第5章 人体运动的生物力学特性(修改后)

第5章人体运动的生物力学特性

5.1人体运动系统

人体运动系统由骨、骨连结和骨骼肌三部分构成，它们约占人体质量的58％左右。肌肉附着在骨架上，受神经系统的支配，能产生各种不同方式的收缩，肌肉收缩时牵动着骨绕骨连结(尤其是骨关节)转动，使人体产生各种各样的运动和操作姿势。因此，骨是人体运动的杠杆，骨连结是支点，骨骼肌是动力。

骨是人体内部最坚固的组织。骨与骨之间的连结方式有直接连结与间接连结两大类，直接连结的相对骨面间无间隙，不活动或仅有少许活动；间接连结称为关节，以相对骨面间具有间隙为特征，人体运动主要是骨绕关节的运动所形成的。

5.1.1人体骨骼

人体骨骼共有206块，其中只有177块直接参与人体运动。

人体骨骼分为两大部分：中轴骨和四肢骨。中轴骨包括颅骨29块(其中有6块听小骨和l块舌骨)、椎骨26块(颈椎7块、胸椎12块、腰椎5块、骶骨和尾骨各1块)、肋骨12对和胸骨1块。四肢骨分上肢骨和下肢骨：上肢骨64块，下肢骨62块。如图3—30所示，人体骨骼有下列功能：

(1) 支撑人体骨与骨相连结，构成人体支架，支持人体的软组织，承担全身重量。

(2) 保护内脏骨形成体腔，保护脑、心、肺等内脏器官。

(3) 运动的杠杆肌肉牵引着骨绕关节转动，使人体可产生各种各样的运动。

(4) 造血骨的红骨髓有造血的功能，黄骨髓有储藏脂肪的作用。

(5) 储备矿物盐主要储备钙和磷，供应人体的需要。

5.1.2关节

1.关节的分类

按其关节面的形态和运动形式，关节可分为下列三大类：

(1) 单轴关节只有一个运动轴，骨仅能沿该轴作一组运动。单轴关节又有屈戌关节和车轴关节之分：

屈戌关节，又名滑车关节，凸的关节面呈滑车状，如手指关节。通常是绕冠状轴作屈、伸运动。

车轴关节，关节头的关节面呈圆柱状，常以骨和韧带连成一环，围绕关节头，作为“关节窝”，如环枢正中关节、桡尺近侧关节等，可绕铅垂轴作旋转运动。

(2) 双轴关节有两个互为垂直的运动轴，可绕此二轴进行两组运动，也可作环转运动。双轴关节又有椭圆关节和鞍状关节之分：

椭圆关节，关节头呈椭圆形凸面，关节窝呈椭圆形凹面，如手腕关节。可绕冠状轴作屈、伸运动，并绕矢状轴作收、展运动。

鞍状关节，相对两关节面都呈马鞍状，可作屈、伸、收、展及环转运动。如拇指腕掌关节。

(3) 多轴关节有三个互为垂直的运动轴，能作屈、伸、收、展及旋转等各种运动。多轴关节又有球窝关节和平面关节之分：

球窝关节，球状的关节头较大，而关节窝浅小，如肩关节。杵臼关节与球窝关节相似，而关节窝特深，包绕关节头的1／2以上，因而运动幅度较小，如髋关节。

平面关节，关节面接近平面，实际上是巨大的球窝关节的一小部分，如肩锁关节。

两个或两个以上结构完全独立的关节，但必须同时进行活动，这种关节称为联合关节。

关节的灵活性以其关节面的形态为主要依据，首先取决于关节的运动轴，轴越多，可能进行的运动形式越多；其次取决于关节面的差，面差越大，活动范围越大，如肩关节和髋关节同样是三轴关节，肩关节的头大、窝小，所以面差大，而髋关节的髋臼大而深，面差小，故肩关节比髋关节更灵活。

2．关节的运动

关节的运动主要有三种形式：

(1) 角度运动邻近两骨间产生角度改变的相对转动，称为角度运动。通常有屈、伸和收、展两种运动形态。关节绕额状轴转动时，同一关节的两骨互相接近，角度减小时谓之屈，反之谓之伸。关节绕矢状轴转动时，骨的末端向正中面靠近的谓之内收，远离正中面的谓之外展。

