1、骨、关节、肌肉的生物力学基础,潍坊医学院 康复基础教研室刘蓓蓓,Part1 生物力学概述,应力：结构内某一平面响应外部施加的载荷而产生的单位面积的负荷，以单位面积所受的力来表示。 N/m2应变：结构在载荷某一点发生的变形,应力应变曲线,应力-应变曲线是描述材料力学性质的曲线。它反映了材料在加载过程中受力和变形之间的关系。为了确定一种材料的力学性能，通常将该材料制作成一定的形状称为“试件”，将此“试件”在专门的仪器上施加载荷，直至破坏。在加载过程中连续记录载荷和应变，绘制成曲线，纵坐标代表应力（载荷），横坐标代表应变（变形），这就是应力-应变曲线。,强度是人体承受负荷时抵抗破坏的能力，包括结构破
2、坏前所能承受的变形；结构破坏前所能承受的载荷；结构在破坏前所能贮存的能量；用极限应力表示。刚度：人体在受载时抵抗变形的能力。,弹性和弹性限度 物体受外力后发生变形，外力（在一定限度内）一旦撤去，物体能恢复原有的体积和形状的性质，叫弹性。外力的这个限度叫弹性限度。弹性材料能保持固定形状，特点是应力与应变成正比，外力作用下外力功转变成弹性能。,塑性物体受外力后发生变形，当外力超过弹性限度时，即使撤去外力，也不能恢复原状而保持变形的性质，即发生了永久变形，叫塑性。塑性材料变形不可恢复，特点是应力与应变呈非线性关系，外力作用下外力功转变成变形能,力矩：力对物体转动作用的量度，是力和力臂的乘积。力使物体
3、绕点或定轴转动，其效果除了取决于力的大小和方向以外，还取决于所围绕的定点或者定轴与作用线的距离。只有与轴既不平行，也不相交的力才能使物体转动，且起作用的仅仅是该力在垂直转轴平面内的分力。通常规定从轴的正面看去，力使物体按逆时针方向转动时，力矩为正；力使物体按顺时针方向转动时，力矩为负。N*m,力偶：通常把两个大小相等、方向相反、作用线互相平行、但不在同一条直线上的一对力称为力偶。力与力偶臂的乘积称为力偶矩。使物体产生逆时针方向转动的力偶矩，取正值，反之取负值。,Part2 人体力学：内力+外力,（1）内力 ：指人体内部各种组织器官相互作用的力。最重要的首先是肌肉收缩所产生的主动拉力，是维持人体
4、姿势和产生运动的动力；其次是各种组织器官的被动阻力，包括肌肉、骨、软骨、关节囊、韧带、筋膜等受压力或拉力作用时对抗变形的阻力，躯体的惯性力和内脏器官间的摩擦力及其固定装置(如腹膜、肠系膜、大血管等)的阻力等。,（2）外力 ：指外界环境作用于人体的力，包括重力、器械的阻力、支撑反作用力、摩擦力及流体作用力。各种外力经常被利用来作为运动训练的负荷，这种负荷要求肢体运动的方向和力量与之相适应，因而选择投入工作的肌群及其收缩强度，这是肌力训练的方法学理论基础。,人的躯体运动遵循杠杆原理，各种复杂动作都可分解为一系列的杠杆运动。杠杆包括支点、力点和阻力点。支点到力点的垂直距离为力臂支点到阻力点的垂直距离
5、为阻力臂。根据杠杆上三个点的不同位置关系，可将杠杆分成三类：,第1类杠杆（平衡杠杆） 支点位于力点与阻力点之间。如头颅与脊柱的连结，支点位于寰枕关节的额状轴上，力点(如斜方肌、肩胛提肌、头夹肌等的作用点)在支点的后方，阻力点(头的重心)位于支点的前方。主要作用是传递动力和保持平衡，支点靠近力点时有增大速度和幅度的作用，支点靠近阻力点时有省力的作用。,第2类杠杆（省力杠杆） 阻力点位于力点和支点的之间。如站立位提踵时，以跖趾关节为支点，小腿三头肌以粗大的跟腱附着于跟骨上的止点为力点，人体重力通过距骨体形成阻力点，在跗骨与跖骨构成的杠杆中位于支点和力点之间。这类杠杆力臂始终大于阻力臂，可用较小的力
