骨-肌肉的力学特征

骨、肌肉的力学特征一、骨的生物力学1、骨的力学特征强度——物体受力时抵抗破坏的能力。刚度——物体受载时抵抗变形的能力。应力：单位面积上的负载，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。应变：结构内某一点受载时所发生的变形。斜率表示刚度曲线围成的面积表示能量贮存所表达的强度拉伸实验时皮质骨的应力——应变曲线应变O断裂点屈服阶段应力A屈服点BC塑性范围影响骨强度的因素性别年龄种族部位钢骨花岗石洋松密度(g/cm3)7.81.87～1.972.60.63沿纵轴的最高张力强度(kg/cm2)4240930～12005064.5沿纵轴的最高压力强度(kg/cm2)42401270～21001350424垂直纵轴的切变强度(kg/cm2)35101190141106平行纵轴的切变强度(kg/cm2)－505－－人胫骨试验结果与其它材料比较2、骨骼的受力形式与表现2、骨骼的受力形式与表现2.1拉伸(tension)骨组织在拉伸载荷断裂的机理主要为结合线的分离和骨单位的脱离。临床上拉伸载荷引起的骨折主要见于肌腱附着点或松质骨，如因股四头肌强力收缩所致的髌骨横行骨折和跟骨牵拉性骨折。2.2压缩(compression)骨组织在压缩载荷下破坏的机理主要是骨组织的斜行劈裂。椎体压缩性骨折股骨颈头下骨折2.3弯曲(bending)骨在弯曲时一侧受到压缩应力，另一侧受拉伸应力。四点弯曲产生的骨折靴口骨折三点弯曲：四点弯曲：2.4扭转髌骨螺旋性骨折2.5剪切剪切骨折通常见于骨松质，例如在拳击等运动中，运动员的胸部或腰部可能由于受水平暴力冲撞而产生的剪切应力而导致骨折。活体骨很少只受到一种载荷形式的作用，极少数的骨折系由一种或两种载荷造成，多数骨折是由复合的多种载荷造成的。2.6复合载荷轻者为内踝撕脱骨折，称单踝（或Ⅰ度）骨折，骨折线呈横形。若暴力持续，距骨将撞击外踝，造成外踝的斜形骨折或下胫腓韧带撕裂，称两踝（或Ⅱ度）骨折。当下胫腓韧带撕断后，腓骨可在更高的位置骨折，距骨同时向外侧脱位。若同时合并外旋暴力，可引起腓骨螺旋形骨折。骨的强度大小的排列顺序是：压缩拉伸弯曲扭转3、肌肉活动对骨应力分布的影响3、肌肉活动对骨应力分布的影响4、机械应力对骨生长的影响4.1应力对骨改建的影响骨形成骨吸收应力是骨形成的主要因素，也是维持这种动态平衡状态的重要因素。Wollf定律:骨骼在需要处多生长，而在不需要处多吸收。使骨组织量与应力成正比。例如：骨折病人宇航员4.2应力对骨骼内部结构的影响应力作用可影响骨内部骨小梁的排列方式。二、骨骼肌生物力学基础1、离体肌的生物力学1.1肌肉结构力学模型整块肌肉可认为是由许多这样的模型混联在一起构成的。收缩成分串联弹性成分并联弹性成分肌肉力学三元素模型收缩元：代表肌节中的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。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。串连弹性元：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。模型的串联构成肌肉的长度FΔxFΔxnΔxF肌肉收缩力＝F肌肉收缩速度＝nΔx/Δt所以，肌肉长度的增加，对其收缩速度有良好影响，但不影响收缩力。模型的并联构成肌肉的厚度FΔxFΔxnFΔx肌肉收缩力＝nF肌肉收缩速度＝Δx/Δt所以，肌肉生理横断面的增加会导致肌肉收缩力的增加，但不会影响肌肉收缩速度。1.2肌肉结构力学模型的性质1.2.1肌肉张力——长度特性（1）收缩元张力——长度曲线（2）并联弹性元张力——长度曲线（3）肌肉总张力——长度曲线1.2肌肉结构力学模型的性质1.2.2肌肉收缩力——速度特性)())((aTbbVTaO肌力随肌肉收缩速度的增加而下降的原因是由于：（1）收缩元中的横桥断开与联系时损失肌力；（2）收缩元和结缔组织中的流体粘滞性。载荷(Kg)收缩速率(m/s)2、在体肌收缩生物力学2.1肌肉的激活状态在神经脉冲的影响下，肌肉的收缩成分出现激活状态。因此把肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变化称肌肉的激活状态。肌肉收缩在时间上表现出顺序性。肌肉受激发时的力学效应的顺序性肌肉放松激活状态(1)(2)(3)收缩2.2肌肉松弛被拉长的肌肉，其张力有随着时间的延长而下降的特性，这一特性称肌肉松弛。受试者体重（千克）受试者身高（厘米）停顿后跳起的高度（厘米）不停顿跳起的高度（厘米）68.37±6.7176.39±5.0549.49±5.8653.23±6.47据扎其奥尔斯基，受试者31人2.3载荷对肌肉收缩力学特性的影响动作潜伏期延长收缩幅度减小收缩速度下降2.4肌肉收缩功、功率通常讲肌肉做功，是指肌肉做的机械功。肌肉功率：P＝FV肌肉功率的性别、项目差异运动训练的动态适应性原则2.5肌肉与腱的生物力学性能对运动的影响（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提高动作的经济性对冲击载荷和振动载荷的缓冲男、女最大功率、最大肌力和肌肉最大收缩速度上的差异肌肉最大功率最大肌力最大速度肘屈肌42.9％55.1％74.5％膝伸肌51.2％62.4％98.2％运动训练的动态适应性原则动作的幅度与方向运动的有效幅度及重点区作用力（或肌力）的大小最大作用力的发挥速率（或叫力的梯度）肌肉工作形式功率曲线的专项差异收缩元张力——长度曲线静息长度：收缩元表现最大张力时的长度称肌肉的静息长度。静息长度并联弹性元张力——长度曲线平衡长度：肌肉被动张力为零时，肌肉所能达到的最大长度。F平衡长度长度力肌肉总张力——长度曲线股骨干骨密度强度年龄骨的冲击韧性系数(kg/cm2)屈曲强度(kg/cm2)压缩强度(kg/cm2)30～409.5384143575～825.115896282以上2.7106660骨增长和萎缩的反馈调节图骨单位椎体压缩性骨折髌骨横行骨折由于股四头肌突然强烈收缩的间接暴力致使髌骨与股骨髁直接碰撞引起髌骨横断性骨折。股骨颈头下骨折