运动生物力学—第三章 骨、关节、肌肉的生物力学讲解
(骨生物力学课件)关节软骨的生物力学
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挤压液膜
• 发生于承载表面彼此垂直运动 ，流体的粘性抵抗力起到阻止 流体从间隙中溢出，且形成液 膜，生成支撑力。
• 在短时间内，挤压液膜机制足 以承受高负载，但是，液膜最 终会变得很薄，使得两个承受 面的凸起部分（定点）接触。
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• 相对柔软的表面承受滑动（动态流体）或 挤压液膜作用，且液膜内的压力使得表面 明显变形，这时的锐化称为弹性动态流体 润滑。
• 这样的润滑增大了表面面积和一致性，改 善了膜的几何性质。承载接触面积的增大 减少润滑剂从承载面之间流走，形成持续 较长时间的润滑剂膜，从而关节的应力降 低而更持久。
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人的寿命期内都可以无损地承担高负荷关
节运动。 2021/1/14
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• 但从生理学的角度上 看，关节软骨实际上 是一种孤立的组织， 没有单独的血液和淋 巴供应。它主要依赖 软骨下骨组织提供软 骨 下 部 近 1/3 的 血 供 ， 其余依赖滑膜周围毛 细血管的渗入。
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动关节的关节软骨的功能
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• 如足球运动员的膝关节， 芭蕾舞演员的踝关节等。
• 骨关节病也可以继发于胶 原蛋白-糖蛋白基质的分 子或微观结构损伤，如类 风湿性关节炎等。
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THANK YOU FOR LISTENLING!
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• 软骨的蠕变反应
一个恒定的载荷瞬间 施加于关节上，在载 荷的作用下，软骨的 压缩变形连续增加， 直至获得一个平稳状 态或近似值，这就是 “蠕变”。
骨骼的生物力学PPT课件
实验研究
有限元分析具有灵活性、无损性和可重复性等优点，但需要准确的模型和参数，以及高性能计算机资源。
有限元分析是一种计算方法，用于模拟和分析复杂的结构和系统的力学行为。
通过将骨骼划分为一系列小的单元（或“有限元”），可以预测其在不同载荷下的响应，如变形、应力分布和破坏模式等。
骨骼的生长与发育
02
CHAPTER
骨骼的生物力学特性
骨骼的弹性模量决定了骨骼的刚度和变形程度，不同部位的骨骼具有不同的弹性模量，以适应不同的生理需求。
骨骼的疲劳性能也很重要，它决定了骨骼在反复受力后的性能退化。
骨骼具有很高的抗压强度和抗拉强度，能够承受身体重量和肌肉收缩产生的力量。
骨骼的力学性能
骨质疏松症
通过科学的运动和饮食，可以预防骨质疏基因组学和蛋白质组学的发展，未来可以根据患者的基因和蛋白质表达情况，制定个性化的治疗方案。
骨骼疾病的个性化治疗
未来骨骼生物力学将与多个学科进行交叉融合，如生物学、医学、物理学等，为骨骼疾病的研究和治疗提供更广阔的思路和方法。
骨骼的生长与发育是一个复杂的过程，受到多种激素和生长因子的影响。
总结词
骨骼的生长与发育主要分为三个阶段：婴幼儿期、儿童期和青春期。在婴幼儿期，骨骼主要由软骨组成，随着年龄的增长，软骨逐渐被骨组织替代。在儿童期，骨骼继续生长并逐渐变得致密坚硬。在青春期，骨骼的生长速度达到峰值，最终完成骨骼的发育。
详细描述
手术治疗需要在专业医生的指导下进行，以确保手术安全有效。
手术治疗
06
CHAPTER
骨骼生物力学的前景与展望
人工智能
人工智能在骨骼生物力学领域的应用，可以帮助医生进行更精确的诊断和治疗方案制定，提高治疗效果。
运动生物力学名词解释
运动生物力学名词解释
运动生物力学是一门研究人体运动的全面系统的科学，它以力学的观念来研究人体的运动和性能。
该学科的研究将其研究对象单独分类为四种，分别是关节运动学、肌肉动力学、肌腱动力学和骨骼动力学。
关节运动学是运动生物力学中首先研究的一门学科，其研究对象是人体的关节系统。
通过对关节系统定义和研究，可以解释人类运动的力学原理，例如膝关节和肩关节等，以及活动运动时的各种力学力的作用情况，以及它们之间的关系。
肌肉动力学是研究人体运动的核心学科之一，它的研究对象是肌肉的力学特性及其对于人体运动的影响。
肌肉动力学中的主要内容包括肌肉的质量、力学力量、持续力量等，可扩展为肌肉的生理、结构、动力学特性及其对运动的影响等。
