人体生物力学与施力特征
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《人机工程学》第五讲 人体力学特征与施力
二、人的运动输出
二、人的运动输出
• 二、反应时间 • 1、定义和特征 • 又叫反映潜伏期，是从刺激到反应的时间 间距 • 人的反应过程: 刺激—感觉器官反应—神 经—大脑（加工）—神经—肌肉动作—操作 （输出） • tz—反应感知时间，td—动作时间 •
Rt tz td
二、人的运动输出
• 反应的差别—简单反应—只有一个刺激， 刺激出现时作出特定的反应－快 • 选择反应 多个刺 激，对刺激一一作出反应 • 简单反应 快 • 选择反应—慢 • 》》其他影响
二、人的运动输出
• 2、不同的感觉器官和不同的刺激 • 》》不同器官，对刺激的反应时间不同
二、人的运动输出
• 》》表3-11讨论：不同的信号，反应时间有较 大差异 • 相同的器官，对不同的刺激，也有所不同， • 如味觉》 对咸反应时间短（308ms),甜酸 次之，苦最长（1082ms) • 》》触觉：和部位有关，手脸反应快，小腿慢 • 》》反应时间与运动器官的关系：
1
2
3 水平方 向的操 纵动作 ，前后 运动速 度比左 右运动 速度快 ，旋转 运动比 直线运 动更灵 活。
4
5
6 向身体 方向的 运动比 离开身 体方向 的运动， 速度更 快，但 后者的 准确性 高。
人体躯 干和肢 体在水 平面的 运动比 在垂直 面的运 动速度 快。
垂直方 向的操 纵动作 ，从上 往下的 运动速 度比从 下往上 的运动 速度快 。
表3-12 可选择的刺激数目对反应时间的影响
刺激选择数 目反应时间 （ms） 1 187 2 316 3 364 4 434 5 485 6 532 7 570 8 603 9 619 10 622
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B 刺激的辨别难度对反应时间的影响
人体生物力学与施力特征63页PPT
人体生物力学与施力特征
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
第3-3人体生物力学特性
曲线
克服阻力 不克服阻力
0.22
0.72 0.22
旋转动作
脚 腿 躯干
直线
克服阻力 直线 脚向侧面 弯曲 倾斜
0.36
0.72 0.36 0.72～1.45 0.72～1.62 1.26
表3-20 人体各部分动作的最大频率
动作部位 手 手指 前臂 臂 腿 脚 动作的最大频率（次/min） 204～406 360～431 160～292 99～344 300～373 330～400
图3-13 力的应用（甲）
图3-13
力的应用（乙）
2、 体 位
• 操作者的体位（立位、坐位、躺位）、躯干的稳定 性对人的作用力也有一定的影响。 • 立位作业可以经常改变操作的姿势，活动范围大， 易于用力，但单调作业会引起疲劳 • 立位可适当地走动，有助于维持工作能力，但立位 不易进行精确而细致的工作，不易转换操作，而且 肌肉要作更多的功用以维持体重，易引起疲劳。 • 坐位则可以进行较长时间地精确而细致的工作，可 以手足并用，但是坐位作业则不易改变姿势，用力 受限制，工作范围受局限，久坐会导致生理性疲劳 • 躺位操作易疲劳，汽车修理工修理汽车时就有时必 须仰躺着工作。
图3-11 不同体位下脚的蹬力及在 各个角度时的压力比值
表3-17 脚的操纵力比较
脚别 右脚 左脚 屈曲力/N 男 326 299 女 234 209 男 478 421 伸展力/N 女 344 299
二、人体活动的速度与准确度 1、肢体的动作速度
• 肢体动作速度的大小，基本上决定于肢体 肌肉收缩的速度 • 对于操作动作速度，还取决于动作方向和 动作轨迹等特征
图3-9 坐姿操纵力侧视图 （a）侧视图 （b）俯视图
拉力
第五章-人体生物力学与施力特征
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.3 举物时腰部生物力学模型
∑（L5/S1腰骶间盘力矩）=0 （5-7）
∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0 （5-8）
主要解因得素腰：骶货间物盘的所重受力的和压货 物的力位达置到到54脊58柱N重，心大的多距数离工。 其它人因的素腰还骶有间：盘躯都体无扭法转承的受角 度、这货个物压的力大水小平和。形状、货物 移动的距离等。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
4.人的主体因素
习俗、个体差异（性别、年龄）、疲劳等个人生 理、心理状况。
年龄与反应时间的关系
年
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
龄
20
30
40
50
60
反应时间相对值
100
104
112
116
161
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
表3-1 不同感觉器官的反应时间
❖ 肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大30% ~35%。年龄是影响肌力的显著因素，男性的力量在20岁 之前是不断增长的，20岁左右达到顶峰，这种状态大约 可以保持10~15年，随后开始下降。
❖ 此外，人体所处的姿势是影响施力的重要因素，作业 姿势设计时，必须考虑这一要素。图5-8表示人体在 不同姿势下的施力状态，图中（a）为常见的操作姿 态，其对应的施力数值见表5-4，施力时对应的移动 距离见表5-5.
