骨骼的生物力学.ppt
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较大的压缩应力。
*2）松质骨对应力的反应： * 骨松质的疏松度为30％～90％， * 其应力—应变特征与密质骨有很大差异。 * 松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快
减低，低于应变水平。
* 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低
* 五、骨折的生物力学
* 骨的完整性或连续性中断时称骨折。
骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。
* 如骨试件在压缩时，和刚度也越大。 * 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。
*（二）骨受载时的生物力学特性 * 1.骨对应力的反应 * 骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态， * 应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提 *高了骨的生理应力能力。 * 1）密质骨对应力的反应： * 密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可承受
骨 的 结 构
*前臂和手的生物力学模型 *举物时腰部生物力学模型
*身体各部舒适姿势的调节范围
* 一、骨的承载能力
第一，要求骨有足够的强度。 第二，要求骨有足够的刚度。 第三，要求骨有足够的稳定性。
*骨的载荷 *（一）骨的载荷 * 载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。 * 人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的
*
常见原因有：
*
直接暴力、
*
间接暴力、
*
肌拉力、
*
积累劳损及骨骼疾病。
* （一）骨折的生物力学原理
Βιβλιοθήκη Baidu
* 1.骨受拉伸载荷所致的骨折
* 其断裂的机理主要为骨组织结合线的分离和骨单位的脱离。
* 临床上，拉伸载荷所致的骨折常见于骨松质，表现形式多为撕裂性骨折。如跟腱附着点附近的跟骨
骨折。
* 2.骨受压缩载荷所致的骨折
拉力、剪切力和扭转力。
* * 骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。
*★力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。 *在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时， *骨的原有形状和几何学结构便恢复。 *如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负 *荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。 *★决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力 *的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材 *料特性等。 *骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引 * 起骨的断裂。骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲 * (bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大 * 差异。 *★大骨抵抗力的能力优于小骨
载荷。
*当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉
伸a、
*压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。
* 持续载荷对骨也会产生一定的影响。 * 即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会
产生缓慢变形或蠕变。
* 在加载后的最初数小时（6～8小时），其蠕变现
象最显著，随后蠕变的速率则会降低。
* 一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是
(Young‘s Modules)，表示材料抗形变的能力。
* 一般而言，弹性模量是一个常数。 * 弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。
* 四、骨的生物力学特性 * 包括骨的材料力学特性和结构力学特性。 * 骨的材料力学特性： * 是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状无关。 * 骨的结构力学特性： * 是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有
关，而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的影响。
* （一）骨组织的基本生物力学特性 * 1.各向异性 * 骨的结构为中间多孔介质的各向异性体，其不同方向的力
学性质不同，即各向异性。
* 2.弹性和坚固性 * 骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并具有抗张
能力。
* 骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，
* 2）骨的刚度 是指骨具有足够的抵抗变形的能力。 * 在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，
往往会影响骨结构与功能。
* 骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示 * 影响骨强度与刚度的因素有： * ①.压应力――肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折
的发生；
* ②.骨的大小和形状――骨的横截面积的大小及骨组织在
具有抗压能力。
* 3.抗压力强、抗张力差
* 骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损
* 坏，在张力情况下易损坏。
*
4.耐冲击力和持续力差
* 骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、
耐疲劳性能较差。
* 5.应力强度的方向性
