人机工程学第4章+人体力学

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1、第4章人体力学4.1肌肉收缩与肌力4.2骨杠杆系统4.3静态肌肉施力4.4作业姿势4.5人的操纵力４.1肌肉收缩与肌力人体内有三种类型的肌肉。第一类为骨骼肌，通过腱与骨骼相连。骨骼肌的收缩能力强，但不能持久，其活动能随人的意志运动，也称随意肌。第二类为平滑肌，构成人体某些脏器的管壁，其活动不受意志支配，故称不随意肌。第三类为心肌，分布在心脏的房、室壁上，组成心肌层，也属不随意肌。人机工程学所讨论的仅限于骨骼肌，以下简称肌肉。4.1.1肌肉的组织结构骨骼肌是人体内数量最多、分布极广的一种组织，对于成年男性约占体重的40%，女性约

2、占35%。骨骼肌的形状一般可分为长肌、短肌、阔肌、轮匝肌四种。骨骼肌的中间部位称为肌腹，主要由骨骼肌纤维构成，有收缩性。骨骼肌的两端称为肌腱，由致密结缔组织构成，无收缩性。骨骼肌纤维是长圆柱状细胞，表面由肌膜包围，其长度一般约为3～40mm，直径约为10～100μm。许多肌纤维排列成束，构成肌束。肌肉则由许多聚集在一起的肌束构成。4.1.2肌肉收缩的机理和形式1.肌肉收缩机理肌肉的基本机能是将生物化学能转变为机械位能或动能。这种转变是靠骨骼肌所具有的生理特性——收缩性实现的。人体的每一块骨骼肌都受一定的神经支配。当来自中枢神经

3、系统的神经冲动，由分布于肌肉中的运动神经末梢通过运动终板传递给所支配的肌纤维并引起肌纤维兴奋时，肌纤维的机械状态即发生变化。肌纤维在刺激作用下所发生的这种机械状态的变化称为肌肉收缩。人体的任何一种运动，包括最简单的动作在内，都是众肌肉群共同收缩的结果。在肌肉共同活动中，作用相同者称为协同肌，作用相反者，则称为拮抗肌。如肱二头肌和肱肌、肱桡肌都有屈肘的作用，属于协同肌；而肱二头肌和肱三头肌，对肘关节是一屈一伸，故二者属于拮抗肌。屈肘时，既要有屈肌组的协同收缩，又要有伸肌组的舒张相配合，才能完成屈肘动作。协同肌与拮抗肌的收缩，都是

4、在神经系统的调节下进行的，是高度协调的。图4-1肌微丝滑动示意图(a)静止状态；(b)收缩状态(c)弛张状态2.肌肉收缩的形式1)等长收缩。肌肉收缩所产生的拉力等于外界阻力时，肌肉的长度不变，这种收缩形式称为等长收缩。2)非等长收缩。肌肉收缩所产生的拉力不等于外界阻力时，肌肉的长度发生改变，这种收缩形式称为非等长收缩。4.1.3肌肉收缩的力学特征肌肉收缩时的力学特征的不同表现，主要取决于负荷(阻力、重量)的大小。1.潜伏期负荷增大时，从肌肉受到刺激到肌肉开始缩短的时间间隔变长，即潜伏期延长，如图4-2所示。2.缩短程度图4-3

5、所示为人体右胸大肌负荷与肌肉缩短程度、速度的关系，当负荷较大时，肌肉的缩短程度较小。图4-2负荷与潜伏期的关系图4-3负荷与缩短程度以及缩短速度的关系3.缩短速度人体右胸大肌在负荷较大时，肌肉缩短速度慢(如图4-3所示)。肌肉收缩速度与待收缩量成正比。在某一负荷下，肌肉收缩时，最初缩短速度较快，随着肌肉的缩短，缩短速度渐慢，到最大缩短值时，缩短速度为零。这一关系可用下式表示：(4-1)4.1.4肌肉收缩的机械效率肌肉收缩所产生的能量，一部分用于克服外界阻力，完成外功，即将肌肉中的生物化学能转变为机械位能或身体运动的动能；另

6、一部分则用于克服肌肉内部所特有的内阻力，做了内功，即将生物化学能转变为热能。因此，肌肉作功时所消耗的总能量E为（４-2）式中：A—完成外功消耗的能量；Q—做内功所消耗的能量。肌肉收缩的机械效率η为（４-3）4.1.5肌力肌肉收缩所产生的力通常以肌肉收缩时对外用力所测定的数值表示。人的一条肌纤维所发挥的力量约为0.01～0.02N，肌力为许多肌纤维的收缩力之和。肌肉的最大肌力为每平方厘米横截面上30～40N。可见一个人能产生多大的肌力取决于其肌肉横截面面积的大小。肌力还与收缩肌肉的长度有关，当肌肉长度为静息状态长度时，肌肉产生的

7、力量最大，随着肌肉长度的缩短，肌肉产生力量的能力也逐渐下降。4.2骨杠杆系统成人全身共有206块骨，通过骨连结组成的骨骼系统，约占体重的1/5。骨依其所在部位可分为颅骨、躯干骨、四肢骨三部分；依其形态则可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨四种。骨骼的主要功能是：骨骼构成人体的支架，有维持体型、支撑软组织、承担全身重量的作用；骨骼形成体腔壁，可保护大脑及内脏器官，并能帮助呼吸；骨是人体运动的杠杆，肌肉牵动骨绕关节转动，使人体产生各种运动；骨的红、黄骨髓有造血、储藏脂肪的功能，骨还是人体内矿物盐的储备仓库。表4-1身体主要部位肌肉所产

8、生的力骨与骨之间借纤维结缔组织、软骨或骨组织相连结，称骨连结。人体的骨连结可分为直接连结和间接连结两种形式。两骨之间通过结缔组织、软骨或骨相连接，其间无腔隙，活动范围很小或不活动的连结形式称为直接连结，如椎弓间的韧带联合、胸骨和第一肋骨的软骨结合以及骶椎间的骨性结合等。两骨之