生物力学生物力学的力学基础

生物力学生物力学的力学基础第1页，共72页，2023年，2月20日，星期一二、力的概念力的定义：涉及到的概念：施力物体和受力物体牛顿第三定律——作用力和反作用力力是物体间的相互作用。力的作用离不开物体。第2页，共72页，2023年，2月20日，星期一2.力的作用效应：内效应（变形效应）外效应（运动效应）（平动、转动、复合运动）涉及到的概念：牛顿第一定律——力的定性定义牛顿第二定律——力的定量定义胡克定律——力与变形的关系第3页，共72页，2023年，2月20日，星期一3.力的三要素：三角形、平行四边形、多边形法则大小、方向、作用点例如：股骨干骨折施行股骨髁上牵引复位时间上的差异、成角和横向移位畸形、成角畸形力的合成与分解法则：

应用：二维投影*三维二次投影三维投影第4页，共72页，2023年，2月20日，星期一运动平面矢状面额（冠）状面水平（横切）面运动轴

矢状轴额状轴垂直轴第5页，共72页，2023年，2月20日，星期一肌肉力可分成FmWaG例如：肌肉力的合成与分解以肱二头肌为例稳固分量（沿骨轴线）转动分量（垂直骨轴线）在骨折等治疗中有积极的意义在肢体运动中有积极的意义第6页，共72页，2023年，2月20日，星期一5.力系：二力平衡必要与充分条件是：力系（多力情况）：三力平衡汇交定理：

作用于一个物体上的一群力的集合称为力系。当刚体受三个力作用而平衡时，若其中任何两力的作用线相交于一点，则其余一力的作用线亦必交于同一点，且三力的作用线在同一平面内。这两个力大小相等、方向相反、沿同一条直线。第7页，共72页，2023年，2月20日，星期一力系的分类：

共点力系平面共点力系

非共点力系空间共点力系平行力系一般力系平面平行力系

空间平行力系例如：人在弯腰时作用在脊柱上的力跳高时作用在足上的力定滑轮转动时力的作用第8页，共72页，2023年，2月20日，星期一*6.约束和约束反力：自由体：可以在空间作任意运动的物体。非自由体：

由于受到周围物体的限制（或阻碍）而不能作任意运动的物体。约束：事先对物体的运动所加的限制条件。约束反力：（阻力）主动力：（动力）约束作用于非自由体的力。（简称：约束力）除约束力外，非自由体上所受到的所有促使物体运动或有运动趋势的力。第9页，共72页，2023年，2月20日，星期一三、作用于人体内外的力人体或人体局部受力分析：

（抓住主要矛盾，分离次要矛盾）②受力分析图——将分离体所受的主动力和约束力以力的矢量形式表示在分离体上所得到的图形。①分离体——把研究对象解除约束，从周围物体中分离出来，画出简图。先画主动力，明确研究对象所受周围的约束，进一步明确约束类型，再画约束反力；必要时需用二力平衡共线、三力平衡汇交等条件确定某些约束反力的指向或作用线的方位。第10页，共72页，2023年，2月20日，星期一我们多次察觉作用于自己身体的力我们常常忽略作用于体内诸力的重要性我们多数不知微观结构上力的作用第11页，共72页，2023年，2月20日，星期一内力：（按力的宏观、微观分）内力外力外力：人体内部各个部分互相作用的力（肌力、韧带张力、软骨应力、骨应力）重力；摩擦力；弹性力；器械的其他阻力；支撑反作用力；流体作用力第12页，共72页，2023年，2月20日，星期一（按力的性质分）1、第一基本力：机械力①

万有引力：②接触力：③摩擦力：④肌肉力：第13页，共72页，2023年，2月20日，星期一肌力定律解剖横断面：生理横截面积肌力系数肌力生理横断面：与肌肉所有纤维垂直的断面与肌肉纵轴垂直的断面第14页，共72页，2023年，2月20日，星期一①性别：②人种：③后天因素：肌力系数：建议取美国莫利斯的肌力系数值：德国生理学家艾克：588~980KPa美国克罗莫：343KPa前苏联童克福：980KPa中国程国杰：588~686KPa美国莫利斯：710~920KPa第15页，共72页，2023年，2月20日，星期一①与肌纤维解剖条件的关系：②与肌纤维力学条件的关系（略）③与肌纤维生理条件的关系（略）比较梭形肌、扇形肌、羽状肌、半羽状肌的肌力大小及灵活性。第16页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、第二基本力：电力①