肌腱动力学是研究成人体运动过程中肌腱力学特性的学科。
它涉及到肌腱的力学特性，在运动过程中的拉力和张力，以及它们对运动的影响。
通过对肌腱力学特性的了解，可以更好地理解人类体内的运动机制，提高运动的安全性和精确度。
骨骼动力学是研究人体运动的核心学科之一，它的研究对象是骨骼的动力学行为，以及其对人体运动和力学性能的影响。
在骨骼动力学研究中，研究者关注骨骼的力学特性，例如对骨骼的物理力学测量，并利用计算机模拟骨骼在各种条件下的受力行为，以及骨骼运动时的动力学性能。
运动生物力学是研究人体运动的一门多面向的学科，它涉及到从关节运动学到肌肉动力学、肌腱动力学以及骨骼动力学等方面的学科，以及它们之间的联系。
目前，运动生物力学在运动、康复和免疫治疗等多领域发挥着重要的作用，为人体的正常功能发挥着支持作用。
运动生物力学知识点
运动生物力学知识点第一章概述知识点1: 生物力学——生物力学的定义；生物力学的分类。
知识点2: 运动生物力学——运动生物力学是研究体育运动中人体、器械机械运动规律的科学。
其主要内容有：运动生物力学的定义；运动生物力学任务；运动生物力学与生物力学的关系；运动生物力学的发展史知识点3: 运动生物力学主要测试手段——技术动作拍摄；运动图像解析；三维测力等。
第二章人体结构的力学特性知识点1: 骨的材料力学特性——骨的形态与结构；骨的伸展性和弹性；骨的成分特点知识点2: 骨的受力形式——骨的受力形式与力的大小对运动效果直接相关，对骨的形变与损伤也至关重要。
因此骨的压缩负荷、拉伸负荷、弯曲负荷、扭转负荷以及不同运动状态下骨的形变特点是本知识点的主要内容。
知识点3: 骨的结构与形态特点——骨的结构、形态特点与肌肉的配布以及运动中肌肉的发力直接相关，骨在外力作用下其应力、应变的概念、人体长骨的形态、骨中空的成因等本知识点的主要内容。
知识点4: 骨的功能适应性理论——是指骨对所担负工作的适应性。
本知识点中Wolff 定律、Raach 的见解以及机械应力与骨组织之间的生理平衡是其主要内容。
知识点5: 软骨的力学特性——软骨的渗透性、软骨的形变与速度关系以及椎间盘的蠕动性质。
知识点6: 关节结构的力学特性——身体不同部位的关节因其自身的结构不同而灵活性与稳固性存在差异。
而以灵活性为主的结构主要有：关节面软骨、滑液、滑膜皱襞、粘液囊、关节腔、关节内软骨等。
以稳固性为主的结构主要有：关节囊、韧带、关节腔内的负压等。
知识点7: 关节的运动幅度——是指在关节运动的方向上骨环节运动极限之范围。
因此影响关节运动幅度的因素是：第一，与相连两骨关节面的弧度差有关；第二，与关节周围软组织的特性有关；第三，与年龄、性别、运动项目和训练水平有关。
知识点8: 肌肉结构的力学模型——三元模型，该模型由收缩元、并联弹性元和串联弹性元三部分组成。
第三章 第二节 肌肉的生物力学特性
模型的串联
肌肉的长度增加。 肌肉收缩速度增加。
模型的并联
肌肉的生理横断面增加。 肌肉收缩力增加。
2、肌肉收缩力
速度特性
希尔方程： T——张力 V——速度
( a + T )(V + b) = b(TO + a )
V = b
图2—3 外部阻力增大时肌肉收缩的基本特征的变化
缩缩短短程程度度
小负荷
中负荷
大负荷
时间（从开始激发起算）
跑动作技术的生物力学 跑动中上、下肢摆动幅度大而有力是现代短 跑技术明显的特征。世界记录保持者 贝利 跑时上 跑技术明显的特征。世界记录保持者贝利 贝利跑时上 臂前后摆动的幅度达 125° 。大腿前后的摆动幅度 臂前后摆动的幅度达125 为105° 左右。
单肌节力学模型 并 联 弹 性 成 分 收 缩 成 分 串联弹性成分
肌肉力学模型 串联弹性成分 并联 弹性 成分 并联 弹性 成分 串联弹性成分
单肌节力学模型 并 联 弹 性 成 分 收 缩 成 分 串联弹性成分
肌肉力学模型
串联弹性成分 并 联 弹 性 成 分 并 联 弹 性 成 分 串联弹性成分
肌肉放松
激活状态
收缩
(1)
(2)
(3)
肌肉受激发时的力学效应的顺序性
思考题：
短跑的起跑为什么采用 “蹲踞式”起跑？
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。 原因 ：由弹性成分粘弹性体的特性决 肌肉松弛 肌肉松弛原因 原因：由弹性成分粘弹性体的特性决 定的。
（三） 载荷对肌肉收缩力学特性的影响 当载荷增大时，肌肉收缩力学特性的变化 如下： 1、 动作潜伏期延长； 2、 收缩幅度减小； 3、收缩速度下降。
第三章《骨肌肉力学特性 及人体基本活动形式》
二、在体肌收缩生物力学
▪ （一）肌肉的激活状态：肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变 化。
▪ 肌肉进入激活状态后，收缩元兴奋产生张力，起初被串联弹 性元的形变所缓冲。当串联弹性元的形变和张力进一步发展， 整块肌肉的张力达到一定程度后，收缩元主动张力才能直接对 肌肉起止点施力，表现出肌肉收缩力。
