第二章 生物力学概论
生物力学概论学习
运动训练生物力学学习笔记学校：:广州体育学院研究生部专业：:运动训练学号：:105852011400049姓名：:张江龙第一章生物力学概论一．生物力学的定义生物力学是研究生物系统机械运动特点及规律的科学。
它既包括从宏观的角度对生物体整体和器官，组织的运动以及机械特征的研究，又包括从宏观和微观的角度对不同层次的生物组织结构内部的运动和变化进行研究。
生物力学是一门力学与生物学科相互结合相互渗透的边缘学科。
1.运动生物力学运动生物力学是研究体育运动中人体机械运动特点及规律的科学2.运动训练生物力学它利用力学原理和各种科学方法，对体育运动中人体的运动行为作定量的描述和分析，并结合运动解刨学和运动生理学的生物原理对运动进行综合评定，从力学和生物学的相关关系中得出人体运动的内在联系和基本规律，从而确定不同运动项目运动行为的不同特点运动生物力学密切关注并研究体育运动对人体的有关器官的结构及机能的反作用，最终以指导运动训练为宗旨3.运动生物力学研究的目的主要是探索不同运动项目的力学原理与规律，为科学训练提供必要的理论依据及方法，以提高竞技体育成绩和增强人类体质。
二．人体机械运动的特点1.人体运动2.人体的机械运动人体的机械运动是在意识的支配下所完成的带有明确目的和一定意义的一系列动作行为。
因此人体的机械运动可以说是人体高级运动形成的一种外在表现。
人体的机械运动是在外部作用力和内部肌肉张力的作用下产生的。
所以要想揭示人体机械运动的规律，不仅要研究力学的因素，而且还必须探讨其生物学方面的因素。
需要强调的是：对于分析一般的机械系统的运动，无须对引起该系统的运动发生变化的原动力来源加以仔细研究，提供符合要求的动力装置并非是力学研究者所要研究的对象。
然而，使人体运动发生变化的原动力-------肌肉张力确是生物力学研究者必须关注的一个问题。
肌肉力学是研究人体机械运动规律的基础。
物体系统作为整体相对于周围参照物体的位移运动机械运动的表现形式.系统本身发生的变化注意：人体在运动过程中既受自身生物学和生物力学因素的制约，又受到外部力学因素和运动规则的制约。
(整理)运动生物力学讲稿第二章
3、各向异性和应力强度的方向性：各向异性是指骨在不同方向上的力学性质不同，（多孔结构所致）。
应力强度的方向性表现在骨密质与骨松质刚性的差别和各向异性使骨对应力的反应在不同方向上各不相同。
4、耐冲击力和耐持续力差：骨对冲击力的抵抗和持续受力能力较其它材料差。
抗疲劳性能也差。
5、应力对骨结构的影响：外加机械力改变骨结构中的应力。
而应力通常与骨组织之间存在着一种生理平衡。
（四）影响骨疲劳的因素和疲劳曲线：骨骼上的应力，起到保护骨骼的作用。
（二）体育锻炼可促进骨的形态结构发生变化，提高骨抵抗载荷的能力。
、肌肉收缩成分收缩力的大小，主要取决于参与收缩的横桥数目。
、静息长度 o时，粗、细肌丝处于最理想的重叠状态，使收缩时起作用的横桥数目达到最大，此时肌肉收缩能产生最大的张力。
肌节全拉长时约为4.0mm，全部重叠时长1.5mm。
（二）并联弹性成分的长度—张力关系（P54图2-31）、肌肉放松状态时 i≤ （肌肉处于平衡长度或小于平衡长度）Fp = 0（无被动张力）（三）肌肉长度—总张力的关系（Ft— i曲线，P55图2-32）Ft = Fc + Fp分析：1、 i≤ 时，若肌肉收缩，Ft = Fc（此时Fp = 0）2、 i= o时，Fc = Fc max，则Ft =Fc max + Fp3、 i＞ o时，Fc减小，Ft一般减小。
Δ = 时为缓冲和超越器械（四）串联弹性成分对肌肉收缩长度—张力曲线的影响。
