人体生物力学与施力特征

动，见图５-２（ｃ）。此类杠杆的运动在人体中较为普遍，虽用力 较大，但其运动速度较快。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 由机械学中的等功原理可知，利用杠杆省力不省功，得之于力则失之 于速度（或幅度），即产生的运动力量大而范围就小；反之，得之于 速度（或幅度）则失之于力，即产生的运动力量小，但运动的范围大 。因此，最大的力量和最大的运动范围两者是相矛盾的，在设计操纵 动作时，必须考虑这一原理。
５.２ 人体生物力学模型
• ５.２.２前臂和手的生物力学模型
• 单一部位模型根据机械学中的基本原理孤立地分析身体的各个部位， 从而能分析出相关关节和肌肉的受力情况。举例来说，一个人前臂平 举、双手拿起２０ｋｇ的物体，此时两手受力相等。
• ５.２.３举物时腰部生物力学模型
• 有研究者估计因为职业原因及其他不明原因，腰部疼痛问题可能会影 响５０％～６０％的人口。
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５.２ 人体生物力学模型
• ５.２.１人体生物力学建模原理
• 生物力学模型是用数学表达式表示人体机械组成部分之间的关系。在 这个模型中，肌肉骨骼系统被看作机械系统中的联结，骨骼和肌肉是 一系列功能不同的杠杆。生物力学模型可以采用物理学和人体工程学 的方法来计算人体肌肉和骨骼所受的力，通过这样的分析就能帮助设 计者在设计时清楚工作环境中的危险并尽量避免这些危险。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 每块肌纤维还可以更进一步地细分成更小的肌原纤维，直到最后的提 供收缩机制的蛋白质丝。这些蛋白质丝可以分为两类，一种是有分子 头的粗长蛋白质丝，称为肌球蛋白；一种是有球状蛋白质的细长丝， 称为肌动蛋白。
• ５.１.２骨杠杆
• 人体有２０６块骨头，它们组成坚实的骨骼框架，从而可以支撑和保 护肌体。骨骼系统的组成使得它可以容纳人体的其他组成部分并将其 连接在一起。
大约在７０°处可达最大值，即产生相当于体重的力量。这正是许多 操纵机构（例如方向盘）置于人体正前上方的原因所在。 • 在直立姿势下臂伸直时，不同角度位置上拉力和推力的分布如图５７所示。可见最大拉力产生在１８０°位置上，而最大推力产生在０ °位置上。
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５.３ 人体的施力特征
• 在坐姿下手臂在不同角度和方向上的推力和拉力如表５-３所示。该 表中的数据表明，左手弱于右手；向上用力大于向下用力；向内用力 大于向外用力。
• ５.１.１肌系统
• 人体之所以能产生运动，是由于体内有一个复杂的肌肉和骨骼系统， 称为肌骨系统。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 人体内有３种类型的肌肉：附着在骨头上的骨骼肌或横纹肌、心脏内 的心肌以及组成内部器官和血管壁的平滑肌。这里我们只讨论与运动 有关的骨骼肌（人体内大约有５００块骨骼肌）。
• 因为弯腰改变了腰脊柱的自然曲线形态，不仅加大了椎间盘的负荷， 而且改变了压力分布，使椎间盘受压不均，前缘压力大，向后缘方向 压力逐渐减小，见图５-１３（ｂ），这就进一步恶化了纤维环的受 力情况，成为损伤椎间盘的主要原因之一。另外，椎间盘内的黏液被 挤压到压力小的一端，液体可能渗漏到脊神经束上去。总之，提起重 物时必须保持直腰姿势。人们经过长期的劳动实践和科学研究总结了 一套正确的提重方法，即直腰弯膝。
• 脊柱承受的重量负荷由上至下逐渐增加，第５块腰椎处负荷最大。人 体本身就有负荷加在腰椎上，在作业时，尤其在提起重物时，加在腰 椎上的负荷与人体本身负荷共同作用，使腰椎承受了极大的负担，因 此人们的腰椎病发病率极高。
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５.４ 合理施力的设计思路
• 用不同的方法来提起重物，对腰部负荷的影响不同。如图５-１３（ ａ）所示，直腰弯膝提起重物时椎间盘内压力较小，而弯腰直膝提起 超重物会导致椎间盘内压力突然增大，尤其是椎间盘的纤维环受力极 大。如果椎间盘已有退化现象，则这种压力急剧增加最易引起突发性 腰部剧痛。所以，在提起重物时必须掌握正确的方法。
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５.３ 人体的施力特征
