运动器系的生物力学

第二章运动器系的生物力学重点：1、人体骨骼、软骨、关节、韧带和肌腱的生物力学特性及其在运动中的表现；2、骨骼肌的生物力学基础及其在体育运动实践中的应用；3、运动器系整体活动的生物力学特征与规律。难点：材料力学基本概念。一、载荷（一）分类静载荷载荷冲击载荷：动载荷交变载荷静载荷：逐渐加于物体上的，由零渐增至一定值以后不再改变。动载荷：物体在载荷的作用下，它的某些部分或各部分所引起的加速度相当显著。冲击载荷：当某一物体同其他物体作用，使其速度在极短时间内有很大改变时所受的载荷。交变载荷：随时间作周期性的改变并且多次重复地作用在物体上的载荷。二、载荷的表现形式1．拉伸载荷：自物体表面向外施加大小相等而方向相反的载荷。2．压缩载荷：向内加于物体表面的大小相等而方向相反的载荷。3．弯曲载荷：使物体沿其轴线发生弯曲的载荷。4．剪切载荷：使物体受到一对相距很近，大小相等，方向相反力的载荷。5．扭转载荷：使物体沿轴线产生扭转的载荷。6．复合载荷：物体同时受到多种载荷的作用。二、应力正应力（δ）应力剪应力（τ）SFP应变1．变形：物体在受到外力作用时，其中任意两点间的距离和任意两直线或两平面间的夹角会发生变化，它们反映了物体的尺寸和几何形状的改变。2．线应变：单位长度内的线变形。（ε）XX四、应力—应变曲线（一）弹性阶段：（A—B）卸载后变形能完全恢复，为弹性变形。比例极限（σp）：规定与A点相对应的应力值。刚度=EA(E：弹性模量或杨氏模量；A：构件横截面积)弹性极限（σy）：与B点相对应的应力值，应力超过弹性极限后，若除去外力，将留有残余变形。（二）屈服阶段：（B—C）：曲线的坡度逐渐减小，即材料对于变形的抵抗力逐渐减弱。材料的屈服：变形继续增长而应力并不增加。屈服强度（σs）：屈服阶段的下极限（与C点对应的应力值）。残余变形（塑性变形）：如果材料达到屈服，卸载之后就不再回复到原状。δ5%）（三）强化阶段（C—D）：能力恢复。强度极限（σb）：D点对应的应力值。（四）颈缩阶段（D—）材料的塑性：试件断裂后的残余相对拉长的百分比。塑性材料（δ5%）材料的塑性脆性材料（δ5%）%100LLLK五、粘弹性1．定义：如果有一种材料，其力学性质既具有弹性材料的力学性质，又有粘性材料的力学性质，那么这种性质就粘弹性。2．特点（1）当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降，这种现象称为应力松弛。（2）若令应力保持一定，物体的应变随时间的增加而增大，这种现象称为蠕变。（3）对物体作周期性的加载和卸载，则加载应的应力—应变曲线不重合，称为种现象为滞后。第二节骨的生物力学特性一、骨结构的生物力学特性（一）骨形态结构和物理化学属性对力学特性的影响1．骨形态结构的影响2．物理化学属性的影响（二）骨组织的力学特性1．各向异性；2．弹性和坚固性；骨组织中水占25-30%；无机物和有机物占70-75%。3．骨是人体理想的结构材料；强度大，重量轻。4．耐冲击力和持续力差；5．机械力对骨结构的影响；美国学者拉希（Rasch）认为恒定的压应力会引起骨萎缩，而间歇性的压力则促使骨的生长。6．应力强度的方向性。一、骨的力学特征（一）骨密质的力学性质1．应力—应变关系；2．不同载荷作用下骨密质的特性骨受冲击载荷的特点：一方面取决于冲击载荷具有的能量大小，另一方面还取决于冲击载荷作用的时间，冲击能力越大造成的骨损伤越厉害。3．骨密质的力学性质与年龄、性别的关系；骨密质的力学性质男性与女性没有显著差异；一般说，男子骨密质的搞压缩强度在26岁左右最底，到31岁左右最大，然后随年龄的增加而逐渐下降。（二）骨松质的力学性质当相对密度增加时，骨松质的弹性模量和抗压强度增加。一、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）；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；1．疲劳过程如下：剧烈运动肌肉疲劳储存能量的能力的丧失步态改变载荷失常改变应力分布加强压力复合加强张力斜行裂缝骨骼分离横行裂缝斜行骨折横向骨折肌肉活动对骨应力的影响骨承受载荷时，附着于骨骼上的肌肉收缩可改变骨的应力分布情况。肌肉收缩产生的压应力能部分或全部抵消作用于骨骼上的张应力。体育锻炼可促进骨的形态结构发生变化，使骨变得更加粗壮和坚固，抵抗各种载荷的能力不断提高。第三节关节软骨、韧带、肌腱的生物力学特性一、关节软骨的力学特性（一）渗透性蒙索尔（Mansour）和莫欧（Mow）：随着压力和变形的加大，正常关节软骨的渗透性显著下降。（二）关节软骨的材料性能与负载速度的关系1．弹性材料特性；2．粘弹性材料特性。（三）单轴向张力下关节软骨的性能正常成人关节软骨的抗张硬度和抗张强度，随着离关节面的增加而减少。