生物力學(xué)chp2剛體生物力學(xué)

1、第二章 剛體生物力學(xué),一、何謂剛體,第一節(jié) 引言,1、質(zhì)點(diǎn)：（抽象化的理想模型） 具有一定質(zhì)量忽略其大小、形狀的幾何點(diǎn)。,2、剛體： （抽象化的理想模型） 相互間距離始終保持不變的許多質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)體。忽略外力作用下形狀的改變。,二、力的基本概念,力的概念：,2.力的作用效應(yīng)：,涉及到的概念：,施力物體和受力物體,牛頓第三定律——作用力和反作用力,內(nèi)效應(yīng)（變形效應(yīng)）,力是物體間的相互作用。力的作用離不開(kāi)物體。

2、,外效應(yīng)（運(yùn)動(dòng)效應(yīng)）,涉及到的概念：,牛頓第一定律——力的定性定義,牛頓第二定律——力的定量定義,胡克定律——力與變形的關(guān)系,3.力的三要素：,三角形、平行四邊形、多邊形法則,大小、方向、作用點(diǎn),例如：股骨干骨折施行股骨髁上牽引,復(fù)位時(shí)間上的差異、成角和橫向移位畸形、成角畸形,力的合成與分解法則：,應(yīng)用：二維投影 三維二次投影 三維投影,運(yùn)動(dòng)平面,矢狀面額（冠）狀面水平（橫切

3、）面,運(yùn)動(dòng)軸,矢狀軸 額狀軸 垂直軸,肌肉力可分成,例如：肌肉力的合成與分解,以肱二頭肌為例,穩(wěn)固分量,轉(zhuǎn)動(dòng)分量,5. 力系：,二力平衡必要與充分條件是：,力系（多力情況）：,三力平衡匯交定理：,作用于一個(gè)物體上的一群力稱(chēng)為力系。,當(dāng)剛體受三個(gè)力作用而平衡時(shí)，若其中任何兩力的作用線 相交于一點(diǎn)，則其余一力的作用線亦必交于同一點(diǎn)，且三力的作用線在同一平面內(nèi)。,這兩個(gè)力大小相等、方向相反、沿同一條直線。,力系的分類(lèi)：,

4、共點(diǎn)力系,平面共點(diǎn)力系,非 共點(diǎn)力系,空間共點(diǎn)力系,平行力系,一般力系,平面平行力系,空間平行力系,*6. 約束和約束反力：,自由體：,可以在空間作任意運(yùn)動(dòng)的物體。,非自由體：,由于受到周?chē)矬w的限制（或阻礙）而不能作 任意運(yùn)動(dòng)的物體。,約束：,事先對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)所加的限制條件。,約束反力：,主動(dòng)力：,約束作用于非自由體的力。（簡(jiǎn)稱(chēng)：約束力）,除約束力外，非自由體上所受到的所有促使物體運(yùn)動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨的力。,三、作用于人體內(nèi)外

5、的力,人體或人體局部受力分析： （抓住主要矛盾，分離次要矛盾）,②受力分析圖——將分離體所受的主動(dòng)力和約束力以力 的矢量形式表示在分離體上所得到的圖形。,①分離體——把研究對(duì)象解除約束，從周?chē)矬w中分離 出來(lái)，畫(huà)出簡(jiǎn)圖。,先畫(huà)主動(dòng)力，明確研究對(duì)象所受周?chē)募s束，進(jìn)一步明確約束類(lèi)型，再畫(huà)約束反力；,必要時(shí)需用二力平衡共線、三力平衡匯交

6、等條件確定某些約束反力的指向或作用線的方位。,內(nèi)力：,（按力的宏觀、微觀分）內(nèi)力 外力,外力：,人體內(nèi)部各個(gè)部分互相作用的力（肌力、韌帶張力、軟骨應(yīng)力、骨應(yīng)力）,重力；摩擦力；彈性力；器械的其他阻力；支撐反作用力；流體作用力,（按力的性質(zhì)分）1、第一基本力：機(jī)械力,① 萬(wàn)有引力：,②接觸力：,③摩擦力：,④肌肉力：,肌力定律,解剖橫斷面：,,,生理橫截面積,肌力系數(shù),肌力,生理橫斷面：,,,,,,與肌肉所有纖維垂直的斷面,與

7、肌肉縱軸垂直的斷面,①性別：,②人種：,③后天因素：,,肌力系數(shù)：,建議取美國(guó)莫利斯的肌力系數(shù)值：,德國(guó)生理學(xué)家艾克：588~980KPa,美國(guó)克羅莫：343KPa,前蘇聯(lián)童克福：980KPa,中國(guó)程國(guó)杰：588~686KPa,美國(guó)莫利斯：710~920KPa,①與肌纖維解剖條件的關(guān)系：,②與肌纖維力學(xué)條件的關(guān)系：,③與肌纖維生理?xiàng)l件的關(guān)系：,,,比較梭形肌、扇形肌、羽狀肌、半羽狀肌的肌力大小及靈活性。,2、第二基本力：電力,① 電場(chǎng)力