3.1 反应时间
❖ 反应时间（ RT）:又称为反应潜伏期，它是指刺激和反应
的时间间隔。它由反应知觉时间（tz）和动作时间（td）组
成。 即 RT=tz+td
第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.3 举物时腰部生物力学模型
∑（L5/S1腰骶间盘力矩）=0 （5-7）
∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0 （5-8）
主要解因得素腰：骶货间物盘的所重受力的和压货 物的力位达置到到54脊58柱N重，心大的多距数离工。 其它人因的素腰还骶有间：盘躯都体无扭法转承的受角 度、这货个物压的力大水小平和。形状、货物 移动的距离等。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
4.人的主体因素
习俗、个体差异（性别、年龄）、疲劳等个人生 理、心理状况。
年龄与反应时间的关系
年
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
龄
20
30
40
50
60
反应时间相对值
100
104
112
116
161
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
表3-1 不同感觉器官的反应时间
❖ 肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大30% ~35%。年龄是影响肌力的显著因素，男性的力量在20岁 之前是不断增长的，20岁左右达到顶峰，这种状态大约 可以保持10~15年，随后开始下降。
❖ 此外，人体所处的姿势是影响施力的重要因素，作业 姿势设计时，必须考虑这一要素。图5-8表示人体在 不同姿势下的施力状态，图中（a）为常见的操作姿 态，其对应的施力数值见表5-4，施力时对应的移动 距离见表5-5.
3.1 反应时间
❖ 反应时间（ RT）:又称为反应潜伏期，它是指刺激和反应
的时间间隔。它由反应知觉时间（tz）和动作时间（td）组
成。 即 RT=tz+td
第四章人体平衡的生物力学-37页精选文档
人体在外力作用下，偏离平衡 位置后，当外力撤除时，人体自然 恢复平衡位置，而不需要通过肌肉 收缩恢复平衡。如果物体偏离平衡 位置的结果是物体重心升高，则该 平衡是稳定平衡，多数上支撑平衡 属稳定平衡。
如；单杠直臂悬垂。
②不稳定平衡：
人体在外力的作用下，偏离平
衡位置后，当外力撤除时，人体不
约束反力
2． 约束反力
是指作用于物体的力，其大小等于物 体加在约束上的力方向与之相反。约束反 力的方向总是同阻碍物体运动的方向相反。
3．体育中，常见的约束有三种：
1. 无摩擦的理想约束。这种约束只阻止物体沿
接触面的法向（竖直方向）移动，如站住水平地面上的 运动员，其受的约束反力即地面给它的弹力。
育动作中最为常见，
如； 站立，自由体操和平衡木的平衡
动作以及田径、武术等。
③混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，
这时有的支撑点在人体重心上方，
有的支撑点在人体重心下方。
如；肋木侧身平衡。
2．根据平衡的稳度分类
有随不稳
限遇稳定
度平定平
的衡平衡
稳
衡
定
平
衡
①稳定平衡：
化的制约，随姿势的改变，有
时甚至移出体外。
例如；体操中的“桥”，背跃式跳高的
过杆动作等。
人体平衡的分类
1． 根据支点相对重心位置分类：
①上支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人
体重心的上方。
如， 体操中的各类悬垂动作。
②下支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人
体重心的下方。下支撑平衡在体
如；单杠直臂悬垂。
②不稳定平衡：
人体在外力的作用下，偏离平
衡位置后，当外力撤除时，人体不
约束反力
2． 约束反力
是指作用于物体的力，其大小等于物 体加在约束上的力方向与之相反。约束反 力的方向总是同阻碍物体运动的方向相反。
3．体育中，常见的约束有三种：
1. 无摩擦的理想约束。这种约束只阻止物体沿
接触面的法向（竖直方向）移动，如站住水平地面上的 运动员，其受的约束反力即地面给它的弹力。
育动作中最为常见，
如； 站立，自由体操和平衡木的平衡
动作以及田径、武术等。
③混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，
这时有的支撑点在人体重心上方，
有的支撑点在人体重心下方。
如；肋木侧身平衡。
2．根据平衡的稳度分类
有随不稳
限遇稳定
度平定平
的衡平衡
稳
衡
定
平
衡
①稳定平衡：
化的制约，随姿势的改变，有
时甚至移出体外。
例如；体操中的“桥”，背跃式跳高的
过杆动作等。
人体平衡的分类
1． 根据支点相对重心位置分类：
