第五节 人体运动系统的生物力学

第五节 人体运动系统的生物力学
一 人体结构力学基础 二 骨骼生物力学分析 三 肌肉生物力学分析 四 腱与韧带生物力学分析 五 关节生物力学分析 六 身体环节的连结
一 人体结构力学基础
（一）应变与应力
材料在外力作用下不能产生位移时，它 的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就 称为应变，使物体产生变形。
关节角：构成关节的两环节之间的夹角称为关 节角。
（2）肩关节
肩关节运动中的稳定性， 主要依靠三角肌和肩袖肌的 作用维持。冈上肌拉肱骨头 靠紧关节盂形成支点，同时 三角肌起主要悬吊作用，以 防止上肢的重力或因持重而 造成肩关节脱臼。
肩关节在后矢状面上向 后侧上举后后伸可以达到 60°左右，水平屈曲（上 臂在水平平面向前运动）， 正常范围约135°，做相反 方向的正常范围的45°。 在冠状面上举90°的位置 上，内旋和外旋各达到 90°，提供最大的总旋转 度180°。
短跑>中距离跑>长距离跑
（五）肌力变化梯度
练习中人体所发挥 的肌肉力量是不断改变 的，在很多体育运动中 往往要求运动员在极短 时间内发挥出最大力， 一般称爆发用力。爆发 性用力结束后，肌肉进 入放松阶段，这种极短 时间内肌力的变化称力 的梯度。
F A B
t1
t2
t3
t
四 腱与韧带生物力学分析
（一）韧带和肌腱的应力-应变曲线
（3）骨是人体结构的理想材料 骨在人体中起着承重和杠杆作用。 （4）耐冲击力和持续力差 （5）机械力对骨结构的影响 在骨科承受载荷的限度内，应力越大， 骨的增生和密度增厚越强。 （6）应力强度的方向性 骨密质的刚性比骨松质大，骨密质的变 形比骨松质的变形来的小。
（三）载荷分类及骨的受力形式
1 载荷的分类
1 人体骨骼的功能：
(1) 支撑人体 骨与骨相连结，构成人体支架，支持
人体的软组织，承担全身重量。
(2) 保护内脏 骨形成体腔，保护脑、心、肺等内脏
器官。
(3) 杠杆 (4) 造血
肌肉牵引着骨绕关节转动，使人体可 产生各种各样的运动。 骨的红骨髓有造血的功能，黄骨髓有 储藏脂肪的作用。
(5) 储备矿物盐 ຫໍສະໝຸດ 要储备钙和磷，供应人体的需要。3 骨组织的力学特性
（1）各向异性（不同方向的力学性质不同） 骨结构为多孔介质的夹层结构，且骨质 密度有较大的差异，在承载时具有明显的异向 性特征。这种异向性不仅表现在不同负荷形式 下骨承载能力，即使同质结构在不同方向上受 载，其力学性能也表现出较大的差异特征。 （2）弹性和坚固性 无机物使骨具有抗压能力，而有机物 （胶原纤维）使骨具有抗张能力。
（3）肘关节
肘关节由三个关节组 成：肱尺、肱桡、近侧 桡尺关节。具有两种活 动：铰链活动（屈曲和 伸展）和前臂旋转活动 （旋前和旋后）。肘的 屈伸幅度，取决于其组 成部分和角度值，即关 节面相对部分的弧度。
（4）腕关节
腕关节由桡腕关节和 腕间关节构成。腕关节 是一个典型的椭圆关节， 可绕两轴运动。腕关节 的额状轴可做屈伸运动， 前者运动范围为6070°，后者为45°；绕 矢状轴可做内收外展运 动，前者运动范围为 35-40°，后者为20°。
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
② 关节周围软组织的结
构和力学特性
一般关节囊薄而松弛， 韧带和筋膜少而弱，肌 肉伸展性和弹性好，肌 肉长度长，关节运动幅 度越大，反之亦然。
（2）关节运动幅度的测量方法
目前测量关节运动幅度的常用方法 有：摄影测量、录像测量、x光摄影测 量、关节测量器测量、电子关节角度仪 测量。
一定的阻力克服肌肉张力致使肌肉被拉长，既阻 力距大于肌力距，其环节的运动方向与肌肉收缩方 向相反，认为是离心收缩，也称为退让性收缩。
（四）肌肉收缩功、功率
1 肌肉做功
肌肉做功时所克 服的阻力，包括肌肉 的内阻力和外阻力。 因此，肌肉做功相应 的分为内功和外功。 通常所讲的肌肉做功 是指肌肉作外功，即 机械功。
塑料材料：应力与应变成非线性，在外力作 用下外力功转变为变形能，外力消失后材料 的变形不可修复。
粘弹性材料：如果有一种材料，其力学性质 既具有弹性材料的力学性质，又具有粘性材 料的力学性质，那么这种材料就叫做粘弹性 材料。
（三）粘弹性材料的特点
当物体突然发 生应变时，若应变 保持一定，则相应 的应力随时间的增 加而下降，这种现 象叫应力松弛，
1 模型的性质
（1）平衡长度
肌肉在无负荷状态下的长度称为平衡长度(或 叫自由长度)。这时肌肉的弹力等于零。
（2）潜伏期
生物力学研究表明，肌肉的兴奋与产生收缩 并不同步，肌肉兴奋后收缩元的张力首先使串 联弹性元变形，其张力发生变化，因此肌肉张 力的发展需要一个过程。只有当肌肉张力发展 到大于其起止点的阻力时，肌肉才开始进行向 心收缩，使肢体或环节产生位移。
