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1、关于人体运动力学第一页，本课件共有52页2022/12/82绪论1、运动生物力学概述、运动生物力学概述2、运动生物力学的任务和内容、运动生物力学的任务和内容3、运动生物力学的应用、前景与发展、运动生物力学的应用、前景与发展主要内容主要内容第二页，本课件共有52页2022/12/83第一第一节节运运动动生物力学概述生物力学概述一、运一、运动动生物力学概念生物力学概念（一）生物力学：研究生物体机械运（一）生物力学：研究生物体机械运动规动规律。律。一般生物力学、人一般生物力学、人类类工程生物力学、医用生物力学、工程生物力学、医用生物力学、康复生物力学、运康复生物力学、运动动生物力学、生物力学研究方法
2、生物力学、生物力学研究方法（二）运（二）运动动生物力学：生物力学：运动生物力学是用静力学、运动学和运动生物力学是用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学等研究人体运动的学科。动力学的基本原理结合解剖学、生理学等研究人体运动的学科。用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深入的领域。入的领域。运运动动生物力学是研究体育运生物力学是研究体育运动动中人体运中人体运动规动规律的科学。律的科学。运运动动生生物物力力学学把把体体育育运运动动中中各各项项动动作作技技术术的的研研究究课课题题，赋赋予予生生物物学学和和力力学学的的观观
3、点点及及方方法法，使使复复杂杂的的体体育育动动作作技技术术奠奠基基于于最最基基本本的的生生物物学学和和力力学学的的规规律律之之上上，并并以以数数学学、力力学学、生生物物学学及及运运动动技术原理的形式加以定量描述。技术原理的形式加以定量描述。第三页，本课件共有52页2022/12/84二、运二、运动动形式形式简单的、低级的运动形式复杂的、高级的运动形式三、人体运三、人体运动动的复的复杂杂性性人体是个开放的系统四、人体的机械运四、人体的机械运动动（一）人体机械运动的表现方式 人体某一部分相对身体另一部分的空间、时间位移；人体整体相对外界环境的空间、时间位移；由人体局部位移而造成器械的空间位移。第四
4、页，本课件共有52页2022/12/85（二）人体机械运（二）人体机械运动动的特点的特点1人体机械运动有很大的主动性和可变性，而不决定于外部条件。2人体长时间连续工作或运动后易出现疲劳，但经过休整可以完全恢复。3人体的大部分机械运动形式，尤其是体育技术动作都是后天、自发或自觉地形成的。4人体机械运动受大脑皮质的控制、调节并有意识参与。第五页，本课件共有52页2022/12/86第二第二节节 运运动动生物力学的任生物力学的任务务和内容和内容一、运动生物力学的任务（一）运动生物力学学科任务1研究人体结构与运动功能之间的相互关系。2研究人体技术动作的规律。3研究运动技术的最佳化。4研究、设技和改造运
5、动器械。5研究运动损伤的原因和预防措施。6为运动选材提供生物力学参数。第六页，本课件共有52页2022/12/87（二）运动生物力学课程任务1深刻理解体育动作的生物力学原理，探索运动技术的力学规律。2扩大知识视野。3学习从事运动技术科学研究的生物力学理论和方法。第七页，本课件共有52页2022/12/88二、运动生物力学的课程内容1.运动生物力学概论2.人体运动实用力学基础3骨、肌肉及人体基本活动的生物力学4.人体运动数据采集及处理5.运动技术的生物力学分析 三、学习运动生物力学的指导思想（一）系统分析的观点（二）发展变化和对立统一的观点（三）内外力相互作用和人体内力起主导作用的观点第八页，本
