1.4.第一章 总论 第四节 生物力学基本原理

一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 1.力2 与载荷
力是物体之间的相互作用； 载荷是作用在物体上的外加力。 两者都是物质间的作用，但力是互相间的作用， 载荷3有施加者和承受者的区别。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 2.应2 力与应变
物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而 变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力， 以抵3抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的 位置回复到变形前的位置。
物体受力变形时，体内各点变形程度一般不同。 某一点变形程度的力学量称为该点的应变，即： 结构内某一点受载时所发生的变形，称应变。 3应变用ε表示，ε= L/L0，L是变形量，L0是初 始长度。 应变的物理意义是外力作用后产生变形的能力。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识
3.力2 -位移曲线和应力-应变曲线 用变形的位移为横坐标，相应的受力为纵坐标得
运动生物力学研究生物体的运动规律。
3
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识
2 生物力学基础知识：基本概念、基本物理量、计
算方法、计量单位及其物理意义。 基本指标如下：力与载荷、应力与应变、量、应力 3
松弛与蠕变
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 1.力2 与载荷
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 4.强2 度与刚度
刚度指受外力作用的抵抗变形的能力。 用K表示，K=F/L, F是所受的力，L是F对应的 变形值。刚度的单位为：N/m2或Pa。力-位移曲线 中线3 性段的斜率即为材料的线性刚度。 刚度是材料产生单位变形所需的外力值。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 5.弹2 性模量
相对于地球作变速运动的参考系叫非惯性参考 系。又称动参考系，或动系。
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 2. 2参考系
同一物体采用不同的参考系描述时，其结果一 般不同，这叫做运 动描述的相对性。
3
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析
3.坐2 标系
为定量描述运动的位置、位置随时间的变化，
所选定的参考系中的标度框架，叫坐标系。
用定量研究的方法，测量人体运动时相对于参 照系其发生的位移变化，用坐标系对其进行一定程 度的定量描记和运动学参数比较，可以清楚地分析 和描3述人体运动的运动学特征。
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 1.模2 型
（3）刚体：物体变形对所研究的问题没有显著 影响，将物体简化为刚体。
刚体系模型则是根据人体运动系统的若干骨骼 及其3肌肉群环节简化为相应的刚体组合系统。
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 1.模2 型
（3）刚体： 根据人体各环节的几何参数（长
黏弹性材料的特点：
应力松弛：当物体突然发生应变时，若应变保
持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降。
3
应 力
σ
o
应力松弛曲线 时间t
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 6.应2 力松弛与蠕变
黏弹性材料的特点：
蠕变：若应力保持一定，物体的应变随时间的
增加而增大。
应
3
变
ε
蠕变曲线
时间t
一、生物力学概述
度、高度、宽度、关节点）和惯性数 据（3质量、惯性、环节重心位置）等 建立刚体系模型：1-15.