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载荷——变形曲线显示出确定结构强度的三个参数：
①结构在破坏前所能承受载荷; ②结构在破坏时发生的变形； ③结构在破坏前所储存的能量
由载荷与形变所表达的强度， 用极限断裂点来表示。由能量 贮存所表达的强度，则一整个 曲线下方的面积大小来表示。 此外结构的刚度，则用弹性范 围的曲线斜率来表示。
载荷——变形曲线可以用于测定大小不同、形状和性质不同 物体的强度和刚度。（但必须是试件和试验条件标准化。）
▪ （2）多个模型并联而成的肌肉：各个模型受外力 之和等于肌肉外力，而肌肉的变形与模型变形相等。 因此，肌肉生理横断面的增加，导致收缩力的增加， 但不影响其收缩速度。
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▪ （二）肌肉结构力学模型的性质 ▪ 1、肌肉张力 —— 长度特性 ▪ A→肌肉被动张力为零时,肌肉所
能达到的最大长度称为肌肉的平 衡长度。 ▪ B→收缩元的张力随长度变化,表 现最大张力时的长度称肌肉的静 息长度,约为平衡长度的125％。 ▪ 2、Hill方程（肌肉收缩力—速度 曲线） ▪ V＝b（T0－T）/（T+a）； ▪ T＝a（V0－V）/（V+b）
弹性。
当收缩元兴奋后，使肌肉具有弹性。
▪ 总张力＝主动张力＋被动张力
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▪ 2、模型的串联构成肌肉的长度；
并联构成肌肉的厚度。
▪ （1）多个模型串联而成的肌肉：每个模型受外力
人体生物力学分析人体骨骼肌肉系统的运动特性
人體生物力學分析人體骨骼肌肉系統的運動特性人体生物力学分析人体骨骼肌肉系统的运动特性人体生物力学是一门研究人体结构与功能之间相互关系的学科，它通过运用物理学和工程学原理，分析和评估人体在各种运动状态下的运动特性。
在人体运动过程中，骨骼和肌肉系统起着重要的作用，其结构和功能对于人体的运动表现具有重要影响。
本文将以人体生物力学的视角，对人体骨骼肌肉系统的运动特性进行深入分析。
一、骨骼系统骨骼系统是人体结构的基础，由骨骼和关节组成。
骨骼具有支撑和保护内脏器官的功能，同时也为肌肉运动提供支撑和固定点。
运动过程中，骨骼通过关节的活动，使身体的各个部位能够协调运动。
二、肌肉系统肌肉系统由肌肉和肌腱组成，是人体力量和动作的主要来源。
肌肉通过肌腱与骨骼相连接，通过收缩和放松来实现骨骼的运动。
肌肉的主要功能包括产生力量、维持身体姿势、稳定关节和调节身体的运动。
三、人体运动特性的测量方法为了分析人体骨骼肌肉系统的运动特性，研究者们采用了多种测量方法。
其中包括：1.运动学：通过测量身体不同部位的位置和角度的变化，来研究运动的过程和特性。
运动学可以提供运动的轨迹、速度和加速度等信息。
2.动力学：通过测量外界施加在身体上的力和人体做出的反作用力，来研究运动的动力学特性。
动力学可以提供力和力矩等信息，用于分析运动过程中的力学变化。
3.电生理学：通过测量神经和肌肉的电活动，来研究肌肉收缩和神经控制的特性。
电生理学可以提供肌肉的激活和疲劳状态等信息。
四、人体骨骼肌肉系统的运动特性1.力学特性：人体骨骼肌肉系统的运动特性受到肌肉的力量和韧性的影响。
肌肉产生的力量决定了人体的运动能力，而肌肉的韧性则决定了人体的柔韧性和弹性。
力学特性的测量可以通过力平台和力传感器实现。
2.运动的稳定性：人体运动过程中，骨骼肌肉系统需要保持稳定性以避免受伤。
稳定性的测量可以通过加速度计和陀螺仪等设备实现。
3.动作的协调性：人体运动需要各个部位的协调配合才能完成复杂的动作。
第三章骨和肌肉的力学特性
第三章骨和肌肉的力学特性一、基本概念刚度强度屈服点三元件模型元静息长度肌肉松弛二、判断题1. 材料在应力作用下都会产生弹性形变和塑性形变()2. 推铅球最后用力时，手臂的推的动作中肱二头肌做退让性收缩()3. 人体骨骼承受剪切应力的能力最差()4. 被拉长的肌肉，其张力有随时间的延长而下降的的特点()5. 人体运动的速度越大，在空气或水中所受的阻力也就越大()6. 体操中的直体空翻动作比团身空翻难的原因是直体时人体转动惯最大()7. 跨栏时身体下压手臂前伸的目的是为了降低人体的重心()三、选择题1. 材料的强度是指材料抗破坏的能力，材料的刚度是指材料变形的能力。
人体的骨骼强度受种族、性别和的影响。
a) 年龄b) 运动项目c) 骨重量d) 骨长短2. 机械应力与骨组织之间存在一种生理平衡，在平衡状态，骨组织的成骨细胞和破骨细胞的活性是相同的。
下面的描述正确的是。
a) 机械应力增加破骨细胞活跃b) 机械应力增加成骨细胞活跃c) 机械应力减小破骨的承载面减小d) 机械应力减小成骨细胞活跃3. 肌肉是蛋白质组成的活机器，其功能是把化学能转变为机械能。
我们用三元件力学模型来讨论人体肌肉活动规律。