①上支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人
体重心的上方。
如， 体操中的各类悬垂动作。
②下支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人
体重心的下方。下支撑平衡在体
人体生物力学与施力特征
动，见图５-２（ｃ）。此类杠杆的运动在人体中较为普遍，虽用力 较大，但其运动速度较快。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 由机械学中的等功原理可知，利用杠杆省力不省功，得之于力则失之 于速度（或幅度），即产生的运动力量大而范围就小；反之，得之于 速度（或幅度）则失之于力，即产生的运动力量小，但运动的范围大 。因此，最大的力量和最大的运动范围两者是相矛盾的，在设计操纵 动作时，必须考虑这一原理。
５.２ 人体生物力学模型
• ５.２.２前臂和手的生物力学模型
• 单一部位模型根据机械学中的基本原理孤立地分析身体的各个部位， 从而能分析出相关关节和肌肉的受力情况。举例来说，一个人前臂平 举、双手拿起２０ｋｇ的物体，此时两手受力相等。
• ５.２.３举物时腰部生物力学模型
• 有研究者估计因为职业原因及其他不明原因，腰部疼痛问题可能会影 响５０％～６０％的人口。
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５.２ 人体生物力学模型
• ５.２.１人体生物力学建模原理
• 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组成部分之间的关系。在 这个模型中，肌肉骨骼系统被看作机械系统中的联结，骨骼和肌肉是 一系列功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和人体工程学 的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力，通过这样的分析就能帮助设 计者在设计时清楚工作环境中的危险并尽量避免这些危险。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 每块肌纤维还可以更进一步地细分成更小的肌原纤维，直到最后的提 供收缩机制的蛋白质丝。这些蛋白质丝可以分为两类，一种是有分子 头的粗长蛋白质丝，称为肌球蛋白；一种是有球状蛋白质的细长丝， 称为肌动蛋白。
• ５.１.２骨杠杆
• 人体有２０６块骨头，它们组成坚实的骨骼框架，从而可以支撑和保 护肌体。骨骼系统的组成使得它可以容纳人体的其他组成部分并将其 连接在一起。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 由机械学中的等功原理可知，利用杠杆省力不省功，得之于力则失之 于速度（或幅度），即产生的运动力量大而范围就小；反之，得之于 速度（或幅度）则失之于力，即产生的运动力量小，但运动的范围大 。因此，最大的力量和最大的运动范围两者是相矛盾的，在设计操纵 动作时，必须考虑这一原理。
５.２ 人体生物力学模型
• ５.２.２前臂和手的生物力学模型
• 单一部位模型根据机械学中的基本原理孤立地分析身体的各个部位， 从而能分析出相关关节和肌肉的受力情况。举例来说，一个人前臂平 举、双手拿起２０ｋｇ的物体，此时两手受力相等。
• ５.２.３举物时腰部生物力学模型
• 有研究者估计因为职业原因及其他不明原因，腰部疼痛问题可能会影 响５０％～６０％的人口。
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５.２ 人体生物力学模型
• ５.２.１人体生物力学建模原理
• 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组成部分之间的关系。在 这个模型中，肌肉骨骼系统被看作机械系统中的联结，骨骼和肌肉是 一系列功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和人体工程学 的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力，通过这样的分析就能帮助设 计者在设计时清楚工作环境中的危险并尽量避免这些危险。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 每块肌纤维还可以更进一步地细分成更小的肌原纤维，直到最后的提 供收缩机制的蛋白质丝。这些蛋白质丝可以分为两类，一种是有分子 头的粗长蛋白质丝，称为肌球蛋白；一种是有球状蛋白质的细长丝， 称为肌动蛋白。
• ５.１.２骨杠杆
• 人体有２０６块骨头，它们组成坚实的骨骼框架，从而可以支撑和保 护肌体。骨骼系统的组成使得它可以容纳人体的其他组成部分并将其 连接在一起。
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
人体生物力学与施力特征.