6、课件共有52页2022/12/89第三第三节节运运动动生物力学的生物力学的应应用、前景与用、前景与发发展展一、运动生物力学的应用二、运动生物力学发展趋势（一）分类1基础研究2理论研究3应用研究（二）趋势1同步化2模型化3最佳化4准确化5计算机化（核心）第九页，本课件共有52页2022/12/810第十页，本课件共有52页2022/12/811第二章运第二章运动动器系的生物力学特性器系的生物力学特性本章主要内容本章主要内容1、人体骨、关、人体骨、关节软节软骨、骨、韧带韧带、肌腱、关、肌腱、关节节及骨骼肌的生物及骨骼肌的生物力学特性；力学特性；2、运、运动动器系整体的生物力学特性及在运器系整体的生
7、物力学特性及在运动动中骨、关中骨、关节节、肌肉的相、肌肉的相互作用互作用规规律；律；3、人体运、人体运动动动动作作结结构与构与动动作系作系统统的构成与特点。的构成与特点。第十一页，本课件共有52页2022/12/812第一第一节节 骨的生物力学特性骨的生物力学特性骨骼系统的作用是保护内脏器官，支持人体，为骨骼肌提供骨骼系统的作用是保护内脏器官，支持人体，为骨骼肌提供附着部位，以利于肌肉工作和人体运动。附着部位，以利于肌肉工作和人体运动。一、骨一、骨结结构的生物力学特性构的生物力学特性（一）骨形（一）骨形态结态结构和物理化学属性构和物理化学属性对对力学特性的影响力学特性的影响1、骨形、骨形态结态
8、结构的影响构的影响（1）骨分类：分为长、短、扁和不规则）骨分类：分为长、短、扁和不规则4种类型。种类型。（2）骨分布：骨的分布和力学功能是相适应的）骨分布：骨的分布和力学功能是相适应的长骨分布于四肢，在肌肉的牵拉下，能产生运动。长骨分布于四肢，在肌肉的牵拉下，能产生运动。短骨多是立方形，分布于负重压而运动复杂的部位，如腕骨和短骨多是立方形，分布于负重压而运动复杂的部位，如腕骨和跗骨。跗骨。扁骨呈板状。扁骨呈板状。若干扁骨围成空腔，有保护作用，如颅骨围若干扁骨围成空腔，有保护作用，如颅骨围成颅腔，容纳和保护脑。不规则骨形状不规则，如椎骨等成颅腔，容纳和保护脑。不规则骨形状不规则，如椎骨等。第十二
9、页，本课件共有52页2022/12/8132、物理化学属性的影响、物理化学属性的影响（1 1）骨具有两种最基本的物理属性。）骨具有两种最基本的物理属性。即硬度和即硬度和弹弹性。骨之所以能具有一定的硬度和一定的性。骨之所以能具有一定的硬度和一定的弹弹性，取决于骨的化学成分。成人枯骨由含有性，取决于骨的化学成分。成人枯骨由含有1 13 3的有机物的有机物(胶原胶原纤维纤维)和和2 23 3的无机物的无机物(主要是主要是钙钙和磷等和磷等)组组成。成。（2 2）有机物使骨具有）有机物使骨具有弹弹性性 无机物无机物则则使骨使骨坚坚硬而脆，它能提高骨的硬而脆，它能提高骨的强强度。骨内的有度。骨内的有机物和
10、无机物的比例，随着年机物和无机物的比例，随着年龄龄和生活条件而异，年和生活条件而异，年龄龄越小，越小，骨内有机物相骨内有机物相对较对较多，因此小儿骨的多，因此小儿骨的弹弹性性较较大，大，较较易易发发生生变变形。老年入骨无机物相形。老年入骨无机物相对对增多而增多而变变得脆弱，得脆弱，较较易易发发生骨折。生骨折。第十三页，本课件共有52页2022/12/814(二二)骨组织的力学特性骨组织的力学特性1 1各向异性各向异性 骨的骨的结结构构为为中中间间多孔介多孔介质质的的夹层结夹层结构材料。构材料。2 2弹弹性和性和坚坚固性固性 骨骨组织组织中大中大约约有有25253030是水，其余是水，其余707
11、0，7575是无机物是无机物和有机物。有机成分和有机物。有机成分组组成网状成网状结结构，使骨具有构，使骨具有弹弹性。无机成分填充性。无机成分填充在有机物的网状在有机物的网状结结构中，使骨具有构中，使骨具有坚坚固性，能承受各种形式的固性，能承受各种形式的应应力。力。第十四页，本课件共有52页2022/12/815物理性能物理性能钢钢骨骨花岗石花岗石洋松洋松密度密度g.cm-27.7.81 1.871.972 2.60 0.63沿沿纵纵轴轴的的最最高高张张力力强强度度N.cm-24157141571.69114911411 760490490632632.1沿沿纵纵轴轴的的最最高高压压力力强强度度