6、来克服较大的阻力，有利于作功。,第3类杠杆（速度杠杆） 力点位于阻力点和支点的之间。如肱二头肌屈起前臂的动作，支点在肘关节中心，力点(肱二头肌在桡骨粗隆上的止点)在支点和阻力点(手及所持重物的重心)的中间。此类杠杆因为力臂始终小于阻力臂，力必须大于阻力才能引起运动，不省力，但可以获得较大的运动速度。人体活动大部分是速度杠杆。,Part3 骨的生物力学,骨骼的结构特点,承受载荷+为肌肉提供动力联系和附着点骨组织：骨细胞+有机纤维+黏蛋白+无机结晶体+水胶原纤维借助黏蛋白的胶合形成网状支架，微小的羟磷灰石晶粒充填于网状支架并牢固附着于纤维表面骨膜+骨质+骨髓,骨松质：由许多针状或片状的骨小梁交织而
7、成，分布于长骨的两端以及其他骨的内部。骨小梁的排列与骨所受的压（重）力和肌肉牵拉的张力相适应，沿压力和张力方向排列 。骨密质：质地致密，由紧密且规则排列的骨板构成。因各层骨板中纤维的排列方向不同，且相邻两层的纤维呈交叉状，因而具有较强的抗压力和抗扭转能力。骨密质主要分布于长骨的骨干、扁骨的内、外层以及其他形状骨的表面。,1.骨结构的生物力学特征,骨具有在特定载荷环境下重量最轻的结构各向异性：由骨内部解剖结构易见骨是一种复合材料结构，特点就是各向异性，即其力学性能具有较强的对成分和结构的依赖性。壳形（管形）结构骨以其合理的截面和外形而成为一个优良的承力结构。,均匀强度分布骨具有强度大，重量轻的特
8、点。如果引入比强度（极限（最高）强度除以比重）和比刚度（弹性模量除以比重）的概念，则可以见到骨的比强度接近于工程上常用的低碳钢，而骨的比刚度可达到低碳钢的三分之一。,2骨对简单（单纯）外力作用的反应,（1）拉伸：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。（2）压缩：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。,（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴”。,（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，
9、方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势，在骨骼内部的剪切面产生剪应力。（5）扭转：载荷加于骨上使其沿轴线方向产生扭曲。,在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷，即同时受到上述两个或两个以上的载荷作用骨的强度大小排列顺序是： 压缩、拉伸、弯曲、剪切骨的变形以弯曲和扭转为主,体育活动中骨骼的受力形式及其强度,3.机械应力对骨结构的影响,骨骼对体育运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号（应力）的应变。有利的运动负荷及强度导致的骨应变会诱导骨量增加和骨的结构改善；应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折；应变过小或出现废用则导致骨
10、质流失过快。对骨存在一个最佳的合适应力范围。,长期坚持体育锻炼，可使骨密质增厚，骨变粗，骨面肌肉附着处突起明显，骨小梁的排列根据拉（张）应力和压应力的方向排列更加整齐而有规律。随着形态结构的变化，骨变得更加粗壮和坚固，抗弯曲、抗压缩和抗扭转载荷的能力都有提高。当体育锻炼停止后，骨所获得的变化就会慢慢消失。因此，体育锻炼应经常化，锻炼的项目要多样化。专项训练与全面训练相结合。,负重和冲击性体育运动项目（如跑、跳、投、田径项目、网球和垒球等球类项目）均有助于增加峰值骨量。周期性超强度运动训练可能导致骨微细结构的破坏。这些骨的微损伤随时间不断累积（常见于军事野营训练军人和长跑运动员），如得不到改建修
