生物力学

《生物力学与人类健康》

前言

一、伽利略（Galilei Galileo，1564-1642）

•伽利略，天文学家和物理学家——自由落体实验、望远镜的发明等等。•他发现单摆定律时，借助脉搏跳动计算单摆时间：每摆动一次，脉搏跳动的次数是一样的。

•单摆定律：又称“单摆等时”定律，就是单摆振动周期与振幅无关。

二、哈维（Willam Harvey，1578-1658）

•发现人的血液循环，提出一些概念：

✓Stroke Volume = 2oz(符号ounce的缩写，中文称为“盎司”， 1oz=28.35g 克)。

✓HR = 72次/min

✓Output of Heart per hour = 2x72x60=8640 oz. = 540 lb.

三、哈维的实验发现：

•兔子和蛇的实验：动脉血从心脏里向外流，静脉血管中的血是流向心脏的。

他证明了静脉中的血流方向。

•证明人体：与动物的血液循环是一样的。

四、血液循环的“动力泵”——心脏简介：

•心脏重量 300 g

•每次搏动输出血量70 cm3

•每天泵血量5040升

•每天心跳次数 10万次

•每天做功 100 kJ（1 kJ相当于把质量为100kg的物体升高1m）

五、生物心脏运动中的大量力学现象：

•心脏周期性的收缩和舒张运动；

•心脏腔室容积的改变；

•不同部位压力差的变化；

•心脏“开关”(瓣膜)的开放和关闭；

•血液的定向流动；

•“开关”闭合的振动产生心音；

•心脏运动中的力-电-化学耦合特性。

六、刘翔速度—生物力学另一个问题—肌肉工作原理：

•肌肉在生物体内的作用是什么？

•肌肉的工作原理是什么？

•人类的肌肉组织结构是怎样的？

•人体的肌肉运动包含着哪些力学现象？

•肌肉量是如何反映到物理力上的？

•影响肌肉力量发挥的物理学、生理学因素是什么？

•人体如何通过控制、协调不同肌群工作产生各类运动？

（以上问题的目的是提供思考空间，请在学习过程中掌握）

第一章生物力学简介

一、什么是生物力学

1. 定义

1）力学——研究运动的科学。

2）生物学——研究生命的科学。

3）生物力学(biomechanics)——解释生命及其活动的力学，是力学与医学、生物学等学科相互结合、相互渗透、融合而形成的一门新兴交叉学科。

2. 研究目的：生命科学的原理和方法与力学的原理和方法相结合，认识生命过程的规律（定量），并用以维持、改善人的健康。

3. 分类：依研究对象的不同可分为：生物流体力学；生物固体力学；运动生物

力学等。

二、生物力学的历史

•生物力学兴起于上世纪60年代中、后期。到了20世纪60年代，生物力学成为一门完整、独立的学科。

•在科学的发展过程中，生物学和力学相互促进和发展着。

1. 流体力学

几个重要的科学家和发现：

1）哈维在1615年根据流体力学中的连续性原理，按逻辑推断了血液循环的存在，并由马尔皮基于1661年发现蛙肺微血管而得到证实；

2）流体力学中描述直圆管层流运动的Poiseuille（伯肃叶）定理，其实验基础是狗主动脉血压的测量；

3）黑尔斯（1677-1761）测量了马的动脉血压，为寻求血压和失血的关系，在血液流动中引进了外周阻力的概念，同时指出该阻力主要来自组织中的微血管；4）弗兰克（O.Frank）提出了心脏的流体力学理论；

5）牛顿在1700年左右测定了动脉和静脉的血压并论述了动脉弹性在生理功能方面的意义。

2. 材料力学

•几个重要的科学家和发现：

1)杨氏（T.Young ）建立了关于声带发声的弹性力学理论，力学中常用的杨氏

模量就是他为此而提出的。

2)阿·波雷利（G.A.Borelli,1608-1679）在名著《论动物的运动》（1680年）

中，提出了一系列关于动物（包括人）肢体运动的力学模型，并进行了分析。

3)弗兰克（O.Frank）提出了关于动脉系统功能的“风箱”（Windkessel）模型，

把动脉系统看作一个带有终端阻抗的弹性腔（风箱）。“风箱”模型是循环生理学的基础，在今天的生物力学中，依然发挥着重要的作用。

4)希尔（A.V.Hill）通过蛙缝匠肌挛缩实验，建立了骨胳肌的功能模型。目前

为止，Hill模型依然是肌肉力学的主要基础。

三、生物力学的方法

•生物力学是工程方法，它包括观察、实验、理论、论证及应用。

•为了理解任一物体，我们必须知道它的结构、尺寸和材料、材料的力学性能及其服从的自然规律，特定问题的数学表达及其数学解，以及验证确实的结果。

•具体包括：

1）形态学与组织学——几何特点；

2）反映物质宏观性质的物理学、数学模型；

3）边界条件；

4）用生理学实验验证；

5）应用。

•但必须注意，生物力学并不等同于一般物理意义里的力学。这是因为：

1)进行生物力学的研究首先要了解生物材料的几何特点，进而测定组织或材料

的力学性质。对于边界问题的解，需用生理实验去验证。若有必要，还需另立数学模型求解，以期理论与实验相一致。

2)其次作为实验对象的生物材料，有在体和离体之分。两种状态材料的实验结

果差异较大。

3)生物体具有极其复杂的生命结构，许多生命现象往往是多器官、多组织共同

作用的结果，因而单纯依靠力学基本理论和方法构建生物力学模型是十分困难的。

•“黑箱”模型：又称经验模型，指一些其内部规律还很少为人们所知的现象。

如生命科学、社会科学等方面的问题。但由于因素众多、关系复杂，也可简化为黑箱模型来研究（仅考虑输入和输出，忽略中间过程）。•Windkessel的“风箱”模型和Hill肌肉力学模型从本质上来讲都属于“黑箱”模型。