12、N.cm-241552415521185811858 20 58013 23013 2304 4 155155.2垂垂直直纵纵轴轴的的切切变变强强度度N.cm-23439834398116621166213811381.81 1 038038.8平平行行纵纵轴轴的的切切变变强强度度N.cm-2 494949493骨是人体理想的骨是人体理想的结结构材料构材料 表表2-1人胫骨与其他材料比较人胫骨与其他材料比较第十五页，本课件共有52页2022/12/8164.4.耐冲耐冲击击力和持力和持续续力差力差 不同不同载载荷作用荷作用时时，若在骨中所引起的，若在骨中所引起的张张力分布一力分布一样样，但，但
13、效果不一效果不一样样，两者相等，两者相等时时，冲，冲击击力在骨中引起的力在骨中引起的变变化化较较大，大，也就是也就是说说，骨，骨对对冲冲击击力的抵抗比力的抵抗比较较小。另一方面，骨的耐持小。另一方面，骨的耐持续续性能比性能比较较差，同其他材料相比，抗疲差，同其他材料相比，抗疲劳劳性能亦差。性能亦差。5 5机械力机械力对对骨骨结结构的影响构的影响 在骨承受在骨承受载载荷的限度内，成人骨荷的限度内，成人骨对对机械力的反机械力的反应应是由是由应应力的力的值值所决定的。骨所决定的。骨对对生理生理应应力刺激的反力刺激的反应应往往往往处处于平衡状于平衡状态态，应应力越大，力越大，骨的增生和密度增厚越骨的增
14、生和密度增厚越强强。第十六页，本课件共有52页2022/12/817 6 6应应力力强强度的方向性度的方向性 骨骨结结构中骨密构中骨密质质和骨松和骨松质质中的密度不同，它中的密度不同，它们们承承受的力量也就不同。骨密受的力量也就不同。骨密质质的多孔性程度占的多孔性程度占5 53030，而骨松，而骨松质质却占却占30309090，骨密，骨密质质的的刚刚性比骨松性比骨松质质大，骨密大，骨密质质的的变变形形(约约2 2)比骨松比骨松质质的的变变形形(约约7 7)小。小。第十七页，本课件共有52页2022/12/818 二、骨的力学特征二、骨的力学特征 骨由骨密骨由骨密质质与骨松与骨松质组质组成。成。
15、骨密骨密质质是一种由骨是一种由骨单单位、骨位、骨间质间质系系统统和有机的粘和有机的粘弹弹性的性的联联接物接物质质共同构成的复合材料。共同构成的复合材料。骨松骨松质则质则是由是由许许多多针针状和片状的骨小梁相交状和片状的骨小梁相交织织成网格形的蜂成网格形的蜂窝窝状状固体。骨松固体。骨松质质与骨密与骨密质质的的结结构不同，其力学性构不同，其力学性质质也截然不同。也截然不同。第十八页，本课件共有52页2022/12/819（一（一)骨密骨密质质的力学性的力学性质质 1应力一应变关系应力一应变关系 屈服点（B)，即过此点骨就会发生某种持久变形，极限断裂点(C)即过此点标本发生破坏。第十九页，本课件共有
16、52页2022/12/820 2 2不同不同载载荷作用下骨密荷作用下骨密质质的特性的特性 (1)(1)拉伸拉伸 人在股骨和肱骨的拉仲人在股骨和肱骨的拉仲强强度相近，度相近，约为约为12510125106 6 N Nm m2 2。较较大拉伸大拉伸载载荷的作用下骨会伸荷的作用下骨会伸长长。骨。骨组织组织在拉伸在拉伸载载荷下断裂荷下断裂的机理主要是的机理主要是结结合合线线的分离和骨的分离和骨单单位的脱离。如在跟腱附着位的脱离。如在跟腱附着点附近的跟骨骨折，就是由于小腿三点附近的跟骨骨折，就是由于小腿三头头肌的肌的强强力收力收缩对缩对跟骨跟骨产产生异常大的拉伸生异常大的拉伸载载荷引起的。荷引起的。(2
17、)压缩压缩 骨干最经常承受的载荷是压缩载荷，而且压缩负荷能够刺骨干最经常承受的载荷是压缩载荷，而且压缩负荷能够刺激新生骨的生长，促进骨折的愈合。激新生骨的生长，促进骨折的愈合。人股骨所能承的最大压缩强度为人股骨所能承的最大压缩强度为170106Nm2,比拉比拉伸强度大伸强度大36左右。左右。第二十页，本课件共有52页2022/12/821(3)(3)弯曲弯曲 当骨承受弯曲当骨承受弯曲载载荷荷时时，骨要同，骨要同时时受到拉伸和受到拉伸和压缩压缩，而，而且骨有一中性且骨有一中性轴轴，在中性，在中性轴轴的凹的凹侧侧的骨受的骨受压缩应压缩应力，凸力，凸侧侧受拉伸受拉伸应应力。在中性力。在中性轴轴上没有