11、复可导致骨强度下降，甚至发生疲劳性骨折。骨骼的废用（如卧床、肢体固定或失重）对骨的影响也应受到重视。,骨折：骨的能量储存，随着载荷速度增加而增加。骨折时所储能量要释放出来。在低速下能量可通过单个裂纹散失，使骨及软组织保持相对完整性；但在高速下，所储更大能量不能通过单个裂纹散失，故可发生粉碎性骨折及广泛的软组织损伤。,拉伸载荷引起的骨折常见于跟骨。第5跖骨基底靠近腓骨短肌附着处的骨折以及跟腱靠近附着处的跟骨骨折都是由于拉力产生的骨折。压缩载荷引起的骨折常见于椎体。有时由于肌肉异常强烈的收缩，也可产生关节内压缩型骨折。,纯弯曲载荷造成的骨折不多见，常见的是侧力弯曲载荷，如三点弯曲。从侧面和后面对小
12、腿腓骨击打极易造成这种骨折。因此，足球比赛规则严禁从侧面和后面铲击小腿。剪切载荷引起的骨折常见于跟骨、股骨髁与胫骨平台的剪切破坏，变形后产生相对位置变动。纯扭转载荷引起的骨折比较少见，它多半是和其它的载荷形式组合在一起而引起的。,骨疲劳,特征：疲劳性骨折或永久性弯曲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,一般持续性的运动先是引起肌肉疲劳。当肌肉疲劳后，肌肉收缩力降低，从而改变了骨的应力分布，使高载荷出现，随着循环次数的增加，可导致疲劳骨折。疲劳骨折的产生不仅与载荷的大小和循环次数有关，而且还与载荷的频率有关。只有当疲劳断裂过程超过骨重建过程时疲劳骨折才会发生。,骨折既可能可出现
13、在受拉侧，也可能出现在受压侧，或者两侧都出现。拉力侧骨折产生横向裂缝，且很快扩展为完全骨折；压力侧骨折发生比较缓慢，骨重建过程不太容易被疲劳过程超过，而且可能不扩展为完全骨折,骨折的愈合骨折愈合需要骨痂形成，而骨痂形成需要应力的刺激骨在应力作用下羟磷灰石结晶溶解增加，使发生应变的骨组织间隙液内的钙离子浓度升高，利于无机晶体沉积。,关节的各种运动,Part4 关节生物力学,关节的各种运动,按关节运动轴的数目和关节面的形状，关节可分为单轴关节、双轴关节和多轴关节。单轴关节：运动环节只能绕一个运动轴运动的关节称为单轴关节双轴关节：有两个相互垂直的运动轴，构成关节的骨可在两个互相垂直的平面内运动，也可
14、作环转运动。多轴关节：具有3个相互垂直的运动轴，可作各个方向的运动。,关节的分类1,单轴关节 双轴关节 多轴关节,滑车关节（屈戌关节）车轴关节（圆柱关节）,椭圆关节鞍状关节,球窝关节平面关节,鞍状关节,球窝关节,滑车关节,椭圆关节,车轴关节,关节的分类1,影响关节稳定性与灵活性的因素：关节面的弧度之差关节囊的厚薄和松紧度关节韧带的强弱和多少关节周围肌群的强弱与伸展性关节周围的骨结构,（一）关节的润滑机制,关节主要由关节面及关节软骨、关节囊和关节腔构成，关节腔中充满了起润滑作用的关节液。关节的润滑机制主要与关节软骨和关节液有关。,1关节的摩擦系数关节的摩擦系数采用重力摆法进行测定。与工程上的人工
15、润滑结构相比，其摩擦系数是非常小的。这是人体关节抗摩耐用的重要原因之一。,2.关节软骨的力学性能关节软骨主要由大量的细胞外基质和散在分布的高度特异细胞组成 浅表层：胶原纤维和软骨细胞长轴与关节表面平行，蛋白多糖少而水分最多 移行层：胶原纤维增粗，软骨细胞变圆 辐射层：蛋白多糖最多而水分最少，软骨细胞呈球形并常柱状排列 钙化层：将透明软骨与骨分开，以被磷酸盐包裹的小细胞散在于软骨基质中为特征,关节软骨的主要功能是：减小关节活动时的阻力（润滑关节），减小关节面负载时的压强（适应关节面），减轻震动（缓冲）。关节软骨是一种多孔的粘弹性材料，其组织间隙中充满着关节液。在受拉伸应力下间隙扩大，液体流入，压