* 皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚
* 度也不同。
* 皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。
* 两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。
* 6.骨的强度和刚度 * 1）骨强度 是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗
破坏的能力，以致不发生破坏。
* 在压缩载荷的试验中，载荷－变形曲线能反映结构强度
的三个参数是：①结构在破坏前所能承受的载荷;②结构在 破坏前所能承受的变形;③结构在破坏前所能贮存的能量。
尺度之比。一般以百分比来表示(下图)。
*
*
* *由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小 * 当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限时，便可造
成骨骼损伤甚至发生骨折。
* （三）应力-应变曲线 * 表示应力和应变之间的关系。 * 应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变形区。 * 在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。 * 弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。 * 该点对应的应力是产生骨最大应力的 * 弹性形变，亦称为弹性极限。 * 塑性区：屈服点以后的区。 * 此时已出现结构的损坏和永久变形。 * 当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。 * ★导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。 * ★在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量
*。
* 三、骨的应力与应变
* 骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。
* （一）骨的应力
* 概念：当外力作用于骨时，
*
骨以形变产生内部的阻抗
*
以抗衡外力，即是骨产生的应力。
* 特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为
Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。
* 计算公式：
*
其机制主要是骨单位的斜行破裂。
*
如运动员在单杠失手或跳伞落地技术不正确时所导致的胸腰椎骨折，其原因大多是由高处落下臀部
着地时受瞬间冲力引起。瞬间冲力沿纵向挤压，产生椎体的压缩骨折，椎体在高压缩载荷下发生缩短且
变宽。
* 压缩载荷所致的骨折常见于椎体
* 3.骨受剪切载荷所致的骨折
* 当一对相距很短、方向相反的力的作用于骨时
* 往往会产生剪切骨折。
* 其骨折通常见于骨松质，如股骨髁和胫骨平台骨折。
*
* 4.骨受弯曲载荷所致的骨折
*
当骨骼的弯曲载荷承受极限超出外力的突然袭击时，造成拉应力大于压应力，发生骨组织的弯曲断
裂。
* 种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相
*
应的应力，如压应力、拉压力等。
*
* 作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，
*
应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。
*
因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。
*（二）应变 * 概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。 * 其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变量与原
*2）松质骨对应力的反应： * 骨松质的疏松度为30％～90％， * 其应力—应变特征与密质骨有很大差异。 * 松质骨在屈服之后，骨小梁进行性断裂，使拉力负荷很快
减低，低于应变水平。
* 松质骨在拉力负荷下的能量吸收能力明显降低
* 五、骨折的生物力学
* 骨的完整性或连续性中断时称骨折。
骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。
* 如骨试件在压缩时，和刚度也越大。 * 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。
*（二）骨受载时的生物力学特性 * 1.骨对应力的反应 * 骨对生理应力刺激的反应一般处于平衡状态， * 应力越大，骨的增生和密度越大，最终，又提 *高了骨的生理应力能力。 * 1）密质骨对应力的反应： * 密质骨具有很高的强度，其抗压强度大于骨松质，可承受
骨 的 结 构
*前臂和手的生物力学模型 *举物时腰部生物力学模型
*身体各部舒适姿势的调节范围
* 一、骨的承载能力
第一，要求骨有足够的强度。 第二，要求骨有足够的刚度。 第三，要求骨有足够的稳定性。
*骨的载荷 *（一）骨的载荷 * 载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。 * 人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的
*
常见原因有：
*
直接暴力、
*
间接暴力、
*
肌拉力、
*
积累劳损及骨骼疾病。
* （一）骨折的生物力学原理
Βιβλιοθήκη Baidu
* 1.骨受拉伸载荷所致的骨折
* 其断裂的机理主要为骨组织结合线的分离和骨单位的脱离。
* 临床上，拉伸载荷所致的骨折常见于骨松质，表现形式多为撕裂性骨折。如跟腱附着点附近的跟骨
骨折。
* 2.骨受压缩载荷所致的骨折
拉力、剪切力和扭转力。
* * 骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。
