骨,肌肉的力学特征讲解
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。
人体骨骼和肌肉的力学模型
人体骨骼和肌肉的力学模型人体骨骼和肌肉的力学模型是研究人体运动的基础，也是人体运动仿真的关键。
通过力学模型可以模拟人体运动过程中的各种关键参数，从而更好地理解人体运动机理、改善运动技能和训练方法。
本文将从人体骨骼结构、肌肉作用、力学模型构建等角度分析人体骨骼和肌肉的力学模型，并探讨在不同运动场景下的应用。
一、人体骨骼结构对力学模型的影响人体骨骼结构是人体运动的基础之一。
在力学模型构建中，需要对人体的骨骼结构进行精确建模，否则会影响模型的准确性。
骨骼结构包括骨骼形态、长度、质量、质心位置等因素。
在运动模型中，需要根据骨骼形态和运动轨迹等信息确定每个关节的自由度和运动范围，进而计算关节的角度、速度和加速度等参数。
骨骼结构对力学模型的影响不仅体现在身体姿势和运动轨迹上，还会影响肌肉作用力的计算。
肌肉收缩产生的力矢量与肌肉所附着的骨骼处于的角度有关，称为静止肌肉作用力矩。
而骨骼结构的不同会导致肌肉作用力矩的大小和方向不同，因此在力学模型中需要准确建立肌肉的起始和终止处，以及力臂的长度和方向等参数，才能计算出准确的肌肉作用力。
二、肌肉作用力的模拟和计算肌肉作用力是人体运动的动力学基础，能够驱动身体的运动。
在力学模型中，需要模拟和计算肌肉收缩的作用力，并将其作为模型的输入参数之一。
肌肉的生理机制和力学性质决定了肌肉力学参数的变化趋势和特征。
肌肉收缩时产生的力可以划分为静止肌肉作用力和动态肌肉作用力。
静止肌肉作用力是在肌肉静态张力的基础上产生的力，与肌肉所附着的骨骼的角度有关。
动态肌肉作用力是在肌肉缩短或伸长的过程中产生的力，与肌肉收缩速度和长度的变化有关。
通常情况下，静止肌肉作用力的变化比较稳定，动态肌肉作用力的变化则比较复杂，受到多种因素的共同影响。
肌肉的力学性质还涉及到肌肉肌力、振动特性、能量转化等方面，通常需要借助肌肉生理学、神经学和运动学等多学科知识进行建模和计算。
为了更准确地模拟人体运动，需要对肌肉的生理特征和力学性质进行深入研究和分析。
人体肌肉和骨骼运动的力学分析
人体肌肉和骨骼运动的力学分析运动是人体非常重要的一个组成部分，不仅是生命的必要条件之一，也是维持人体健康的一项重要措施。
而人体的运动与力学息息相关，正确的力学分析不仅有助于体育运动的成效提升，同时也可以为医学、康复等领域提供参考。
肌肉对骨骼的作用力与产生力量的方式人体的骨骼是骨骼肌的支撑和保护结构。
而肌肉对骨骼所产生的作用力则是在人体的运动中不可或缺的。
肌肉对骨骼的作用力产生方式主要有四种，包括收缩力、伸长力、离心力和离心缩力。
其中，收缩力是最常见的一种。
肌肉的收缩可以被分为等长收缩和等速收缩两种，等长收缩指肌肉长度不变，等速收缩则是指肌肉长度发生变化。
由肌肉收缩所产生的力量可以帮助改变人体的运动状态，这在体育运动十分重要。
比如，在跑步时，肌肉通过收缩使膝下垂的脚部快速向前移动，从而帮助身体快速移动。
另外，在举重时，肌肉的收缩可以使重物被举起来，实现人体运动的完成。
骨骼的作用力与弯曲、扭转、拉伸等运动人体的骨骼通过关节和肌肉的协作来实现人体的各种运动。
而骨骼对于人体运动的作用与其强度、硬度以及构造密切相关。
当人体进行弯曲、扭转、拉伸等运动时，骨骼和肌肉的作用力也随之变化。
比如，在人体进行弯曲运动时，人体的骨骼发生了受力状态的变化。
当我们弯曲腰时，腰椎和臀部骨头就会承受更多的力量，而一些人在过度弯曲时甚至引起了腰部疼痛。
此时可能就需要间断运动、适量休息和予以疼痛治疗，以缓解过度的运动对身体所造成的影响。
如何正确分析人体的运动力学正确分析人体的运动力学可以帮助人们更好地理解人体的运动原理，为体育运动和康复治疗提供更好的支持。
而正确分析人体运动力学主要需要根据人体进行的运动，采取适当的方法进行检测。
一般来说，人体的运动分为静态和动态运动。
在静态运动中，往往需要采用拍摄或者测量方法获取相关数据，以帮助人们更好地分析其运动力学。
在动态运动场合，人们可以采用录像回放、实时分析系统、冲击力传感器等工具进行数据收集和分析。
人体肌肉骨骼系统的力学研究
人体肌肉骨骼系统的力学研究第一章：引言人类肌肉骨骼系统一直是生物力学和医学等多个领域研究的重要方向之一。