41、俯仰终宇宙，不乐复何如。 42、夏日长抱饥，寒夜无被眠。 43、不戚戚于贫贱，不汲汲于富贵。 44、欲言无予和，挥杯劝孤影。 45、盛年不重来，一日难再晨。及时 当勉励 ，岁月 不待人 。
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人体生物力学与施力特征
• 单一部位的静止平面模型（又称为二维模型），通常指的是在一个平 面上分析身体的受力情况。静止模型认为身体或身体的各个部分如果 没有运动就处于静止状态。单一物体的静止平面模型是最基础的模型 ，它体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三维模型和全身 模型都建立在这个基本模型上。
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５.２ 人体生物力学模型
• 引起腰部疼痛的主要原因是用手进行的一些操作，如抬起重物、折弯 物体、拧转物体等，这些动作造成的疾病也是最严重的。除此之外， 长时间保持一个静止的姿势也是引起腰部问题的主要原因。因此，生 物力学模型应该详细分析这两个问题的原因。
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５.３ 人体的施力特征
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 每块肌纤维还可以更进一步地细分成更小的肌原纤维，直到最后的提 供收缩机制的蛋白质丝。这些蛋白质丝可以分为两类，一种是有分子 头的粗长蛋白质丝，称为肌球蛋白；一种是有球状蛋白质的细长丝， 称为肌动蛋白。
• ５.１.２骨杠杆
• 人体有２０６块骨头，它们组成坚实的骨骼框架，从而可以支撑和保 护肌体。骨骼系统的组成使得它可以容纳人体的其他组成部分并将其 连接在一起。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• （１）平衡杠杆 • 支点位于重点与力点之间，类似天平秤的原理，例如通过寰枕关节调
节头的姿势的运动，见图５-２（ａ）。 • （２）省力杠杆 • 重点位于力点与支点之间，类似撬棒撬重物的原理，例如支撑腿起步
抬足跟时踝关节的运动，见图５-２（ｂ）。 • （３）速度杠杆 • 力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘部的运
• 肌肉的收缩是运动的基础，但是，单有肌肉的收缩并不能产生运动， 必须借助于骨杠杆的作用，方能产生运动。人体骨杠杆的原理和参数 与机械杠杆完全一样。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是动力源，肌 肉与骨的附着点称为力点，而作用于骨上的阻力（如自重、操纵力等 ）的作用点称为重点（阻力点）。人体的活动，主要有下述三种骨杠 杆的形式：
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５.２ 人体生物力学模型
• 引起腰部疼痛的主要原因是用手进行的一些操作，如抬起重物、折弯 物体、拧转物体等，这些动作造成的疾病也是最严重的。除此之外， 长时间保持一个静止的姿势也是引起腰部问题的主要原因。因此，生 物力学模型应该详细分析这两个问题的原因。
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５.３ 人体的施力特征
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 每块肌纤维还可以更进一步地细分成更小的肌原纤维，直到最后的提 供收缩机制的蛋白质丝。这些蛋白质丝可以分为两类，一种是有分子 头的粗长蛋白质丝，称为肌球蛋白；一种是有球状蛋白质的细长丝， 称为肌动蛋白。
• ５.１.２骨杠杆
• 人体有２０６块骨头，它们组成坚实的骨骼框架，从而可以支撑和保 护肌体。骨骼系统的组成使得它可以容纳人体的其他组成部分并将其 连接在一起。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• （１）平衡杠杆 • 支点位于重点与力点之间，类似天平秤的原理，例如通过寰枕关节调
节头的姿势的运动，见图５-２（ａ）。 • （２）省力杠杆 • 重点位于力点与支点之间，类似撬棒撬重物的原理，例如支撑腿起步
抬足跟时踝关节的运动，见图５-２（ｂ）。 • （３）速度杠杆 • 力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘部的运
• 肌肉的收缩是运动的基础，但是，单有肌肉的收缩并不能产生运动， 必须借助于骨杠杆的作用，方能产生运动。人体骨杠杆的原理和参数 与机械杠杆完全一样。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是动力源，肌 肉与骨的附着点称为力点，而作用于骨上的阻力（如自重、操纵力等 ）的作用点称为重点（阻力点）。人体的活动，主要有下述三种骨杠 杆的形式：
