人体运动生物力学

赵焕彬
高等教育出版社
2007
一、力学基础知识
• 1、力的基本概念
力的定义、效应、三要素、内力与外力
• 2、力的特性
力的矢量表示法、力的平行四边形定律、力 的作用与反作用定律
• 3、几种常见力
重力、摩擦力、弹性力
• 4、力矩与力的平衡
1、力的基本概念
• 定义：一个物体对另一个物体的作用，
2009年全国假肢矫形器制作师执业资格理论课
人体运动生物力学
研究内容
• 力学基础知识
• 骨杠杆
• 关节
• 步态分析
参考书籍
• 书名
• 矫形器学概论 • 新编康复医学
作者
靳尔刚
出版社
出版年
2007
中国社会出版社
• 现代运动生物力学 郑秀媛 国防工业出版社
胡永善 复旦大学出版社
2007
2006
• 运动生物力学
2、关节的分类
(1)滑车关节
单轴关节
(2)车轴关节 (1)椭圆关节
双轴关节
(2)鞍状关节
(1)球窝关节
多轴关节
(2)平面关节
3、关节的运动
• 移动 ：是最简单的一个骨关节面在另一骨关
节面上的滑动。
• 屈伸：通常是指关节沿冠状轴进行的运动。 • 收展：是关节沿矢状轴进行的运动。 • 旋转：是关节沿垂直轴进行的运动。 内旋、外旋
三、关节
• 1、关节定义
• 2、关节分类
• 3、关节的运动
1、关节定义
• 关节：是骨与骨之间的可动连接； • 基本功能：传递力和保证身体各部分间灵活运动； • 特点：灵活性和稳定性； • 稳定性和灵活性：是关节功能同时存在的两个方面， 关节灵活性以便人体运动时适应各种运动，稳定性保 证人体运动中维持动态平衡，处于合理的工作状态， 免于损伤。
• 环转：运动的骨，其上端在原位转动，下端则作圆周 运动，运动时全骨描绘出一圆锥形的轨迹。
• • • •
下肢运动的关节主要包括：
髋关节、膝关节、踝关节；
髋关节：是球关节，其股骨头和髋臼具有朝各个方 向活动的能力； 膝关节：属于多轴关节； 踝关节的运动：包括跖屈、背屈、外旋、内旋；
•
肘关节：的运动主要包括两种是屈曲和伸展。
• 力的合成与分解
• 力的合成：当一个物体受到数个力的作用时，合力为 几个力的矢量和。力的平行四边形定律。
• 力的分解：某一力如果要用不同方向的分力来表示， 称为力的分解。
F3 F1 F12 F2 F12
A
F4
F2
B
F1
3、几种常见力
• 重力：物体本身受地球吸引而产生的力，方向指向地 心。 • 重力与质量不同： • 质量是物体所含物质的多少，是物体惯性的量度，标 量，重力是物体产生重力加速度的原因，矢量。
②
不稳定平衡
• 人体在外力作用下，偏离平衡 位置后，当外力撤除时，人体 不仅不能回到原来的平衡位置， 而是更加偏离平衡位置。这种 平衡叫不稳定平衡。仅在下支 撑平衡动作中出现。 • 特点：偏离平衡位置时，重心 降低，产生的重力矩使人体继 续倾倒。
③ 有限度的稳定平衡
• 人体在外力作用下，在一定限度内偏离 平衡位置，当外力撤除时，人体回到平 衡状态，但是当偏离平衡位置超过某一 限度时，人体失去平衡，这种平衡叫做 有限度的稳定平衡。 • 特点：在一定限度内偏离平衡位置时， 人体重心升高，产生的重力矩使人体向 平衡位置移动，最终恢复平衡，但超过 某一定限度的偏离平衡位置时，人体重 心降低，产生的重力矩使人体更加偏离 平衡位置。
2、力的特征
• 力的矢量表示法
• 矢量：指有大小和方向的物理量。
• 标量：只用大小就可以表示其特征的物理量，质量。 • 力的表示：通常用一根带箭头的线段来表示。 长度： 大小 箭头： 方向
起点： 作用点
• 力的平行四边形定律
力的矢量性决定了力的合成与分解遵循力的平行四
边形定律。同一点A作用的两个力F1和F2，以其作邻 边画平行四边形，则平行四边形的对角线即代表这两 个力的合力，即 F3=F1+F2
二、骨杠杆
• 1、骨杠杆定义 • 2、杠杆原理
• 3、杠杆的分类
1、骨杠杆
• 定义：在肌肉拉力作用下，骨骼能够围绕关节轴转 动，并克服阻力做功，其功能与杠杆相同，称作骨 杠杆。 骨杠杆具有三个点：动力作用点、阻力作用点和支 点。 支点：是关节的瞬时中心； 动力臂：是肌肉作用线到支点的垂直距离。 阻力臂：是阻力作用线到支点的垂直距离。