在三元件中，主动收缩部分为。
a) 收缩元b) 串联弹性元c) 并联弹性元d) 弹性元4. 在肌肉的收缩过程中，在相同刺激下，肌肉收缩力有随肌肉长度变化的特征。
当出现最大收缩力时的长度称为肌肉的静息长度。
肌肉静息长度约为平衡常的倍。
a) 1b) 1.25c) 1.5d) 1.755. Hill方程说明了肌肉收缩时肌肉张力与收缩速度的关系,即。
a) 肌肉张力大收缩速度快b) 肌肉张力大收缩速度慢c) 肌肉张力小收缩速度慢d) 肌肉张力与收缩速成正比例关系6. 肌肉功率反映了肌肉的收缩效率。
一般女子比男子的收缩功率小，其原因是。
a) 女子的肌纤维数量男子的少b) 女子的肌力男子的小c) 女子的肌纤维收缩速度量男子的慢d) 女子的肌纤维收缩速度量男子的快7. 鞭打动作是最常见的人体运动动作，从运动生物力学的角度上讲是人体环节依次加速、制动，使人体远端环节获得极大的线速度的人体环节运动。
生物力学骨骼和肌肉系统的运动
生物力学骨骼和肌肉系统的运动生物力学是研究生物体运动的力学原理和规律的学科，而骨骼和肌肉系统是人体运动的主要组成部分。
通过生物力学的研究可以了解骨骼和肌肉系统在运动中扮演的角色和相互作用。
本文将从骨骼和肌肉的结构以及骨骼和肌肉系统的运动原理等方面来探讨生物力学骨骼和肌肉系统的运动。
一、骨骼和肌肉的结构骨骼是人体支撑结构的主要组成部分，由多个骨头和关节组成。
骨头由骨质和骨髓组成，骨髓主要参与血液的产生和免疫功能。
人体骨骼系统的骨头数量约为206个，通过关节连接在一起，形成一个相对稳定的支撑结构。
肌肉是人体运动的主要驱动力，也是人体最丰富的组织之一。
肌肉由肌肉纤维组成，通过肌腱与骨骼相连。
肌肉分为骨骼肌、平滑肌和心肌。
骨骼肌与骨骼相连，使肢体具有运动能力；平滑肌分布在内脏器官中，控制器官的收缩和松弛；心肌则是心脏的重要组成部分，推动血液循环。
二、骨骼和肌肉系统的运动原理1. 骨骼的运动骨骼通过关节的连接和肌肉的驱动实现运动。
关节是骨头之间的连接点，可以使骨头相对运动。
不同类型的关节具有不同的运动范围和稳定性。
灵活的滑动关节，如膝关节和肘关节，可以实现弯曲和伸直的运动。
旋转关节，如肩关节和髋关节，可以实现的旋转运动。
固定关节，如颅骨的缝合线，保持骨头的相对位置稳定。
2. 肌肉的运动肌肉通过收缩和松弛来实现运动。
肌肉由肌肉纤维构成，肌肉纤维中的肌兴奋纤维随着神经冲动的传导而收缩。
肌肉收缩时产生的力量通过肌腱传递到骨头上，推动骨骼运动。
肌肉根据运动的需要分为两种类型：主动肌和拮抗肌。
主动肌是运动时主要参与收缩的肌肉，而拮抗肌则与主动肌功能相反，通过松弛产生抵抗力，使运动过程更加平稳。
3. 协调运动的控制人体的运动是由神经系统控制和调节的。
中枢神经系统通过传递神经冲动到运动神经元，再对肌肉发出指令。
这种神经冲动的传递过程称为神经传递。
神经传递的速度和频率可以影响肌肉的运动能力和精确度。
高度协调的运动需要大脑、脊髓和周围神经系统之间的配合。
骨、关节、肌肉的生物力学
骨、关节、肌肉的生物力学第一节骨的生物力学人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。
骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看，都是十分复杂的。
这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的。
骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。
从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。
它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。
一、骨的生物力学特征（一）骨对外力作用的反应1．骨对简单（单纯）外力作用的反应（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。
例，单杠悬垂时上肢骨的受力。
（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。
例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。
（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。
在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。
在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。
例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。