研究人体肌肉骨骼系统在运动中的生物力学行为和力学特性，对于理解人体肌肉骨骼系统的结构和功能，以及预防和治疗肌骨疾病具有重要的意义。
本文将从生物力学的角度出发，介绍人体肌骨系统的生物力学研究现状及其应用前景。
第二章：生物力学基础知识生物力学（biomechanics）是研究生物体在机械上的运动、变形和稳定性等现象的学科。
人体肌骨系统生物力学研究的基础是牛顿力学和流变学。
其中，力学又分为静力学和动力学两大类。
静力学是研究物体在静止时的平衡状况及其原理，而动力学则是研究物体在运动时的运动状态及其原理。
在人体肌骨系统的研究中，还需要涉及到生物材料力学、生理学和解剖学等学科内容。
第三章：人体肌骨系统的结构及其力学特性人体肌骨系统主要由骨骼、肌肉、关节、肌腱、韧带等组成。
人体骨骼系统的力学研究主要包括力矩、应力、应变、变形等方面。
其中，最常见的测试方法是力学测试机和生物力学测试系统。
人体关节运动的生物力学研究包括关节的状态、关节运动学和静力学等方面，还包括肌肉对关节运动的影响。
肌肉力学是研究肌肉的结构、功能、力量和形变等方面的科学，主要涉及到肌肉生理学、肌肉力学、肌肉结构和肌肉病理生理学等方面的知识。
第四章：运动生物力学研究人类在运动中肌骨系统的运动和力学行为，一直是运动生物力学研究的重点内容。
对于肌骨系统在不同活动状态下的生物力学特性进行深入的研究，有助于改进运动训练方法，减少运动损伤，提高运动表现和效果。
运动生物力学的研究涉及到运动员的肌群运动研究、运动器械的生物力学研究、运动损伤的预防和康复等方面。
第五章：医疗方面的生物力学研究人类肌肉骨骼系统的疾病通常由生物力学偏差引起，因此，了解肌骨系统的力学特性对于肌骨系统疾病的治疗和预防非常重要。
医学生物力学主要包括骨折治疗、人工关节设计、骨质疏松症预防和治疗等方面的研究。
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。
2
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。
12
▪ （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
骨骼的力学性质
134MN m2 170MN m2
医学物理学
Байду номын сангаас
• 3.弯曲：骨骼受到载荷作用时，将发生弯曲效应。
中性线凹侧面(载荷侧)骨骼受压缩作用;在凸侧受拉 伸作用。距离↑→应力↑。
医学物理学
• 4.扭转(torsion)：
扭转实际是剪切的表现，越靠近中心轴的层，切 应变越小，越外层的切应变越大，弧越长。从抗扭 转性能来看，由于靠近中心轴的各层作用不大，因 此常用空心管来代替实心柱，既可以节省材料，又 可以减轻重量，同抗弯曲情况相似。
二、骨骼不同方向的拉伸曲线
• 与一般金属材料 不同，骨骼在不 同方向载荷作用 下有不同的力学 性能(各向异性)。
• 图为人股骨标准 试样在不同方向 拉伸时的刚度和 强度变化曲线。
医学物理学
骨骼的形变、破坏与其受力方式有关。根据外力和外 力矩的方向将骨骼受力分为拉伸、压缩、弯曲、扭转、 剪切和复合载荷六种。
医学物理学
• 在一定的弹性范围内，圆杆或圆管的扭转角度是和所加的 力矩成正比的。
• 扭转的角度超过某一数值时，物体就会断裂。
医学物理学
医学物理学
1.骨组织在拉伸载荷作用下的断裂机制主要是骨单位 间结合线的分离和骨单位的脱离。
临床上：拉伸骨折多见于松质骨。
医学物理学
2.骨骼最常承受的载荷是压缩载荷。压缩载荷能够 刺激骨的生长，促进骨折愈合，较大压缩载荷作 用能够使骨缩短和变粗。
骨组织在压缩载荷作用下的破坏表现，主要是 骨单位的斜行劈裂。人湿骨破坏的极限应力大于拉 伸极限应力。
第三节 骨的力学特性
一、骨骼的力学性质： 骨骼与肌肉力学是生物力学中的主要研究内容，
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。
17.骨与骨骼肌的生物力学特性
复合载荷：人体髋关节的股骨颈断裂时，它是压、弯、剪
切力3种载荷的复合。又如，人体胫骨在步行状态时，在
胫骨上的载荷往往也是在变的，它也是几种载荷的复合。
骨受冲击载荷的特点：损伤的程度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的作用时间。 发现头颅骨耐冲击能力要比长骨高40％左右，其原因一方