2）根据平衡稳度分类 稳定平衡；不稳定平衡； 有限度的稳定平衡；随遇平衡
1）人体支点相对重心位置
• ① 上支撑平衡：当人体处于平衡，且支点在人体重
心的上方。如：体操中的各类悬垂动作。
•
② 下支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体 重心的下方，下支撑平衡在人体动作中最为常见。 如：平衡木的平衡动作、站立以及田径、武术等。 ③ 混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，这 时有的支撑点在人体重心上方，有的支撑点在人体重 心下方，如肋木侧身平衡。
（2）摆动期
• 下肢在空中向前摆动的时相，指足离开地面向前迈 步到再次落地的时间，占步行周期的40%，包括：
– 早期(initial swing) :指足离开地面早期的活动，主要的动 作为足廓清地面和屈髋带动屈膝，加速肢体前向摆动，占 步行周期的13%~15%。 – 中期(mid swing):指足在迈步中期的活动，足廓清仍然是 主要任务，占步行周期的10%。 – 末期(terminal swing): 指迈步即将结束，足在落地前的 活动，主要任务是下肢前向运动减速，准备足着地的姿势， 占步行周期的15%。
F3
F2
F2
F3
A
F1
B
F1
•
力的作用与反作用定律
• 牛顿第三定理：两物体间的作用力和反作用力总是大 小相等、方向相反、且作用在同一条直线上。 • 特点： • 作用在两个不同的物体上，与同一物体受到的平衡力 有本质的区别； • 大小相等，但各自可能产生不等的运动效果； • 性质相同，同时产生，同时消失； • 系统内的作用力与反作用力属系统内力，对整体运动 没有作用；静止和运动状态下第三定律都成立；
• 物体惯性的量度是物体的质量，质量越大惯性越大。
• 牛顿第二定律：物体运动的加速度与作用力成正比， 与物体的质量成反比。 F=ma
• 胡克定律：物体在弹性限度内，应力和应变成正比， 公式： s=Ee
• 力的三要素：大小、方向、作用点
内力：在一个系统内部相互作用的力。
人体内部各部分相互作用的力，如肌肉力、组织粘滞 力、韧带张力、关节约束反作用力等称为人体内力。 外力：外界作用于人体的力称为人体外力。 人体所受主要外力：重力、弹力、摩擦力、支撑反作 用力、介质作用力等，矫形器的压力、扭力等。 内力与外力的关系： 内力与外力的概念是相对的。确定某个力是外力或者 是内力，取决于选取的研究对象。研究对象不同，同 一个力既看作是内力也可看作是外力。
•
2）根据平衡稳度分类
• 随 遇 平 衡
• 有 限 度 的 稳 定 平 衡 • 不 稳 定 平 衡 • 稳 定 平 衡
①
•
稳定平衡
人体在外力作用下，偏离平衡位置后， 当外力撤除时，人体自然回复平衡位 置，而不需要通过肌肉收缩恢复平衡， 则该平衡是稳定平衡，多数上支撑平 衡属于稳定平衡。
• 特点：当偏离平衡位置时，重心升高， 产生的重力矩使人体向平衡位置运动， 回到平衡位置后，合力为零，合力矩 为零。
• 重心：重力的作用点是物体的重心。
• 人体重心：人体各部分所受地球引力的矢量合成，使 人体产生重力加速度的力。
• 摩擦力：两个互相接触的物体，当它们要发生或已经 发生相对运动时，在接触面上产生的一种阻碍相对运 动的力。 • 摩擦力分为：静摩擦力和动摩擦力两种。
• 静摩擦力：两物体接触有相对运动趋势，但没有相对 运动，这时的摩擦力称为静摩擦力。如果物体间发生 了相对运动，则称动摩擦力，包括：滑动摩擦力和滚 动摩擦力。
④
随遇平衡
• 人体在外力作用下偏离平衡位置，当外力撤除时， 人体既不回到原来的平衡位置，也不继续偏离原位 置，而是在新位置上保持平衡，这种平衡叫随遇平 衡。在运动中很少见。 • 特点：偏离原来位置时，重心高度不变，不产生 使物体位置移动的重力矩。如：连续完成的两个前 滚翻。
影响人体平衡的因素
