生物力学课件--肌肉力学

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1、肌肉动力学性质肌肉的种类及特点动物的肌肉分三类：骨骼肌、心肌和平滑肌。骨骼肌、心肌是横纹肌，有明暗相间的条纹，但结构、功能以及力学性质不同。肌肉既具有一般软组织材料的力学性质—拉伸承载、变形、松弛和蠕变，又有其独具特性—主动收缩产生张力。主动张力是怎样产生的？骨骼肌：在神经、电、化学刺激下产生主动收缩。心肌：在窦房结发出的电信号下产生主动收缩。平滑肌：自发的主动收缩。不受自主神经控制。人体内脏器均由平滑肌组成，如肠、肝、脾、肾。但不同的器官平滑肌的组织结构、功能及力学性质有显著差异，很难用统一标准刻画它。根据肌肉产生张力时的状态不同，分为：松弛状

2、态：肌肉未受到神经脉冲、电、化学等刺激时。此时肌肉的张力称为被动张力或松弛态下张力。激活状态：肌肉受到神经脉冲、电、化学等刺激时。此时肌肉主动收缩产生主动力。肌肉（骨骼肌）是人体运动系统重要的组成部分，是人体运动的动力来源。可以说肌肉在生物力学研究中是最具吸引力、最有挑战性的研究领域。肌肉的力学性质十分复杂，它跟组成肌肉各种成份的力学特性有关，迄今为止人们仍然在不断的研究和探索之中。第一节骨骼肌的特点、构成及收缩原理一．骨骼肌特点骨骼肌组成动物躯体的主要部分，也是动物运动的发动机，其运动受自主神经控制。在显微镜下，可看到骨骼肌明暗相间的条纹，故又

3、称横纹肌。神经脉冲、电脉冲或化学刺激下，肌肉收缩产生张力，每次激发可持续数十至数百毫秒。骨骼肌的最大特点:刺激频率越高，产生的张力越大。当频率足够高（高于100Hz）时，张力达到最大值，且不再也不随时间而改变，这种状态称为挛缩或强直。收缩力不随时间和频率变化——挛缩骨骼肌的另一个特点是松弛态下（没有载荷）应力很小，可以忽略不计。LOAD=0二.骨骼肌的基本结构：骨骼肌由平行排列的许多肌束组成，肌束中包含着许多平行排列的肌纤维。肌纤维是构成肌肉的基本单位，它本身是个细胞，含有多个细胞核。直径10－60μ，长度从数毫米至数厘米不等，有时可长达3cm。

4、肌细胞核在细胞膜下方，肌细胞质内有许多成束排列的肌原纤维，直径约1μ。肌原纤维是肌细胞特有的重要组成部分，它是肌肉细胞的收缩单位。肌原纤维的组成：由两种粗、细肌交错对插排列而成，较粗的叫肌浆球蛋白，也称肌球蛋白，直径约1.2×10-6cm。较细的叫肌动蛋白，直径约为5×10-7。肌原纤维结构：肌丝的分子组成和横桥运动粗肌丝：由肌凝蛋白组成肌球蛋白（肌浆蛋白）结构每一根粗肌丝上有许多细小的桥样突起，称横桥，在粗肌丝上作螺旋状成对排列。细肌丝：由肌纤蛋白、原肌凝蛋白、肌钙蛋白质组成三.肌肉收缩的纤维滑移理论：肌肉松弛时，肌浆球蛋白分子的头部贴近肌动蛋

5、白纤维上，但没有接触。受刺激时，头部突起，横桥粘接于肌动蛋白纤维上，产生张力，横桥使肌浆球蛋白纤维和肌动蛋白纤维之间发生相对滑动移。然而两种纤维本身长度不变，因而肌纤维节收缩，肌肉也随之收缩作功。第二节Hill方程与心肌、平滑肌相比，对骨骼肌的研究较为深入，因为有：Hill方程—可描述骨骼肌的力学性质。Hill模型—可描述骨骼肌的功能状态。Hill方程是肌肉力学中最有名的方程，是骨骼肌力学的基础。来源：青蛙的缝匠肌实验描述：骨骼肌在强直状态下快速释放时张力T和缩短速率V之间的关系。实验方法：一根骨骼肌固定长度为L0，张力为T0，在强直状态下将肌束

6、突然放松到新的长度L，L＜L0，T＜T0。释放后，立即测量缩短速率V=－dL/dt，以及张力T，那么T和V之间的经验关系就是Hill方程。它的数学表达式为：（V+b）（T+a）=b（T0+a）式中a、b、T0为三个独立的常数，这些常数都是肌肉的初始长度L0、溶液的温度和成分，钙离子浓度以及药品等因素的函数。Hill方程也可写成如下形式:V=b（T0－T）/（T＋a）T=（bT0－aV）/（V＋b）=a（V0－V）/（V＋b）若T=0，则V达到最大值V0，且V0=bT0/aHill方程的使用条件：1.骨骼肌2.强直状态3.快速释放Hill方程不能描

7、述：1.肌肉未受刺激，没有主动收缩时的状况。2.单收缩状态3.缓慢释放第三节Hill的三元素模型收缩元素：它描述激活态下肌肉的力学性质。在静息状态时为零，但受刺激后可缩短，它能够反应粗肌丝与细肌丝相对运动形成的张力，即主动张力部分。并联弹性元：它表示松弛态下肌肉的力学性质，其本构方程可描述被动张力部分。串联弹性元：它表示二种肌丝、横桥、Z盘以及结缔组织本身固有的弹性。被动张力：松弛态下（不受刺激），肌肉没有收缩时的张力。主动张力：肌肉受到刺激（不是负载），由于主动收缩产生的张力。Hill模型描述了Hill方程不能描述的状态。Hill模型表明了活的

8、肌肉由三个元素组成，它可以描述一个比较真实的骨骼肌。Hill模型使用条件：1.主动张力、被动张力可分开，彼此独立，即收缩状态不影响松弛状