电场力：②磁场力：3、第三基本力：核力超短距离力第17页，共72页，2023年，2月20日，星期一四、作用于人体的力钜力矩的表达式：2.力矩的三要素：大小、方向、作用面大小：方向：右手螺旋定则第18页，共72页，2023年，2月20日，星期一第二节刚体生物静力学骨骼几何形状的准确解剖学数据肌肉连接的准确位置和角度静力平衡定律确定医疗器械所受的作用力计算人体肌肉力、骨骼力、关节力临床上的症状矫形装置的功能、原理及应用改进医疗方法现行医疗方法第19页，共72页，2023年，2月20日，星期一一、平衡条件：1、2、（可分解）（定转轴）例题1：（作业一）靠在墙上的木板已知地面与墙的摩擦系数分别为，使木板不下滑的角度。第20页，共72页，2023年，2月20日，星期一静力学问题例题2：右图的牵引装置是用来施加一轴向力给折断的股骨

(femur)。设病患之体重70kg，若要维持小腿平衡状态，悬吊重量T应为多少？试计算在上述条件下施加给大腿的平均张力F是多少？

第21页，共72页，2023年，2月20日，星期一解：假设滑轮无摩擦，则缆线在各处的张力T为相同。根据力平衡公式：

(一般人之小腿与足部之重量为体重之0.061。设病患之体重70kg，则

m=0.061×70=4.27kg=>mg=41.85N)第22页，共72页，2023年，2月20日，星期一

例题3：某人重75kg，手握重5kg的球，而手肘呈90°。二头肌(bicep)须出力多少以维持前臂平衡？前臂施加多少力于肱骨(humerus)？

第23页，共72页，2023年，2月20日，星期一解：根据静力平衡和静力矩平衡前臂的重量为体重的0.022，故m=0.022*75=1.65kg,臂重心位于rOP=0.31m处。对于肘之支点O，其和力矩为零∴手肘的垂直力为FA=472.6N而根据力平衡式，∴二头肌施力为FB=556.7N

∴手肘的水平力为FC=144.1N

故前臂的施力为第24页，共72页，2023年，2月20日，星期一解：根据静力平衡和静力矩平衡前臂的重量为体重的0.022，故m=0.022*75=1.65kg,臂重心位于rOP=0.31m处。对于肘之支点O，其力矩之和

ΣM=-rOE×(-FA)+rOB×(-5*9.8j)+rOP×(-1.65*9.8j)=0

=>

0.05FAk-18.62k-5.01k=0

∴手肘的垂直力为FA=472.6N

而根据力平衡式，

ΣF=FCi-FAj+FB(-cos75oi+sin75oj)-49j-16.17j=0

=>FC-0.259FB=0and-537.77+0.966FB=0

∴二头肌施力为FB=556.7N

∴手肘的水平力为FC=144.1N

故前臂的施力为F=FCi-FAj=144.1i-472.6j

(N)

第25页，共72页，2023年，2月20日，星期一二、人体的杠杆作用：杆：FmWaG骨骼系统关节（单轴双轴多轴）肌力（动力）支点：力：外力（阻力）第26页，共72页，2023年，2月20日，星期一单轴关节：滑车关节（指间、膝关节）圆柱关节（尺桡关节）双轴关节：椭圆关节（腕、掌指关节）鞍状关节（踝关节）三轴关节：球窝关节（肩、髋）平面关节（肩锁关节）第27页，共72页，2023年，2月20日，星期一第28页，共72页，2023年，2月20日，星期一1、三种杠杆：（1）第一类杠杆：WhFmJ

例如.头部杠杆定义特点例子WhFmJ31FmWhJ31平衡杠杆第29页，共72页，2023年，2月20日，星期一

例如.足部杠杆（2）第二类杠杆：定义特点例子省力杠杆第30页，共72页，2023年，2月20日，星期一

例如.臂部杠杆FmWaG（3）第三类杠杆：定义特点例子速度杠杆(费力杠杆）第31页，共72页，2023年，2月20日，星期一G=10NWa=30NFm15030cm30cm3cmT第32页，共72页，2023年，2月20日，星期一省力费力第33页，共72页，2023年，2月20日，星期一平衡杠杆省力杠杆速度杆杆第34页，共72页，2023年，2月20日，星期一第35页，共72页，2023年，2月20日，星期一*省力杠杆在康复中的作用可负较大重量加强肌肉保护(用小的动力克服大的阻力）第36页，共72页，2023年，2月20日，星期一*费力杠杆在康复治疗中的作用训练肌力：通过调整阻力臂距离，增加或减少负荷重量。例：股四头肌渐进抗阻获得速度：可通过增加阻力臂，减少动力臂进行，虽然费力，但力点稍移动，即可加大阻力点移动的速度和范围。(用大的动力克服小的阻力）(用小的动力点位移得到大的阻力点位移）第37页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、拉角和阻角的影响：（2）阻角的影响：（阻力与杆的小夹角）（1）拉角的影响:（动力与杆的小夹角）①在相等的收缩下：拉角越小引起的旋转越大；

