人體生物力學(xué)與施力特征

1、人體生物力學(xué)與施力特征,主要內(nèi)容,1.人體運(yùn)動與骨杠桿2.人體生物力學(xué)模型3.人體的施力特征4.施力合理的設(shè)計(jì)思路,人體運(yùn)動系統(tǒng),運(yùn)動系統(tǒng)是人體完成各種動作和從事生產(chǎn)勞動的器官系統(tǒng)。 運(yùn)動系統(tǒng)由骨、關(guān)節(jié)和肌肉三部分組成。在運(yùn)動過程中，骨是運(yùn)動杠桿；關(guān)節(jié)是運(yùn)動樞紐；肌肉是運(yùn)動的動力。三者在神經(jīng)系統(tǒng)的支配和調(diào)節(jié)下協(xié)調(diào)一致，隨著人的意志共同準(zhǔn)確地完成各種動作。,人體的206塊骨頭構(gòu)成人體的骨架。,骨的功能與骨杠桿,骨是體內(nèi)

2、堅(jiān)硬而有生命的器官，總數(shù)約206塊，分為軀干骨、上肢骨、下肢骨和顱骨。骨的功能：1.支持人體的軟組織和支撐全身重量。2.骨腔保護(hù)內(nèi)臟器官并協(xié)助內(nèi)臟器官進(jìn)行活動，如呼吸、排泄等。3.骨骼中的骨髓具有造血功能，并儲存鈣和磷。4.肌肉牽動骨骼繞關(guān)節(jié)運(yùn)動，使人體完成各種活動。,骨杠桿,肌肉完成運(yùn)動需要借助骨杠桿的作用才能完成。在骨杠桿中，關(guān)節(jié)是支點(diǎn)，肌肉是動力源，肌肉與骨的附著點(diǎn)為力點(diǎn)。骨杠桿主要包括三種形式：平衡杠桿、省力杠桿和速度

3、杠桿。,人體生物力學(xué)模型,人體生物力學(xué)建模原理 生物力學(xué)模型是用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示人體機(jī)械組成部分之間的關(guān)系。肌肉骨骼系統(tǒng)被看做機(jī)械系統(tǒng)中的聯(lián)結(jié)，骨骼與肌肉是一系列功能不同的杠桿。生物力學(xué)模型原理基于的牛頓定律：1.物體在無外力作用下會保持勻速直線運(yùn)動或靜止?fàn)顟B(tài)。2.物體的加速度跟所受的合外力大小成正比。3.兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在一條直線上。,前臂和手的生物力學(xué)模型,如圖5-2：前臂總長

4、度為36cm，物體為20kg，前臂重力為16N，前臂中心到肘部距離18cm。物體總重量：W=20*9.8=196N每只手承受重量：W每只手=W*1/2=98N肘部用力和肘部受力（前臂重量加物體重量）相等：R肘部受力=16+98=114N肘部力矩：M肘部力矩=16*0.18+98*0.36=38.16N.m,舉物時(shí)腰部生物力學(xué)模型,腰部疼痛可能會影響50%到60%的人口，引起腰部疼痛的主要原因是用手進(jìn)行的一些操作，如抬起重物、折彎

5、物體、擰轉(zhuǎn)物體等。長期保持一個(gè)靜止的姿勢也是引起腰部問題的主要原因。生物模型如圖5-3。要抬起300N的重物，人類腰部要承受3800N的作用力，背部則承受超過5000N的作用力，而腰骶（di）更要承受5458N的作用力，這些都是人類腰骶間盤所難以承受的。,人體的施力特征,主要的關(guān)節(jié)活動范圍：骨與骨之間除了關(guān)節(jié)相連外，還有肌肉和韌帶聯(lián)結(jié)在一起。韌帶具有連接兩骨、增加關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性、限制關(guān)節(jié)運(yùn)動的作用。韌帶限制個(gè)關(guān)節(jié)超過損害限度，使人的

