骨,肌肉的力学特征

花岗石 2.6 50 1350 141 －
洋松 0.63 64.5 424 1ห้องสมุดไป่ตู้6 －
2、骨骼的受力形式与表现
2、骨骼的受力形式与表现
2.1拉伸(tension)
骨组织在拉伸载荷断裂的机理主要为结 合线的分离和骨单位的脱离。 临床上拉伸载荷引起的骨折主要见于肌 腱附着点或松质骨，如因股四头肌强力收缩 所致的髌骨横行骨折和跟骨牵拉性骨折。
肌肉放松
激活状态
收缩
(1)
(2)
(3)
肌肉受激发时的力学效应的顺序性
2.2肌肉松弛
被拉长的肌肉，其张力有随着时间的延长 而下降的特性，这一特性称肌肉松弛。
受试者体重 （千克） 受试者身高 （厘米） 停顿后跳起的 不停顿跳起的 高度（厘米） 高度（厘米） 49.49±5.86 53.23±6.47
2.2压缩(compression)
骨组织在压缩载荷下破坏的机理主要是骨 组织的斜行劈裂。
椎体压缩性骨折 股骨颈头下骨折
2.3弯曲(bending)
骨在弯曲时一侧受到压缩应力，另一侧 受拉伸应力。
三点弯曲： 靴口骨折
四点弯曲：
四点弯曲产生的骨折
2.4扭转
髌骨螺旋性骨折
2.5剪切
剪切骨折通常见于骨松质，例如在拳击 等运动中，运动员的胸部或腰部可能由 于受水平暴力冲撞而产生的剪切应力而 导致骨折。
68.37±6.7 176.39±5.05
据扎其奥尔斯基，受试者31人
2.3载荷对肌肉收缩 力学特性的影响
动作潜伏期延长 收缩幅度减小 收缩速度下降
2.4肌肉收缩功、功率
通常讲肌肉做功，是指肌肉做的机械功。 肌肉功率：P＝FV 肌肉功率的性别、项目差异
运动训练的动态适应性原则
2.5肌肉与腱的生物力学性能对 运动的影响
（1）收缩元中的横桥断开 与联系时损失肌力；
（2）收缩元和结缔组织中 的流体粘滞性。
(a T )(V b) b(TO a)
2、在体肌收缩生物力学
2.1肌肉的激活状态
在神经脉冲的影响下，肌肉的收缩成分 出现激活状态。因此把肌肉兴奋时其收缩成 分力学状态的变化称肌肉的激活状态。
肌肉收缩在时间上表现出顺序性。
骨的强度大小的排列顺序是：
压缩>拉伸>弯曲>扭转
3、肌肉活动对骨应力分布的影响
3、肌肉活动对骨应力分布的影响
4、机械应力对骨生长的影响
4.1应力对骨改建的影响
骨形成 骨吸收
应力是骨形成的主要因素，也是维持这种动态 平衡状态的重要因素。
Wollf定律:
骨骼在需要处多生长，而在不需要处多吸收。使骨 组织量与应力成正比。
动作的幅度与方向 运动的有效幅度及重点区 作用力（或肌力）的大小 最大作用力的发挥速率（或叫力的梯度） 肌肉工作形式
功率曲线的专项差异
收缩元张力——长度曲线
静息长度
静息长度：收缩元表现最大张力时的长度称肌肉的静息长度。
并联弹性元张力——长度曲线
力
F
长度
平衡长度 平衡长度：肌肉被动张力为零时，肌肉所能达到的最大长度。
2.6 复合载荷
活体骨很少只受到一种载荷形式的作用， 极少数的骨折系由一种或两种载荷造成，多 数骨折是由复合的多种载荷造成的。
轻者为内踝撕脱骨折，称单踝（或Ⅰ度）骨折，骨折线呈横 形。若暴力持续，距骨将撞击外踝，造成外踝的斜形骨折或 下胫腓韧带撕裂，称两踝（或Ⅱ度）骨折。当下胫腓韧带撕 断后，腓骨可在更高的位置骨折，距骨同时向外侧脱位。若 同时合并外旋暴力，可引起腓骨螺旋形骨折。