（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势（图3-1），在骨骼内部的剪切面产生剪应力。
例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。
（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。
例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。
2．骨对复合（实际）外力作用的反应在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷。
复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用（分别以人行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力为例）。
（二）骨结构的生物力学特征骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构。
康复医学概论骨关节肌肉生物力学
人的躯体运动遵循杠杆原理，各种复杂动作都可 分解为一系列的杠杆运动。
杠杆包括支点、力点和阻力点。 支点到力点的垂直距离为力臂 支点到阻力点的垂直距离为阻力臂。 根据杠杆上三个点的不同位置关系，可将杠杆分
成三类：
➢ 第1类杠杆（平衡杠杆）
➢ 支点位于力点与阻力点之间。
➢ 如头颅与脊柱的连结，支点位于寰枕关节的额状 轴上，力点(如斜方肌、肩胛提肌、头夹肌等的作 用点)在支点的后方，阻力点(头的重心)位于支点 的前方。
如果引入比强度（极限（最高）强度除以 比重）和比刚度（弹性模量除以比重）的 概念，则可以见到骨的比强度接近于工程 上常用的低碳钢，而骨的比刚度可达到低 碳钢的三分之一。
2．骨对简单（单纯）外力作用的反应
（1）拉伸：自骨的表 面向外施加相等而反向 的载荷，在骨内部产生 拉应力和拉应变。 （2）压缩：加于骨表 面的向内而反向的载荷， 在骨内部产生压应力和 压应变。
（5）扭转：载荷加于骨上使其沿轴线方向产生扭曲。
在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载 荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷， 即同时受到上述两个或两个以上的载荷作 用
骨的强度大小排列顺序是： 压缩、拉伸、弯曲、剪切
骨的变形以弯曲和扭转为主
体育活动中骨骼的受力形式及其强度
3.机械应力对骨结构的影响
✓ 骨小梁的排列与骨所受的压（重）力和肌肉牵拉 的张力相适应，沿压力和张力方向排列 。
骨密质：质地致密，由紧密且规则排列的骨板构 成。因各层骨板中纤维的排列方向不同，且相邻 两层的纤维呈交叉状，因而具有较强的抗压力和 抗扭转能力。
✓ 骨密质主要分布于长骨的骨干、扁骨的内、外层 以及其他形状骨的表面。
骨、关节、肌肉的生物 力学基础
Part1 生物力学概述
运动生物力学—第三章 骨、关节、肌肉的生物力学
系年级班第次课时间内容目标内容提要：生命在于运动。
人体的运动的特点是，在意识控制下，一方面遵循力学的普遍规律，另一方面具有其特殊的复杂性。
本章从力学结构及运动对这些运动器官的影响两个方面介绍骨、关节、肌肉的生物力学特性。
教学目标：使学生理解骨、关节、肌肉的生物力学特性。
掌握运动对骨、关节、肌肉的生物力学特性影响。
教学重点重点掌握肌肉的力学特性，为正确分析人体动作奠定理论基础。
参考资料与仪器等讲稿提纲第三章骨、关节、肌肉的生物力学第一节骨的生物力学一、骨的生物力学特征二、运动对骨的力学性能的影响第二节关节生物力学一、关节的生物力学特征二、运动对关节力学性能的影响第三节肌肉生物力学一．骨骼肌的力学特性二．运动对肌肉力学性能的影响讲稿内容第三章骨、关节、肌肉的生物力学第一节骨的生物力学人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。
骨的外部形态和内部结构不论是从解剖学还是生物力学的角度来看，都是十分复杂的。
这种复杂性是由骨的功能适应性所决定的。
骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。
从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。
它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。
一、骨的生物力学特征（一）骨对外力作用的反应1．骨对简单（单纯）外力作用的反应（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。
例，单杠悬垂时上肢骨的受力。