复习：
1 人体运动学与动力学的研究内容 2 牛顿运动定律
动力学分析
运动学分析
时间特征：时刻和时间
空间特征：路程和位移 时空特征：（角）速度和 3 动量定理在体育运动中的应用 （角）加速度 是对运动状态的一种描述。
力量特征：内力和外力
冲量特征：FΔt=m(v2-vi) 能量特征：能量守恒原理
4人体运动中的力
在拉伸试验中，胶原纤维一 应 力 开始稍有伸长，但随着载荷的 在肌腱和韧带中，胶原纤维和弹性纤 增加，它的强度迅速增加至屈 维的排列不同，以满足各种不同的功能要求。 服点。过了屈服点后就产生非 肌腱纤维几乎完全是平行排列的，这使 弹性变形直至破坏。破坏变形 他能够承受很高的拉伸载荷。 0 5 应变/% 10 的范围在 6%-8%之间。 韧带的结构方向一致性较差，排列情况 随韧带的功能不同而变化。 应 弹性纤维施加低载荷即可产 力 生很大的伸长变形（为原始的 两倍多）随着载荷的增加弹性 纤维的强度突然增加，并且毫 无变形地突然破裂。
材料发生形变时内部产生了大小相等但 方向相反的反作用力抵抗外力．把分布内力 在一点的集度称为应力，
（二）人体生物力学材料分类
弹性材料：应力与应变成正比，材料能保证固定 的材料，在外力的作用下，外力功转变为弹性能。 外力消失或恢复原状。
粘性材料：应力取决于应变率，粘性流体无固定 形状，流动过程不可逆，在外力作用下，外力功 转化为分子热消耗。
3 肌肉的松弛
被拉长的肌肉，其张力有随时间的延长 而下降的特性，这一特性称肌肉松弛。
（一）肌肉的结构力学模型
收缩元：它代表肌节中的肌动 蛋白微丝和肌球蛋白微丝。兴 奋时可产生张力，称为主动张 力。 并联弹性元：代表肌束膜及肌 纤维等结缔组织。当被动牵拉 时产生弹力，称为被动张力。 串联弹性元：代表肌微丝、横 桥及闺盘的固有弹性，当收缩 元兴奋后，使肌肉具有弹性。
应力 应力
时间
若令应力保 持一定，物体的 应变随时间的增 加而增大，这种 现象叫蠕变（缓 慢变形）。
应力
时间
对物体做周期 性的加载和卸载， 则加载时的应力应变曲线同卸载时 的应力-应变曲线 不重合，这种现象 称为滞后。
应变
二 骨骼生物力学分析
（一）人体骨骼简介
人体骨骼共有 206块，其中只有 177块直接参与人 体运动。 人体骨骼分为 两大部分：中轴骨 和四肢骨。
研究人体运动状态变化的原 因。
2 牛顿运动定律
（一）牛顿第一定律 惯性定律
（二）牛顿第二定律
F=ma （三）牛顿第三定律
作用力与反作用力定律
3 动量定理在体育运动中的应用
F(t2-t1)=mV2-mV1
4人体运动中的力
人体内部各部分相互作用的力称为人体 内力，如肌肉张力、韧带张力、组织粘 滞力、关节约束力等。 外界对人体作用的力称人体外力。如重力、 摩擦力、支撑反作用力、向心力等。
斜形骨折 横向骨折
三 肌肉生物力学分析
（一）肌肉的物理特性
1 伸展性和弹性 2 粘滞性 3 肌肉的松弛
1 伸展性和弹性
肌肉在外力的作 用下能被拉长的特 性称为肌肉的伸展 性，使肌肉伸展的 外力除去后又恢复 到原来长度的特性 称为肌肉的弹性。
2 粘滞性
肌肉的粘滞性是指 肌肉收缩时，由于肌 纤维内胶状物质分子 间的摩擦及肌纤维彼 此间摩擦产生的阻力， 使肌肉活动迟缓的特 性。
2 骨骼的受力形式
剪切载荷
弯曲载荷
拉伸载荷
压缩载荷
扭转载荷
复合载荷
（四）骨疲劳
剧烈运动 肌肉疲劳
人在不断运动 步态改变 储存能量的能力丧失 的过程中，骨会反复 载荷失常 受力，当这种反复作 用的力超过某一生理 改变应力分布 限度时会使骨组织受 加强压力 复合 加强张力 到损伤，这种循环载 荷下造成的骨的损伤 斜形裂缝 骨骼分离横行裂缝 为疲劳性损伤。
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
五 关节生物力学分析
（一）关节的运动学
1 关节的基本运动形式
（1）角度运动 邻近两骨间产生角度 改变的相对转动，称为 角度运动。通常有屈、 伸和收、展两种运动形 态。 （2）旋转运动
骨绕垂直轴的运动 称为旋转运动，由前向 内的旋转称为旋内，由 前向外的旋转称之旋外。
2 肌肉功率
体育运动成绩的高低 及动作技术质量的优劣， 往往取决于完成动作过程 中，肌肉功率的大小。也 就是说取决于人体肌肉中 的化学能转化为机械能的 速度。 P = w/t = F*S/t = F *V
3 肌肉的功率在性别、项目上的差异
（1）性别差异： 运动时肌肉输出的功率因男女性别的 不同存在着较明显的差异。 （2）专项差异： 研究表明不同的运动项目其肌肉的功率 存在着一定的差异。 伸膝功率比较：
2 骨密质和骨松质
骨密质是一种由骨单位、 骨间质系统和有机的、 粘弹性的联结物质共同 组成的符合材料。