、肌肉在小于平衡长度时收缩（ i＞ ），串联弹性成分被拉长，起缓冲作用。
（力的传导）串联弹性成分的拉长量。
（起止点不变）Fc。
、肌肉预先拉长后收缩（先离心后向心）拉长时串联弹性成分被拉长，贮存一部分弹性势能，缩短时释放出来。
（二）肌肉离心收缩力—速度的关系：（P60图2-37）随着肌肉被拉长速度的增加，肌力也增加，F∝V“切断”粗细肌丝连合所需的力要比保持等长收缩的力更大。
、收缩的粘滞性摩擦作用。
W = F·S生理功（内功）—摩擦产热机械功（外功）—力在空间的累积效应。
实际使用 最新14年10月生物力学第二章.ppt稿
• 3．时空参数
• （1）速度 指人体所经过的位移与通过这 段位移所用时间之比，是描述人体运动快 慢和方向的物理量，用v表示。 • （2）速率 指人体运动所经过的路程与通 过这段路程所用的时间之比，是描述人体 运动快慢程度的物理量，只有大小，不表 明方向。
• （3）角速度 指人体在单位时间内转过的 角度，用ω表示。角速度用以表示物体转动 的快慢与转向。
• 第二节 运动学参数 • 一、运动学参数特征 • （一） 运动学参数 • 1．时间参数 • （1）时刻 是人体位置的时间量度，是时 间上的一个点。它用于运动的开始、结束 和运动过程中许多重要位相的瞬时。
• （2）时间 是运动结束时刻与运动开始时 刻之差值。运动持续时间是运动始末两个 时刻之间的间隔。
W F S
• （八）功率 • 功率是单位时间内的做功量。 W P FV t • （九）机械能 • 在人体运动中，机械能就是人体或器械做 功的能力。包括动能和势能。 • 1
EK 2 mV
2
EK
1 I 2 2
Eg 性
I mi ri m R
2 i 1
n
2
R
I m
• （二）人体惯性参数的特性 • 1. 人体重心位置 • 性别：由于男女之间在青春期发育情况的 差异，从总体上来说，女子重心的相对高 度比男子低0.5%~2%。 • 年龄：随着年龄的变化，重心的绝对高度 与相对高度均会发生变化。一般来讲，婴 儿重心的相对高度比成年人约高10%~15%， 随着年龄的增长相对重心高度会下降。
• （二）力矩 • 力矩是使物体（人体）转动状态发生改变 的原因，用M表示。
M rF
• （三）动量 • 动量是用以描述物体在一定运动状态下具 有的“运动量”。
2现代生物科学导论
大学物理——力学、振动与波动第2章质点和质点系动力学第2章质点和质点系动力学●牛顿运动定律●惯性系与非惯性系惯性力●质心运动定理●动量定理动量守恒定律●角动量定理角动量守恒定律●功和能机械能守恒定律2.1 牛顿运动定律及其应用一、牛顿运动定律二、牛顿运动定律的应用牛顿 (1643年—1727年)，数学家、物理学家和哲学家。
1．数学成就：∙发现了二项式定理∙和莱布尼茨各自独立地建立了微积分2. 对光学的三大贡献：∙制成第一架反射望远镜∙提出光的微粒说∙发现白光是由各种不同颜色的光组成的，揭开物质颜色之谜。
3. 构筑力学大厦：万有引力定律、牛顿运动三定律1687年发表的著作《自然科学之数学原理》，标志着经典力学的确立。
1. 牛顿第一定律（惯性定律）静止匀速直线运动 =F 0=υ0≠υ0恒矢量υ• 惯性 物体保持其静止或匀速直线运动状态不变的属性•表述：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，除非受到其它物体的作用力而被迫改变这种状态。