6、活動范圍和身體姿勢處于舒適狀態(tài)。值得注意的是，年紀(jì)較大的人多低于此值，穿厚衣時(shí)角度要小一些。有多個(gè)關(guān)節(jié)的一串骨髂（qia）中若干角度相疊加產(chǎn)生更大的總活動范圍。,重要活動范圍和身體各部舒適姿勢調(diào)節(jié)范圍,肢體的出力范圍,肢體的力量來自肌肉收縮，產(chǎn)生肌力。肌力大小的決定因素：單個(gè)肌纖維的收縮力、肌纖維的數(shù)量和體積、肌肉收縮前的初長度、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)能狀態(tài)和肌肉對骨骼發(fā)生作用的機(jī)械條件。研究表明，一條肌纖維能產(chǎn)生0.01N~0.02N的

7、力量。如表5-2.在直立姿勢下彎臂，可知大約在70°時(shí)力量最大可達(dá)到人體自身重量。,立姿彎臂時(shí)的力量分布,肢體的出力范圍,直立姿勢下伸臂，不同角度位置上的拉力在180°位置上最大，推力在0°位置上最大。,肢體的出力范圍,坐姿時(shí)手臂在不同角度和方向的操縱力如表5-3所示。坐姿時(shí)最大的蹬力一般在膝部屈曲160°時(shí)產(chǎn)生。如圖5-7(a)所示。腳產(chǎn)生的蹬力在下肢離開人體中西對稱線向外偏轉(zhuǎn)的角度為10&

8、#176;時(shí)最大。如圖5-7（b）所示。值得注意的是肢體力量的大小都與持續(xù)時(shí)間有關(guān)，隨時(shí)間延長力量很快衰減。只需4分鐘，拉力就會由最大值衰減到四分之一。,人體不同姿勢的施力,肌力大小因人而異，男性比女性平均大30%~35%。年齡也是影響肌力的顯著因素，男性在20歲之前不斷增長，20歲達(dá)到頂峰，最佳狀態(tài)可保持10~15年，四十歲下降5%~10%，50歲下降15%，60歲下降20%。腰部肌力的下降速度更快，60歲的人手的力量下降16%，

9、而胳膊和腿的力量下降高達(dá)50%。人體在各種狀態(tài)下的力量如表5-4所示。,合理施力的設(shè)計(jì)思路,避免靜態(tài)肌肉施力無論在進(jìn)行作業(yè)還是工作空間設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免靜態(tài)肌肉施力，靜態(tài)肌肉施力大小低于該肌肉的最大肌力15%。避免靜態(tài)肌肉施力的要點(diǎn)：1.避免彎腰或其他不自然的身體姿勢。2.避免長時(shí)間地抬手作業(yè)。3.坐著工作比立著更省力。4.雙手同時(shí)操作時(shí)，手的運(yùn)動方向應(yīng)相反或者對稱運(yùn)動。,合理施力的設(shè)計(jì)思路,5.作業(yè)位置高度應(yīng)按工作者的眼睛和

10、觀察時(shí)所需的距離來設(shè)計(jì)。6.常用工具放在人的附近。7.當(dāng)手不得不在較高的位置作業(yè)時(shí)，應(yīng)使用支撐物來托住肘關(guān)節(jié)、前臂或手。8.利用重力作用，采用自由下落的方法。如圖5-11所示。,合理施力的設(shè)計(jì)思路,避免彎腰提起重物人的脊柱為“S”曲線形，脊柱承受的重量負(fù)荷由上至下逐漸增加，在提起重物時(shí)加載腰椎的負(fù)荷與人體本身負(fù)荷共同作用，使腰椎承受極大的負(fù)擔(dān)，引起腰椎疾病的發(fā)生。改變彎腰姿勢能減小腰椎承受的負(fù)荷，如圖5-12所示，直腰彎膝提起