《骨、肌肉的力学特性 及人体基本活动形式》.ppt

第三章 骨、肌肉的力学特性,及人体基本活动形式,2,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）。,3,载荷变形曲线显示出确定结构强度的三个参数： 结构在破坏前所能承受载荷; 结构在破坏时发生的变形； 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。）,4,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。,5,（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,6,拉伸：自骨的表面向外施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。,7,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。,8,(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。,9,三、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。,10,四、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：,11,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,12,2、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。所以肌肉长度增加，对其收缩速度有良好影响，但不影响它的收缩力。 （2）多个模型并联而成的肌肉：各个模型受外力之和等于肌肉外力，而肌肉的变形与模型变形相等。因此，肌肉生理横断面的增加，导致收缩力的增加，但不影响其收缩速度。,13,（二）肌肉结构力学模型的性质 1、肌肉张力 长度特性 A肌肉被动张力为零时,肌肉所能达到的最大长度称为肌肉的平衡长度。 B收缩元的张力随长度变化,表现最大张力时的长度称肌肉的静息长度,约为平衡长度的125。 2、Hill方程（肌肉收缩力速度曲线） Vb（T0T）/（T+a）； Ta（V0V）/（V+b）,14,二、在体肌收缩生物力学,（一）肌肉的激活状态：肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变化。 肌肉进入激活状态后，收缩元兴奋产生张力，起初被串联弹性元的形变所缓冲。当串联弹性元的形变和张力进一步发展，整块肌肉的张力达到一定程度后，收缩元主动张力才能直接对肌肉起止点施力，表现出肌肉收缩力。 加塞希尔用实验的方法：在肌肉受到刺激后的不同时间使肌肉受到突然拉伸，此时肌肉产生的拉力，明显超过肌肉为被激活的张力。因为激活后主动张力瞬间可以直接表现出来。因此，激活状态对完成动作起积极作用。例如：肌肉激活状态对百米跑起跑的影响。百米起跑，在“预备”时使伸下肢的各肌群产生 “预张力”，这样可以提高反应速度和起跑能力。原因是在起跑前使肌肉处于活化状态，预先提高了串联弹性元及肌肉的张力。因而当运动员听到“跑” 的信号时，收缩元的主动张力“不再” 被缓冲，而直接用于克服外界阻力了。,15,（二）肌肉的松弛：被拉长的肌肉，其张力有随着时间的延长而下降的性质，这一特性称肌肉的松弛。 肌肉出现松弛现象会使肌肉弹性力下降。 例如：下蹲后有停顿和无停顿纵跳实验中，有停顿的纵跳高度下降。原因：停顿时肌肉及肌腱中弹性成分产生了松弛，肌肉所产生的弹性势能降低或完全消耗后继动作只能单纯靠肌肉收缩力来完成。