生物力學(xué) 生物力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)

第二章生物力學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)一、何謂剛體第一節(jié)力的基本概念1、質(zhì)點(diǎn)：（抽象化的理想模型）具有一定質(zhì)量忽略其大小、形狀的幾何點(diǎn)。2、剛體：（抽象化的理想模型）相互間距離始終保持不變的許多質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)體。忽略外力作用下形狀的改變。二、力的概念力的定義：涉及到的概念：施力物體和受力物體牛頓第三定律——作用力和反作用力力是物體間的相互作用。力的作用離不開物體。2.力的作用效應(yīng)：內(nèi)效應(yīng)（變形效應(yīng)）外效應(yīng)（運(yùn)動效應(yīng)）（平動、轉(zhuǎn)動、復(fù)合運(yùn)動）涉及到的概念：牛頓第一定律——力的定性定義牛頓第二定律——力的定量定義胡克定律——力與變形的關(guān)系3.力的三要素：三角形、平行四邊形、多邊形法則大小、方向、作用點(diǎn)例如：股骨干骨折施行股骨髁上牽引復(fù)位時間上的差異、成角和橫向移位畸形、成角畸形力的合成與分解法則：

應(yīng)用：二維投影*三維二次投影三維投影運(yùn)動平面矢狀面額（冠）狀面水平（橫切）面運(yùn)動軸矢狀軸額狀軸垂直軸肌肉力可分成FmWaG例如：肌肉力的合成與分解以肱二頭肌為例穩(wěn)固分量（沿骨軸線）轉(zhuǎn)動分量（垂直骨軸線）在骨折等治療中有積極的意義在肢體運(yùn)動中有積極的意義5.力系：二力平衡必要與充分條件是：力系（多力情況）：三力平衡匯交定理：

作用于一個物體上的一群力的集合稱為力系。當(dāng)剛體受三個力作用而平衡時，若其中任何兩力的作用線相交于一點(diǎn)，則其余一力的作用線亦必交于同一點(diǎn)，且三力的作用線在同一平面內(nèi)。這兩個力大小相等、方向相反、沿同一條直線。力系的分類：共點(diǎn)力系平面共點(diǎn)力系非共點(diǎn)力系空間共點(diǎn)力系平行力系一般力系平面平行力系空間平行力系例如：人在彎腰時作用在脊柱上的力跳高時作用在足上的力定滑輪轉(zhuǎn)動時力的作用*6.約束和約束反力：自由體：可以在空間作任意運(yùn)動的物體。非自由體：由于受到周圍物體的限制（或阻礙）而不能作任意運(yùn)動的物體。約束：事先對物體的運(yùn)動所加的限制條件。約束反力：（阻力）主動力：（動力）約束作用于非自由體的力。（簡稱：約束力）除約束力外，非自由體上所受到的所有促使物體運(yùn)動或有運(yùn)動趨勢的力。三、作用于人體內(nèi)外的力人體或人體局部受力分析：

（抓住主要矛盾，分離次要矛盾）②受力分析圖——將分離體所受的主動力和約束力以力的矢量形式表示在分離體上所得到的圖形。①分離體——把研究對象解除約束，從周圍物體中分離出來，畫出簡圖。先畫主動力，明確研究對象所受周圍的約束，進(jìn)一步明確約束類型，再畫約束反力；必要時需用二力平衡共線、三力平衡匯交等條件確定某些約束反力的指向或作用線的方位。我們多次察覺作用于自己身體的力我們常常忽略作用于體內(nèi)諸力的重要性我們多數(shù)不知微觀結(jié)構(gòu)上力的作用內(nèi)力：（按力的宏觀、微觀分）內(nèi)力外力外力：人體內(nèi)部各個部分互相作用的力（肌力、韌帶張力、軟骨應(yīng)力、骨應(yīng)力）重力；摩擦力；彈性力；器械的其他阻力；支撐反作用力；流體作用力（按力的性質(zhì)分）1、第一基本力：機(jī)械力①萬有引力：②接觸力：③摩擦力：④肌肉力：肌力定律解剖橫斷面：生理橫截面積肌力系數(shù)肌力生理橫斷面：與肌肉所有纖維垂直的斷面與肌肉縱軸垂直的斷面①性別：②人種：③后天因素：肌力系數(shù)：建議取美國莫利斯的肌力系數(shù)值：德國生理學(xué)家艾克：588~980KPa美國克羅莫：343KPa前蘇聯(lián)童克福：980KPa中國程國杰：588~686KPa美國莫利斯：710~920KPa①與肌纖維解剖條件的關(guān)系：②與肌纖維力學(xué)條件的關(guān)系（略）③與肌纖維生理?xiàng)l件的關(guān)系（略）比較梭形肌、扇形肌、羽狀肌、半羽狀肌的肌力大小及靈活性。2、第二基本力：電力①電場力：②磁場力：3、第三基本力：核力超短距離力四、作用于人體的力鉅力矩的表達(dá)式：2.力矩的三要素：大小、方向、作用面大?。悍较颍河沂致菪▌t第二節(jié)剛體生物靜力學(xué)骨骼幾何形狀的準(zhǔn)確解剖學(xué)數(shù)據(jù)肌肉連接的準(zhǔn)確位置和角度靜力平衡定律確定醫(yī)療器械所受的作用力計算人體肌肉力、骨骼力、關(guān)節(jié)力臨床上的癥狀矯形裝置的功能、原理及應(yīng)用改進(jìn)醫(yī)療方法現(xiàn)行醫(yī)療方法一、平衡條件：1、2、（可分解）（定轉(zhuǎn)軸）例題1：（作業(yè)一）靠在墻上的木板已知地面與墻的摩擦系數(shù)分別為，使木板不下滑的角度。靜力學(xué)問題例題2：右圖的牽引裝置是用來施加一軸向力給折斷的股骨(femur)。設(shè)病患之體重70kg，若要維持小腿平衡狀態(tài)，懸吊重量T應(yīng)為多少？試計算在上述條件下施加給大腿的平均張力F是多少？