• 重心高度: 重心越低，稳定性越好。 • 支撑面：是由各支撑部位的表面及它们所包围的面积， 支撑面越大，物体平衡的稳定性越好。 • 稳定角：重力作用线和重心与支撑面相应边界的连线 之间的夹角。稳定角越大，稳定性越好；稳定角越小， 稳定性越差；稳定角为零，人体处于临界状态。 • 质量：质量越大稳定性越好。 • 摩擦力：支撑物的表面摩擦力越大，越易保持稳定。
– 中期(mid stance)：支撑足全部着地，对侧足处于摆动相， 是唯一单足支撑全部重力的时相，正常步速时大约为步行 周期的38%~40%。 – 末期(terminal stance) ：指下肢主动加速蹬离(push off) 的阶段，开始于足跟抬起，结束于足离地，约为步行周期
的10%~12%。
• 弹性力 ：物体由于形变而对引起形变的物体产生的作 用力，弹力是接触力，而人体在接触过程中发生形变 有时是肉眼观察不到的，但相互挤压产生的弹力是存 在的。
4、力矩与力的平衡
力矩：力和力臂的乘积
力 F 对参考点 O 的力矩定义为：
M = r F

大小：M = Fr sin = Fd 沿 方向： r F 方向
站立期早期(early stance)：
• 首次触地: 指足跟接触地面的瞬间，使下肢向前运动减速， 落实足进入支撑相的位置。 • 承重反应 :指首次触地之后重心由足跟向全足转移的过程。 • 双支撑相: 支撑足首次触地及承重反应期相当于对侧足的减 重反应和足离地，由于此时双足均在地面，又称之为双支 撑相。双支撑相是步行周期中最稳定的时期。跑步 • 地面反作用力（GRF）: 首次触地时的GRF一般相当于体重 和加速度的综合，正常步速时为体重的120%~140%。步速 越快，GRF越高。
• •
2、骨杠杆原理
• • 杠杆原理：即杠杆平衡条件，作用在同一物体的两 个力矩，大小相等，方向相反。 动力×动力臂=阻力×阻力臂
•
•
代数式： F1*L1= F2*L2
杠杆平衡条件反映：动力臂是阻力臂的几倍，动力 就是阻力的几分之一。
3、杠杆的分类
• • • • • 双臂杠杠：动力点和阻力点位于支点两侧 单臂杠杆：动力点和阻力点位于支点同侧 省力杠杆：动力臂> 阻力臂，动力<阻力 费力杠杆：动力臂< 阻力臂，动力>阻力 等力杠杆：动力臂=阻力臂，动力=阻力
影响因素：力矩是使人体转动 状态发生改变的原因，与力的大 小、力的作用线到转动轴的垂直 距离有关。

方向：物体沿逆时针方向转动 为正，反之为负。
•
• • •
力的平衡：
平衡条件：维持人体平衡的两个条件合力和合力矩 为零。 平衡的分类： 1）根据人体支点相对重心位置
•
• •
上支撑平衡；下支撑平衡 ；混合支撑平衡
物体间力的作用是相互的。力的单位：牛顿，N
人体运动生物力学中的力主要是：人体与地面、器械、 流体的相互作用。
• 力的效应：力使物体的运动状态和形状发生改变的作 用。
• 内效应（形状发生改变）和外效应（运动状态改变） • 力的效应的描述：牛顿第一定律、第二定律和胡克定 律为基础。
• 牛顿第一定律：任何物体，如果不受外力的作用或所 受的合力为零，将保持静止或匀速直线运动状态，又 称惯性定理。 • 惯性：所有物体具有保持它原来运动状态的性质。
四、步态分析
• 1、步行周期 – （1）支撑相 – （2）摆动相 • 2、步行参数
– 步长、步宽、步幅、步频、步行周期等
Fra Baidu bibliotek
• 3、异常步态
• 步行（walking）：指通过双脚的交互动作移行人体的活动。 • 步态（gait ）：是行走时人体的姿态，是步行运动状态的统 称。 • 步态分析（gait analysis）：是研究步行规律的检测方法， 旨在通过生物力学和运动学手段，揭示步态异常的关键环节 和影响因素，从而协助康复评估和治疗，也有助于协助临床 诊断、疗效评估、机理研究等。
1、步行周期
• 步行周期：指一侧下肢完成从足落地到再次落地的时间过程， 根据下肢在步行时的位置分为：站立期和摆动期。
（1）站立期
• 下肢接触地面并承受重力的时相，约占步行周期的
60%，即足跟触地到足趾离地时期，包括：
– 早期(early stance)：首次触地和承重反应，正常步速时 占步行周期的10%~12% 。