例如：骨折病人 宇航员
4.2 应力对骨骼内部结构的影响
应力作用可影响骨内部骨小梁的排列方式。
二、骨骼肌生物力学基础
1、离体肌的生物力学 1.1肌肉结构力学模型
收缩成分 整块肌肉可认为是 由许多这样的模型混联 在一起构成的。
并联 弹性 成分
串联弹性成分
肌肉力学三元素模型
收缩元：代表肌节中的肌动蛋 白微丝及肌球蛋白微丝。兴奋 时可产生张力，称主动张力。 并联弹性元：代表肌束膜及肌 纤维膜等结缔组织。当被牵拉 时产生弹力，称被动张力。 串连弹性元：代表肌微丝、横 桥及闰盘的固有弹性。当收缩 元兴奋后，使肌肉具有弹性。
Δx
nF
1.2肌肉结构力学模型的性质
1.2.1肌肉张力——长度特性 （1）收缩元张力——长度曲线 （2）并联弹性元张力——长度曲线 （3）肌肉总张力——长度曲线
1.2肌肉结构力学模型的性质
1.2.2肌肉收缩力——速度特性
肌力随肌肉收缩速度的增加 而下降的原因是由于： (m/s)
收 缩 速 率
载荷(Kg)
模型的串联构成肌肉的长度
Δx
F
肌肉收缩力＝F
肌肉收缩速度＝ nΔx/ Δt
所以，肌肉长度的增加， 对其收缩速度有良好影响， 但不影响收缩力。
Δx
F
nΔx
F
模型的并联构成肌肉的厚度
肌肉收缩力＝nF
F
Δx
F
Δx
肌肉收缩速度＝ Δx/ Δt 所以，肌肉生理横断面的增 加会导致肌肉收缩力的增加， 但不会影响肌肉收缩速度。
肌肉总张力——长度曲线
股骨干骨密度强度
年龄 30～40 75～82 骨的冲击韧性 系数(kg/cm2) 9.5 5.1 屈曲强度 压缩强度 (kg/cm2) (kg/cm2) 384 158 1435 962
82以上
2.7
106
660
骨增长和萎缩的反馈调节图
骨单位
椎体压缩性骨折
髌骨横行骨折
骨、肌肉的力学特征
一、骨的生物力学
1、骨的力学特征
应 力
屈服阶 塑性 段 B 范围 A屈服点
C 断裂点
斜率表示 刚度
曲线围成的面积 表示能量贮存所 表达的强度 应变
应力：单位面积上的 负载，表示结构内某 一平面对外部负荷的 反应。用单位面积上 的力表示。
应变：结构内某一点 受载时所发生的变形。
O 拉伸实验时皮质骨的应力——应变曲线 刚度——物体受载时抵抗变形的能力。 强度——物体受力时抵抗破坏的能力。
影响骨强度的因素
人胫骨试验结果与其它材料比较
性别 年龄 种族 部位
钢 密度(g/cm3) 沿纵轴的最高张力强度 (kg/cm2) 沿纵轴的最高压力强度 (kg/cm2) 垂直纵轴的切变强度 (kg/cm2) 平行纵轴的切变强度 (kg/cm2) 7.8 4240 4240 3510 －
骨 1.87～ 1.97 930～ 1200 1270～ 2100 1190 505
（1）增加动作的力和速度 （2）提高动作的经济性 （3）对冲击载荷和振动载荷的缓冲
提高动作的经济性
对冲击载荷和振动载荷的缓冲
男、女最大功率、最大肌力和 肌肉最大收缩速度上的差异
肌肉
肘屈肌
最大功率
42.9％
最大肌力
55.1％
最大速度
74.5％
膝伸肌
51.2％
62.4％
98.2％
运动训练的动态适应性原则
由于股四头肌 突然强烈收缩的间 接暴力致使髌骨与 股骨髁直接碰撞引 起髌骨横断性骨折。
股骨颈头下骨折