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33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇ห้องสมุดไป่ตู้地 走到底 ，决不 回头。 ——左
人体生物力学与施力特征
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇ห้องสมุดไป่ตู้地 走到底 ，决不 回头。 ——左
人体生物力学与施力特征
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
人体平衡的生物力学 (DEMO)
人体平衡的生物力学一、人体平衡动作的力学原理（一）基本概念1、力与力系力是物体间的相互作用。
人体运动中的力主要是人体与地面、器械、流体的相互作用。
力系是反映作用与物体上的一组力。
在实际运动中作用于人体的力是非孤立的力，而是有2个以上的力组成的力系。
在力系作用下，物体的运动状态下不发生改变。
2、约束、约束反力、主动力约束是指阻止物体自由移动的限制。
约束反力是指约束作用于物体的力，其大小等于物体加在约束上的力，方向与之相反。
主动力指与约束反力性质相反的力。
它与物体运动或有运动趋势。
3、力的可传性原理4、力的平移定理（1）力矩、力偶矩（2）力的平移定理：力可平行于自身移动到任一点，但需要增加一力偶，其力偶矩等于原力对于新作用点的力矩。
二、人体整体平衡的生物力学条件和特点（一）人体平衡的力学条件∑F=0 ∑M0（F）=0（二）人体平衡的类型1、人体重心的概念人体全部环节所受重力的合力的作用点就叫做人体重心或人体总重心。
2、人体平衡的分类（1）根据支点相对重心位置分类上支撑平衡：支撑点在人体重心上方的平衡，如各种悬垂动作。
下支撑平衡：支撑点在人体重心下方的平衡，如手倒立混合支撑平衡：即非完全的上支撑，又非完全的下支撑（2）根据平衡的稳度分类稳定平衡：人体的位置不论有多大偏离，都能自动地恢复到原来的平衡位置。
有限稳定平衡：人体位置的偏离在一定范围内仍能恢复到原来的平衡位置。
不稳定平衡：人体位置稍有偏离就会倾倒。
随遇平衡：人体位置不论怎样改变，都能保持平衡。
3、人体平衡的稳定性（1）支撑面：物体的支撑面越大，其稳定性越好（2）重心高度：重心越低，稳定性越好综合上面两个因素，可以用稳定角的概念来表示支撑面和重心高度对人体的影响。
稳定角越大，稳定性越好；稳定角越小，稳定性越差；稳定角为零，人体处于临界状态（3）体重稳定力矩（重力矩）与翻倒力矩（外力矩）之比称为稳度系数。
人体重力矩越大，稳度系数越大，破坏平衡所需的外界翻倒力矩就越大，即人体平衡稳定性越好。
人体运动的生物力学分析
人体运动的生物力学分析生物力学是研究机械原理在生物系统中的应用的学科，通过运动学和动力学的分析，可以深入研究人体运动的机制和效果。
在本文中，将通过对人体运动的生物力学分析来探讨其原理和应用。
一、运动学分析1.1 关节运动轨迹关节是人体运动的重要组成部分，通过对关节运动轨迹的分析，可以了解人体肢体的运动规律和特点。
例如，当手臂做抛物线运动时，肩关节和手肘关节的轨迹会呈现出相应的曲线形状。
1.2 运动节律人体运动的节律性是运动学分析的重要内容之一。
通过对身体各部位运动的节律进行观察和测量，可以了解运动的协调性和优化效果。
例如，跑步时的双腿和手臂的协调运动，呈现出一定的节律性。
1.3 力的分析力的大小和方向对人体运动的影响至关重要。
通过力的分析，可以了解人体受力的来源和作用点，从而有效地调整和优化运动方式。
例如，踢足球时，腿部肌肉施加的力对足球的加速和运动方向具有重要影响。
二、动力学分析2.1 力的产生和传递力在人体运动中的传递可分为内力和外力。
内力是肌肉的收缩张力，通过骨骼和关节传递给外界。
外力包括重力和外界物体施加的力，通过身体的支撑面传递给骨骼系统。
通过对力的产生和传递的动力学分析，可以了解人体在运动中的力学特性。
2.2 动力学参数的测量动力学参数主要包括力、力矩、加速度和速度等。
通过测量和分析这些参数，可以了解人体在不同动作中受到的力量和力矩大小，从而评估和改善运动的效果。
2.3 运动的稳定性人体运动的稳定性是指在运动过程中保持平衡和稳定的能力。
通过动力学分析，可以了解人体在不同外力作用下的平衡调节和控制机制，并通过调整姿势和运动方式来提高运动的稳定性。
三、应用生物力学分析在许多领域中都有广泛的应用。
以下是一些应用领域的例子：3.1 运动损伤预防通过生物力学分析，可以了解运动的力学特性和受力情况，有效地识别和预防运动损伤的风险。
例如，在篮球比赛中，通过分析运动员跳跃动作的力学参数，可以判断其受伤的潜在风险。
人体生物力学与施力特征.共22页文档
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
人体生物力学与施力特征.
