人体生物力学与施力特征

• 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
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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。
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５.１ 人体运动与肌骨系统
• （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
• 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：
• 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。
• 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。
• 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。
• 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 冲也经由微小的神经末梢传送给肌纤维束。
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。
• 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Βιβλιοθήκη 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）。
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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。
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。
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。