一、离体肌肉的生物力学基础
肌肉的组织结构和生物学性质决定了肌肉的机能，肌肉 机能的变化亦会对其结构产生影响。因此，对肌肉组织 结构和生物学的研究是对肌肉生物力学特性的基础研究
之一，为反映肌肉的生物力学特性，建立用于描述肌肉
力学特性的模型。
肌肉的组织结构
肌肉的组织结构和生物 学性质决定了肌肉的机 能，肌肉机能的变化亦 会对其结构产生影响。 因此，对肌肉组织结构 和生物学的研究是对肌 肉生物力学特性的基础 研究之一，为反映肌肉 的生物力学特性，建立 用于描述肌肉力学特性 的模型。
图3-3肌节长度与等长张力 关系（Gordon 1966）
并联弹性元（PEC）力——长度曲线 肌肉总张力——长度曲线 （A为平衡长度；B为净息长度）
2.肌肉力（F）—速（V）关系
1938年Hill的经典工作奠定 了肌肉力学基础，他按照热 力学定律建立了反映肌肉收 缩力－速度特性的方程：
( F a) (V b) ( F0 a) b
该曲线说明：在一定的范围内，肌肉收缩产生的张力 和速度大致呈反比关系；当后负荷增加到某一数值时，
张力可达到最大，但收缩速度为零，肌肉只能作等长
收缩；当后负荷为零时，张力在理论上为零，肌肉收 缩速度达到最大。肌肉收缩的张力-速度关系提示，要 获得收缩的较大速度，负荷必须相应减少；要克服较 大阻力，即产生较大的张力，收缩速度必须缓慢。
骨的力学特征
骨的力学特征骨骼是人体内最重要的组织之一，它不仅起支撑身体的作用，还参与了许多生理过程。
骨骼的力学特征对于人体的正常运动和生活至关重要。
本文将介绍骨骼的力学特征，包括骨的强度、韧度、刚度和抗压能力。
一、骨的强度骨骼的强度指的是骨抵抗外力的能力。
骨骼中的主要力学参数是骨密度和弹性模量。
骨密度是指骨骼单位体积的质量，直接影响骨的强度。
骨密度越大，骨骼越坚固。
弹性模量是指骨骼在外力作用下产生形变的能力，也叫做骨的硬度。
弹性模量越大，骨骼越坚硬，抵抗外力的能力越强。
二、骨的韧度骨的韧度是指骨骼在外力作用下变形能力的大小。
骨骼的韧度与骨的弹性模量和骨的韧性有关。
骨的韧性是指骨骼在外力作用下发生塑性变形的能力。
骨的韧性越大，骨骼越能够吸收外力的冲击，减少骨折的风险。
三、骨的刚度骨的刚度是指骨骼在外力作用下变形的难易程度。
刚度与骨的弹性模量和骨的几何形状有关。
骨的刚度越大，骨骼越不容易发生形变，抵抗外力的能力越强。
四、骨的抗压能力骨的抗压能力是指骨骼抵抗压力的能力。
骨骼中的主要力学参数是骨的抗压强度和骨的抗压模量。
骨的抗压强度是指骨骼能够承受的最大压力，抗压模量是指骨骼在外力作用下产生压缩变形的能力。
骨的抗压能力越大，骨骼越能够承受外力的压力，减少骨折的风险。
总结骨的力学特征对于人体的正常运动和生活至关重要。
骨骼的强度、韧度、刚度和抗压能力决定了骨骼的健康状况。
在日常生活中，我们应该注意保护骨骼，合理锻炼，补充钙质和维生素D等营养物质，以提高骨骼的力学特征。
同时，在进行高强度运动和重物搬运时，要注意避免过度压力和扭曲骨骼，以防止骨折和其他骨骼损伤的发生。
通过了解骨的力学特征，我们可以更好地理解骨骼的重要性，并采取相应的保护措施，维护骨骼的健康。
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。
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。
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。
运动状态下骨骼肌肉的生物力学特征
Ｚ ａ 翻ｉ ｏ ｈｎ ａ ｕ ｋ
０５０ ７ ０ ０． Ｈｅ ｅ ｂｉ ｒ Ｐ ｏｖ ｎ ｅ Ｃｈ ｎ ｉｃ ， ｉａ ｚ ｌ ９＠ｔ ｍ．ｏｍ ｙ４１ ｏ ｔ Ｒｅ ｅ ｖ ｄ： Ｏ － １ ３ ｃ ｉ ｅ ２ Ｏ７ ｌ － ０
关键 词 ：健 美操 ；生物力学；综述文献
郑亚林 ，张志峰．运动状态下骨骼肌 肉的生物力学特征［］ Ｊ． 中国组织工程研究与临床康 复，２ ０ ，１（８： ０ —５ ６ ０ ８ ２２ ） ５ ３５ ０ ５
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模型的串联构成肌肉的长度
Δx
F
F Δx
nΔx F
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