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 2. 2参考系
描写一个物体的运动必须选定另一个物体作为 参考，这个被选定的参考物体就叫做参考系。
相对于地球静止或相对于地球作匀速直线运动 的参3考系叫惯性参考系。又称静参考系，或静系。
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理 2.牛2 顿第二定律
动量守恒定律：人体不受外力或所受外力矢量 和为零，人体总动量保持不变。
人体运动所受合外力为零，仅存在内力的相互 作用3，各环节的动量处于变化过程中，动量发生相 互传递，但人体总动量保持不变。
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理 3.牛2 顿第三定律
3
（二）运动生物力学分析
（三）步态分析
一2 、生物力学概述 （一）生物力学 （二）生物力学基础知识
3
一、生物力学概述
（一）生物力学
2
生物力学是力学与生物学相互交叉、渗透、融 合，而形成的一门边缘性学科，它是研究生命体机 械运动规律的科学。
3
一、生物力学概述
（一）生物力学
2
生物力学采用力学的基本理论与方法，结合生 物学基本原理，对生命体的运动状态及变化规律、 运动特征及其构成运动的原因等进行系统研究，形 成较3为完整的生物力学学科体系。
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 1.模2 型
（1）质点：研究人体整体系统运动时，不考 虑运动过程中身体姿势(形态)、各环节间相对位置 变化，只注重整体位移的时空特征(速度、加速度、 位移3距离)时，可忽略人体运动姿势(形态)，将人 体的运动简化为一个点(质点：通常选用身体重心 为参照点)的运动。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 2.应2 力与应变
在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为 应力。表示结构内某一平面对外部负荷的反应。
应力用α表示，α= F/s，F是均匀施加的力， S是横3 截面。应力的单位：N／ml，或帕斯卡(Pa)。
应力的物理意义是作用于单位面积上的力。
一、生物力学概述
黏性：受外力作用，发生形变，除去外力后形 变不3可回复的特性。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 6.应2 力松弛与蠕变
既具有弹性材料的力学性质，又具有黏性材料 的力学性质的材料称之为黏弹性材料。
生物固体材料如骨、软骨、肌肉、血管壁、皮 肤等3 都属于黏弹性材料。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 6.应2 力松弛与蠕变
第一章 总论 第四节 生物力学基本原理
2
掌握：牛顿力学三定律及其在运动生物力学中的运
用。
熟悉：生物力学的基本知识；运动生物力学分析中
的模型、参考系、坐标系、自有体受力图。
了解3 ：步态分析的运动生物力学方法。
一、生物力学概述
2
（一）生物力学
（二）生物力学基础知识
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理 1.牛2 顿第一定律--惯性定律
自然界中的物体，如果不受外力作用（F＝0）或 所受外力作用之和等于零，则物体保持其原来的静 止或3匀速直线运动状态不变。
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理 1.牛2 顿第一定律--惯性定律
牛顿第一定律也称惯性定律。 惯性与改变物体速度所需要能量大小有关。 3惯性与其质量成正比。 质量越重，移动或改变加速度需要更多的能量。
（二）生物力学基础知识 6.应2 力松弛与蠕变
黏弹性材料的特点：
滞后：对物体作周期性的加载和卸载，则加载
时的应力-应变曲线同卸载时的应力-应变曲线不重
合。3
应
力
σ
滞后现象 应变ε
二2 、运动生物力学 （一）运动生物力学原理 （二）运动生物力学分析 （三）步态分析
3
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理
3
一、生物力学概述
（一）生物力学
2
生物固体力学研究生物组织、器官，乃至生物 系统中力学问题。骨骼和关节力学为最活跃的分支 之一：骨折愈合和骨再生的力学机制、人工关节和 假肢3的设计制造、特殊环境中人体骨骼和关节防护。
一、生物力学概述
（一）生物力学
2
生物热力学应用热力学理论来研究生命维持过 程中物质和能量的运输、交换、补充与消耗。
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理 2.牛2 顿第二定律
物体运动时受到外力作用或所受外力作用之合 不等于零时，物体的运动必然获得加速度。
物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比,跟 物体3的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向 相同，公式：F=ma。
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理 2.牛2 顿第二定律