16、缩时液体被挤出。软骨中没有血管，它正是靠这种应力下液体的流动来保证营养的供应。,渗透性：在恒定的外力下，软骨变形，关节液和水分子溶质从软骨的小孔流出，由形变引起的压力梯度就是引起关节液渗出的驱动力。随着液体的流出，小孔的孔径越压越小。关节液的流出量在受力初期大于受力末期，形变也是初期大于末期,粘弹性：关节软骨和关节液具有粘弹性（非线性）的特点，具有应力松弛、蠕变和滞后的特征蠕变：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。应力松弛：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。滞后：若物体承受周期性的加载和卸载，则加载时的应
17、力应变曲线常与卸载时的应力应变曲线不重合，这种现象称为滞后。,对外部负荷作用的快慢敏感：当外力作用的时间在1/100s左右时，关节液是同时具有流动性和弹性的粘弹性体，缓冲关节面之间的碰撞；当作用时间大于1/100s时，关节液像润滑液一样使关节灵活运动；如果外力作用的时间很短，关节液呈现出固体的特点,关节润滑机制：,（1）界面润滑：依靠吸附于关节面表面的关节液分子形成的界面层来作润滑，在关节面承受小负荷，作速度较低相对运动时，起降低剪切应力的作用。（2）压渗润滑：当关节在高负荷条件下快速运动时，关节软骨内的液体被挤压渗出到临近接触点/面周围的关节间隙，此时关节面软骨表面之间的液膜由压渗出的组织液
18、和原有的滑液组成。液体由接触面从运动方向的前缘挤出，在接触面的后缘由渗透压把压渗出的滑液再吸收回软骨内。这种机制能够有效地保存关节液及其位置，对抗外力。,适宜的体育锻炼对提高关节负载能力和减小摩擦阻力的影响，可以使骨关节面骨密质增厚，从而能承受更大的负荷，并增强关节的稳固性。动物实验证明，长期运动可以使关节面软骨增厚。此外，体育活动还可以使一些辅助结构如关节肌腱、韧带增粗，肌肉力量增强，在骨附着处的直径增加，提高关节的稳定性和动作力矩。,Part5 肌肉的生物力学,伸展性和弹性：肌肉受外力作用具有被拉长的特性称肌肉的伸展性。当外力解除后，肌肉又可逐渐缩回到原来长度的特性为肌肉的弹性。,粘滞性：
19、肌肉收缩和舒张时，其内部所含有胶状物质分子之间以及肌纤维之间因摩擦产生的阻力称粘滞性。,（一）骨骼肌的力学特性,肌力的影响因素,（1）肌肉的生理横断面：每条肌纤维横断面之和为肌肉的生理横断面，单位生理横断面肌纤维全部兴奋时所能产生的最大肌力，称为绝对肌力。（2）肌肉的初长度：指收缩前的长度。当肌肉被牵拉至静息长度的1.2倍时，肌力最大。（3）运动单位募集：指进行特定活动动作时，通过大脑皮质的运动程序，调集相应数量的运动神经元及其所支配的肌肉纤维的兴奋和收缩过程。运动单位募集越多，肌力就越大。运动单位募集受中枢神经系统功能状态的影响，当运动神经发出的冲动强度大时，动员的运动单位就多；当运动神经冲
20、动的频率高时，激活的运动单位也多。,肌力的影响因素,（4）肌纤维走向与肌腱长轴的关系：一般肌纤维走向与肌腱长轴相一致，但在一些较大的肌肉中，部分肌纤维与肌腱形成一定的角度而呈羽状连接。羽状连接的肌纤维越多，成角也较大，肌肉较粗，能产生较多的力，如腓肠肌。而比目鱼肌，肌纤维与肌腱的连接很少成角，故具有较高的持续等长收缩能力。（5）杠杆效率：肌肉收缩产生的实际力矩输出，受运动节段杠杆效率的影响。髌骨切除后股四头肌力臂缩短，使伸膝力矩减小约30%。,能影响肌肉收缩时作功能力或其力学表现的因素至少有三个，即前负荷、后负荷和肌肉本身的功能状态（即肌肉收缩能力）。 前负荷在肌肉收缩前就加在肌肉上的负荷。前