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Hale Waihona Puke 6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
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7、心急吃不了热汤圆。
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8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
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9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
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10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
人体生物力学与施力特征
人体的施力特征
主要的关节活动范围：
骨与骨之间除了关节相连外，还有肌肉和韧带 联结在一起。韧带具有连接两骨、增加关节 的稳定性、限制关节运动的作用。韧带限制 个关节超过损害限度，使人的活动范围和身 体姿势处于舒适状态。 值得注意的是，年纪较大的人多低于此值，穿 厚衣时角度要小一些。有多个关节的一串骨 髂（qia）中若干角度相叠加产生更大的总活 动范围。
人体的206块骨头构成人体的骨架。
骨的功能与骨杠杆
骨是体内坚硬而有生命的器官，总数约206块， 分为躯干骨、上肢骨、下肢骨和颅骨。 骨的功能： 1.支持人体的软组织和支撑全身重量。 2.骨腔保护内脏器官并协助内脏器官进行活动， 如呼吸、排泄等。 3.骨骼中的骨髓具有造血功能，并储存钙和磷。 4.肌肉牵动骨骼绕关节运动，使人体完成各种 活动。
重要活动范围和身体各部舒适姿 势调节范围
肢体的出力范围
肢体的力量来自肌肉收缩，产生肌力。肌力大 小的决定因素：单个肌纤维的收缩力、肌纤 维的数量和体积、肌肉收缩前的初长度、中 枢神经系统的机能状态和肌肉对骨骼发生作 用的机械条件。 研究表明，一条肌纤维能产生0.01N~0.02N的 力量。如表5-2. 在直立姿势下弯臂，可知大约在70°时力量最 大可达到人体自身重量。
合理施力的设计思路
5.作业位臵高度应按工作者的眼睛和观察时所 需的距离来设计。 6.常用工具放在人的附近。 7.当手不得不在较高的位臵作业时，应使用支 撑物来托住肘关节、前臂或手。 8.利用重力作用，采用自由下落的方法。如图 5-11所示。
பைடு நூலகம்
合理施力的设计思路
避免弯腰提起重物
人的脊柱为“S”曲线形，脊柱承受的重量负 荷由上至下逐渐增加，在提起重物时加载腰 椎的负荷与人体本身负荷共同作用，使腰椎 承受极大的负担，引起腰椎疾病的发生。 改变弯腰姿势能减小腰椎承受的负荷，如图512所示，直腰弯膝提起重物所承受的负荷较 小，而弯腰直膝所承受的负荷较大。
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Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
当身体及身体的各个部位没有运动时，可认为 它们处于静止状态。必须满足以下条件：作用在这 个物体上的外力大小之和为零；作用在该物体上的 外力的力矩之和为零。 单一部位的静止平面模型（又称为二维模型） ，通常指的是在一个平面上分析身体的受力情况。 静止模型认为身体或身体的各个部分如果没有运动 就处于静止状态。
单一物体的静止平面模型是最基础的模型，它 体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三 维模型和全身模型都建立在这个基本模型上。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.2 前臂和手的生物力学模型
∑（肘部受力）=0 （5-3） ∑（肘部总力矩）=0 （5-4）
图5-2 抓捏物体时前臂和手的生物力学简化模型
第五章 人体生物力学与施力特征 5.1.2 骨的功能和骨杠杆 1.骨的功能
（1）支撑人体 （2）保护内脏 （3）运动的杠杆 （4）造血 （5）储备矿物盐： 主要是磷和钙等。
人机工程学
Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征 2. 骨杠杆 根据支点，力点（动力点）、重点（阻力点） 三者不同的位置分布，分为：见图5-1 （1）平衡杠杆 （2）省力杠杆 （3）速度杠杆：用力大，但运动速度快 由等功原理，得之于力则失之于幅度，反之亦 然。因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相 矛盾的，在设计操纵动作时，必须考虑这一原理。
人体各部分的活动范围
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
人 体 上 部 及 上 肢 固 定 姿 势 活 动 角 度 范 围
人机工程学
Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
主要关节活动范围在设计中的应用实例 开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置
（a）挖沟作业示意图
图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.3 人体的施力特征 5.3.1 主要关节的活动范围
骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和韧带 联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增加关节的稳 固性的作用外，还有限制关节运动的作用。因此，人 体各关节的活动有一定的限度，超过限度，将会造成 损伤。 另外，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒 适调节范围内。表5-1为人体重要活动范围和身体各 部姿势调节范围，表中的身体部位及关节名称可参考 相应的示意图5-4。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.3 举物时腰部生物力学模型
∑（L5/S1腰骶间盘力矩）=0 （5-7）
∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0 （5-8）