拉角越大引起的旋转越小。②在阻力不变的情况下：拉角越小转动分量越小

——要用的力越大

拉角越大稳固分量越大

——避免脱臼阻角越大拉力越大第38页，共72页，2023年，2月20日，星期一拉角和肌肉收缩关系图肌肉收缩：每次收缩全长的八分之一第39页，共72页，2023年，2月20日，星期一3、作用于髋关节的力：（1）股骨与髋骨的基本结构：①髋骨：②股骨：③髋关节：髂骨坐骨耻骨——髋臼头、颈、大转子、髁（内、外侧髁）、骨端髋臼、股骨头第40页，共72页，2023年，2月20日，星期一第41页，共72页，2023年，2月20日，星期一髋关节的生理构造（外部）第42页，共72页，2023年，2月20日，星期一髋关节的生理构造（内部）第43页，共72页，2023年，2月20日，星期一髋关节的生理构造（骨端）关节腔隙CE角垂直线水平线AC角前倾角骨小梁骨端线第44页，共72页，2023年，2月20日，星期一（2）计算作用于股骨头上的力R和外展肌力F在单腿站立的状态下：②英曼数据：①外展肌群：臀大肌、臀中肌、臀小肌梨状肌、闭孔内外肌、股方肌阔筋膜张肌1英尺=0.3048米1英尺=12英寸第45页，共72页，2023年，2月20日，星期一使腿外展的肌群（肌肉）臀大肌:臀大肌起于髂翼外面，骶尾骨后面，止于股骨臀肌粗隆，一部分到髂胫束臀中肌:臀中肌起于髂翼外面和臀筋膜，止于股骨大转子臀小肌:臀小肌起于髂翼外面，止于股骨大转子前线阔筋膜张肌:阔筋膜张肌起于髂前上棘及其后侧的髂嵴，移行于髂胫束达胫骨上端第46页，共72页，2023年，2月20日，星期一股骨FNWLN=WFmWL=1/7W7008cm3cm7cmR髋关节第47页，共72页，2023年，2月20日，星期一（3）临床联系：①镇痛步态：②外反骨：③骨端分离：④缺血性坏死：当外展肌麻痹或弱或损伤时；当髋关节有疾患时；骨端软骨板向水平面转动骨端与骨连接断开供血不足第48页，共72页，2023年，2月20日，星期一（4）康复治疗：以手杖为例若手杖支撑1/6体重FmWLN=5/6W单脚将离开骶骨中心正下方6cm第49页，共72页，2023年，2月20日，星期一作业2：弯腰角度：头和上肢的重量：躯干的重量：（1）只弯腰双手下垂不提重物求：骶骨顶作用于腰骶椎间盘基部的力R

和骶棘所施加的力F骶棘作用点分躯干：骶棘作用线与躯干夹角：第50页，共72页，2023年，2月20日，星期一作业2：弯腰角度：头和上肢的重量：躯干的重量：（2）只弯腰双手下垂提重物（0.2W)求：骶骨顶作用于腰骶椎间盘基部的力R

和骶棘所施加的力F骶棘作用点分躯干：骶棘作用线与躯干夹角：第51页，共72页，2023年，2月20日，星期一附加问：①椎间盘脱出、突出的临床表现是什么？②内突和外突的临床表现有什么不同？③为避免脱出、突出手提重物时应如何做？④康复方案？第52页，共72页，2023年，2月20日，星期一人体髋关节运动生物力学模型研究

