运动生物力学课讲稿：第二章(2007).ppt

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 载 荷：逐渐加于物体上的，由零渐增至一定值以后不再改变。 动 载 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：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：随时间作周期性的改变并且多次重复地作用在物体上的载荷。,(二

2、)载荷的表现形式,1.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。,基本变形的表现形式:,拉伸与压缩,2.剪切 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。,剪切,3.扭转 这类变形形式是由大小相等，方向相反，作用面都垂

3、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。汽车的传动轴，电机和水轮机的主轴等都是受扭杆件。,4.弯曲 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。桥式起重机的大梁，各种心轴以及车刀等的变形，都属于弯曲变形。,1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。 2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。 3弯曲载荷：使物体沿其轴线发生弯曲的载荷。 4剪切载荷：使物体受到一对相距很近，大小相等，方向相反 力的载荷。 5扭转载荷：使物体沿轴线产生扭转的载荷

4、。 6复合载荷：物体同时受到多种载荷的作用。,根据基本变形的形式,载荷相应的有:,二、应变,1变形： 物体在受到外力作用时，其中任意两点间的距离和任意两直线或两平面间的夹角会发生变化，它们反映了物体的尺寸和几何形状的改变。 2线应变： 单位长度内的线变形。（）,X,Z,Y,三、应力,正应力（） 应力 剪应力（）,M,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

5、。 （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

6、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,骨的生物力学特性,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 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 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

7、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 1应力应变关系(图2-10 p29)；,B,C,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 缩,拉 伸,剪 切,50,100,150,200,3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

8、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,应变,青年,老年,拉伸,三、骨疲劳,（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 1疲劳性骨折或永久性弯曲（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,重复,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,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

9、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,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,（一）渗透性 蒙索尔（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 （五）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

10、 界面磨损：由承载面之间相互作用引起 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）应力应变曲线,胶原纤维,5,10,应变/%,8,6,应力,0,弹性纤维,100,200,应变/%,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,人 体 关 节 力 学,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

11、骨连接处的不同功能，分为直接连接和间接连接。,直接功能：支持、保护。 特点：牢固、坚韧称不动关节,间接功能：传接力、运动。特点：灵活，称活动关节,各种关节共同特性： 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； 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：绕额状轴，角度减小为屈，反之为伸,（二）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：绕自身纵轴，前转向内为内旋，反之外旋,（四）环展运动：近侧端在

12、原位移动，远侧端作圆周运动。,2关节运动幅度及测量方法； （1）影响关节运动幅度的因素： 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 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。 （1）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： 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： 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 骨骼肌的生物力

13、学特性 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,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 1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（Fc）： 指收收缩成分收缩时产生的张力。 3总张力（Ft）： 被动张力与主动张力之和。 4平衡长度（L）： 无任何负荷时肌肉的长度。 5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

14、解）；,(二)并联弹性成分的长度张力关系（了解）；,(三)肌肉长度总张力的关系；,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。,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，收缩成分产生张力，随长度而变化，曲线3。,图a,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：撤除一切负荷时肌肉长度,静息长度：

15、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,第六节,运 动 器 系整 体 的 生物 力 学 性 能 与特点,一、概念,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： 相互关节之间部分。 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

16、上生物运动偶的 串联式连接。,（1）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：,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结果。,（3）生物运动链中环节的自由度：,自由度：物体在空间运动，描述物体运动状态的独立变量的个数称为这个物体运动的自由度。,（三）骨杠杆,骨杠杆：在生物运动链中，环节绕关节轴转动，其

17、功 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,人体动作结构 与 动作系统,一、人体动作系统,（一）动作和动作结构 1动作结构： 每个完整的特定动作都有固有的特点，各个动 作成分之间都有着固定的联系，这是一个动作 区别于另一个动作的特征，动作的这种固有特 点和固定内在联系叫动作结构。 2运动学特征： 空间特征、时间特征和时空特征。 3动力学特征： 惯性特征、力的特征和能量特征。,（二）动作系统,1动作系统的概念 大量单一动作按一定规律组成为成套的技术动作，这些成套的技术动作叫做动作系统。,3动作系统的结构特点 （1）动作之间具有相互帮助和相互促进的作用，使整个动作系统更加协调和完善； （2）动作之间也存在一定的相互干扰，通过改进技术动作以减小这种干扰作用是推动动作系统发展的内因。,2动作系统的组成,4动作系统的分类及特点,（1）周期性动作系统 动作的反复性和连贯性； 动作的节律性； 动作的交互性；