存能量的能力的丧失 步态改变 载荷失常 改变应力分布 加强压力 复合 加强张力 斜行裂缝 骨骼分离横行裂缝 斜行骨折 横向骨折 四、肌肉活动对骨应力的影响四、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。 体育锻炼可促进骨的形态结构发生变化，使骨变得更加粗壮和坚固，抵抗各种载荷的能力不断提高。第三节第三节 一、关节软骨的力学特性（一）渗透性 蒙索尔

12、（Mansour）和莫欧（Mow）：随着压力和变形的加大，正常关节软骨的渗透性显著下降。（二）关节软骨的材料性能与负载速度的关系1弹性材料特性；2粘弹性材料特性。（三）单轴向张力下关节软骨的性能正常成人关节软骨的抗张硬度和抗张强度，随着离关节面的增加而减少。（四）关节软骨的蠕变反应关节软骨的蠕变反应（五）润滑作用润滑作用 界面润滑 液静润滑 液膜润滑 液动润滑 挤压润滑（六）磨损磨损 界面磨损界面磨损：由承载面之间相互作用引起 疲劳性磨损疲劳性磨损：由接触体变形引起的疲劳性磨损二 韧带、肌腱结构的生物力学特性（一）应力（一）应力应变曲线应变曲线胶原纤维胶原纤维510应变应变/%86应力应力0弹

13、性纤维弹性纤维100200应变应变/%应力应力0（二）影响韧带和肌腱力学特性的因素韧带和肌腱的材料力学性质与温度、加载速度、应变量等试验条件密切相关；韧带的强度和刚度受应力大小影响；运动训练对韧带力学性质的影响；年龄对韧带力学性质的影响；时间对韧带力学性质的影响。第四节 关节的构造及特点关节的构造及特点 人体206块骨借助韧带、肌肉组成骨骼系统。关节是人体运动枢纽，骨杠杆活动的支点。根据关节在骨与骨连接处的不同功能，分为直接连接和间接连接。直接功能：直接功能：支持、保护。 特点：特点：牢固、坚韧称不动关节间接功能：间接功能：传接力、运动。特点：特点：灵活，称活动关节 各种关节共同特性：关节共同

14、特性： 灵活（可三维）； 关节面摩擦系数小，耐 磨，具有一定的稳定性。一、关节运动学1关节的基本运动形式；关节的基本运动形式； 屈伸运动、收展运动、旋转运动。 关节运动的形式决定于关节面的形式。每一运动可以作绕某一轴实现。根据轴的方向，可把关节运动分为以下几种。（一）屈伸运动：屈伸运动：绕额状轴，角度减小为屈，反之为伸（二）内收与外展运动：内收与外展运动： 绕矢状轴运动，接近正中矢面为内，反之为外（三）旋转运动：旋转运动：绕自身纵轴，前转向内为内旋，反之外旋（四）环展运动：环展运动：近侧端在原位移动，远侧端作圆周运动。2关节运动幅度及测量方法；关节运动幅度及测量方法；（1）影响关节运动幅度的因

15、素： 构成关节的两关节面弧度差：（正相关） 关节周围软组织的结构及力学特性。（2）关节运动幅度测量方法关节运动幅度测量方法 摄影测量、录像测量、X光摄影测量、关节测量器直接测量、电子关节角度仪测量。 3关节的灵活性和稳固性。关节的灵活性和稳固性。 （1）影响关节灵活性的因素影响关节灵活性的因素： 关节面软骨、关节腔、关节囊内的滑液、滑膜皱襞、粘液囊等。 关节内滑液：关节内滑液： 1/10s时，柔软的弹性体； 1/100s时，关节动作灵活； 1/1000s时，坚硬的“固体”。 （2）维持关节稳固性的因素：维持关节稳固性的因素： 骨骼、肌肉、韧带、关节囊、关节软骨和关节腔内的负压等。 第五节第五节