牛顿第一定律在实际应用中的表述：∑=F i 0恒矢量 υ质点的平衡态— 物体所受的第 i 个力F i 惯性系• 力 物体运动状态变化的原因一、牛顿运动定律2. 牛顿第二定律注意：（1）第二定律只适用于质点。
（4）第二定律是一个矢量式。
（5）适用范围：宏观、低速、惯性系 =F ma ∑=F i（2） 是质点所受合力。
∑=F F i （3） 与是一个瞬时关系。
F a ==υt t F p m d d d()d()牛顿关于运动的量的定义：=υp m 表述：物体运动的量的变化率与施加在该物体上的力成正比，并且发生在该力的方向上。
动量 m : 惯性质量分量式 （三维直角坐标系）法向 切向=F ma矢量式 v ∑====t t F F ma m m x ix ix x x d d d d 22ρυF ma m i in n 2∑==v ∑====t t F F ma m m y iy iy y y d d d d 22v ∑====t t F F ma m m z i z iz z z d d d d 22∑===υt t F ma m m s i it t d d d d 22分量式 （自然坐标系） Tmgυ3.牛顿第三定律（作用反作用定律）F F =-' A B F F '•力是物体间的相互作用，成对出现 （同时存在、同时消失） 作用力和反作用力•任何一个力，都有施力者和受力者•任何一个物体，是受力者的同时也是施力者•同种性质的力， 表述：两个相互作用的物体，彼此给对方施加的作用力总是大小相等、方向相反，作用在一条直线上。
运动生物力学讲稿第二章
3、各向异性和应力强度的方向性：各向异性是指骨在不同方向上的力学性质不同，（多孔结构所致）。
应力强度的方向性表现在骨密质与骨松质刚性的差别和各向异性使骨对应力的反应在不同方向上各不相同。
4、耐冲击力和耐持续力差：骨对冲击力的抵抗和持续受力能力较其它材料差。
抗疲劳性能也差。
5、应力对骨结构的影响：外加机械力改变骨结构中的应力。
而应力通常与骨组织之间存在着一（就象多次弯曲竹杆）、周期性载荷引起的骨折，开始于应力集中点，形成蚌壳式裂纹。
、重复载荷的骨疲劳，引起的骨折往往是低载荷的情况。
（四）影响骨疲劳的因素和疲劳曲线：骨骼上的应力，起到保护骨骼的作用。
（二）体育锻炼可促进骨的形态结构发生变化，提高骨抵抗载荷的能力。
第三节关节软骨、韧带、肌腱的生物力学特性和人体关节力学（课下自学）作业：自学P37--51第三节关节软骨、韧带、肌腱的生物力学特性和人体关节力学并回答问题。
1、简述关节软骨的力学性质，并分析关节软骨在关节活动中的作用。
：指肌肉工作时并联弹性成分的张力。
：被动张力与主动张力之和。
Ft = Fc + Fp（四）肌肉的平衡长度：无任何负荷时肌肉的长度— 。
在人体内的肌肉长度总是稍许大于平衡长度，所以放松的肌肉也保（也称最适长度）：指肌肉收缩成分产生最大收时，收缩成分的张力最大。
时，肌肉能恢复原长。
i=2.5 时，肌肉收缩力三、肌肉长度与肌肉收缩力量的关系—指肌肉收缩前的初长度对肌肉收缩（三）肌肉长度—总张力的关系（Ft— i曲线，P55图2-32）Ft = Fc + Fp分析：1、 i≤ 时，若肌肉收缩，Ft = Fc（此时Fp = 0）2、 i= o时，Fc = Fc max，则Ft =Fc max + Fp3、 i＞ o时，Fc减小，Ft一般减小。
Δ = 时为缓冲和超越器械（二）肌肉离心收缩力—速度的关系：（P60图2-37）随着肌肉被拉长速度的增加，肌力也增加，F∝V“切断”粗细肌丝连合所需的力要比保持等长收缩的力更大。
2、生物力学2
E
K
G
应力 弹性极限 正比极限
断裂点
抗张（压） 强度