18、上没有应应力。力。应应力的大小与至骨干力的大小与至骨干中性中性轴轴的距离成正比距中性的距离成正比距中性轴轴越越远远，应应力越大。由于骨力越大。由于骨是不是不对对称的，所以拉伸称的，所以拉伸应应力与力与压缩应压缩应力可不相等。骨受外力可不相等。骨受外力作用而弯曲往往是造成骨力作用而弯曲往往是造成骨伤伤和骨折的原因之一，尤其是和骨折的原因之一，尤其是冲冲击击弯曲影响更大。弯曲影响更大。第二十一页，本课件共有52页2022/12/822(4)(4)剪切剪切 剪切剪切载载荷作用荷作用时时，载载荷施加方向与骨表面平行或垂直，荷施加方向与骨表面平行或垂直，且在骨内部且在骨内部产产生剪切生剪切应应力和剪力和
19、剪应变应变。骨剪切。骨剪切载载荷荷时时其内部其内部发发生角生角变变形。通形。通过对过对骨骨进进行剪切行剪切实验实验的的结结果表明，骨密果表明，骨密质质的剪的剪切切强强度要大于骨松度要大于骨松质质的剪切的剪切强强度，垂直于骨度，垂直于骨纤维纤维方向的剪切方向的剪切强强度要明度要明显显大于大于顺纤维顺纤维方向的剪切方向的剪切强强度。度。第二十二页，本课件共有52页2022/12/823(5)5)扭扭转转 载载荷加于物体上使其沿荷加于物体上使其沿轴线轴线产产生扭曲生扭曲时时，即形成扭，即形成扭转转。当骨。当骨受到扭受到扭转载转载荷荷时时，骨将沿其，骨将沿其轴线轴线产产生扭曲。当骨生扭曲。当骨发发生扭
20、生扭转时转时，整，整个骨都有剪个骨都有剪应应力分布，且剪力分布，且剪应应力力的量的量值值与其距中性与其距中性轴轴的距离成正的距离成正比，距中比，距中轴轴越越远远，剪，剪应应力越大。力越大。图图2 21111是成人骨密是成人骨密质试样压缩质试样压缩、拉、拉伸和剪切伸和剪切试验时试验时的极限的极限应应力比力比较较。第二十三页，本课件共有52页2022/12/824(6)6)复合复合载载荷荷 物体同物体同时时受到多种受到多种载载荷荷的作用。活体骨承受的作用。活体骨承受载载荷是荷是很复很复杂杂的，多属于复合的，多属于复合载载荷。荷。在人的日常生活和体育运在人的日常生活和体育运动动中，骨干上的中，骨干上
21、的载载状况并非是状况并非是单单一的一的载载荷，作用在体内骨荷，作用在体内骨的的载载荷是复荷是复杂杂多多变变的，往往的，往往是多种是多种载载荷的复合。例如，荷的复合。例如，人体人体髋髋关关节节的股骨的股骨颈颈断裂断裂时时，它是它是压压、弯、剪切力、弯、剪切力3 3种种载载荷荷的复合。又如，人体腔骨在步的复合。又如，人体腔骨在步行状行状态时态时，在，在胫胫骨上的骨上的载载荷往荷往往也是在往也是在变变的，它也是几种的，它也是几种载载荷的复合；如荷的复合；如图图2 21212。第二十四页，本课件共有52页2022/12/825（7）冲击载荷 骨在冲骨在冲击载击载荷作用下荷作用下产产生生损伤损伤的程度和
22、的程度和损伤损伤的形式，一的形式，一方面取决于冲方面取决于冲击载击载荷具有的能量大小，另一方面荷具有的能量大小，另一方面还还取决于冲取决于冲击载击载荷作用的荷作用的时间时间，冲，冲击击能力越大造成的骨能力越大造成的骨损伤损伤越越厉厉害。骨害。骨承受冲承受冲击击能力的大小与骨的能力的大小与骨的结结构关系密切。有人构关系密切。有人进进行骷行骷实验实验比比较较，发现头颅发现头颅骨耐冲骨耐冲击击能力要比能力要比长长骨高骨高4040左右，其原因一左右，其原因一方面在于方面在于颅颅骨骨为为扁骨，内外表面是密扁骨，内外表面是密质质骨骨板，中骨骨板，中间间一一层层海海绵绵骨具骨具有吸收冲有吸收冲击击能的作用；