解：假設(shè)滑輪無摩擦，則纜線在各處的張力T為相同。根據(jù)力平衡公式：

(一般人之小腿與足部之重量為體重之0.061。設(shè)病患之體重70kg，則

m=0.061×70=4.27kg=>mg=41.85N)

例題3：某人重75kg，手握重5kg的球，而手肘呈90°。二頭肌(bicep)須出力多少以維持前臂平衡？前臂施加多少力于肱骨(humerus)？

解：根據(jù)靜力平衡和靜力矩平衡前臂的重量為體重的0.022，故m=0.022*75=1.65kg,臂重心位于rOP=0.31m處。對于肘之支點(diǎn)O，其和力矩為零∴手肘的垂直力為FA=472.6N而根據(jù)力平衡式，∴二頭肌施力為FB=556.7N

∴手肘的水平力為FC=144.1N

故前臂的施力為解：根據(jù)靜力平衡和靜力矩平衡前臂的重量為體重的0.022，故m=0.022*75=1.65kg,臂重心位于rOP=0.31m處。對于肘之支點(diǎn)O，其力矩之和

ΣM=-rOE×(-FA)+rOB×(-5*9.8j)+rOP×(-1.65*9.8j)=0

=>0.05FAk-18.62k-5.01k=0

∴手肘的垂直力為FA=472.6N

而根據(jù)力平衡式，

ΣF=FCi-FAj+FB(-cos75oi+sin75oj)-49j-16.17j=0

=>FC-0.259FB=0and-537.77+0.966FB=0

∴二頭肌施力為FB=556.7N

∴手肘的水平力為FC=144.1N

故前臂的施力為F=FCi-FAj=144.1i-472.6j

(N)

二、人體的杠桿作用：桿：FmWaG骨骼系統(tǒng)關(guān)節(jié)（單軸雙軸多軸）肌力（動力）支點(diǎn)：力：外力（阻力）單軸關(guān)節(jié)：滑車關(guān)節(jié)（指間、膝關(guān)節(jié)）圓柱關(guān)節(jié)（尺橈關(guān)節(jié)）雙軸關(guān)節(jié)：橢圓關(guān)節(jié)（腕、掌指關(guān)節(jié)）鞍狀關(guān)節(jié)（踝關(guān)節(jié)）三軸關(guān)節(jié)：球窩關(guān)節(jié)（肩、髖）平面關(guān)節(jié)（肩鎖關(guān)節(jié)）1、三種杠桿：（1）第一類杠桿：WhFmJ

例如.頭部杠桿定義特點(diǎn)例子WhFmJ31FmWhJ31平衡杠桿

例如.足部杠桿（2）第二類杠桿：定義特點(diǎn)例子省力杠桿

例如.臂部杠桿FmWaG（3）第三類杠桿：定義特點(diǎn)例子速度杠桿(費(fèi)力杠桿）G=10NWa=30NFm15030cm30cm3cmT省力費(fèi)力平衡杠桿省力杠桿速度桿桿*省力杠桿在康復(fù)中的作用可負(fù)較大重量加強(qiáng)肌肉保護(hù)(用小的動力克服大的阻力）*費(fèi)力杠桿在康復(fù)治療中的作用訓(xùn)練肌力：通過調(diào)整阻力臂距離，增加或減少負(fù)荷重量。例：股四頭肌漸進(jìn)抗阻獲得速度：可通過增加阻力臂，減少動力臂進(jìn)行，雖然費(fèi)力，但力點(diǎn)稍移動，即可加大阻力點(diǎn)移動的速度和范圍。(用大的動力克服小的阻力）(用小的動力點(diǎn)位移得到大的阻力點(diǎn)位移）2、拉角和阻角的影響：（2）阻角的影響：（阻力與桿的小夾角）（1）拉角的影響:（動力與桿的小夾角）①在相等的收縮下：拉角越小引起的旋轉(zhuǎn)越大；