应变 0
胡克定律（Hook’s law）：应力＝弹性模量×相关应变
应力
应力
E
f kx
0
应变
人股骨的张应力－张应变关系
0
应变
主动脉弹性组织的应力－应变曲线
生物医学工程系
流体的粘滞性：因流体内的切应力使流的快的流体带动
物体受到剪切作用，相互平行的部分
发生滑动时的应力称为剪(切)应力（τ）。
B
应变(strain) 当物体受外力作用时，其线度、形状和
体积的改变量与原来相应的线度、形状和体积之比。相对量
线应变：
l l
l 0 0 l 0 0
张应变 无单位 压应变
体应变： V
相邻流的慢的流体流动，而流的慢的流体阻碍相邻流的快的
流体流动的性质。量度粘滞性的物理量称为粘度或粘滞系数。
dηS 随切r变率dr的增 加 d而 减小
的现象称为剪切稀化；
η随切变r 率 的增加而f增加
的现象则称为P剪a粘.切s滞或稠系N化.数s。/m2
d
速度梯度
dr
f
d
dr
dS
牛顿粘滞定律 Newton viscous law
0
பைடு நூலகம்动脉的顺应性越大 动脉腔可扩张度越大 动脉的弹性越好
心室收缩周期
0 t Ts Ts t T
心动 周期
生物医学工程系
脉搏波的传播速度： c
hE
2a
血管的弹性模量
生物医学工程学的基础理论——生物力学
骨的构造 骨由骨膜、骨质 和骨髓构成，有丰富 的血管和神经。活体 内的每一块骨都是一 个活的器官。
骨膜
骺线
骨膜 骨松质 骨密质 骨髓 外板 内板
板障
骨的构造
骨质 骨膜 骨 骨髓 骨密质 骨松质
骺线
红骨髓
黄骨髓 内板 外板
骨膜
骨松质 骨密质 骨髓 骨膜
血管、淋巴和神经 颅骨 骨密质
骨松质-板障
板障
航 天 员 失 重 训 练 体 育 训 练 美 军 机 械 狗
big dog
生物热力学
生物体本身就是一个复杂的非平衡的热力学 系统，生命维持过程中的物质和能量的运输、交 换、补充、消耗都依赖于热力学而存在。
新陈代谢 非平衡态开放（能量交换）系统
生物传热：冷冻疗法的热量控制，生物传 热控制方程
应用：
生物力学的意义
用力学方法和原理解决生物医学问题
生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病的关
系，骨力学特性与骨折的愈合关系，血液流动规律与
心血管疾病的关系等的理解。应用生物力学的研究成 果，指导人工关节、人工心脏瓣膜等人工器官的设计。
以人工心脏瓣膜这一典型的生物医学工程项目为例：
① 了解心脏瓣膜开启和关闭的机理，弄 清人体心脏瓣膜的运动学和力学特性 （定量生物力学）； ② 解决人工心脏瓣膜材料问题（相容性、 毒性、力学性质和制备工艺等）； ③ 了解人工心脏机械瓣和生物瓣的力学 特性和疲劳寿命，以及植入心脏后的 长期生物效应等 。 人工心脏瓣膜的制作和质量控制与监测等还要涉及 一系列工程问题，此外还有成本控制问题。
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。 在体生物材料一般处于受力状态（如血 管、肌肉），一旦游离出来则处于自由 状态，即非生理状态（如血管、肌肉一 旦游离，即明显收缩变短）。 在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两 种情况。
运动生物力学课讲稿：第二章(2007)
（四）关节软骨的蠕变反应 （五）润滑作用
界面润滑
液静润滑 液膜润滑
（六）磨损
液动润滑 挤压润滑
界面磨损：由承载面之间相互作用引起 疲劳性磨损：由接触体变形引起的疲劳性磨损