21、负荷使肌肉具有一定的初长度。后负荷是在肌肉开始收缩时才能遇到的负荷，它不增加肌肉的初长度，但能阻碍收缩时肌肉的缩短。,1.前负荷对肌肉收缩的影响,1）现象肌肉长度增加到稍长于静息长度时，产生最大张力。,1）现象肌肉的收缩速度随负荷的增加而减小，但肌肉张力却增大。肌肉产生的张力和当时的缩短速度呈反比。,2.后负荷对肌肉收缩的影响,肌肉收缩力指与负荷无关、决定肌肉收缩效应的内在特性，其状态是可以改变的。能力降低因素：缺氧、酸中毒、肌肉中能源物质缺乏等能力提高因素：钙离子、咖啡因、肾上腺素等。,3.收缩能力对肌肉收缩的影响,肌肉收缩时产生的压应力可减少或抵消作用于骨的拉应力，保护骨免受拉伸骨折。,（
22、1）等张收缩：肌力大于阻力时产生的加速度运动和小于阻力时产生的减速度运动。运动时肌张力大致恒定，故称等张收缩。（2）等长收缩 ：当肌肉收缩力与阻力相等时，肌肉长度不变，也不引起关节运动，称等长收缩或静力收缩（3）等速收缩：肌肉收缩的速度保持一定。这不是人类肌肉的自然收缩形式，而是人为地借助于等速肌力训练器将其收缩速度限制在一定的范围之内，以便测定关节活动度及处于任意关节角度时的肌力，并进行训练。,肢体的每一动作都需要多组肌肉恰当地通力合作才能完成。（1）原动肌：直接完成动作的肌群称原动肌。其中起主要作用者称主动肌，协助完成动作或仅在动作的某一阶段起作用者称副动肌。（2）拮抗肌：与原动肌作用相反
23、的肌群。原动肌收缩时，拮抗肌应协调地放松或作适当的离心收缩，以保持关节活动的稳定性及增加动作的精确性，并能防止关节损伤。（3）固定肌：为了发挥原动肌对肢体运动的动力作用，需要参加固定作用的肌群。（4）中和肌：其作用为抵消原动肌收缩时所产生的一部分不需要的动作。,肌肉的协同,Part6 纤维的生物力学特性肌腱、韧带,骨骼周围的肌腱、韧带、关节囊、皮肤，以及外伤后引起的瘢痕组织中的纤维组织，主要由胶原纤维和弹性纤维构成。胶原纤维和弹性纤维具有不同的力学性质，胶原纤维承受载荷时变形小，抗拉力强；弹性纤维承受载荷时弹性好，伸展性好，变形较大。肌腱和韧带的力学性能取决于其组成中两类纤维的比例。,胶原纤维
24、与弹性纤维的应力应变曲线,由于胶原纤维内的细纤维在末受载荷时呈波浪状，载荷开始后胶原纤维被拉直、伸长，直至屈服点，继而产生非弹性变形，直至达到极限而断裂破坏。人体韧带破坏时的变形范围为6%8%。肌腱的胶原纤维几乎完全呈平行排列，使其能承受较高的拉伸载荷，应变范围为10%15%。,1、韧带的力学特性,（1）韧带的粘弹性非线性应力应变关系 ：韧带胶原纤维并非全部平行排列，当韧带的拉伸载荷开始时，仅与载荷作用方向一致的纤维承受最大牵伸而被完全拉直。随着牵伸力越加越大时，越来越多的非平行纤维受到载荷而被拉直。载荷的不断增大，韧带进一步延长，呈现越来越大的刚性，有利于在应力下保持关节的稳定和牢固。,蠕变
25、：在静力学试验时，如载荷不再增加，但恒定地维持下去，韧带还可以缓慢地继续延长。在反复多次牵伸后有类似的蠕变现象，即牵伸到达同样长度所需的载荷逐步减少。应力松弛：在韧带受载荷牵伸而延长时，如其长度被维持不变，则韧带内因牵伸而提高的张力会逐步下降，称之为应力松弛现象。（2）塑性延长 ：肌腱在载荷牵伸下发生弹性延长和塑性延长。前者在应力去除后回缩，后者则为持久地延长。,运动对韧带力学性质的影响,总结：生物材料的力学特性,骨骼-各向异性-根据力学需要重建的结果肌肉-希尔方程（收缩力和收缩速度的关系）肌腱-变形小，抗拉力强，起连接，传递力的作用。韧带-大多数与肌腱相同，变形小，抗拉力强，起加固关节作用，少数伸展性好，弹性好,