介绍天津中医药大学生物力学实验室第53页，共72页，2023年，2月20日，星期一第一方面：选题的科学依据

1、课题所属研究领域2、课题的理论意义和应用价值3、国内外研究概况及发展趋势

第54页，共72页，2023年，2月20日，星期一1、课题所属研究领域a：人体髋关节运动生物力学模型研究属于运动生物力学（Biomechanics）的研究范畴。

b：运动生物力学是一门主要研究运动中人体机械运动规律的科学。

C：运动生物力学的研究最终目的第55页，共72页，2023年，2月20日，星期一2、课题的理论意义和应用价值a、髋关节重要性

第56页，共72页，2023年，2月20日，星期一b、体育运动学方面为评价运动员动作技术的合理性，设计新的体育训练手段，改善技术动作，提高体育成绩提供理论依据

C、骨科临床医学方面近20年来，不论是作为生物力学的基础理论研究，还是作为骨科临床上的应用研究，髋关节都是非常受重视的环节，因为不管是对人工髋关节生物材料的研究，还是骨科临床上的髋关节置换术的开展，都必须充分了解髋关节的力学性能总结：希望通过本次研究能够为以后的理论研究、体育研究和医学研究提供成功的髋关节模型。第57页，共72页，2023年，2月20日，星期一3、国内外研究概况及发展趋势a、国外研究概况（Kane、Hazte）多体建模：Kane（美国）人体仿真：Hazte（南非）近几年的研究：Miller(4刚体模型),Hazte(11刚体模型)等b、国内研究概况

1980年12月成立了中国运动生物力学协会近几年来的研究成果：中国人体尺寸、人体器官密度、，人体环节的惯性参数和回归方程的测定等第58页，共72页，2023年，2月20日，星期一第二方面：课题的具体实施

1、技术路线

2、研究措施

3、进度计划髋关节的生理构造髋关节的建模原理与步骤进度计划第59页，共72页，2023年，2月20日，星期一

髋关节建模的原理与步骤

从运动学和动力学两方面通过多体的研究方法进行建模：第一：确定髋关节模型的组成部分第二：取得描述髋关节模型的各种数据第三：确定全局坐标系，组装模型，并使各部件的局部坐标简化第四：对模型进行校核，消除尺寸误差，限定关节的运动范围第五：添加约束和运动，将其应用于具体问题第60页，共72页，2023年，2月20日，星期一进度计划（2002.9-2004.6）课题相关文献查阅：3个月髋关节生理学特性学习、运动生物力学的深化、多体知识的巩固：3个月左右髋关节的几何建模：2个月左右髋关节的运动学建模：3个月左右髋关节模型运动仿真与控制：3个月左右通过典型运动计算校核模型：3个月左右第61页，共72页，2023年，2月20日，星期一第三方面：

课题预期达到的成果和水平

希望通过多体系统动力学，运动生物力学与控制学建立起较为精确的髋关节力学仿真模型，能够通过该模型分析髋关节运动的变化原理和规律，揭示髋关节的力学运动特性，准确模拟髋关节在运动时的肌肉骨骼状态。并希望能够为以后的理论研究、体育研究和医学研究提供成功的髋关节模型。第62页，共72页，2023年，2月20日，星期一髌骨受力髌韧带骨直肌骨中间肌骨内侧肌骨外侧肌屈膝300F=W600900屈膝>900F=4WF=6WF=8W4、作用于膝关节的力（自学）第63页，共72页，2023年，2月20日，星期一三、人体的平衡平衡基本状态：人体平衡：人体保持某一姿态的稳定性或动态中的控制能力。静止或匀速直线运动状态第64页，共72页，2023年，2月20日，星期一1、关键在于重心（1）人体的重心：从解剖学角度看：左右基本对称（正中偏右）。当人体自然站立时，总重心的位置一般在身体正中面上第三骶椎上缘前方7cm偏右处（2）人体重心位置：地球对人体各部分引力合力的作用点。如：第65页，共72页，2023年，2月20日，星期一(3)人体重心的变化特点：

男子的重心高度约为身高的56%，女子的重心高度约为身高的55%①重心通常会随着消化、呼吸、血液循环等生理过程的进行而变化②重心通常会随着姿势的变化而变化③重心通常会随着年龄、性别、身体结构、后天状况等特点而变化几何形状固定的物体，不管他怎样运动，其重心相对于自身的位置是不变的。

成人与儿童

男子与女子

体操与足球运动员第66页，共72页，2023年，2月20日，星期一(4)人体重心测量方法①

重心板（一维或二维）实测静态人体的重心位置②摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得第一步：以人体左下角边缘处O点为原点绘出直角坐标系（OXY）。第二步：确定各环节点位置。第三步：确定头和手的重心位置。头的重心在耳廓上缘中点正面观时在两眉间，手的重心在中指的掌指关节处。第四步：连接关节点构成人体棍图。第五步：开始测量各环节的相片长度(以毫米为单位)，填入环节长度一栏内。第67页，共72页，2023年，2月20日，星期