解得腰骶间盘所受的压 主要因素：货物的重力和货 力达到5458N，大多数工 物的位置到脊柱重心的距离。 其它因素还有：躯体扭转的角 人的腰骶间盘都无法承受 度、货物的大小和形状、货物 这个压力水平。 移动的距离等。
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第五章 人体生物力学与施力特征
（b）开渠机驾驶舱（正视图）
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第五章 人体生物力学与施力特征
（1）操作手柄的布 置要使人在操作时 的各个关节在舒适 的调节范围内。 （2）在机器的纵向 布置上，要方便操作 者观察。减少颈部和 腰部的疲劳。
关部位（手、脚、躯干等）所施出的一定大小的力。
决定因素：肌力、施力的姿势、部位、方式和方向。 只有在这些综合条件下的肌肉出力的能力和限度才是 操纵力设计的依据。
人机工程学 Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
表5—2
身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N，20～30岁）
结论：女性的肌力比男性低20%～30%，右手比左手强 10%，而习惯有左手的人，其左手的肌力比右手强 6%～7%。
（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势
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第五章 人体生物力学与施力特征
5.3.2 肢体的出力范围
1、肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时产生 的力称为肌肉力。人的一条肌纤维所发挥的力量约为 0.01～0.02N，肌力是多条肌纤维的收缩力总和。人体 肌肉的生理特征。见表5-2 2、操作力：在作业中，为了达到操作效果，操作者有
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第五章 人体生物力学与施力特征
（１）在直立姿势下弯臂时，不同角度时的力量分 布；如图5-5。 （２）在直立姿势下臂伸直时，不同角度位置上拉 力和推力的分布；如图5-6。 （３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和 拉力；如图T1，如表5-3。 （４）坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。 如图5—7(a)和5-7(b）。 注:肢体所施力量的大小，与持续时间有关. 如图T3和图T4
人机工程学
Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定律上： （1）物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或 静止状态； （2）物体的加速度跟所受的合外力大小成正比； （3）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小 相等，方向相反，作用在一条直线上。
人机工程学
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第五章 人体生物力学与施力特征
表5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
10.下摆、上摆
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第五章 人体生物力学与施力特征
表5-1（续） 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
人机工程学
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第五章 人体生物力学与施力特征
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第五章 人体生物力学与施力特征
图5-1 人体骨杠杆
（a）平衡杠杆（b）省力杠杆（c）速度杠杆
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5.2人体生物力学模型 5.2.1 人体生物力学建模原理 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组 成各部分之间的关系。在这个模型中，肌肉骨骼系 统被看做机械系统中的联接，骨骼和肌肉是一系列 功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和 人体工程学的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力 ，通过这样的分析就能帮助设计者在设计时清楚工 作环境中的危险并尽量避免这些危险。
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第五章 人体生物力学与施力特征
当身体及身体的各个部位没有运动时，可认为 它们处于静止状态。必须满足以下条件：作用在这 个物体上的外力大小之和为零；作用在该物体上的 外力的力矩之和为零。 单一部位的静止平面模型（又称为二维模型） ，通常指的是在一个平面上分析身体的受力情况。 静止模型认为身体或身体的各个部分如果没有运动 就处于静止状态。
单一物体的静止平面模型是最基础的模型，它 体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三 维模型和全身模型都建立在这个基本模型上。
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第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.2 前臂和手的生物力学模型
∑（肘部受力）=0 （5-3） ∑（肘部总力矩）=0 （5-4）
图5-2 抓捏物体时前臂和手的生物力学简化模型
第五章 人体生物力学与施力特征 5.1.2 骨的功能和骨杠杆 1.骨的功能
（1）支撑人体 （2）保护内脏 （3）运动的杠杆 （4）造血 （5）储备矿物盐： 主要是磷和钙等。