（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。
例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。
（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。
在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。
在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。
例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。
运动生物力学—第三章 骨、关节、肌肉的生物力学讲解
剪切载荷引起的骨折常见于跟骨、股骨髁与胫骨平台的剪切破坏，变形后产生相对位置变动。
纯扭转载荷引起的骨折比较少见，它多半是和其它的载荷形式组合在一起而引起的。
（1）渗透性。
实验表明，在恒定的外力下，软骨变形，关节液和水分子溶质从软骨的小孔流出，由形变引起的压力梯度就是引起关节液渗出的驱动力。随着液体的流出，小孔的孔径越压越小。因此，关节液的流出量在受力初期大于受力末期，形变也是初期大于末期。关节软骨依靠这样一种力学反馈机制来调节关节液的进出。正常的关节软骨的渗透性较小（与海绵相比）。在病理条件下关节软骨的渗透性增大，会出现关节积水、疼痛等与关节软骨力学性能变化有关的症状。
（2）粘弹性
关节软骨和关节液具有粘弹性（非线性）的特点，其力学性质与温度、压力等外部环境的关系极为密切。粘弹性体相对于弹性体来说具有如下三个特征：
①应力松弛。当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力会随时间的增加而下降。这种现象称为应力松弛。
②蠕变。当物体突然产生应力时，若应力保持一定，则相应的应变会随时间的增加而增大。这种现象称为蠕变。
1．关节的摩擦系数
关节的摩擦系数采用重力摆法进行测定。与工程上的人工润滑结构相比，其摩擦系数是非常小的。这是人体关节抗摩耐用的重要原因之一。
2．关节软骨的力学性能
关节软骨的主要功能是：减小关节活动时的阻力（润滑关节），减小关节面负载时的压强（适应关节面），减轻震动（缓冲）。关节软骨是一种多孔的粘弹性材料，其组织间隙中充满着关节液。在受拉伸应力下间隙扩大，液体流入，压缩时液体被挤出。软骨中没有血管，它正是靠这种应力下液体的流动来保证营养的供应。由于软骨的应力影响着软骨内液体的含量，而液体的含量又影响着软骨的力学性能，这使得分析十分复杂。
骨骼肌肉生物力学一般知识
骨骼肌肉系统生物力学一般知识一、骨骼生物力学（一）一般知识骨骼系统是人体重要的力学支柱，不仅承受着各种载荷，还为肌肉提供可靠的动力联系和附着点。
骨组织主要由骨细胞、有机纤维、粘蛋白、无机结晶体和水组成。
其生物活性来源于骨细胞。
胶原纤维借助粘蛋白的结合形成网状支架，微小的羟磷灰石晶粒充填于网状支架并牢固的附着与纤维表面，这种结构具有较好的弹性和韧性，还具有较大的强度和刚度，胶原平行有序排列并与基质结成片状骨板，是形成密质骨的单元。
胶原与基质粘附交错无序则形成棒状骨小梁，是形成疏质骨的单元。
其力学性质受人的年龄、性别、部位等因素影响。
骨的变形以弯曲和扭转最为常见，弯曲是沿特定方向上连续变化的线应变的分布，扭转是沿特定方向上的角应变的连续变化。
骨骼的层状结构充分发挥了其力学性能。
（二）应力对骨生长的作用应力刺激对骨的强度和功能的维持有积极的意义，骨是再生和修复的生物活性材料，有机体内的骨处于增值和再吸收两种相反过程中，此过程受很多因素的影响，如应力、年龄、性别以及某些激素水平，但应力是比较重要的因素。
研究表明，骨胳都有其适宜的应力范围，应力过高或过低都会使其吸收加快。
一般认为，机械应力对骨组织是有效地刺激。
骨的力学特性是由其物质组成、骨量、和几何结构决定的，当面临机械应力刺激时，常常出现适应性的变化，否则将会发生骨折。
负重对维持骨小梁的连续性、提高交叉区面积起积极作用施加于骨组织上的机械应力可引起骨骼的变形，这种变形导致成骨细胞活性增加，破骨细胞活性抑制。
如瘫痪的患者，骨胳长期缺乏肌肉运动的应力作用，使骨吸收加快，产生骨质疏松。
另外，失重也可造成骨钙丢失。
骨的重建是骨对应力的适应，骨在需要应力的部位生长，在不需要的部位吸收。
制动或活动减少时，骨缺乏应力刺激而出现骨膜下骨质吸收，骨的强度降低。
相反，反复承受高应力的作用，可引起骨膜下的骨质增生。
二、肌肉的生物力学（一）肌肉的分型骨骼肌按其在运动中的作用不同，分为原动肌、拮抗肌、固定肌和协同肌。
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前面提到，人体的关节是是一个集自如的快速和慢速运动，承受高载荷和低载荷于一体的既灵活又稳固的结构。关于关节的润滑目前尚无普遍接受的统一机制。在一定情况下根据关节负荷或运动的需要由下列一种或多种机制起作用。