8、：,②磁場(chǎng)力：,3、第三基本力：核力,超短距離力,四、作用于人體的力鉅,力矩的表達(dá)式：,2. 力矩的三要素：,大小、方向、作用面,大?。?方向：,右手螺旋定則,一、平衡條件：,第二節(jié) 靜力學(xué),1、2、,（可分解）,（定轉(zhuǎn)軸）,例題：靠在墻上的木板已知強(qiáng)墻與地面的摩擦系數(shù)，使木板不下滑的角度。,二、人體的杠桿作用：,桿：,骨骼系統(tǒng),關(guān)節(jié)（單軸 雙軸 多軸）,肌力（動(dòng)力）,支點(diǎn)：,力：,外力（阻力）,單軸關(guān)節(jié)：滑車(chē)關(guān)節(jié)（指

9、間、膝關(guān)節(jié)）圓柱關(guān)節(jié)（尺橈關(guān)節(jié)）,雙軸關(guān)節(jié)：橢圓關(guān)節(jié)（腕、掌指關(guān)節(jié)）鞍狀關(guān)節(jié)（踝關(guān)節(jié)）,三軸關(guān)節(jié)：球窩關(guān)節(jié)（肩、髖）平面關(guān)節(jié)（肩鎖關(guān)節(jié)）,1、三種杠桿：,（1）第一類(lèi)杠桿：,例如.頭部杠桿,定義 特點(diǎn) 例子,平衡杠桿,例如.足部杠桿,（2）第二類(lèi)杠桿：,定義 特點(diǎn) 例子,省力杠桿,例如.臂部杠桿,G=10N,,T,（3）第三類(lèi)杠桿：,定義 特點(diǎn) 例子,速度杠桿,,*省力杠桿在康復(fù)中的作用,可負(fù)較大重量,加強(qiáng)肌肉保護(hù)

10、,*費(fèi)力杠桿在康復(fù)治療中的作用,訓(xùn)練肌力：通過(guò)調(diào)整阻力臂距離，增加或減少負(fù)荷重量。例：股四頭肌漸進(jìn)抗阻,獲得速度：可通過(guò)增加阻力臂，減少動(dòng)力臂進(jìn)行，雖然費(fèi)力，但力點(diǎn)稍移動(dòng)，即可加大阻力點(diǎn)移 動(dòng)的速度和范圍。,2、拉角和阻角的影響：,（2）阻角的影響：,（1）拉角的影響：,①在相等的收縮下：拉角越小引起的旋轉(zhuǎn)越大； 拉角越大引起的旋轉(zhuǎn)越小。,②在阻力不變的情況下：拉角

11、越小轉(zhuǎn)動(dòng)分量越小 ——要用的力越大 拉角越大穩(wěn)固分量越大 ——避免脫臼,阻角越大拉力越大,3、作用于髖關(guān)節(jié)的力：,（1）股骨與髖骨的基本結(jié)構(gòu)：,①髖骨：,②股骨：,③髖關(guān)節(jié)：,髂骨 坐骨

12、恥骨——髖臼,頭、頸、大轉(zhuǎn)子、髁（內(nèi)側(cè)髁、外側(cè)髁）、骨端,髖臼、股骨頭,髖關(guān)節(jié)的生理構(gòu)造（骨骼1）,髖關(guān)節(jié)的生理構(gòu)造（骨骼2）,髖關(guān)節(jié)的生理構(gòu)造（骨骼3）,,關(guān)節(jié)腔隙,,,,CE角,,,,垂直線,,水平線,,AC角,,,前傾角,,,,髖關(guān)節(jié)的生理構(gòu)造（肌肉）,,,,（2）計(jì)算,作用于股骨頭上的力R和外展肌力F,在單腿站立的狀態(tài)下：,②英曼數(shù)據(jù)：,①外展肌群：,臀大肌、臀中肌、臀小肌,梨狀肌、閉孔內(nèi)外肌、股方肌,闊筋膜張肌,髖關(guān)節(jié),（3）

13、臨床聯(lián)系：,①鎮(zhèn)痛步態(tài)：,②外反骨：,③骨端分離：,④缺血性壞死：,當(dāng)外展肌麻痹或弱或損傷時(shí)；,當(dāng)髖關(guān)節(jié)有疾患時(shí)；,骨端軟骨板向水平面轉(zhuǎn)動(dòng),骨端與骨連接斷開(kāi),供血不足,（4）康復(fù)治療：,以手杖為例,若手杖支撐1/6體重,N=5/6W,單腳將離開(kāi)骶骨中心正下方6cm,作業(yè)2：,彎腰角度：,頭和上肢的重量：,軀干的重量：,（1）只彎腰雙手下垂不提重物,求：骶骨頂作用于腰骶椎間盤(pán)基部的力R 和骶棘所施加的力F,骶棘作用點(diǎn)分軀干：,骶棘

