1、人体生物力学与施力特征,主要内容,1.人体运动与骨杠杆2.人体生物力学模型3.人体的施力特征4.施力合理的设计思路,人体运动系统,运动系统是人体完成各种动作和从事生产劳动的器官系统。 运动系统由骨、关节和肌肉三部分组成。在运动过程中，骨是运动杠杆；关节是运动枢纽；肌肉是运动的动力。三者在神经系统的支配和调节下协调一致，随着人的意志共同准确地完成各种动作。,人体的206块骨头构成人体的骨架。,骨的功能与骨杠杆,骨是体内坚硬而有生命的器官，总数约206块，分为躯干骨、上肢骨、下肢骨和颅骨。骨的功能：1.支持人体的软组织和支撑全身重量。2.骨腔保护内脏器官并协助内脏器官进行活动，如呼吸、排泄等。3.
2、骨骼中的骨髓具有造血功能，并储存钙和磷。4.肌肉牵动骨骼绕关节运动，使人体完成各种活动。,骨杠杆,肌肉完成运动需要借助骨杠杆的作用才能完成。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是动力源，肌肉与骨的附着点为力点。骨杠杆主要包括三种形式：平衡杠杆、省力杠杆和速度杠杆。,人体生物力学模型,人体生物力学建模原理 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组成部分之间的关系。肌肉骨骼系统被看做机械系统中的联结，骨骼与肌肉是一系列功能不同的杠杆。生物力学模型原理基于的牛顿定律：1.物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或静止状态。2.物体的加速度跟所受的合外力大小成正比。3.两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，
3、方向相反，作用在一条直线上。,前臂和手的生物力学模型,如图5-2：前臂总长度为36cm，物体为20kg，前臂重力为16N，前臂中心到肘部距离18cm。物体总重量：W=20*9.8=196N每只手承受重量：W每只手=W*1/2=98N肘部用力和肘部受力（前臂重量加物体重量）相等：R肘部受力=16+98=114N肘部力矩：M肘部力矩=16*0.18+98*0.36=38.16N.m,举物时腰部生物力学模型,腰部疼痛可能会影响50%到60%的人口，引起腰部疼痛的主要原因是用手进行的一些操作，如抬起重物、折弯物体、拧转物体等。长期保持一个静止的姿势也是引起腰部问题的主要原因。生物模型如图5-3。要抬起
4、300N的重物，人类腰部要承受3800N的作用力，背部则承受超过5000N的作用力，而腰骶（di）更要承受5458N的作用力，这些都是人类腰骶间盘所难以承受的。,人体的施力特征,主要的关节活动范围：骨与骨之间除了关节相连外，还有肌肉和韧带联结在一起。韧带具有连接两骨、增加关节的稳定性、限制关节运动的作用。韧带限制个关节超过损害限度，使人的活动范围和身体姿势处于舒适状态。值得注意的是，年纪较大的人多低于此值，穿厚衣时角度要小一些。有多个关节的一串骨髂（qia）中若干角度相叠加产生更大的总活动范围。,重要活动范围和身体各部舒适姿势调节范围,肢体的出力范围,肢体的力量来自肌肉收缩，产生肌力。肌力大小
5、的决定因素：单个肌纤维的收缩力、肌纤维的数量和体积、肌肉收缩前的初长度、中枢神经系统的机能状态和肌肉对骨骼发生作用的机械条件。研究表明，一条肌纤维能产生0.01N0.02N的力量。如表5-2.在直立姿势下弯臂，可知大约在70时力量最大可达到人体自身重量。,立姿弯臂时的力量分布,肢体的出力范围,直立姿势下伸臂，不同角度位置上的拉力在180位置上最大，推力在0位置上最大。,肢体的出力范围,坐姿时手臂在不同角度和方向的操纵力如表5-3所示。坐姿时最大的蹬力一般在膝部屈曲160时产生。如图5-7(a)所示。脚产生的蹬力在下肢离开人体中西对称线向外偏转的角度为10时最大。如图5-7（b）所示。值得注意的
6、是肢体力量的大小都与持续时间有关，随时间延长力量很快衰减。只需4分钟，拉力就会由最大值衰减到四分之一。,人体不同姿势的施力,肌力大小因人而异，男性比女性平均大30%35%。年龄也是影响肌力的显著因素，男性在20岁之前不断增长，20岁达到顶峰，最佳状态可保持1015年，四十岁下降5%10%，50岁下降15%，60岁下降20%。腰部肌力的下降速度更快，60岁的人手的力量下降16%，而胳膊和腿的力量下降高达50%。人体在各种状态下的力量如表5-4所示。,合理施力的设计思路,避免静态肌肉施力无论在进行作业还是工作空间设计时，应避免静态肌肉施力，静态肌肉施力大小低于该肌肉的最大肌力15%。避免静态肌肉施
7、力的要点：1.避免弯腰或其他不自然的身体姿势。2.避免长时间地抬手作业。3.坐着工作比立着更省力。4.双手同时操作时，手的运动方向应相反或者对称运动。,合理施力的设计思路,5.作业位置高度应按工作者的眼睛和观察时所需的距离来设计。6.常用工具放在人的附近。7.当手不得不在较高的位置作业时，应使用支撑物来托住肘关节、前臂或手。8.利用重力作用，采用自由下落的方法。如图5-11所示。,合理施力的设计思路,避免弯腰提起重物人的脊柱为“S”曲线形，脊柱承受的重量负荷由上至下逐渐增加，在提起重物时加载腰椎的负荷与人体本身负荷共同作用，使腰椎承受极大的负担，引起腰椎疾病的发生。改变弯腰姿势能减小腰椎承受的负荷，如图5-12所示，直腰弯膝提起重物所承受的负荷较小，而弯腰直膝所承受的负荷较大。,设计合理的工作台,采用可升降的工作台能够有效降低人搬运大型货物是受到的损害。如图5-14所示，采用转换平台尽量减少了工作者躯体扭转的角度，减少了不适合受伤的可能性。,
