《骨、肌肉的力学特性 及人体基本活动形式》

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1、第三章骨、肌肉的力学特性制作：杨杰E-mail：yangjie@sdpei.edu.cn及人体基本活动形式1第三章骨、肌肉的力学特性及人体基本活动形式第一节骨的生物力学一、骨的力学性质（一）骨的应力——应变曲线如图3-1表示某一韧性材料的假象载荷——变形曲线在曲线的弹性范围（A-B）内加载，卸去载荷后结构可以复原，既不发生永久性变形。如继续加载，材料最外层的纤维在某一点（B）上开始屈服，此点称为屈服点。载荷继续增加超过屈服点而进入曲线的非弹性（塑性）范围,将造成永久性变形。如在非弹性范围继续加载，则达到结构的极限断裂点（C）。2载荷——变形曲线显示出确定结构强度的三个参数：①结构在破坏前所能承

2、受载荷;②结构在破坏时发生的变形；③结构在破坏前所储存的能量由载荷与形变所表达的强度，用极限断裂点来表示。由能量贮存所表达的强度，则一整个曲线下方的面积大小来表示。此外结构的刚度，则用弹性范围的曲线斜率来表示。载荷——变形曲线可以用于测定大小不同、形状和性质不同物体的强度和刚度。（但必须是试件和试验条件标准化。）3当测试标准大小和形状的试样时，可测定单位面积上的载荷以及用长度来表示型变量。所绘制的曲线称为应力——应变曲线。应力表示结构内某一平面对外部负荷的反应，用单位面积上的力表示。（骨试样应力最常用的单位是牛顿/平方厘米。）结构内某一点受载时所发生的变形成应变。｛法向应变为长度的改变剪应变为

3、角度的改变应变在弹性范围内的载荷不会造成永久性的形变。然而一旦超过屈服点，则将发生永久性应变。骨的刚度以曲线在弹性范围的斜率表示。若以能量贮存的方式表示强度的话，则以整个曲线下的面积来表示。4（二）骨的强度1.定义：骨受力时抵抗破坏的能力，用极限应力表示2、影响骨的强度的因素：种族、性别、年龄、不同骨及骨不同部位特点：强度大、重量轻股骨骨密度的强度，在30-40岁是最高，随着年龄的增长而相应减小。（骨的密度和强度之间不完全一致，约只有40%强度差别可用密度解释，其余还和骨结构形式有关。）二、骨骼受力形式与表现（一）不同载荷下骨的表现拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷5拉伸：自骨的表面向外施

4、加相等而相反的载荷在骨内部产生拉应力和应变。压缩：施加于骨表面的相等而方向相反的作用的载荷。弯曲：骨在弯曲时，同时受到拉伸和压缩，拉应力和应变作用中性轴的一侧，压应力和应变作用于另一侧。扭转：载荷加于骨上使其沿轴线方向产生扭曲。剪切：载荷施加方向于骨表面，方向垂直于轴线方向。骨的强度大小排列顺序是:压缩、拉伸、弯曲和剪切。6复合载荷：主要原因是人体骨骼几何结构不规则，且始终受到多种不定的载荷。eg:如正常行走时，足跟着地时为压应力，支撑阶段为拉应力，足离地时为压应力，在步态周期后部分出现比较高得剪压力，表明有显著的扭转载荷。7(二)肌肉活动对骨骼分布的影响骨骼在体内受载时，附着于骨骼的肌肉收缩

5、可改变骨骼的应力分布。肌肉收缩所产生的压应力，与部分或全部拉应力相抵，从而降低或消除加于骨骼上的拉应力。（三）体育活动中骨骼的受力形式及其强度压缩载荷：身体处于垂直状态中，作用于骨端一端是人体重力和外加载荷的力，骨骼承受压缩载荷的能力最强。弯曲载荷：通常在骨骼其杠杆作用是出现。拉伸载荷：身体处于悬垂状态中，骨两端受到反向的拉力。扭转载荷：人体或局部肢体做旋转动作是骨骼承受绕纵轴的反向力矩的作用。载荷分为静力载荷和动力载荷。8三、机械应力对骨结构的影响（一）骨组织的构成：成骨细胞和破骨细胞处在动态平衡。1、当应力增大→成骨细胞活跃→骨质增生→承受面增大→应力下降→达到新的平衡。2、当应力下降→破

6、骨细胞活跃→骨组织量下降→承受面减小→应力增加→达到新的平衡。（二）沃尔夫定律（Wolff）：骨骼在需要处多生长，在不需要处多吸收。（三）拉希指出：外伤和过度训练会引起骺软骨的过早愈合。9四、骨疲劳（一）产生原因：造成疲劳性操作的典型情况是：作用次数较少而载荷较高；或作用次数较多而载荷相对正常。（二）特征：1、疲劳性骨折或永久性弯曲（塑性形变）2、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；3、疲劳过程如右图示：10第二节肌肉的生物力学一、离体肌生物力学基础（一）肌肉结构力学模型1、三元素模型：收缩元、并联弹性元、串联弹性元。（1）收缩元：代表肌节中肌动蛋白微丝及肌球蛋白微丝。兴奋

7、时可产生张力，称主动张力。（2）并联弹性元：代表肌束膜及肌纤维膜等结缔组织。当被牵拉时产生弹力，称被动张力。（3）串联弹性元：代表肌微丝、横桥及闰盘的固有弹性。当收缩元兴奋后，使肌肉具有弹性。总张力＝主动张力＋被动张力112、模型的串联构成肌肉的长度；并联构成肌肉的厚度。（1）多个模型串联而成的肌肉：每个模型受外力与整块肌肉两端的外力相等。而肌肉的伸长和缩短却等于各个模型伸长和缩短之和。所以肌肉长