（1）界面润滑。界面润滑是依靠吸附于关节面表面的关节液（润滑液）分子形成的界面层来作润滑。在关节面承受小负荷，作速度较低相对运动时，起到降低剪切应力的作用。
纯弯曲载荷造成的骨折不多见，常见的是侧力弯曲载荷，如三点弯曲。从侧面和后面对小腿腓骨击打极易造成这种骨折。因此，足球比赛规则严禁从侧面和后面铲击小腿。
剪切载荷引起的骨折常见于跟骨、股骨髁与胫骨平台的剪切破坏，变形后产生相对位置变动。
纯扭转载荷引起的骨折比较少见，它多半是和其它的载荷形式组合在一起而引起的。
③滞后。在加载载荷和卸载过程中，应力应变关系不相同，即受力和恢复的状态不同。这种现象称为滞后。
3．时间--形变关系
关节软骨和关节液作为一种粘弹性体，对外部载荷作用的快慢十分敏感，即其形变与外力的作用速度有关。例如，关节软骨的形变是由于液体的流出，关节软骨受到的挤压速度越快，液体流出小孔的阻力也就越大，关节液就越不容易流出；而速度越慢，关节液越容易流出。测量结果表明，当外力作用的时间在1/100 s左右时，关节液是同时具有流动性和弹性的粘弹性体，像橡皮垫一样，缓冲关节面之间的碰撞。；当作用时间大于1/100 s时，关节液像润滑液一样，使关节灵活运动。如果外力作用的时间很短，例如达到1/1000 s左右时，关节液不再表现为液体或弹性体，而是呈现出‘固体’的特点，对碰撞时的冲力不再起缓冲的作用。打球时手指的挫伤往往就是这样造成的。
（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。
2．骨对复合（实际）外力作用的反应
在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷。复合载荷即是同时受到上述两个或两个以上的载荷作用（分别以人行走和小跑时成人胫骨前内侧面的应力为例）。
（2）压渗润滑。当关节在高负荷条件下快速运动时，关节软骨内的液体被挤压渗出到临近接触点/面周围的关节间隙。此时关节面软骨表面之间的液膜由压渗出的组织液和原有的滑液组成。液体由接触面从运动方向的前缘挤出，在接触面的后缘由渗透压把压渗出的滑液再吸收回软骨内。这种机制能够有效地保存关节液及其位置，对抗外力。所以也称为流体动力润滑。
（1）渗透性。
实验表明，在恒定的外力下，软骨变形，关节液和水分子溶质从软骨的小孔流出，由形变引起的压力梯度就是引起关节液渗出的驱动力。随着液体的流出，小孔的孔径越压越小。因此，关节液的流出量在受力初期大于受力末期，形变也是初期大于末期。关节软骨依靠这样一种力学反馈机制来调节关节液的进出。正常的关节软骨的渗透性较小（与海绵相比）。在病理条件下关节软骨的渗透性增大，会出现关节积水、疼痛等与关节软骨力学性能变化有关的症状。
关节的基本功能是传递人体运动的力和保证身体各部分间的灵活运动。明确力在各种关节中的传递方式以及关节的运动特点是关节生物力学的主要目标。
一、关节的生物力学特征
（一）关节的润滑机制
关节主要由关节面及关节软骨、关节囊和关节腔构成，关节腔中充满了起润滑作用的关节液。关节的润滑机制主要与关节软骨和关节液有关。
二、运动对骨的力学性能的影响
（一）适宜应力对骨的力学性能的良好影响
1．体育锻炼对骨的力学性能的良好影响
长期坚持体育锻炼，可使骨密质增厚，骨变粗，骨面肌肉附着处突起明显，骨小梁的排列根据拉（张）应力和压应力的方向排列更加整齐而有规律。随着形态结构的变化，骨变得更加粗壮和坚固，抗弯曲、抗压缩和抗扭转载荷的能力都有提高。当体育锻炼停止后，骨所获得的变化就会慢慢消失。因此，体育锻炼应经常化，锻炼的项目要多样化。专项训练与全面训练相结合。
（二）骨结构的生物力学特征
骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构。以下从结构优化的角度分三个方面介绍骨结构的生物力学特征。
1．各向异性
由骨内部解剖结构易见骨是一种复合材料结构。复合材料结构的特点就是各向异性，即其力学性能具有较强的对成分和结构的依赖性。应该注意的是，同一块骨的不同部分的力学性能是有差别的（以股骨密度和强度的等高线为例）。
2．壳形（管形）结构
分析表明，骨以其合理的截面和外形而成为一个优良的承力结构。以长骨为例加以说明。
（1）弯曲载荷下长骨结构的优化
（2）扭转载荷下长骨结构的优化
3．均匀强度分布
骨具有强度大，重量轻的特点。如果引入比强度（极限（最高）强度除以比重）和比刚度（弹性模量除以比重）的概念，则可以见到骨的比强度接近于工程上常用的低碳钢，而骨的比刚度可达到低碳钢的三分之一。
教学
重点
重点掌握肌肉的力学特性，为正确分析人体动作奠定理论基础。
参考资料
与仪器等
讲稿提纲
第三章骨、关节、肌肉的生物力学
第一节骨的生物力学
一、骨的生物力学特征
二、运动对骨的力学性能的影响
第二节关节生物力学
一、关节的生物力学特征
二、运动对关节力学性能的影响