二 韧带、肌腱结构的生物力学特性
（一）应力—应变曲线
应 力
0
5
6
8
10
应变/%
胶原纤维
应 力
0
100
200
应变/%
并 联 弹
性 成 分
串 联 弹
性 成 分
骨骼肌的结构模型：
收缩成分 并联弹 性成分 串联弹 性成分
二、肌肉长度与肌肉收缩力量的关系
基本概念
1．被动张力（Fp）：
是指肌肉工作时并联弹性成分的张力。 指收收缩成分收缩时产生的张力。 被动张力与主动张力之和。 无任何负荷时肌肉的长度。
2．主动张力（Fc）：
ΔX
Y
Δ δ
X
三、应力
正应力（δ）
应力
剪 应 力 （ η）
F P S
ΔF
M
ΔS Δ F Δ S
P =
四、应力—应变曲线
ζ
ζ
ζ
ζ
ζ
图2-5 拉伸图
（一）弹性阶段：（A—B）卸载后变形能完全恢复，
为弹性变形。
比例极限（σp）：规定与A点相对应的应力值。 刚度=EA (E：弹性模量或杨氏模量；A：构件横截面积) 弹性极限（σs）：与B点相对应的应力值，应力超过 弹性极限后，若除去外力，将留有残余变形。 （二）屈服阶段：（B—C）：曲线的坡度逐渐减小， 即材料对于变形的抵抗力逐渐减弱。 材料的屈服：变形继续增长而应力并不增加。 屈服强度（σy）：屈服阶段的下极限（与C点对应的 应力值）。 残余变形（塑性变形）：如果材料达到屈服，卸载之 后就不再回复到原状。
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。
模型中收缩元产生的张力成为主动张力，并联弹性元产生的张力称为被动张力。
生物力学概论
循环动力学
•大血管流体力学； •微循环力学； •毛细血管一组织间质的物质输运 •淋巴流动 •组织间质液的流动； •左心室一动脉血液相互作用； •肺血流， •冠脉血流动力学； •肾脏内部的血循环； •肝血流； •脑血流。
呼吸力学
•上呼吸道流体力学； •气管树内气流的阻力及其分布 •末梢支气管内的对流一扩散； •气血交换； •高频、低潮气量呼吸术。
牛顿流体，非牛顿流体
问题： ？对于两无穷大 平行平板间的流 动问题，如果是 图（c）和（d） 的非牛顿流体， 将如何求解。
线性粘弹性体
2．4．2 不同层次和不同系统中的生理流动问题
人体重量约有60％是液体，其中36％的体液存在 于细胞之中，45％为血液。另外11. 5％则分布于
组织细胞间质之中。
活组织的力学性质——生物流变学
•骨和软骨； •软组织(韧带、腰、皮肤、血管等等)； •肌肉力学(骨胳肌、心肌、平滑肌)； •血液流变学(全血、血浆、血细胞、凝血血栓形成等） •血液微流变学； •临床血液流变学； •体液的粘弹性(关节滑液、粘液等等)； •人工代用材料。
器官力学
•器官、组织的功能、应力和生长 骨重建； 零应力状态和残余应力； •肺力学； •心脏力学； •人工心瓣； 左心辅助泵； •颅脑一脊柱力学 •运动关节力学； 人工关节； 假肢； •感觉器官力学； 耳蜗力学。
威廉•哈维（1578-1658） 证明了血液流动的单向性，提出了血液循环的概念
雷内•笛卡儿（1596-1650）
发现因身体暴露而减轻体重，奠定了新陈代谢研究的基础 G. A. Borelli（1608-1679） 意大利数学家、天文学家和医学家，第一个推导出天体以 椭圆路径运动的原因，其专著《论动物的运动》，阐明了肌肉的 运动和身体的动力学问题，研究了鸟的飞行，鱼的游动，和心脏 和肠的运动
2运动系统生物力学
一、概述
（一）骨 1.骨的分类：长骨,短骨,扁骨,不规则骨 2.骨的构造：骨膜(结缔组织膜)；骨质(骨 密质，骨松质)；骨髓.