16、 骨骼肌的生物力学特性骨骼肌的生物力学特性 一、骨骼肌的结构模型一、骨骼肌的结构模型1骨骼肌的结构模型骨骼肌的结构模型 骨骼肌的结构模型骨骼肌的结构模型收缩成分弹性成分肌动蛋白（细）肌球蛋白（粗）并联弹性成分串联弹性成分并联弹性成分串联弹性成分收缩成分收缩成分并联弹性成分串联弹性成分骨骼肌的结构模型： 二、肌肉长度与肌肉收缩力量的关系基本概念基本概念 1被动张力（被动张力（Fp）：）： 是指肌肉工作时并联弹性成分的张力。 2主动张力（主动张力（Fc）： 指收收缩成分收缩时产生的张力。 3总张力（总张力（Ft）：）： 被动张力与主动张力之和。 4平衡长度（平衡长度（L）：）： 无任何负荷时肌肉的

17、长度。 5肌肉的静息长度（肌肉的静息长度（L0）：）： 肌肉收缩成分产生最大收缩时的长度。(一) 收缩成分的长度张力关系（了解）； (二)并联弹性成分的长度张力关系（了解）；(三三)肌肉长度肌肉长度总张力的关系；总张力的关系； 短时间内反复拉，其长度增加比首次多，曲线2。这种特性用于灵活性练习，多种弹性动作，重复摆荡等。 静息肌肉有弹性，受外力被拉长，撤除外力，恢复初长度，载荷与长度并不成比例。 图a曲线1最初易被拉长，以后，小伸长需更大的力，弹性主要由结缔组织产生，肌受拉、纤维被进一步拉紧，就象针织围巾。长度张力123AB不同肌肉长度同受力的关系A平衡长度，B静息长度肌肉受激，收缩成分产生张

18、力，随长度而变化，曲线3。图a3 张力叠加真正记录到的是图b曲线1，曲线有下凹由收缩成分和弹性成分重叠部分引起。 平衡长度平衡长度：撤除一切负荷时肌肉长度静息长度：收缩成分的力量最大时的肌长度。 肌肉拉长超过平衡长度，并联弹性成分出现弹力，肌肉超过平衡长度收缩。收缩成分、并联弹性成分张力叠加，合力增加。收缩成分与并联弹性成分平行，完成放松仍有张力长度张力312BA不同肌肉长度同受力的关系A平衡长度，B静息长度图b第六节一、概念生物力学系统生物力学系统： 在运动生物力学中把运动器系抽象 为人体简化模型，这个简化模型叫生 物力学系统，用以模拟人体运动。二、环节、运动链与骨杠杆（一）环节 环节：环节

19、： 相互关节之间部分。 人体运动器系：人体运动器系： 是由若干可以相对运动的部分组 合而成的整体。（二）生物运动链1生物运动偶： 两个相邻骨环节之间的可动连接。2生物运动链： 两个或两个以上生物运动偶的 串联式连接。（1）生物运动链类别及其特点：）生物运动链类别及其特点： 开放链：末端为自由环节的生物运动链。 （每个环节都能发生立运动） 封闭链：无自由环节的生物运动链。 （环节的运动互相牵连）（2）生物运动链的运动特点：）生物运动链的运动特点： 关节的构造特点决定环节不能作单关节的构造特点决定环节不能作单方向无限制的转动，而只能作往复转动方向无限制的转动，而只能作往复转动或以关节为中心的圆锥形

20、运动。生物运或以关节为中心的圆锥形运动。生物运动链中各环节绕关节轴转动可使末端环动链中各环节绕关节轴转动可使末端环节作圆弧运动或平动，平动是生物运动节作圆弧运动或平动，平动是生物运动链中几个环节绕相应关节轴转动合成的链中几个环节绕相应关节轴转动合成的结果。结果。（3）生物运动链中环节的自由度：）生物运动链中环节的自由度：自由度：物体在空间运动，描述物体自由度：物体在空间运动，描述物体运动状态的独立变量的个数称为这个运动状态的独立变量的个数称为这个物体运动的自由度。物体运动的自由度。（三）骨杠杆骨杠杆：在生物运动链中，环节绕关节骨杠杆：在生物运动链中，环节绕关节轴转动，其功轴转动，其功 能与杠杆相同称骨杠杆。能与杠杆相同称骨杠杆。二、骨骼、关节、肌肉的相互作用 （一）生物运动链的动力学 （二）生物运动链的运动能力 （三）生物运动链中肌群的工作第七节第七节 一、人体动作系统（一）（一）动作和