第二章 生物力学概论

第二章生物力学概论

1.生物力学:生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物

物理学分支，是研究力与生物体运动、生理、病理、之间关系。

2.生物力学的意义：1.用力学方法和原理解决生物医学问题

2.生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病等关系的理解。应用生物力学的研究成果，指导人工器官的设计。

3.生物力学的研究范围：生物力学的研究范围从生物整体到系统、器官、从鸟飞到植物体

液的运输等。目前热点正逐渐向细胞、分子层次发展。

4.生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律，并加上描写物性的本构方程。

5.生物力学的重点是研究与生理学、医学有关的力学问题

6.研究步骤：1.建立合理的物理模型

2.确定本构方程

3.导出描述所研究对象的微分方程或积分方程

4.根据器官的工作环境，得到有意义的边界条件，运用解析方法或数值计算

求解问题

5.修正乃至重新建立方程进行求解

6探索理论与实验结果在实际中的运用。

7.生物力学的研究特点：生物力学研究的对象是生物体

作为实验对象的生物材料，有在体和离体（在体分为麻醉状态和非麻醉状态）

8.生物力学和生物医学工程学的关系：生物力学是生物医学工程学的理论基础，也是应用

技术的基础。

9.生物力学的趋势：生物力学的趋势朝着系统和微观两方面发展。

10.生物力学的研究内容：目前的研究领域包括骨组织的结构与受力分析、血液在血管及毛

细血管网络中的流动规律、心脏的瓣膜运动、生物材料的制备、细胞乃至分子层次的生物力学问题等。

生物材料力学

生物流体力学

生物固体力学

运动生物力学

生物热力学

11.生物力学与其他力学最重要的差别是：去研究的对象是生物体。

12.

13.骨膜：紧贴在除关节面以外的骨表面的一侧致密纤维结缔组织膜，很坚韧，分内外两层，

含有丰富的血管和神经。

14.骨的力学性质：具有很高的抗拉、压性能

有一定的硬度

从骨的结构而言，经过生物优化过程，具有最优材料的力学性能，既优化为最大的强度，最省的材料，最轻的重量。

15.骨的可塑性：在生长发育过程中，由于各种条件的影响使得骨的形态有所改变。

16.骨的粘弹性：在外力的作用下，骨产生的形变与时间相关。

17.骨的生物力学特性：骨的材料力学特性：是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状

无关

骨的结构力学特性：是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有关，而且受骨的几何特性的影响。

18.骨承载能力的三要素：第一，要求骨有足够的强度。

第二，要求骨有足够的刚度。

第三，要求骨有足够的稳定性。

骨的载荷和变形：人体在日常活动中都会对机体的每块骨产生复杂的力。

即骨会承受来自多方的不同形式的载荷

19.一般而言，骨承受的压力负荷能力最大，其次是拉力、剪切力和扭转力。骨所承受的正

常生理负荷是这些力的综合。

20.骨的载荷与形变的特点：力与变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。

1.骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性

2.在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物质特性也

很重要

3.大骨抵抗力的能力优于小骨

4.骨是比较典型的弹塑性体。

21.骨的应力与应变：当外力作用于骨时，骨以形变产生内部的阻抗以抗衡外力，即是骨产

生的应力

特点：应力的大小等于作用于骨界面上的外力与骨横断面积之比。

22.应变：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。

23.骨组织的基本生物力学特性：1.各向异性

2.弹性和坚固性

3.抗压力强、抗张力差

4.耐冲击力和持续力差

5.应力强度的方向性

6.骨的强度和刚度

7.机械力对骨的影响

8.骨是人体理想的结构材料

24.骨的力学性质和影响因素：1.性别、年龄的影响

2.骨的各向异性以及解剖部位的差异

3.骨干湿度的影响

4.加载速率的影响

5.应力集中的影响

25.骨的功能适应性：活的骨会随所受应力和应变的改变而改变

26.软组织特点：柔软易变形，具抗拉强度、但不抗弯和抗压。

27.软组织的力学性质：具有非线性应力—应变关系、粘弹性和各向异性的特点。

28.粘弹性:1)应力松弛：当材料发生应变时，若保持应变一定，则相应的应力将随时间的

增加而下降

2）蠕变：若应力保持一定，物体应变随时间的增大而增大的现象（皮肤的扩张需要生物学的蠕变）

3）对物体做周期性的加载和卸载，加载时的应力应变曲线同卸载时的曲线不重合，称为滞后。

29.皮肤的生物力学特性：1.收到循环加载和卸载时有滞后现象

2．应力应变关系是非线性的

3．在保持常应变时，具有应力松弛现象，且应力松弛依赖于相应的应变水平

4．当保持常应力时，表现为蠕变现象，蠕变依赖于相应的应力水平

5皮肤的各向异性可以由不同方向上的应力应变关系看出，皮肤的蠕变和应力松弛，也表现出各向异性

30.肌肉：肌肉分为三类：骨骼肌、心肌、平滑肌。这三类肌肉组成要素相同，收缩的生化

机理也相似。但结构功能及力学性质有很大差别

31.肌肉除了具有一般软组织材料力学性质以外，还具有独特的性质—主动收缩产生主动张

力。

32.肌肉的特性：收缩性；兴奋性：展长性；弹性。

33.肌肉的分类：平形状结构：有利于活动范围，不利于力量呈现。

羽状结构：产生的力大胆活动范围小。

34.肌小节：一条肌源纤维内两条Z线之间的部分称为肌小结，是肌肉收缩的基本结构体。

35.肌肉收缩与时间：在实验条件下，肌肉受到一次刺激所引起的一次收缩称为单收缩。包

括三个时期：潜伏期；缩短期；舒张期。

36.收缩总和：在实验条件下，肌肉受到一连串的刺激，若后一刺激落在前一刺激的舒张期

内，则肌肉不再舒张，而出现一个比前一次收缩幅度更高的收缩，称为收缩总和。37.强直收缩：指在一定频率的连续刺激下，肌肉收缩不断总和，使肌肉处于持续的收缩状

态，称为强直收缩。其最大的特点是刺激频率越高，产生的张力越大，在松弛态下应力很小。

38.肌肉的收缩形式：1.等长收缩：当肌肉收缩产生的张力等于外力时，肌肉收缩但长度不

变，这种收缩形式称等长收缩。（是肌肉静力性工作的基础）特点：张力等于负荷。

2.等张收缩：若使肌肉两端完全游离，收缩是就能自由缩短，不负担

任何重量，也几乎不发生张力变化，这种叫等张收缩。

特点：所加负荷不变，产生的张力随关节角度改变而改变，因而其收缩速度在不同关节角度也有所不同

所谓等张收缩，实际上是指负荷在关节某一角度是的张力。

39.肌肉收缩的力学性质：基本性能：化学能转变为机械能

表征肌肉活动的生物力学指标：1.肌张力：肌肉端部测得的力

2.收缩速度：肌肉长度变化的速度

肌肉收缩力学探讨的内容：1.张力和速度

2.张力和长度

3.张力和时间

40.肌肉张力类型：被动张力：松弛状态下，无刺激的张力

主动张力：刺激下，由主动收缩产生的张力