（四）关节软骨的蠕变反应（五）润滑作用界面润滑液静润滑液膜润滑液动润滑挤压润滑（六）磨损界面磨损：由承载面之间相互作用引起疲劳性磨损：由接触体变形引起的疲劳性磨损韧带、肌腱结构的生物力学特性（一）应力—应变曲线1．胶原纤维2．弹性纤维（二）影响韧带和肌腱力学特性的因素1.韧带和肌腱的材料力学性质与温度、加载速度、应变量等试验条件密切相关；韧带的强度和2.刚度受应力大小影响；3.运动训练对韧带力学性质的影响；4.年龄对韧带力学性质的影响；5.时间对韧带力学性质的影响。第四节人体关节力学一、关节运动学1．关节的基本运动形式；屈伸运动、收展运动、旋转运动。2．关节运动幅度及测量方法；（1）影响关节运动幅度的因素：①构成关节的两关节面弧度差：（正相关）②关节周围软组织的结构及力学特性。（2）关节运动幅度测量方法。摄影测量、录像测量、X光摄影测量、关节测量器直接测量、电子关节角度仪测量。3．关节的灵活性和稳固性。（1）影响关节灵活性的因素：关节软骨、关节腔、关节囊内的滑液、滑膜皱襞、粘液囊等。关节内滑液：1/10s时，柔软的弹性体；1/100s时，关节动作灵活；1/1000s时，坚硬的“固体”。（2）维持关节稳固性的因素：骨骼、肌肉、韧带、关节囊、关节软骨和关节腔内的负压等。二、关节动力学一、骨骼肌的结构模型1．肌肉的解剖结构；2．滑动学说简介；3．骨骼肌的结构模型肌动蛋白（细）收缩成分肌球蛋白（粗）骨骼肌的结构模型并联弹性成分弹性成分串联弹性成分肌肉长度与肌肉收缩力量的关系（一）基本概念1．被动张力（Fp）：是指肌肉工作时并联弹性成分的张力。2．肌肉净收缩力（Fc）：指收约缩成分收缩时产生的张力。3．总张力（Ft）：被动张力与净收缩力之和。4．平衡长度（L）：无任何负荷时肌肉的长度。5．肌肉的静息长度（L0）：肌肉收缩成分产生最大收缩是的长度。肌肉长度与肌肉收缩力量的关系1．收缩成分的长度—张力关系；2．并联弹性成分的长度—张力关系；3．肌肉长度—总张力的关系；串联弹性成分对肌肉收缩长度—张力曲线的影响。第六节运动器系整体的生物力学性能与特点一、概念生物力学系统：在运动生物力学中把运动器系抽象为人体简化模型，这个简化模型叫生物力学系统，用以模拟人体运动。二、环节、运动链与骨杠杆（一）环节环节：相互关节之间部分。人体运动器系：是由若干可以相对运动的部分组合而成的整体。（一）生物运动链1．生物运动偶：两个相邻环节之间的可动连接。2．生物运动链：两个或两个以上生物运动偶的串联式连接。（1）生物运动链类别及其特点；开放链：末端为自由环节的生物运动链。（每个环节都能发生立运动）封闭链：无自由环节的生物运动链。（环节的运动互相牵连）（2）生物运动链运动特点；关节的构造特点决定环节不能作单方向无限制的转动，而只能作往复转动或以关节为中心的圆锥形运动。生物运动链中各环节绕关节轴转动可使末端环节作圆弧运动或平动，平动是生物运动链中几个球节绕相应关节轴转动合成的结果。（3）生物运动链中环节的自由度。自由度：物体在空间运动，描述物体运动状态的独立变量的个数称为这个物体运动的自由度。（一）骨杠杆骨杠杆：在生物运动链中，环节绕关节轴转动，其功能与杠杆相同称骨杠杆。一、骨骼、关节、肌肉的相互作用（一）生物运动链的动力学（二）生物运动链的运动能力（三）生物运动链中肌群的工作第七节人体动作结构与动作系统一、人体动作系统（一）动作和动作结构1．动作结构：每个完整的特定动作都有固有的特点，各个动作成分之间都有着固定的联系，这是一个动作区别于另一个动作的特征，动作的这种固有特点和固定内在联系叫动作结构。2．运动学特征：空间特征、时间特征和时空特征。3．动力学特征：惯性特征、力的特征和能量特征。（二）动作系统1．运动系统的概念大量单一动作按一定规律组成为成套的技术动作，这些成套的技术动作叫做动作系统。1．动作系统的结构特点（1）动作之间具有相互帮助和相互促进的作用，使整个动作系统更加直辖市和完善；（2）动作之间也存在一定的相互干扰，通过改进技术动作以减小这种干扰作用是推动动作系统发展的内因。2．运动系统的组成1．动作系统的分类及特点（1）周期性动作系统①动作的反复性和连贯性；②动作的节律性；③动作的交互性；④动作的惯性作用。（2）非周期性动作结合动作系统①动作具有相对的独立性；②动作具有复杂性和稳定性。（3）混合性动作系统①两种动作成分相互制约；②两种动作的组合部分是动作系统中的关键部分，混合性动作系统中两种动作的组合部分比较困难并容易出现错误。（4）不固定动作系统①动作系统复杂多变；②固定和不固定相结合。（二）动作系统结构的发展人体动作系统信息反馈和人体自控规律（一）信息结构：各种住处成分之间相互联系的规律性,包含感觉结构、心理结构和效应结构。（二）自控结构：控制系统和执行系统。