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第五章 人体生物力学与施力特征 2. 骨杠杆 根据支点，力点（动力点）、重点（阻力点） 三者不同的位置分布，分为：见图5-1 （1）平衡杠杆 （2）省力杠杆 （3）速度杠杆：用力大，但运动速度快 由等功原理，得之于力则失之于幅度，反之亦 然。因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相 矛盾的，在设计操纵动作时，必须考虑这一原理。
人体各部分的活动范围
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第五章 人体生物力学与施力特征
人 体 上 部 及 上 肢 固 定 姿 势 活 动 角 度 范 围
人机工程学
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第五章 人体生物力学与施力特征
主要关节活动范围在设计中的应用实例 开渠机挖沟作业中操作手柄和座椅的设置
（a）挖沟作业示意图
图5-3 举物时腰部的生物力学静止平面模型
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第五章 人体生物力学与施力特征
5.3 人体的施力特征 5.3.1 主要关节的活动范围
骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和韧带 联接在一起。因韧带除了有联接两骨、增加关节的稳 固性的作用外，还有限制关节运动的作用。因此，人 体各关节的活动有一定的限度，超过限度，将会造成 损伤。 另外，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒 适调节范围内。表5-1为人体重要活动范围和身体各 部姿势调节范围，表中的身体部位及关节名称可参考 相应的示意图5-4。
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第五章 人体生物力学与施力特征
5.2.3 举物时腰部生物力学模型
∑（L5/S1腰骶间盘力矩）=0 （5-7）
∑（L5/S1腰骶间盘受力）=0 （5-8）
解得腰骶间盘所受的压 主要因素：货物的重力和货 力达到5458N，大多数工 物的位置到脊柱重心的距离。 其它因素还有：躯体扭转的角 人的腰骶间盘都无法承受 度、货物的大小和形状、货物 这个压力水平。 移动的距离等。
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（b）开渠机驾驶舱（正视图）
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第五章 人体生物力学与施力特征
（1）操作手柄的布 置要使人在操作时 的各个关节在舒适 的调节范围内。 （2）在机器的纵向 布置上，要方便操作 者观察。减少颈部和 腰部的疲劳。
关部位（手、脚、躯干等）所施出的一定大小的力。
决定因素：肌力、施力的姿势、部位、方式和方向。 只有在这些综合条件下的肌肉出力的能力和限度才是 操纵力设计的依据。
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第五章 人体生物力学与施力特征
表5—2
身体主要部位肌肉所产生的力（单位：N，20～30岁）
结论：女性的肌力比男性低20%～30%，右手比左手强 10%，而习惯有左手的人，其左手的肌力比右手强 6%～7%。
（c）开挖沟渠作业时操作人员的姿势
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第五章 人体生物力学与施力特征
5.3.2 肢体的出力范围
1、肌力：肌肉的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时产生 的力称为肌肉力。人的一条肌纤维所发挥的力量约为 0.01～0.02N，肌力是多条肌纤维的收缩力总和。人体 肌肉的生理特征。见表5-2 2、操作力：在作业中，为了达到操作效果，操作者有
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（１）在直立姿势下弯臂时，不同角度时的力量分 布；如图5-5。 （２）在直立姿势下臂伸直时，不同角度位置上拉 力和推力的分布；如图5-6。 （３）在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和 拉力；如图T1，如表5-3。 （４）坐姿时，下肢不同位置上的蹬力大小。 如图5—7(a)和5-7(b）。 注:肢体所施力量的大小，与持续时间有关. 如图T3和图T4
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生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定律上： （1）物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或 静止状态； （2）物体的加速度跟所受的合外力大小成正比； （3）两个物体之间的作用力和反作用力总是大小 相等，方向相反，作用在一条直线上。
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第五章 人体生物力学与施力特征
表5-1 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
10.下摆、上摆
人机工程学
Ergonomics
第五章 人体生物力学与施力特征
表5-1（续） 重要活动范围和身体各部舒适姿势的调节范围
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第五章 人体生物力学与施力特征
人机工程学
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第五章 人体生物力学与施力特征
图5-1 人体骨杠杆
（a）平衡杠杆（b）省力杠杆（c）速度杠杆
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5.2人体生物力学模型 5.2.1 人体生物力学建模原理 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组 成各部分之间的关系。在这个模型中，肌肉骨骼系 统被看做机械系统中的联接，骨骼和肌肉是一系列 功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和 人体工程学的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力 ，通过这样的分析就能帮助设计者在设计时清楚工 作环境中的危险并尽量避免这些危险。