,16,（三）载荷对肌肉收缩力学特性的影响,1、动作潜伏期延长：串联弹性元的缓冲作用。肌肉产生动作的潜伏期随着载荷的增大而延长。 2、收缩幅度减小：举轻载荷易，举重载荷难。当载荷增大，收缩幅度减小，直到动作不能完成，肌肉不能缩短。 3、收缩速度下降：零载荷收缩速度最快，随着载荷的增大，速度降低。,17,（四）肌肉收缩形式： 1、肌力矩小于阻力矩时肌群作退让性收缩也叫离心收缩 2、肌力矩等于阻力矩时肌群作等长性收缩 3、肌力矩大于阻力矩时肌群作克制性收缩也叫向心收缩 （五）肌肉的力学特性对运动的影响 1、增加动作的力和速度 2、提高动作的经济性 3、对冲击载荷和振动载荷的缓冲,18,第三节 人体基本运动形式,从运动生物力学的观点来看，可把人体看成由上肢、头、躯干及下肢组成的多环节链状系统。它们的基本运动形式如图：,19,（一）上肢的基本运动形式,1、推：上肢克服阻力。由屈伸状态变为伸展状态将器械推出。 例如:推铅球、举重、推杠铃、俯卧撑、跳马、推手及篮球胸前传球等动作。 推的过程中我们以推铅球为例，说明推的动作的力学特点就上肢而言（暂不考虑躯干和下肢动作）。由肩关节屈肌肘关节伸肌。腕关节屈肌以近固定快速收缩。屈肩，伸肘屈腕屈指将铅球推出一般情况下大关节首先产生活动。最小的关节最后产生活动。在推过程中各环节肌肉同时用力。分布着大肌肉群的关节先产生活动。其力学特点为：肩关节肌肉生理横断面大。在活动中产生肌力矩首先克服阻力矩。而配布较小肌肉群的关节由于产生的力量小，只有当阻力矩减少到使它能够产生活动时，肌肉才能产生克制性收缩使环节运动。我们也可以利用双杠双臂屈伸动作以及体操中跳箱的推起动作进行举例说明。,20,2、拉：上肢克服阻力，将物体拉近人体或人体拉近推点的动作形式。 例如：引体向上、爬绳、划船、游泳划臂等动作。,21,3、鞭打：在克服阻力或自体位移的过程中，上肢各环节依次加速、制动使末端环节产生极大速度的动作。鞭打是上肢作类似鞭子急速抽打的摆臂动作，如球类运动中排球跳起大力发球、掷标枪等动作。同样我们大家一起考虑下肢有无鞭打？如“大力踢球，游泳打水”等动作也属于鞭打动作，其动作原理同上肢一致。 鞭打动作的理论基础是动量传递。其动作原理为： 鞭子急速抽打的特点可以说明鞭打动作原理，抽鞭子是人体通过发力使较粗的鞭根产生加速运动，然后突然制动，鞭根的动量向游离端一鞭梢传递，由于鞭梢质量较鞭根小得多，鞭梢便产生比鞭根大得多的运动速度。 我们从中可以得到投标枪动作鞭打的原理，身体的躯干、上臂、前臂等环节加速，当近端环节制动时，其角动量向邻近的远端环节传递，由于末端环节的转动惯量很小，角动量的不断传递结果，可使末端环节（如手）获得很大的角速度及线速度，这就是鞭打动作的力学特点。,22,（二）下肢基本运动形式,1、缓冲： 定义：当人体通过下肢与地面相互作用时，由于人体重力的作用，使伸展下肢各关节肌肉作离心收缩完成退让工作，下肢各关节呈屈曲状态称为下肢的缓冲动作。 缓冲的力学原理： 减少外力作用：缓冲动作可减小冲击力，是因为人体与地面相互作用，是人体在着地方向上实现动量变化的过程。从动量定理可知*t=m*V，从上述公式看出人体与地面相互作用的动量变化值一定，延长力的作用时间，可减缓外力对人体的作用。 缓冲动作是完成动作技术的重要环节：人们往往把缓冲动作作为准备性动作环节，其实不然，跳高跳远成绩取决于垂直冲量作用，而缓冲动作是支撑腿落地及蹬伸动作的中间环节，不同的落地角度及缓冲程度与蹬伸角度决定着运动员的起跳时间与施力方向，说明是完成动作技术的重要环节。 准备性动作：蹬伸动作是缓冲动作的继续，缓冲动作为后蹬动作提供适宜的空间和时间以及各关节肌肉适宜的发力条件。如我国高水平运动员为138，美国高水平运动员为134，背越式跳高为140145，俯卧式为135140。 