生物力学蔡

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（2） 动力学分析（Kinetics） 主要是分析各部分在动作时各个力之间、力与 加速度、速度之间的关系。
力按作用性质可分为内力与外力，也可分为 动力和制动力。内力主要为肌肉收缩产生，外力 则有重力、惯性力、摩擦力、支反力、介质阻力 等。
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生物学分类、生理学分类、力学分 类。
生物的所有运动都是由力引起的。 环境力：重心力、风力、水力、其他生 物力、人造力等。生物体自身的主动 力——肌力。
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生物学的基础是三大的定律——能量、 质量、动量守恒定律，加上描述物性的本 构方程，利用上述基本概念，可用来解释 生物活动现象。
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1. 3 生物力学研究内容 2. 按研究对象的力学性质来分类： 1.3. 1 生物运动学
目的是分析动物的运动，研究动物的能 量（功和功率）、力和位移、速度、加速 度之间的关系。
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1.3.2 生物流体力学 研究血液、体液等流体的特性及在生物体 体内的运动情况，生物与空气、水之间的 相对运动。
为青壮年主要死因，其中大多数又是因颅脑损伤 引所致。对颅脑的保护.伤后修复与治疗成为重要 研究课题.并发展出颅脑损伤生物力学学科，它是 研究损伤机制、伤势判断、发展过程为治疗措施 提供科学依据。
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2.3.1颅脑的组成和力学性质 头皮（皮层、皮下层、帽状腱膜层、蜂
kg.m＝0.0024千卡热量，故机械做功也可折 算为热量。
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用能量消耗可作为运动强度的度量，也可用 来测量不同工具和作业方法的效率，但不能衡量 技能作业.脑力活动等强度。 2.1.2动作的解剖分析
即用解剖学的知识来分析骨骼肌的工作，因 动作的主动力来自肌肉，肌肉的发挥又与神经调 节、肌肉形态结构、与骨之间相对位置等有关。
相互影响。如呼吸时存在气体与气管（支 气管）弹性软组织间相互作用。血循时要 考虑到粘流体（血液）与粘弹性物体（心. 血管）间的相互作用。
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1. 4生物力学的研究方法 主要通过三条途径来解决问题： （1）用解析方法或数值方法来求解数学模型 （2）用试验方法来测定物理模型或实物试件。 （3）对现场进行分析研究。
生物力学
Biomechanics
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1．绪论
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1.1生物力学定义
生物力学是研究力与生物体运动.生理. 病理之间关系的科学，也就是研究生物 与力学有关的问题，或者说从力学的观 点来研究生物学的问题，故研究内容非 常广泛。
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存在的问题与困难：生物体结构的 差异 （性别、年龄、体质、营养、职业、心 理）、试件状态（整理、离体）（供血、 失血）(新鲜、陈腐、冷冻) 等。 1.5生物力学在医学中应用
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2. 生物运动学 Biokinesiology 生物运动学又称运动生物学，它将力
从力学观点来看，骨是非常复杂又是最理想 的等强度优化结构。骨的重量比铸铁轻3倍，柔 性却比铁大10倍，并具可塑性，在承受外力时可 吸收6倍的能量。骨的力学性质取决于其构成物 质与构造关系。
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骨组织：细胞（成骨细胞、骨细胞、破骨细胞） 细胞间质（纤维、粘合物、矿物质）
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从力学角度来说，人运动系统是杠杆系统， 外力与肌肉之间的平衡符合杠杆定律。
几个基本概念： 力（force F）:作用物体改变的动量，单位为牛
顿（Newton N），为1kg质量产生1米/秒加速度所 需的力。 N=kg.ms-2 F=m.s-2
公斤力（kilopond kp kg.f）指1kg质量所产生的 重力。1kp＝9.8N 磅力（poundal 1b.f）＝4.45N
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颅脑损伤严重程度与撞击加速度、撞击延续 时间等有关。通过对模型人、动物、尸体和志愿 者的撞击研究，已获得一些反应头部损伤严重程 度的准则，如GSI（Gadd severity index ）HIC （Head injury criterion）等。
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（3） 能量消耗和功率分析 人体一切活动都要消耗能量是由营养物质
（糖.脂肪.蛋白质）在体内分解释放能量来补充 的。生理学上通常把能量在体内的释放.转移和利 用称为能量代谢（energy metablism），根据机 体状态可将能量代谢分为：基础代谢、安静代谢 与运动代谢。
动作分析包括：动作结构分析、动作解剖分 析、动作生理分析。
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2.1. 1动作的结构分析 通常从三个方面对动作结构进行分析。
（1）运动学分析(Kinematics) 指对动作的时间和 空间规律所进行的分析，主要研究运动的轨迹、 速度与加速度。
首先要建立人体的座标系统，通常以垂直地 面的轴为垂直轴，人体前后方向为矢状轴。人体 侧向为冠状轴。由垂直轴和矢状轴组成平面为矢 状面，由垂直轴与冠状轴组成为冠状面，由冠状 轴与矢状轴组成为水平面。
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2.1.3动作的生理分析 2.2运动动作的分类
人体或某一部分的移动变化及所伴随的形态变 化称为动作。有多种分类方法，如按人体部位来 分：手指动作、上肢动作、下肢动作、全身动作。 按操作来分：定位动作、反复动作、连续动作、 逐次动作。还可按单一动作和组合动作来分类。