23、另一方面能的作用；另一方面颅颅骨呈薄壳状骨呈薄壳状结结构，具有良好的承构，具有良好的承受外部受外部载载荷的能力。荷的能力。第二十五页，本课件共有52页2022/12/8263 3骨密骨密质质的力学性的力学性质质与年与年龄龄、性、性别别的关系的关系 骨密骨密质质的年的年龄龄与性与性剐剐特征在骨的生理学、病理学及特征在骨的生理学、病理学及临临床研究中床研究中具有重要的意具有重要的意义义。虽虽然骨平均密度男性与女性没有然骨平均密度男性与女性没有显显著性差异著性差异(表表2 22)2)，但在骨的生，但在骨的生长过长过程中，骨密程中，骨密质质的密度随年的密度随年龄龄而而变变化。化。特特别别是女性，在是女
24、性，在24248585岁岁范范围围内密度降低内密度降低约约8 8。一般。一般说说，男子，男子骨密骨密质质的抗的抗压缩压缩强强度在度在2626岁岁左右左右时时最低，到最低，到3131岁岁左右最大，左右最大，然后随年然后随年龄龄的增加而逐的增加而逐渐渐下降。下降。男 女 平均值g.cm-2 1.79 1.80 标准差 0.060 0.066 P 0.631表表2-22-2男女男女长长骨骨干平均密度的比骨骨干平均密度的比较较第二十六页，本课件共有52页2022/12/8274骨松骨松质质的力学性的力学性质质 人体椎骨、肋骨人体椎骨、肋骨头头和和颅颅颅颅骨上的骨松骨上的骨松质质，发现发现骨松骨松质质的
25、密度与的密度与结结构构有密切关系。当骨松有密切关系。当骨松质质的相的相对对密度密度(骨松骨松质质的密度的密度与骨小梁的密与骨小梁的密度度S S比比为为相相对对密度密度)较较低，小于低，小于0 013 g13 gcmcm3 3时时，骨松，骨松质质的的结结构构是是针针状的网格。当相状的网格。当相对对密度增加，大于密度增加，大于0 02 g2 gcmcm3 3时时，较较多的多的材料聚集在网格壁上，材料聚集在网格壁上，结结构构转变为转变为片状的片状的较较致密的网格。中致密的网格。中等相等相对对密度的骨松密度的骨松质结质结构是构是针针状和片状网格混合而成。状和片状网格混合而成。第二十七页，本课件共有52
26、页2022/12/828在压缩情况下，骨松质的应力一应变曲线(图2一13)与典型的蜂窝状固体的应力应变曲线相似。曲线可分为3个部分，初始的线部分，中部的较平稳阶段和最后的突增阶段。据报道骨松质的抗压缩强度与其密度的平方成正比。当相对密度增加时，骨松质的杨氏模量和抗压强度增加。第二十八页，本课件共有52页2022/12/829青年和老年骨的极限强度相似，但老年骨试样仅能耐受青年骨试样的应变的一半，说明老年骨的延展性低于青年骨，破坏时能量贮存亦少。因此，人们常说老年人的骨脆，也即是说老年人的骨骼变形能力差。第二十九页，本课件共有52页2022/12/830 三、骨疲三、骨疲劳劳 人在不断运动的过程
27、中，骨会反复受力，当这种反复作用的力超过某一生理限度时会使骨组织受到损伤，这种循环载荷下造成骨的损伤为疲劳性损伤。所有物质，其载荷和重复作用的关系都能作成一条疲劳曲线(图215)。有些物质(如某些金属)，它们的疲劳曲线是渐近的，这说明如果载荷保持低于某一水平的话，不管重复的次数多少，此物质将仍保持完好，对于实验中的骨，曲线不是渐近的，因为骨在经受低载荷重复作用时，可产生疲劳性微骨折。第三十页，本课件共有52页2022/12/831骨疲劳的特征有 第一，疲劳性骨折或永久性弯曲(塑性形变)；第二，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；第三，疲劳过程如图216；第四，重复载荷的 第
28、五，骨的疲劳极限可以通过疲劳试验加以测定，约为3.45 kNcm2。第六，疲劳寿命随载荷增加而减小，随温度升高亦减小，而随密度的增加而增加。第三十一页，本课件共有52页2022/12/832四、肌肉活四、肌肉活动对动对骨骨应应力的影响力的影响 骨承受骨承受载载荷荷时时，附着于骨骼上的肌，附着于骨骼上的肌肉收肉收缩缩可改可改变变骨的骨的应应力分布情况。肌肉力分布情况。肌肉收收缩产缩产生的生的压应压应力，能部分或全部抵消力，能部分或全部抵消作用于骨骼上的作用于骨骼上的张应张应力。力。图图217A所示一名向下滑行的滑雪所示一名向下滑行的滑雪者的小腿胫骨承受了弯曲力矩的作用，者的小腿胫骨承受了弯曲力矩