*★力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。 *在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时， *骨的原有形状和几何学结构便恢复。 *如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负 *荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。 *★决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力 *的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材 *料特性等。 *骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引 * 起骨的断裂。骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲 * (bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大 * 差异。 *★大骨抵抗力的能力优于小骨
载荷。
*当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉
伸a、
*压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。
* 持续载荷对骨也会产生一定的影响。 * 即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织会
产生缓慢变形或蠕变。
* 在加载后的最初数小时（6～8小时），其蠕变现
象最显著，随后蠕变的速率则会降低。
* 一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次是
(Young‘s Modules)，表示材料抗形变的能力。
* 一般而言，弹性模量是一个常数。 * 弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。
* 四、骨的生物力学特性 * 包括骨的材料力学特性和结构力学特性。 * 骨的材料力学特性： * 是指骨组织本身的力学性能，与骨的几何形状无关。 * 骨的结构力学特性： * 是指整个骨结构的力学性能，不但与骨的材料力学特性有
关，而且受骨的几何特性即形状、尺寸等的影响。
* （一）骨组织的基本生物力学特性 * 1.各向异性 * 骨的结构为中间多孔介质的各向异性体，其不同方向的力
学性质不同，即各向异性。
* 2.弹性和坚固性 * 骨的有机成分组成网状结构，使骨具有弹性，并具有抗张
能力。
* 骨的无机物填充在有机物的网状结构中，使骨具有坚固性，
* 2）骨的刚度 是指骨具有足够的抵抗变形的能力。 * 在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果变形过大，
往往会影响骨结构与功能。
* 骨结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示 * 影响骨强度与刚度的因素有： * ①.压应力――肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸骨折
的发生；
* ②.骨的大小和形状――骨的横截面积的大小及骨组织在
具有抗压能力。
* 3.抗压力强、抗张力差
* 骨对纵向压缩的抵抗最强，即在压力情况下不易损
* 坏，在张力情况下易损坏。
*
4.耐冲击力和持续力差
* 骨对冲击力的抵抗比较小。同其他材料相比，其持续性能、
耐疲劳性能较差。
* 5.应力强度的方向性
* 皮质骨与松质骨的结构不同，承受的力量及两者的刚
* 度也不同。
* 皮质骨的刚度比松质骨大，变形程度则较之要小。
* 两者的各向异性对应力的反应在不同方向各不相同。
* 6.骨的强度和刚度 * 1）骨强度 是指骨在承受载荷时所具有的足够的抵抗
破坏的能力，以致不发生破坏。
* 在压缩载荷的试验中，载荷－变形曲线能反映结构强度
的三个参数是：①结构在破坏前所能承受的载荷;②结构在 破坏前所能承受的变形;③结构在破坏前所能贮存的能量。
尺度之比。一般以百分比来表示(下图)。
*
*
* *由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小 * 当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变的极限时，便可造
成骨骼损伤甚至发生骨折。
* （三）应力-应变曲线 * 表示应力和应变之间的关系。 * 应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变形区。 * 在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。 * 弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。 * 该点对应的应力是产生骨最大应力的 * 弹性形变，亦称为弹性极限。 * 塑性区：屈服点以后的区。 * 此时已出现结构的损坏和永久变形。 * 当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。 * ★导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。 * ★在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量
*。
* 三、骨的应力与应变
* 骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。
* （一）骨的应力
* 概念：当外力作用于骨时，
*
骨以形变产生内部的阻抗
*
以抗衡外力，即是骨产生的应力。
* 特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为
Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。
* 计算公式：
*
其机制主要是骨单位的斜行破裂。
*
如运动员在单杠失手或跳伞落地技术不正确时所导致的胸腰椎骨折，其原因大多是由高处落下臀部
着地时受瞬间冲力引起。瞬间冲力沿纵向挤压，产生椎体的压缩骨折，椎体在高压缩载荷下发生缩短且
变宽。
* 压缩载荷所致的骨折常见于椎体
* 3.骨受剪切载荷所致的骨折
* 当一对相距很短、方向相反的力的作用于骨时
* 往往会产生剪切骨折。
* 其骨折通常见于骨松质，如股骨髁和胫骨平台骨折。
*
* 4.骨受弯曲载荷所致的骨折
*
当骨骼的弯曲载荷承受极限超出外力的突然袭击时，造成拉应力大于压应力，发生骨组织的弯曲断
裂。
* 种类：根据作用于骨的力不同，其内部分别会产生相
*
应的应力，如压应力、拉压力等。
*
* 作用：应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用，
*
应力不足会使骨萎缩，应力过大也会使骨萎缩。
*
因此，对于骨来说，存在一个最佳的应力范围。
*（二）应变 * 概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。 * 其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变量与原