• 此外，人体所处的姿势是影响施力的重要因素，作业姿势设计时，必 须考虑这一要素。图５-９表示人体在不同姿势下的施力状态，图中 （ａ）为常见的操作姿态，其对应的施力数值见表５-４，施力时对 应的移动距离见表５-５；图中（ｂ）为常见的活动姿态，其对应的 施力大小见表５-６，施力时相应的移动距离已标在该图中。
• ５.３.１主要关节的活动范围
• 骨与骨之间除了由关节相连外，还由肌肉和韧带联结在一起。因韧带 除了有连接两骨、增加关节的稳固性的作用以外，它还有限制关节运 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。另外，人体处于各种舒适姿势时，关节必然处在一定的舒 适调节范围内。表５-１为人体重要活动范围和身体各部舒适姿势调 节范围，该表中的身体部位及关节名称可参考相应的示意图，见图５ -５。
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５.３ 人体的施力特征
• 例如，拉力由最大值衰减到四分之一数值时，只需要４ｍｉｎ。而且 任何人劳动到力量衰减到一半的持续时间是差不多的。
• ５.３.３人体不同姿势的施力
• 肌力的大小因人而异，男性的力量比女性平均大３０％～３５％。年 龄是影响肌力的显著因素，男性的力量在２０岁之前是不断增长的， ２０岁左右达到顶峰，这种最佳状态大约可以保持１０～１５年，随 后开始下降，４０岁时下降５％～１０％，５０岁时下降１５％，６ ０岁时下降２０％，６５岁时下降２５％。腿部肌力下降比上肢更明 显，６０岁的人手的力量下降１６％，而胳膊和腿的力量下降高达５ ０％。
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５.３ 人体的施力特征
• ５.３.２肢体的出力范围
• 肢体的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时所产生的力称为肌力。肌力的 大小取决于以下几个生理因素：单个肌纤维的收缩力；肌肉中肌纤维 的数量与体积；肌肉收缩前的初长度；中枢神经系统的机能状态；肌 肉对骨骼发生作用的机械条件。研究表明，一条肌纤维能产生１０－ ３～２×１０－３Ｎ的力量，因而有些肌肉群产生的肌力可达上千牛顿 。表５-２为中等体力的２０～３０岁青年男女工作时身体主要部位 肌肉所产生的力。
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５.４ 合理施力的设计思路
• ５.４.３设计合理的工作台
• 放在地上或比较接近地面的大型货物通常危害性最大，因为工人在搬 运这些货物时，躯体必须向前弯曲，这样会明显增大腰部椎间盘的压 力。所以，大型货物的高度不应低于工人大腿中部，图５-１４举例 说明了可以采用可升降的工作台帮助工人搬运大型货物。升降平台不 仅可以减少工人举起货物过程中的竖直距离，而且还可以减少水平距 离的影响。
第5章 人体生物力学与施力特征
• ５.１ 人体运动与肌骨系统 • ５.２ 人体生物力学模型 • ５.３ 人体的施力特征 • ５.４ 合理施力的设计思路
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 运动系统是人体完成各种动作和从事生产劳动的器官系统。它由骨、 关节和肌肉三部分组成。全身的骨借关节连接构成骨骼。肌肉附着于 骨，且跨过关节。由于肌肉的收缩与舒张牵动骨，通过关节的活动而 能产生各种运动。所以，在运动过程中，骨是运动的杠杆，关节是运 动的枢纽，肌肉是运动的动力。三者在神经系统的支配和调节下协调 一致，随着人的意志，共同准确地完成各种动作。
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５.４ 合理施力的设计思路
• ５.４.２避免弯腰提起重物
• 人的脊柱为“Ｓ”曲线形，１２块胸椎骨组成稍向后凹的曲线，５块 腰椎骨连接成向前凸的曲线，每两块脊椎骨之间是一块椎间盘。由于 脊柱的曲线形态和椎间盘的作用，使整个脊柱富有一定的弹性，人体 跳跃、奔跑时完全依靠这种曲线结构来吸收受到的冲击能量。
• 肌肉的收缩是运动的基础，但是，单有肌肉的收缩并不能产生运动， 必须借助于骨杠杆的作用，方能产生运动。人体骨杠杆的原理和参数 与机械杠杆完全一样。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是动力源，肌 肉与骨的附着点称为力点，而作用于骨上的阻力（如自重、操纵力等 ）的作用点称为重点（阻力点）。人体的活动，主要有下述三种骨杠 杆的形式：