3骨的化学成分和物理特性 （1）化学成分：有机物为胶原
纤维和粘蛋白；无机物主要是碱 性磷酸钙为主的钙盐。
（2）物理特性：有很大的硬度 和一定的弹性；可塑性强。
塑性变形
永久性变形： （均匀）塑性变形阶段 不均匀塑性变形阶段（断裂阶段）
弹性极限 屈服极限 强度极限
骨组织结构
骨骼是由骨密质和骨松质组成。这两种骨的类型可以 看作是孔隙率大范围变化的一种材料。孔隙率指的是 非矿物组织(非骨组织)所占骨容积的比率，以百分比表 示。骨密质的孔隙率为5％一30％，而骨松质为30％～ 90％。骨密质较骨松质坚硬，断裂前能承受较大的应 力，而能承受的应变则较小。在体外承受的应变超过 原长2％时，骨密质断裂；而骨松质在应变超过7％时 才断裂。这是由于骨松质的多孔性结构具有较高的能 量储存量。骨密质和骨松质均呈各向异性(anisotropy)。 各向异性是指在不同方向受载显示不同的力学性能。 由于骨的结构在横向和纵向各不相同，因而骨的强度 也随所加载荷的不同方向而异。
作用于人体的力
人体经常受外力和内力这两大类力的影响：
1．外力是指外界环境作用于人体的力。 (重力、支撑反作用力、摩擦力、流体作用力等) 各种外力经常被用来作为运动训练的负荷，这种负荷要 求肢体运动的方向和力量与之适应，从而选择投入工作 的肌群及其收缩强度，这是肌力训练的方法学基础。
2．内力 是指人体内部各组织 器官间相互作用的力，
当力作用于人体和其他生物体上并加以研究的学 科，则称之为生物力学
在康复治疗中常以运动治疗作 为主要方法。
决定其有效性的主要因素是骨骼系统对力的耐 受性及其活动性，也即肌肉收缩所产生的力， 驱动骨骼围绕关节进行活动，并通过活动达到 增强肌力，改善关节活动状况，提高心、肺代 谢等功能，促进神经功能恢复等效果。因此， 正确认识运动器官各部分的力学特性及其与运 动之间的相互关系极为重要，而运用运动疗法 对躯体进行功能训练，则更需要生物力学理论 为指导。
生物力学概论---副本
节运动等
2021/3/11
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在运动生物力学的研究中，首先要建立人体力 学模型，通常把人设想为由有限个以球铰联结的 链系统。因为人体各相邻分体之间存在肌肉作用 力，所以人体力学模型应是包含肌肉动力系统的 特殊刚体系。人与动物的骨骼和肌肉的受力状态， 如手提重物时手臂骨骼与二头肌的受力，脊柱与 脊柱肌的受力等可用静力学方程求解。
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。
生物力学重点是研究与生理学、医学有关的力学问题。 目前热点正逐渐向细胞、分子层次发展 。
2021/3/11
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1.1.2 生物力学的意义
用力学方法和原理解决生物医学问题 生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病
人体工程生物力学的主要研究内容是：针对各种工作环境和
条件，研究如何预防人体慢性损伤，避免劳动职业病以及如何提
高劳动生产率，减轻劳动疲劳度，以达到人们在生产劳动中安全、
高效率且舒适的目的。人体工程生物力学是一门新兴学科，目前
各项研究才刚刚开始。随着人类追求舒适、安全、高效率地参加
生产劳动的愿望，这门学科将得到快速发展。
研究步骤
一． 首先要考虑生物的形态、器官以及组织的解剖绪构和微结构， 充分认识研究对象的几何特征，建立合理的物理模型；
二． 测定组织或材料的力学性质，即确定本构力程。对活组织的测 量，困难是很大的。通常的做法是对所研究的材料通过分析先 给出其本构关系的某种数学表达式，在此数学表达式中保留若 干待定常数，这些常数可以通过在体或离体实验来确定；
2021/3/11
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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41.1.骨骼肌未激活状态下被动张力可忽略不计2.心肌的被动张力不可忽略，但是一般比主动张力小3.平滑肌的被动张力要大得多，甚至可以等于或大于主动张力42.肌肉收缩的负荷：前负荷、后负荷和肌肉本身的功能状态。