一、生物力学概述
（一）生物力学 2 研究具体对象和侧重点不同，分为基础理论研
究和应用理论研究。 前者：研究生物体基本力学结构、各环节和整
体运动机能及一般运动规律。 3后者：结合生物力学的基础理论，研究生命体
特定运动机能及运动状态变化规律。
一、生物力学概述
（一）生物力学
2 据力学经典分类，结合生物体特点，常见的生物
两物体相互作用时，物体甲对物体乙的作用力 F与物体乙对物体甲的反作用力-F大小相等、方向 相反，并且作用在同一条直线上，作用力F和反作 用力3-F分别作用于不同受力物体，这就是牛顿运动 第三定律，也称为作用力与反作用力定律。
公式：F＝- F
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 1.模2 型
在对人体运动进行运动学分析时，尤其是对人 体复杂运动过程的描述，通常根据研究的目的，采 用科学的方法将人体进行一定程度的简化处理，建 立质3点、刚体、连续介质等不同的力学模型。
2
人体在运动过程中，其质量的分布状态、形状， 随运动条件的改变而发生变化，但人体的运动基本 上遵循力学规律进行。
3
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理
2
运动生物力学在分析复杂的人体运动问题，将 复杂的人体运动进行适当的模型化处理，建立相应 的模型并运用牛顿经典力学基本理论与方法进行动 力学3分析与研究。
力：一个物体对另一个物体的作用，使物体运 动状态发生改变的原因。
用F表示力。国际单位是牛顿(N)。 3质量为lkg的物体在1s内产生lm／s的速度改变 所需要的力是1N，即1N=lkg• m／s2。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 1.力2 与载荷
载荷：使物体产生运动或变形所施加的力。 被广泛用于描述拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭 转变3形的力。
弹性模量是材料抵抗弹性变形的能力，反应材 料内部原子间结合力的大小。是应力-应变曲线上 直线段的斜率，即：E

3 弹性模量的单位Pa。 弹性模量反映材料的硬度 （刚度）。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 6.应2 力松弛与蠕变
弹性：受外力作用，发生形变，除去外力后恢 复原来形状的特性。
（二）生物力学基础知识 2.应2 力与应变
应力随外力的增加而增大。 对于材料来说，应力的增长是有限的，超过限 度，材料就遭到破坏。 3应力可能达到的最大限度称材料的极限应力。 安全使用材料，应力应低于极限应力，否则材 料就会在使用过程中被破坏。
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 2.应2 力与应变
力学研究方向为生物材料力学、生物流体力学、生物 固体力学、生物热力学、运动生物力学。
3
一、生物力学概述
（一）生物力学
2 生物材料力学研究组成生物体的材料的力学特征。 生物流体力学研究生物体内液体、气体的流动规
律，包括血液流动，呼吸系统中气体流动，淋巴、泌 尿系统中体液流动，及生物体在流体介质中流动规律。
坐标系由参照原点、参照方向、参照单位、坐
标轴3、量变曲线所组成的。数学方 5
法的抽象表达方式，是参照系的数
学抽象模型。
5
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 3.坐2 标系
坐标系：一维坐标系、二维坐标系、三维坐标 系、极坐标系、柱坐标系、球面坐标系。
3
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 3.坐2 标系
到力-位移曲线；将横坐标的位移转换为应变，纵坐标 的受力转换为应力，得到应力-应变曲线。
3
一、生物力学概述
（二）生物力学基础知识 4.强2 度与刚度
强度指破坏前承受的最大应力。 承受的最大力与初始横截面积的比值，用σm 表示，即σm=Fm/S, Fm为材料破坏所需最大力，S 为材3 料初始横截面积。强度的单位为：N/m2或Pa。 强度是抵抗外力而不受破坏的能力。
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 1.模2 型
（2）连续介质：研究人体整体运动时，既要 考虑整体位移的时空特征(速度、加速度、位移距 离)，还要注意运动过程中机体各环节相对位置变 化，3采用由多个质点所组合的多质点系统模型进行 建模。
二、运动生物力学
（二）运动生物力学分析 1.模2 型
（2）连续介质： 多质点模型又称为“瘦化模型”，根据人体结 构的解剖特征选定各关节中心点为参照点，按人体 基本3结构用线段连接起来，是现实物质的一种理想 模式。
物体运动状态与其受到的合外力有关： 所受合外力大于零时，加速度为正值，处于加 速运动阶段； 3所受合外力小于零时，加速度为负值，处于减 速运动阶段。
二、运动生物力学
（一）运动生物力学原理 2.牛2 顿第二定律
动量：运动时物体的质量与速度的乘积。 冲量：运动时物体所受作用力的大小与作用时 间的乘积。 3动量定理：力对物体的冲量，使动量发生变化， 冲量等于动量的变化量。