• 单一部位的静止平面模型（又称为二维模型），通常指的是在一个平 面上分析身体的受力情况。静止模型认为身体或身体的各个部分如果 没有运动就处于静止状态。单一物体的静止平面模型是最基础的模型 ，它体现了生物力学模型最基本的研究方法。复杂的三维模型和全身 模型都建立在这个基本模型上。
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５.２ 人体生物力学模型
• 引起腰部疼痛的主要原因是用手进行的一些操作，如抬起重物、折弯 物体、拧转物体等，这些动作造成的疾病也是最严重的。除此之外， 长时间保持一个静止的姿势也是引起腰部问题的主要原因。因此，生 物力学模型应该详细分析这两个问题的原因。
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５.３ 人体的施力特征
• 生物力学模型的基本原理建立在牛顿的三大定律上： • ①物体在无外力作用下会保持匀速直线运动或静止状态； • ②物体的加速度跟所受的合外力大小成正比；
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５.２ 人体生物力学模型
• ③两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用 在一条直线上。
• 当身体及身体的各个部位没有运动时，可认为它们处于静止状态。处 于静止状态的物体受力必须满足以下条件：作用在这个物体上的外力 大小之和为零；作用在该物体上的外力的力矩之和为零。这两个条件 在生物力学模型中起着至关重要的作用。
• 每块肌肉是由许多直径约０.００４ｉｎ（即０.１ｍｍ）、长度０.２ ～５.５ｉｎ（即５～１４０ｍｍ）的肌纤维组成的，具体取决于肌 肉的大小。这些肌纤维通常由肌肉两端的结缔组织捆绑成束，并使肌 肉和肌纤维稳固地黏附在骨头上见图５-１。
• 氧和营养物质通过毛细血管输送到肌纤维束，来自脊髓和大脑的电脉 冲也经由微小与肌骨系统
• （１）平衡杠杆 • 支点位于重点与力点之间，类似天平秤的原理，例如通过寰枕关节调
节头的姿势的运动，见图５-２（ａ）。 • （２）省力杠杆 • 重点位于力点与支点之间，类似撬棒撬重物的原理，例如支撑腿起步
抬足跟时踝关节的运动，见图５-２（ｂ）。 • （３）速度杠杆 • 力点在重点和支点之间，阻力臂大于力臂，例如手执重物时肘部的运
• 坐姿时下肢不同位置上的蹬力大小见图５-８（ａ），图中的外围曲 线就是足蹬力的界限，箭头表示用力方向。可知最大蹬力一般在膝部 屈曲１６０°时产生。脚产生的蹬力也与体位有关，蹬力的大小与下 肢离开人体中心对称线向外偏转的角度大小有关，下肢向外偏转约１ ０°时的蹬力最大，如图５-８（ｂ）所示。
• 应该注意的是，肢体所有力量的大小，都与持续时间有关。随着持续 时间延长，人的力量很快衰减。
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５.３ 人体的施力特征
• 在操作活动中，肢体所能发挥的力量大小除了取决于上述人体肌肉的 生理特征外，还与施力姿势、施力部位、施力方式和施力方向有密切 关系。只有在这些综合条件下的肌肉出力的能力和限度才是操纵力设 计的依据。
• • 在直立姿势下弯臂时，不同角度时的力量分布如图５-６所示。可知
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５.４ 合理施力的设计思路
• ５.４.１避免静态肌肉施力
• 提高人体作业的效率，一方面要合理使用肌力，降低肌肉的实际负荷 ；另一方面要避免静态肌肉施力。无论是设计机器设备、仪器、工具 ，还是进行作业设计和工作空间设计，都应遵循避免静态肌肉施力这 一人机工程学的基本设计原则。例如，应避免使操作者在控制机器时 长时间地抓握物体。当静态施力无法避免时，肌肉施力的大小应低于 该肌肉最大肌力的１５％。在这一动态作业中，如果作业动作是简单 的重复性动作，则肌肉施力的大小也不得超过该肌肉最大肌力的３０ ％。
• 有的骨骼主要负责保护内部器官，如头骨覆盖着大脑起保护大脑的作 用，胸骨将肺和心脏与外界隔绝起来保护心肺。而有的骨头，如长骨 的上下末端，可以和其连接的肌肉产生肌体运动和活动。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• 附着于骨的肌肉收缩时，牵动着骨绕关节运动，使人体形成各种活动 姿势和操作动作。因此，骨是人体运动的杠杆。人机工程学中的动作 分析都与这一功能密切相关。