43.Hill方程：方程表明：在挛缩状态下，肌肉单位时间从化学反应所获得的机械能是常量。
44.Hill方程适用条件：骨骼肌强直状态快速释放Hill方程不适用条件：肌肉未收缩，没有主动收缩的状态。
单收缩缓慢释放45.张力和强度：1.前负荷是肌肉有一定的初长度2.前负荷决定肌肉的初长度，影响肌肉的最大张力。
（肌肉长度增加到稍长于静息长度时，产生最大张力）46.后负荷与速度：后负荷是指肌肉开始收缩时才能遇到的负荷，它不增加肌肉的初长度，但能阻碍收缩时肌肉的缩短当肌张力<后负荷时，先有张力上升，—等长收缩当肌张力=后负荷时，再有长度下降，—等张收缩47.张力与时间：肌肉产生的张力与收缩时间成正比。
收缩时间越长产生的张力越大，直到最大张力张力大小，取决于活化的横桥数目。
48.整块肌肉可认为是许多三单元模型混联构成，模型的串联构成肌肉的长度，模型的并联构成肌肉的厚度。
49.有多个模型串联而成的肌肉，肌肉长度的增加，会提高其收缩速度，但不影响其收缩力在许多模型并联而成的肌肉断面上，肌肉横断面的增加，会增加肌肉收缩力，但不影响肌肉的收缩速度。
50.肌纤维的应力计算：1.肌肉被分割成有限单元2.每一个有限单元包含一个肌纤维和一个积分点3.应力作用下，肌纤维拉长4.每一个肌纤维用一个三元件Hill模型表示51.心肌的特点：1.时刻不能缺氧2.节律性强，不允许挛缩（不能处于强直状态）3.松弛状态心肌静息张力具有重要性4.心肌长度工作范围有限52.血管：血管系统是由动脉、毛细血管、静脉构成的网络，是一个封闭的回路。
最大的特点是具有粘弹性53.血管的功能：运送血液的管道，分配血液实现物质交换的场所54.血管壁分为内层，中层，外层。
中层是力学性质的主要提供者55.血管壁的力学性能主要取决于中层的胶原纤维、弹性纤维和平滑肌的性质、含量及空间构型56.三种组织的空间结构：平滑肌：螺旋形排列，螺距很短弹性纤维：形成纵向裂隙网络结构胶原纤维：波纹状网状网络，57.血管为各向异性材料：血管壁张力由两部分组成：弹性张力平滑肌产生的主动张力弹性张力:周向抗载荷能力比轴向强58.流体的定义：流体是流动的或在剪切力作用下不断形变的物质。
流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势（体积不变）。
在剪切力作用下，流体发生连续剪切变形，直至剪切力停止运动。
59.流体的运动：宏观运动：外力引起微观运动：自身热运动60.流体力学：流体在外力作用下的宏观运动规律。
61.流体的特点：流动性：流体没有固定的形状，其形状取决于限制它的固体边界；流体各个部分之间很容易发现相对运动，这就是流体的流动性。
62.运动流体：受到剪切应力作用发生了连续形变的流体就称为运动流体静止流体：不受剪切应力的流体就不发生变形，称为静止流体63.流体中存在的切应力是流体处于运动状态的充分必要条件。
64.粘滞性：流体的粘滞性是指流体自身阻止其产生相对运动的性质。
流体只有在流动的情况下才能展现其粘滞性。
粘性内摩擦力产生的原因：由于分子间的吸引力由于分子不规则运动的动量交换65.表面张力：液体自由表面有明显的欲成球形的收缩趋势，引起这种收缩趋势的力称为表面张力。
原因：有分子的内聚力引起的作用结果：是液体表面好像是一张均匀的紧绷的弹性膜66.流体的剪应力和剪应变率：流体在剪切力作用下流动，流体的流动性与其分子间距d成正比流体的剪应力：单位面积上的作用力剪应变率：用于描述流体在剪应力下的流动剪应力和剪应变率关系用黏度表示67.牛顿的粘性定律：对于大多数流体，实验结果表明：平板拉力F与平板面积A平板速度u成正比，与平板间距y成反比且与流体性质相关（黏度）68.生物流体一般为非牛顿流体。
全血属于非牛顿流体。
但血浆属于牛顿流体，其物理特性与书相似。
69.非牛顿流体的基本特点：1.粘度随剪变率改变2.存在屈服应力3.具有触变性4.具有塑性：弹性极限< 形变程度 < 断裂70.无屈服应力非牛顿流体：没有屈服应力，流动曲线都过坐标原点。