肌肉收缩力＝nF
肌肉收缩速度＝ Δx/ Δt
F
F
Δx
Δx
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。
收缩
(1)
(2)
(3)
肌肉受激发时的力学效应的顺序性
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 受试者身高 停顿后跳起的 不停顿跳起的 （千克） （厘米） 高度（厘米） 高度（厘米） 68.37±6.7 176.39±5.05 49.49±5.86 53.23±6.47 据扎其奥尔斯基，受试者31人
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
Δx nF
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
收 缩 速 率
载荷(Kg)
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；
4240
1270～ 2100
1350
424
垂直纵轴的切变强度 (kg/cm2)
3510
1190
141
106
平行纵轴的切变强度 (kg/cm2)
－
505
－
－
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
（2）收缩元和结缔组织中 的流体粘滞性。
(m/s)
(a T )(V b) b(TO a)
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。
肌肉放松
激活状态
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
并联 弹性 成分
收缩成分 串联弹性成分
整块肌肉可认为是
由许多这样的模型混联 在一起构成的。
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。
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
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
功率曲线的专项差异
收缩元张力——长度曲线
静息长度 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。
并联弹性元张力——长度曲线
力
F
平衡长度
长度
平衡长度：肌肉被动张力为零时，肌肉所能达到的最大长度。
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 屈曲强度 压缩强度 系数(kg/cm2) (kg/cm2) (kg/cm2)
刚度——物体受载时抵抗变形的能力。 强度——物体受力时抵抗破坏的能力。
影响骨强度的因素
人胫骨试验Leabharlann 果与其它材料比较性别钢
骨 花岗石 洋松
年龄 种族 部位
密度(g/cm3)
沿纵轴的最高张力强度 (kg/cm2)
7.8 4240
1.87～ 1.97
930～ 1200
2.6 50
0.63 64.5
沿纵轴的最高压力强度 (kg/cm2)
四点弯曲产生的骨折
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。
2.6 复合载荷
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。
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。
三点弯曲：
靴口骨折
四点弯曲：
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
骨、肌肉的力学特征
一、骨的生物力学
1、骨的力学特征
应 力
屈服阶 塑性 段 B 范围
C 断裂点
A屈服点
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
曲线围成的面积
的力表示。
表示能量贮存所
斜率表示 表达的强度
刚度
O
应变
应变：结构内某一点 受载时所发生的变形。
拉伸实验时皮质骨的应力——应变曲线