29、的作用，此时胫骨后面产生了很大的拉应力，而此时胫骨后面产生了很大的拉应力，而胫骨前面则受大压应力的作用。由于小胫骨前面则受大压应力的作用。由于小腿三头肌收缩，对胫骨后面产生大的压腿三头肌收缩，对胫骨后面产生大的压应力应力(图图2一一17B)，抵消了其很大的张应，抵消了其很大的张应力，因此能保护胫骨免受大张力之害。力，因此能保护胫骨免受大张力之害。同时，此肌肉收缩还对胫骨前面产生大同时，此肌肉收缩还对胫骨前面产生大的压应力，成人骨一般能够承受这个应的压应力，成人骨一般能够承受这个应力，但发育未成熟的骨，比较纤弱，会力，但发育未成熟的骨，比较纤弱，会由于压应力过大而受损。由于压应力过大而受损。第三
30、十二页，本课件共有52页2022/12/833 在在50岁以上人群中岁以上人群中,骨性关节病在导致长期残疾的疾病中骨性关节病在导致长期残疾的疾病中仅次于心血管疾病排在第二仅次于心血管疾病排在第二,人类的关节可以在人类的关节可以在30岁左右就产生岁左右就产生没有症状的退化改变没有症状的退化改变,且女性膝关节病人比例比男性更高。日常生且女性膝关节病人比例比男性更高。日常生活中步行对膝关节的力学刺激最为普遍活中步行对膝关节的力学刺激最为普遍,研究人步行中膝关节的生研究人步行中膝关节的生物力学特性对认识关节力学行为物力学特性对认识关节力学行为,有意识的保护关节有意识的保护关节,减少关节减少关节损伤有积
31、极意义。损伤有积极意义。人在坡路等不同足地界面下行走时人在坡路等不同足地界面下行走时,步态会发生变化步态会发生变化,通过人通过人体三维步态实验研究和分析发现当女性穿鞋跟高度不同的鞋子行走体三维步态实验研究和分析发现当女性穿鞋跟高度不同的鞋子行走时时,膝关节在矢状面、冠状面及水平面所受力矩出现不同程度膝关节在矢状面、冠状面及水平面所受力矩出现不同程度的变化的变化,同时对膝关节运动角度的影响也非常显著同时对膝关节运动角度的影响也非常显著,特别表现特别表现在矢状面和水平面膝关节活动范围减少在矢状面和水平面膝关节活动范围减少,在冠状面膝关节活动范围在冠状面膝关节活动范围增加。增加。实实例例1 1第三十
32、三页，本课件共有52页2022/12/834第三节第三节关节软骨、韧带、肌腱的生物力学特性关节软骨、韧带、肌腱的生物力学特性 一、关一、关节软节软骨的力学特性骨的力学特性 关关节节是人体中重要的骨与骨可是人体中重要的骨与骨可动连动连接，是活接，是活动动杠杆的支点。关杠杆的支点。关节节的作用一是保的作用一是保证证人体的运人体的运动动，二是，二是传递传递力。力。在有滑液的或能自由运在有滑液的或能自由运动动的关的关节节内，被内，被连结连结的骨的末端的骨的末端被被1 15 mm5 mm厚致密无色的厚致密无色的结缔组织结缔组织和关和关节软节软骨所覆盖。骨所覆盖。关关节软节软骨既使力在关骨既使力在关节节中
33、的中的传递变传递变得均匀，又提供了得均匀，又提供了润润滑良好滑良好的关的关节节面，使关面，使关节节能灵活运能灵活运动动而且少受磨而且少受磨损损。一般来一般来说说，关，关节软节软骨是一种各向异性、非均匀、粘骨是一种各向异性、非均匀、粘弹弹性、充性、充满满液体的可渗透物液体的可渗透物质质。第三十四页，本课件共有52页2022/12/835(一一)渗透性渗透性第一种液体第一种液体输输送机制是隙送机制是隙闭闭液体可以借助于液体可以借助于组织组织两两边边液体的正液体的正压压力梯度力梯度终过终过多孔多孔的可渗透基的可渗透基质质后后输输送。液体的送。液体的输输送与送与压压力梯度成正比力梯度成正比(图图218
34、A)；第二种液；第二种液体体输输送机制是送机制是软软骨基骨基质质的形的形变变(图图218B)关关节节软软骨骨是是一一种种粘粘弹弹性性材材料料，但但它它与与众众不不同同的的特特点点在在于于关关节节软软骨骨为为多多孔孔材材料料，组组织织间间隙隙中中充充满满着着液液体体，在在应应力力作作用用下下，液液体体可在组织中流进流出可在组织中流进流出第三十五页，本课件共有52页2022/12/836由于关节软骨对液体的流动有很大的阻力，也就是渗透性能低，所以它的材料性能与载荷的施加和消除速率密切相关。在快速加载与减载的情况下，没有时间让软骨组织将液体挤出(如跳跃时)。软骨组织有点像一种弹性单相物质，加载时立即