拉角越大引起的旋轉(zhuǎn)越小。②在阻力不變的情況下：拉角越小轉(zhuǎn)動分量越小——要用的力越大

拉角越大穩(wěn)固分量越大——避免脫臼阻角越大拉力越大拉角和肌肉收縮關(guān)系圖肌肉收縮：每次收縮全長的八分之一3、作用于髖關(guān)節(jié)的力：（1）股骨與髖骨的基本結(jié)構(gòu)：①髖骨：②股骨：③髖關(guān)節(jié)：髂骨坐骨恥骨——髖臼頭、頸、大轉(zhuǎn)子、髁（內(nèi)、外側(cè)髁）、骨端髖臼、股骨頭髖關(guān)節(jié)的生理構(gòu)造（外部）髖關(guān)節(jié)的生理構(gòu)造（內(nèi)部）髖關(guān)節(jié)的生理構(gòu)造（骨端）關(guān)節(jié)腔隙CE角垂直線水平線AC角前傾角骨小梁骨端線（2）計算作用于股骨頭上的力R和外展肌力F在單腿站立的狀態(tài)下：②英曼數(shù)據(jù)：①外展肌群：臀大肌、臀中肌、臀小肌梨狀肌、閉孔內(nèi)外肌、股方肌闊筋膜張肌1英尺=0.3048米1英尺=12英寸使腿外展的肌群（肌肉）臀大肌:臀大肌起于髂翼外面，骶尾骨后面，止于股骨臀肌粗隆，一部分到髂脛束臀中肌:臀中肌起于髂翼外面和臀筋膜，止于股骨大轉(zhuǎn)子臀小肌:臀小肌起于髂翼外面，止于股骨大轉(zhuǎn)子前線闊筋膜張肌:闊筋膜張肌起于髂前上棘及其后側(cè)的髂嵴，移行于髂脛束達(dá)脛骨上端股骨FNWLN=WFmWL=1/7W7008cm3cm7cmR髖關(guān)節(jié)（3）臨床聯(lián)系：①鎮(zhèn)痛步態(tài)：②外反骨：③骨端分離：④缺血性壞死：當(dāng)外展肌麻痹或弱或損傷時；當(dāng)髖關(guān)節(jié)有疾患時；骨端軟骨板向水平面轉(zhuǎn)動骨端與骨連接斷開供血不足（4）康復(fù)治療：以手杖為例若手杖支撐1/6體重FmWLN=5/6W單腳將離開骶骨中心正下方6cm作業(yè)2：彎腰角度：頭和上肢的重量：軀干的重量：（1）只彎腰雙手下垂不提重物求：骶骨頂作用于腰骶椎間盤基部的力R和骶棘所施加的力F骶棘作用點(diǎn)分軀干：骶棘作用線與軀干夾角：作業(yè)2：彎腰角度：頭和上肢的重量：軀干的重量：（2）只彎腰雙手下垂提重物（0.2W)求：骶骨頂作用于腰骶椎間盤基部的力R和骶棘所施加的力F骶棘作用點(diǎn)分軀干：骶棘作用線與軀干夾角：附加問：①椎間盤脫出、突出的臨床表現(xiàn)是什么？②內(nèi)突和外突的臨床表現(xiàn)有什么不同？③為避免脫出、突出手提重物時應(yīng)如何做？④康復(fù)方案？人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動生物力學(xué)模型研究

介紹天津中醫(yī)藥大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室第一方面：選題的科學(xué)依據(jù)

1、課題所屬研究領(lǐng)域2、課題的理論意義和應(yīng)用價值3、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢

1、課題所屬研究領(lǐng)域a：人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動生物力學(xué)模型研究屬于運(yùn)動生物力學(xué)（Biomechanics）的研究范疇。b：運(yùn)動生物力學(xué)是一門主要研究運(yùn)動中人體機(jī)械運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。C：運(yùn)動生物力學(xué)的研究最終目的2、課題的理論意義和應(yīng)用價值a、髖關(guān)節(jié)重要性

b、體育運(yùn)動學(xué)方面為評價運(yùn)動員動作技術(shù)的合理性，設(shè)計新的體育訓(xùn)練手段，改善技術(shù)動作，提高體育成績提供理論依據(jù)

C、骨科臨床醫(yī)學(xué)方面近20年來，不論是作為生物力學(xué)的基礎(chǔ)理論研究，還是作為骨科臨床上的應(yīng)用研究，髖關(guān)節(jié)都是非常受重視的環(huán)節(jié)，因?yàn)椴还苁菍θ斯んy關(guān)節(jié)生物材料的研究，還是骨科臨床上的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的開展，都必須充分了解髖關(guān)節(jié)的力學(xué)性能總結(jié)：希望通過本次研究能夠?yàn)橐院蟮睦碚撗芯?、體育研究和醫(yī)學(xué)研究提供成功的髖關(guān)節(jié)模型。3、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢a、國外研究概況（Kane、Hazte）多體建模：Kane（美國）人體仿真：Hazte（南非）近幾年的研究：Miller(4剛體模型),Hazte(11剛體模型)等b、國內(nèi)研究概況

1980