第三节肌肉生物力学
一．骨骼肌的力学特性
二．运动对肌肉力学性能的影响
此外，体育活动还可以使一些辅助结构如关节肌腱、韧带增粗，肌肉力量增强，在骨附着处的直径增加，提高关节的稳定性和动作力矩。
2．过当运动对关节组织结构性能的影响
以膝关节半月板（关节内软骨）撕裂为例。
（二）常见关节损伤和防治的生物力学机制—以腰脊劳损为例
脊柱对人体的运动和姿态的保持都起着决定性的作用。脊柱系统的构造复杂，其主体是椎骨、椎骨关节、椎骨间的椎间盘、以及前、后纵韧带。所以脊柱可以看作是一个多关节的联合系统。
骨骼的废用（如卧床、肢体固定或失重）对骨的影响也应受到重视。事实上，大量研究已证实骨骼废用使骨密度下降和骨结构受损的速度远比体育锻炼对骨的有益影响快得多，而且恢复时间长且困难。一旦发生由于上述原因造成的骨质快速丢失，如何制定有效的以体育运动为主的康复训练计划仍缺乏研究，这应是今后的重点研究方向之一。
（2）粘弹性
关节软骨和关节液具有粘弹性（非线性）的特点，其力学性质与温度、压力等外部环境的关系极为密切。粘弹性体相对于弹性体来说具有如下三个特征：
①应力松弛。当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力会随时间的增加而下降。这种现象称为应力松弛。
②蠕变。当物体突然产生应力时，若应力保持一定，则相应的应变会随时间的增加而增大。这种现象称为蠕变。
（二）关节结构的力学特性
1．关节静力学
2．关节运动学
3．关节动力学
二、运动对关节力学性能的影响
（一）运动对关节组织结构性能的影响
1．适宜的体育锻炼对提高关节负载能力和减小摩擦阻力的影响
研究证明，系统的体育锻炼可以使骨关节面骨密质增厚，从而能承受更大的负荷，并增强关节的稳固性。动物实验证明，长期运动可以使关节面软骨增厚。这种关节面软骨的增厚被认为是由于软骨基质和细胞吸收液体的结果。与此相应，有报道说一年的大强度的体育活动可以使关节滑液量成倍增加，有助于减少关节运动时的摩擦力。
（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。
（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势（图3-1），在骨骼内部的剪切面产生剪应力。例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。
（二）骨的运动损伤及防治
1．骨折的断裂形式及载荷方式
如果作用于骨骼上的载荷超过骨所能承受的强度极限，就会引起的骨折。
拉伸载荷引起的骨折常见于跟骨。第5跖骨基底靠近腓骨短肌附着处的骨折以及跟腱靠近附着处的跟骨骨折都是由于拉力产生的骨折。
压缩载荷引起的骨折常见于椎体。有时由于肌肉异常强烈的收缩，也可产生关节内压缩型骨折。
系年级班第次课时间
内容
目标
内容提要：生命在于运动。人体的运动的特点是，在意识控制下，一方面遵循力学的普遍规律，另一方面具有其特殊的复杂性。本章从力学结构及运动对这些运动器官的影响两个方面介绍骨、关节、肌肉的生物力学特性。
教学目标：使学生理解骨、关节、肌肉的生物力学特性。掌握运动对骨、关节、肌肉的生物力学特性影响。
实际情况下的骨折绝大部分是由复合载荷引起的。
（三）常见运动性骨损伤生物力学分析
疲劳骨折是一种在运动中常见的低应力性骨折。当骨受低重复载荷作用时，常可观察到疲劳细微骨折。疲劳骨折的产生不仅与载荷的大小和循环次数有关，而且还与载荷的频率有关。因为骨具有一定的修复重建功能（功能适应性），所以只有当疲劳断裂过程超过骨重建过程时疲劳骨折才会发生。肌肉疲劳可以看作是下肢疲劳的一个原因。一般，持续性的运动/活动先是引起肌肉疲劳。当肌肉疲劳后，肌肉收缩力降低，从而改变了骨的应力分布，使高载荷出现，随着循环次数的增加，可导致疲劳骨折。骨折既可能可出现在受拉侧，也可能出现在受压侧，或者两侧都出现。拉力侧骨折产生横向裂缝，且很快扩展为完全骨折；压力侧骨折发生比较缓慢，骨重建过程不太容易被疲劳过程超过，而且可能不扩展为完全骨折。
一、骨的生物力学特征
（一）骨对外力作用的反应
1．骨对简单（单纯）外力作用的反应
（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。例，单杠悬垂时上肢骨的受力。
（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。
3．适宜应力原则
骨骼对体育运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号（应力）的应变。有利的运动负荷及强度导致的骨应变会诱导骨量增加和骨的结构改善；应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折，应变过小或出现废用则导致骨质流失过快。因此对骨存在一个最佳的合适应力范围。