35、变形，卸载后又立即复原。但如果缓慢地对软骨组织施加载荷并维持恒定，如长期站立时，随着液体被挤出，组织变形将不断增加。消除载荷后，如果有充分的时间使组织获得足够的液体，组织就可以恢复原来状态。上述材料性能的两种类型是：与时间无关的或称弹性材料特性(可复原)；与时间有关的或称粘弹性材料特性(也面复原)。(二二)关关节软节软骨的材料性能与骨的材料性能与负载负载速度的关系速度的关系第三十六页，本课件共有52页2022/12/837曲曲线线最初的低坡部分是由于施加拉力的方向与胶原蛋白最初的低坡部分是由于施加拉力的方向与胶原蛋白结结构构的排列一致。最后，曲的排列一致。最后，曲线线的陡峭部分代表胶原蛋白本身
36、的拉的陡峭部分代表胶原蛋白本身的拉伸伸刚刚度。度。正常成人关正常成人关节软节软骨的抗骨的抗张张硬度和抗硬度和抗张张强强度，随着离关度，随着离关节节面的距离面的距离增加而减少。增加而减少。这这些些结结果使人果使人们们相信胶原蛋白丰富密集的相信胶原蛋白丰富密集的软软骨表浅骨表浅层对软层对软骨骨组织组织起一种起一种类类似似坚韧坚韧耐磨的保耐磨的保护层护层的作用的作用（三）（三）单轴单轴向向张张力下关力下关节软节软骨的性能骨的性能第三十七页，本课件共有52页2022/12/838 对粘弹性材料进行蠕变实验，可作为一种测定随时间变化的材料反应的方法。瞬时对标本施加固定的载荷并维持到实验结束，在施加载荷的
37、情况下，压缩性变形持续加重，这就是标本的“蠕变”，直至获得一个平稳状态或一个渐进值为止。(四四)关关节软节软骨的蠕骨的蠕变变反反应应第三十八页，本课件共有52页2022/12/839(五五)润润滑作用滑作用 关节软骨相当于滑动轴承的轴瓦，作为滑膜关节中衬垫骨的轴承，在关节活动时防止磨损方面起着非凡的润滑作用。摩擦系数比油对金属的润滑低两个数量级，比最好的人工材料低许多倍。成年人的关节软骨几乎没有再生能力，但能维持几十年的磨损寿命。润滑润滑界面润滑界面润滑液膜润滑液膜润滑是依靠化学吸附于接触固体表面的单层润滑分子来进行。一层较厚的润滑剂膜使两个承载面之间产生较大的间隙，这层液膜内的压力可支持承载
38、面上的负荷。第三十九页，本课件共有52页2022/12/840第四十页，本课件共有52页2022/12/841 (六六)磨磨损损 磨损，是指由于机械作用引起的固体表面物质丧失。就像摩擦一样，可把磨损分成：承载面之间相互作用引起的界面磨损和接触体变形引起的疲劳性磨损两种。第四十一页，本课件共有52页2022/12/842二、二、韧带韧带、肌腱、肌腱结结构的生物力学特性构的生物力学特性 韧带韧带和肌腱都由致密和肌腱都由致密结缔组织结缔组织构成，主要含有胶原构成，主要含有胶原纤维纤维、弹弹性性纤维纤维及及成成纤维细纤维细胞。其形胞。其形态态特点是特点是细细胞成分少，胞成分少，纤维纤维成分多，排列成分
39、多，排列紧紧密。所不同的密。所不同的是人体肌腱和大多数是人体肌腱和大多数韧带韧带都是以胶原都是以胶原纤维为纤维为主，只有主，只有项韧带项韧带和黄和黄韧带韧带是以是以弹弹性性纤维为纤维为主。主。(一一)应应力一力一应变应变曲曲线线 在肌腱和在肌腱和韧带韧带中，胶原中，胶原纤维纤维和和弹弹性性纤维纤维的排列不同，以的排列不同，以满满足各种不同的功足各种不同的功能要求。能要求。肌腱中肌腱中纤维纤维几乎完全是平行排列的，几乎完全是平行排列的，这这使它能使它能够够承受很高的拉伸承受很高的拉伸载载荷。荷。韧带韧带中中纤维纤维排列的方向一致性排列的方向一致性较较差，排列情况随差，排列情况随韧带韧带的功能不同