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外力 应力＋变性
1. 短暂意识障碍 清醒、无记忆丧失 2. 意识障碍 清醒、对撞击后的事失去记忆（外 伤性健忘） 3. 意识障碍＋记忆丧失 清醒，不仅对撞击后， 对撞击前的事也失去记忆（逆性健忘） 4. 昏迷 持续性植物神经功能障碍 5. 死亡
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应力（stress）：是物体内力作用于某平面单 位面积的力，以抵抗所致变性的外力。应力有两 种——正常应力和剪应力。
应变（strain）：是指物体受力后所发生的形 变，总应变是全部形变，单位应变是指单位长度 形变。
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肌肉活动时能量来源有三种方式： ATP系列、 需氧系列、乳酸系列。
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肌肉活动所消耗的能量在一般条件下15—25 ％可转化为机械能做功，其余大部分转化为热能 散失。
热量单位是千卡（kcal）或千焦耳（kJ） （1cal＝4.187J）
机械功的单位是公斤.米（kg.m）即将1公斤物 体提高1米所做的 功。
有机物—细胞、胶原、粘多糖、脂类及其他蛋白 质（酶、涎蛋白）。 无机物—羟磷灰石结晶、无定形磷酸钙、枸橼酸 盐、钾、钠、氟等 水（45％）
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骨居有形态、强度、弹性等特点。对骨进行 力学分析，重要了解在拉伸、压缩、剪切状态 下的极限强度、极限应变。但差异性较大，受 年龄、性别、职业、遗传、营养等因素影响， 青年人骨强度比老年人高10％以上，男性比女 性高5％左右。
窝组织、颅骨外衣） 颅骨(共23块、分面颅与脑颅，主要有额
骨、顶骨、枕骨)
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2.3.2 颅骨损伤分类 按伤口形状（线形骨折、穿孔、凹陷），按伤
口情况（闭合性和开放性）,按发生部位（颅骨骨 折、颅底骨折）等分类。
颅骨损伤有冲击伤：即在撞击点及附近的损伤。 颅骨损伤有对冲伤：在撞击点对面极点处的损伤。
学与解剖学、生理学相结合，分析生物运 动的空间特征与时间特征，分析这些特征 与生物的内力、外力、能量和功率之间的 关系。
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3. 1运动动作分析 人体的动作是由一系列运动动作所构成，所
以生物运动学运动学研究的中心内容是分析人的 各种动作，了解各种动作的规律，据此设计新的 操作动作，提高技能。
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最大肌力与年龄、性别、体格、训练、施力
时动机等有关。一般15—25岁可达“峰值”，到
50—60岁则降到75—85％，女性约为男性2/3左右。
男女最大肌力（kg）
施力方式
男性
女性
握力
46
28
踢力
40
32
背力
109
74
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1. 2生物力学研究目的
通过生物力学的研究，可以用力学分析方法去 了解、利用、治疗、防护、改造生物。
生物力学在对疾病治疗上所起的作用。通过生 物力学分析，还可更好的发挥生物效能。
当前新型学科——仿生学（Bionics）是模仿生 物构造技术装置的科学，也是生物力学所要研究的。
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弹性（elasticity）：是指产生形变的力除去 后，材料回复原来大小的趋势。在比例极限以下， 应力与应变成正比（Hooke定律），超过比例极 限，则不成正比。应力大于弹性限度，则不能恢 复原形，产生永久形变。
力矩（moment of force）；是力绕一点产生 转动效果，力矩是力与转动点到力作用线的垂直 距离（力臂）之乘积。
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2.3.3影响颅骨骨折的因素 （1） 撞击作用区域大小； （2）打击物的动量； （3）人受力时的运动状态； （4）受力点的 位置； （5）其他（击物形状、打击角度）
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2.3.4脑损伤
脑损伤是外伤中最严重的伤害之一，也是意 外事故中死亡最高的。颅骨骨折可损伤脑组织.有 时颅损伤本身也吸收了较多能量，从而减缓了脑 损伤的严重程度。有时颅骨损伤严重而脑损伤不 重，也有在颅骨完整的情况下，出现脑致命伤。
颅脑损伤假说：压力梯度空穴假说、旋转假 说、弯曲—伸拉假说
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2. 4骨的力学性质和损伤 2.4.1骨的基本力学性质
骨骼具有支持、运动、和保护功能，人体共 206块骨，按部位可分为颅骨、躯干骨、四肢骨， 按形态分为长骨、短骨、扁骨、不规则骨和气骨。
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1.3.3 生物体力学 研究生物体内形状稳定部分的受力特性，
包括医疗、体育器材的强度与变形情况。 硬组织——牙、骨骼。软组织——皮肤、内 脏。
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1.3.4 综合生物力学 在实际工作中往往是存在多相介质的
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肌肉运动实际上是以肌群的形式（包括 原动肌、协同肌、对抗肌、固定肌），各 部位肌力不同，故常用三种施力方式（握、 踢、背）的最大肌力来综合表示个体肌肉 做功能力。
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人体直立位时重心（c）约位于身高5/9，在 第二骶骨椎前7cm处，重力线通过腰椎齿突，髋 关节之后和膝关节前方。人体姿势发生变化，其 重心位置也随之变化。相同情况下，女性重力比 男性低1—2％。在某特定情况下，如躬腰、后仰 重心位置可移出体外。
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在分析人体运动时，可将人体简化为适当的 计算模型——刚体铰链系统，仅介绍Hanavan简 化模型，即把躯体分为15个单元（刚体），关节 分为14个铰链。
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3. 3颅脑冲击性分析 目前以外事故（车祸、工伤、战争）已上升