骨科生物力学概述

6.夹板治疗骨折时受力
第三节 骨的载荷、内力和变形
弹性体---形变规律---力的内效应----材料力学
外力作用 形变 屈服 断裂
一、物体的应力和应变 1.外力、内力、应力
P1
P2 m
P4
P1
P2 m
I P3
外力
II m
P5
I m
P3
内力
P4
II
P5
内力---外力作用物体使物体发生形变，其内部各 部分之间因相对位置发生变化，而引起的相互作用 力称附加内力，简称内力。
1967 1978
第一届国际生物力学讨论会 我国将生物力学纳入力学发展规划
第二节 骨力学及其研究中的几个问题
1.骨结构研究 2.应力-应变研究 3.骨的应力适应性 4.骨折治疗研究 5.脊柱生物力学 6.关节生物力学 7.骨骼肌力学 8.颅脑损伤力学
第三节 骨伤生物力学在我国的发展
骨伤生物力学---根据人体构件的解剖特征和力学性质，用力 学原理和方法研究骨折、脱位、矫形、移植及各种急慢性软组 织损伤等病因、病理、治疗及愈合机理的科学。 骨伤生物力学研究内容
* 英国 Willian Harvey 1615年 血液循环
1小时心输出量： 2英次 两 7次 26分 054 磅 0
* Galileo 1638年
T 2 l g
* Boreli 1680年 《论动物的运动》
* Poiseuille
水银压强计
生物力学史上 第一部专著
* 德国 Von Helmboltz 眼底镜，神经传播速度30m/s
截面中任一点P的内力 ---应力
Δs f
pa
lim
s0
f s
---应力
正应力 切应力
单位：Pa
应力
P
P4 II
P5
2.形变与应变
yσ x
τ y
x τ
形变:△x 应变：Δ x
y
y x
△x
γ
△v 形变:△u、△v
应变：Δ u , Δ v
△u
xy
正应变（线应变）：
Δu, Δv
x
y
切应变（角应变）： Δx y
Fm
Fm
150 30cm
3cm
30cm
T Wa=30N
Wa
G
G 6 0 W a3 0 F m 3s1 in 05
G=10N
Fm 194N0
Tx Fmx Ty GWa Fmy
T Tx2Ty2 199N8
tg 1 T y
Tx
4.髋关节
Fm
10.8cm
Fm
3.2cm 720 7cm
J
N Wl
N=W
Wa=
骨的力学性质
肌肉、肌腱、韧带、腱鞘、滑囊力学性质 寻找环境效应对生物组织的影响 骨折的病因、病理、治疗 骨矫形、延长、移植的手术疗法 骨重建的反馈机理及骨生长的人为控制 伤筋与骨错缝的研究 骨缺血坏死问题、骨性关节炎问题 现行骨伤疗法的改进和完善
第四节 力效应与骨伤科疾病的关系
1.骨伤科疾病的发生是力作用的结果
3.应力与应变关系
(1) E 胡克定律
(2)
弹性模量
,
泊松比
(3) G 胡克定律
弹性模量
4.杆件变形的基本形式
（1）拉伸或压缩形变
受大小相等、方向相反、作用线与轴线
P 重合的一对力的作用而发生的形变，表
x
现为长度拉伸或缩短。
（2）剪切形变
受大小相等、方向相反、作用线垂直于 轴线且相距很近的一对力的作用而发生 的形变，表现为两个面发生错动。
1 6
W
N 1.8 0 W L 3 .2F m 7si7n 02 Fm1.56W
Tx Fmco7s20
T Tx2Ty2 1.7W 6
Ty
WL
Fms in720 W
tg1Ty 74.230
Tx
74.230
N Wl
5.髌骨受力
骨直肌 骨中间肌
骨外侧肌
骨内侧肌
髌韧带 屈膝 300 F=W
600 F=4W 900 F=6W 屈膝 >900 F=8W
（3）扭转形变 （4）弯曲形变
受大小相等、转动方向相反、作用面垂 直于轴线的一对力偶的作用而发生的形 变，表现为两个截面饶轴相对转动。
受垂直于轴的横向力作用而产生的形变， 表现为杆件由直线变为曲线。
二、拉伸及压缩
m
1、横截面上的应力
Nf
P m
NP
P
f
P P
a' a b b'
平面假设
截面各处的应力相等
0
N S0
P S0
2、斜截面上的应力
σ
P
α
P
P
αN
τ
应力 N Pcos
S
S0
Hale Waihona Puke Baidu
3、应变
PcS0oscos0co2s PcS0ossin1 20si2n
Δl l
4、应力集中概念
0 , m a x0, 0
,
4
20,ma x20
, 0,0
2
三、剪切形变
N Q
S0 S0
在骨力学研究方面：
1638 Galileo 发现加载与骨形态的关系 1834 Bell 骨可以使尽可能少的材料承担载荷 1838 Ward 增加压缩载荷，可增加骨形成 1852 Ludwig 重力、肌力对维持骨质量的必要性 1867 瑞士学者 骨的结构形态于承载大小、方向有关 1892 Wollf 《骨转化定律》
生物力学
第一章 概论
第一节 生物力学概貌 一.生物力学概念及学习的重要性
力学---研究力及物体机械运动与其应用的科学. 生物学---研究生命结构、功能、发生、发展规律的科学. 生物力学---力学、生物学、医学结合的一门边缘学科，是力学原 理在生物学中的应用，以此来研究生物与力学有关的问题.
人的整体 各个器官
直接暴力 外力
间接暴力 肌力 内力 慢性劳损
2.骨伤科疾病的病理变化也是力作用的表现
大小
三角肌
力的三要素 方向 作用点
胸大肌 肱二头肌
3.骨伤科疾病的治疗是力学原理的应用 石膏固定、夹板固定、手术内固定 4.生物力学的发展促进骨伤科临床治疗的提高
第二章 力学、材料力学基础知识 骨力学性质
刚体---运动规律---力的外效应----力学 弹性体---形变规律---力的内效应----材料力学
生命的过程
运动生物力学 医学生物力学
工程生物力学
流体生 物力学
固体生 物力学
重视：
1.力学是其他科学的基础
空气动力学
飞机
生物力学
生理学、诊断学、外科学、修复学
2.生物力学是力学发展的动力
3.生物力学将自然界的启示应用于工程技术----仿生学
鸟、响尾蛇、蝙蝠、海豚、鸭子、锯草 ……
二.生物力学的发展渊源
第一节 力的概念 力的性质 常见力
肌肉力 F = λS m
生理横 截面积
力的分量
肌肉力的稳固分量和转动分量
Fm
Wa
G
力矩 力偶
第二节 静力平衡
1.颈椎关节
J
Wh
FmW h
Fm
T2W h
3
Wh
J
1
Fm
Fm3W h T4W h
2.踝关节
Fm
N
Fm
N=W
5cm
7.5cm
J
F m1.5W T2.5W
3.肩关节