40、而的功能不同而变变化。化。纤维纤维在受在受载载和不受和不受载载情况下也具有不同的状况。不受情况下也具有不同的状况。不受载载时纤维松弛呈时纤维松弛呈波浪形，施加载荷时，与载荷方向一致的纤维被拉紧，此时被拉直的纤维在波浪形，施加载荷时，与载荷方向一致的纤维被拉紧，此时被拉直的纤维在生理允许范围内承受着载荷。生理允许范围内承受着载荷。第四十二页，本课件共有52页2022/12/843胶原纤维拉伸曲线胶原纤维拉伸曲线弹性纤维拉伸曲线弹性纤维拉伸曲线第四十三页，本课件共有52页2022/12/844膝关膝关节节前交叉前交叉韧带韧带的的载载荷、荷、变变形曲形曲线线韧带内的胶原纤维占90，因此，这是典型的胶
41、原纤维的受力曲线，如同肌腱和绝大多数韧带。曲线有5个明显的区域：第四十四页，本课件共有52页2022/12/8451 1韧带韧带和肌腱的材料力学性和肌腱的材料力学性质质与温度、加与温度、加载载速度、速度、应变应变量等量等试验试验条件密切相关条件密切相关2韧带的强度和刚度受应力大小影响：韧带的强度和刚度受应力大小影响：应力增加，韧带的强度和刚度会增加，而应力减少时强度和刚度也减少。体育锻炼可能使人体的韧带的强度和刚度增加，使韧带增粗。(二二)影响影响韧带韧带和肌腱力学特性的因素和肌腱力学特性的因素灵长类动物关节制动实验第四十五页，本课件共有52页2022/12/8464年龄对韧带力学性质的影响年
42、龄对韧带力学性质的影响3运动训练对韧带力学性质的影响运动训练对韧带力学性质的影响随年龄增长，前交叉韧带所能承受的最大破坏载荷、能量贮存能力及刚度均下降23倍。第四十六页，本课件共有52页2022/12/8475时间对韧带力学性质的影响时间对韧带力学性质的影响 松弛：如将试件固定在一定变形之下，开始时材料内部有较大的应力，以后随着时间的延长，该应力逐渐减小，这一过程称为松弛。蠕变：如果对试件施加一个不变的载荷，则试件的变形将随着时间的延长而增长，这一过程称为蠕变。第四十七页，本课件共有52页2022/12/848 第四第四节节 人体关人体关节节力学力学 关节是人体运动的枢纽，骨杠杆活动的支点。其
43、基本功能是传递力和保证人体各部分间的灵活运动。因此，研究关节结构及机能的生物力学特性对于指导体育教学与训练和防、治运动损伤具有重要意义。一、关一、关节节运运动动学学 1关节的基本运动形式 关节在人体中不同部位骨的形态各异，致使各关节的结构与机能不尽相同，其运动形式也是复杂多变的。但各关节的基本运动形式可以归纳为屈伸运动、收展运动、旋转运动三种。2关节运动幅度及测量方法 关节运动幅度是指运动环节围绕某运动轴进行转动的极限活动范围，通常关节运动幅度用角度来表示。第四十八页，本课件共有52页2022/12/849(1)影响关节运动幅度的因素构成关节的两关节面弧度差两关节面弧度差越大，关节的运动幅度就
44、越大。第四十九页，本课件共有52页2022/12/850关节周围软组织的结构及力学特性 当构成关节的两关节面弧度差一定，影响关节运动幅度的主要因素有关节周围的韧带、筋膜、关节囊和肌肉等。一般关节囊薄而松弛，韧带和筋膜少而弱，肌肉伸展性和弹性较好，肌肉长度长，关节运动幅度就大，反之亦然。(2)关节运动幅度测量方法：目前测量关节运动幅度的常用的方法大致有：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。第五十页，本课件共有52页2022/12/851（3 3）关）关节节的灵活性和的灵活性和稳稳固性固性灵活性和稳固性是关节功能同时存在的两个方面。关节具有灵活性以便于人体适应于各种灵活运动；关节的稳固性以保证人体在运动中维持动态平衡，使关节在复杂多变的运动过程中处于合理的工作状态，免受损伤。(1)影响关节灵活性的因素：从关节结构力学特性分析，关节面软骨、关节腔、关节腔内的滑液、滑膜皱襞、粘液囊等因素都有利于关节的灵活性。(2)维持关节稳固性的因素：维持关节稳固性的因素有骨骼、肌肉、韧带、关节囊、关节软骨和关节腔内的负压等。其中骨骼、韧带和肌肉在维持关节稳固性方面作用更为突出。第五十一页，本课件共有52页2022/12/8感感谢谢大大家家观观看看第五十二页，本课件共有52页