(2) 旋转运动骨绕垂直轴的运动称为旋转运动，由前向内的旋转称为旋内，由前向外的旋转称之旋外。

(3) 环转运动整根骨头绕通过上端点并与骨成一角度的轴线的旋转运动，称为环转运动，运动的结果如同画一个圆锥体的图形。

3．关节的活动范围

骨与骨之间除了通过关节相连外，还由肌肉和韧带连结在一起。韧带除了有连结两骨，增加关节稳固性的作用以外，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。人体处于各种舒适姿势时，关节也必然处在一定的舒适调节范围内。人体各主要关节的最大活动范围及舒适调节范围如图3—3l、3—32和表3—16所示。

人体各主要关节的最大活动范围及其调节范围

表3—16中给出的最大角度适用于一般情况，年岁较高的人大多低于此值。穿厚衣服时，角度也要小些。有多个关节的一串骨骼中，若干角度相叠加会产生更大的总活动范围(例如低头、弯腰)。

5.2骨骼肌的力学特性

肌肉在人体上分布很广，根据其形态、构造、功能和位置等不同特点，可分为平滑肌、心肌和横纹肌三类。其中横纹肌大都跨越关节，附着在骨骼上，称为骨骼肌。因骨骼肌的收缩受人的意志支配，故又称随意肌。

人机工程学中主要研究骨骼肌的特性，本书以后凡提到肌肉，均指骨赂肌而言。人体全身共有骨骼肌434块。成年男子骨骼肌约占人体质量的40％、女子为35％左右。骨骼肌有收缩性、伸展性、弹性和粘滞性四种物理特性：

(1) 收缩性表现为肌肉纤维长度的缩短和张力的变化。处于静止状态的肌肉并不是完全休息放松的，其中少数运动部位的肌肉保持轻微的收缩(即保持一定的紧张度)，用以维持人体的一定姿势；处于运动状态的肌肉，肌纤维明显缩短，肌肉周径增大，肌肉收缩时肌纤维长度比静止时缩短1/3到l/2。

(2) 伸展性表现为肌肉受外力作用时被拉长，外力解除后，被拉长的肌纤维又可复原。

(3) 弹性表现为肌肉受压变形，外力解除即复原的线性特性。

(4) 粘滞性主要是由于其内部含有胶状物质的缘故。气候寒冷时，肌肉的粘滞性增加；气温升高后，肌肉的粘滞性降低，这可保证人动作的灵活性，避免肌肉拉伤。

5.2.1肌肉收缩的外部表现

肌肉在体内的功能，就是它们在受到刺激时能产生张力或／和缩短，藉以完成躯体的运动或对抗某些外力的作用。当肌肉克服某一外力而缩短，或肌肉因缩短而牵动某一负荷物时，肌肉完成了一定量的机械功，其数值等于所克服的阻力(或负荷)和肌肉缩短长度的乘积。但肌肉在收缩时究竟是以产生张力为主，还是以表现缩短为主，以及收缩时能作功多少，则要看肌肉本身的机能状态和肌肉所遇到的负荷条件。

肌肉在体内或实验条件下可能遇到的负荷主要有两种：一种是在肌肉收缩前就加在肌肉上的负荷，例如，把肌肉一端固定，在另一端悬挂一定数量的重物，这种负荷称为前负荷(preload)，前负荷使肌肉在收缩前即处于某种被拉长的状态，使它在一定的初长度(initial length)的情况下进入收缩。另一种负荷称为后负荷(after load)，是肌肉在开始收缩时才能遇到的负荷或阻力，它不能增加肌肉收缩前的初长度，但能阻碍收缩时的短缩。

5.2.2肌肉的三元件仿真模型

肌肉收缩的力学特性可用三元件简化仿真模型(图3—33)加以描述，图中c．c．表示收缩元件；s．c．表示串联顺应元件，相当于串联的无阻尼弹性元件；p，巳表示并联顺应元件，相当于并联的无阻尼弹性元件。三个元件的性质共同决定肌肉的力学特性。