非代谢能的利用：缓冲阶段人体运动的机械能，对完成缓冲动作肌群做功，提高肌肉及肌腱的弹性势能，缓冲结束转为蹬伸时，肌肉总收缩力增大，增大了肌肉所做的功。,23,2、蹬伸：下肢各环节积极伸展，给地面施以力量蹬离地面的动作过程称为蹬伸动作。遵循关节活动顺序性原理，不同运动项目蹬伸动作各有其特点，如跳远，蹬离角为75-78，短跑的蹬离角为55-62。在搞清楚原因之前，我们得先理解蹬离角：蹬离角是在支撑腿离开地面瞬间人体重心至支撑点的连线与地面间的夹角，蹬离角越小，获得的水平分力就大而垂直分力就小，这就是跳远蹬离角比短跑蹬离角大的原因。短跑的缓冲动作由膝、踝关节的活动完成的。而髋关节则一开始就进行伸展活动，髋关节的伸展幅度很小，主要由膝关节及踝关节完成蹬伸动作。 3、鞭打：（见上肢）,24,（三）躯干基本运动形式,身体各部分的运动是与其他部分相互联系相互影响的。躯干的运动其作用是不容忽视的，如推铅球，仅靠投掷臂用力是不可能将球推出很远，主要靠最后用力过程中在有力的双腿支撑情况下，通过右腿积极蹬转将力通过下肢传导到中间环节-躯干，伴随躯干由扭紧到打开、展体挺胸等一系列动作，最后将力集中到投掷臂上将铅球推出。因此，研究人体运动必须对躯干的基本体育动作、以及伴随躯干运动的上、下肢的摆动有所认识，下面我们就扭转、相向运动、和摆动分别进行讨论。,25,1、扭转：身体各部分完成动作时，躯干上下肢同时绕躯干纵轴反向转动的运动形式。在完成动作过程中，躯干的扭转动作，有利于动作技术的完成，如跑步时髋关节横轴绕躯干纵轴向蹬地腿一侧转动，肩关节横轴向摆动腿一侧转动，形成整个躯干的扭转。躯干的扭转是人体固有协调活动形式，合理地运用它，有利于提高动作效果，如跑步时当右腿进行蹬地动作时由于躯干的扭转活动，骨盆的转动方向与摆动方向一致，因此躯干扭转促进了摆动作进行，提高了摆动动作的质量，进一步提高了蹬地效果。 2、相向运动：人体处于腾空状态进行活动时，由于两端不受约束，因此人体活动形式上表现出所谓的“相向运动”特点，我们以体育活动中的跨栏等项目为例，说明相向运动。跨栏运动员在过栏向前移动起跨腿时，由于臂的质量及转动惯量比腿小，所以同侧臂必须伸直，（为了增大转动惯量），做反向的大幅度的摆臂动作，使得过栏动作顺利地进行，人体处于平衡状态。又如仰卧起坐时，改变两臂位置，（改变对髋关节横转的转动惯量大小）可做出不同的动作。,26,3、摆动：身体某一部分完成“主要动作”，身体另一部分配合“主要动作”进行加速摆动的运动形式。 （1）摆动动作的运动学特征：在完成跳跃动作时，摆动环节的竖直加速度是规律性变化，在起跳动作的缓冲阶段，加速度值急剧增加。并在最大缓冲时达到最大值，转动蹬伸阶段，加速度值开始减小，起跳结束时，甚至可达负值。摆动动作的运动学特征，反映出摆动动作与起跳动作之间合理的配合关系，这种关系符合人体结构与性能特点的。在蹬伸阶段，摆动动作的加速度值减小，减小给予起跳腿肌肉的额外载荷，有利于起跳动作的完成，这是符合肌肉收缩力学特性的 （2）摆动的作的作用：提高重心相对高度、增加起跳力。,二、人体基本运动原理,（一）关节活动顺序性原理：大关节：周围肌肉生理横断面大的关节。小关节：周围肌肉生理横断面小的关节 1、大关节首先产生活动原理： 2、大关节带动小关节； 3、小关节的活动也很重要：小关节是支撑点，影响动作的稳定性；小关节主动参与动作，可缩短动作时间 4、某些动作小关节先活动 （二）鞭打原理：（前面已作介绍，本节不再重复）,28,（三）杠杆原理：肌拉力肌力臂阻力阻力臂；,提拉杠铃时，杠铃重心投影线至人体点重心投影线之间距离（即重力臂）越长，重力矩越大，人体需付出动力矩也越大。当杠铃贴近身体，即重力臂缩短，重力矩也相应较小，这时运动员用较小的肌力矩就能提起。,