14、作用線與軀干夾角：,作業(yè)2：,彎腰角度：,頭和上肢的重量：,軀干的重量：,（2）只彎腰雙手下垂提重物（0.2W),求：骶骨頂作用于腰骶椎間盤(pán)基部的力R 和骶棘所施加的力F,骶棘作用點(diǎn)分軀干：,骶棘作用線與軀干夾角：,附加問(wèn)：,①椎間盤(pán)脫出、突出的臨床表現(xiàn)是什么？,②內(nèi)突和外突的臨床表現(xiàn)有什么不同？,③為避免脫出、突出手提重物時(shí)應(yīng)如何做？,④康復(fù)方案？,人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)模型研究,介紹,天津中醫(yī)藥大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室,選題的科學(xué)

15、依據(jù),1、課題所屬研究領(lǐng)域2、課題的理論意義和應(yīng)用價(jià)值3、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì),課題所屬研究領(lǐng)域,a：人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)模型研究屬于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)（Biomechanics）的研究范疇 。 b：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是一門(mén)主要研究運(yùn)動(dòng)中人體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。 C：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究最終目的,課題的理論意義和應(yīng)用價(jià)值,a、髖關(guān)節(jié)重要性,,,,b、體育運(yùn)動(dòng)學(xué)方面 為評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作技術(shù)的合理性，設(shè)計(jì)新的體育訓(xùn)練手段

16、，改善技術(shù)動(dòng)作，提高體育成績(jī)提供理論依據(jù) C、骨科臨床醫(yī)學(xué)方面 近20年來(lái)，不論是作為生物力學(xué)的基礎(chǔ)理論研究，還是作為骨科臨床上的應(yīng)用研究，髖關(guān)節(jié)都是非常受重視的環(huán)節(jié)，因?yàn)椴还苁菍?duì)人工髖關(guān)節(jié)生物材料的研究，還是骨科臨床上的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的開(kāi)展，都必須充分了解髖關(guān)節(jié)的力學(xué)性能 總結(jié)：希望通過(guò)本次研究能夠?yàn)橐院蟮睦碚撗芯?、體育研究和醫(yī)學(xué)研究提供成功的髖關(guān)節(jié)模型。,國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì),a、國(guó)外研究概況（Kane 、Ha

17、zte） 多體建模：Kane（美國(guó)） 人體仿真：Hazte（南非） 近幾年的研究：Miller(4剛體模型),Hazte(11剛體模型)等b、國(guó)內(nèi)研究概況 1980年12月成立了中國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)協(xié)會(huì) 近幾年來(lái)的研究成果：中國(guó)人體尺寸、人體器官密度、，人體環(huán)節(jié)的慣性參數(shù)和回歸方程的測(cè)定等,技術(shù)路線、研究措施和進(jìn)度計(jì)劃,髖關(guān)節(jié)的生理構(gòu)造髖關(guān)節(jié)的建模原理與步驟 進(jìn)度計(jì)劃,髖關(guān)

18、節(jié)建模的原理與步驟,從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面通過(guò)多體的研究方法進(jìn)行建模：第一：確定髖關(guān)節(jié)模型的組成部分 第二：取得描述髖關(guān)節(jié)模型的各種數(shù)據(jù) 第三：確定全局坐標(biāo)系，組裝模型，并使各部件的局部坐標(biāo)簡(jiǎn)化 第四：對(duì)模型進(jìn)行校核，消除尺寸誤差，限定關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍 第五：添加約束和運(yùn)動(dòng)，將其應(yīng)用于具體問(wèn)題,進(jìn)度計(jì)劃（2002.9-2004.6）,課題相關(guān)文獻(xiàn)查閱：3個(gè)月髖關(guān)節(jié)生理學(xué)特性學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的深化、多體知識(shí)的鞏固：3個(gè)月左右

19、髖關(guān)節(jié)的幾何建模：2個(gè)月左右髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模：3個(gè)月左右髖關(guān)節(jié)模型運(yùn)動(dòng)仿真與控制：3個(gè)月左右通過(guò)典型運(yùn)動(dòng)計(jì)算校核模型：3個(gè)月左右,課題預(yù)期達(dá)到的成果和水平,希望通過(guò)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)與控制學(xué)建立起較為精確的髖關(guān)節(jié)力學(xué)仿真模型，能夠通過(guò)該模型分析髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的變化原理和規(guī)律，揭示髖關(guān)節(jié)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)特性，準(zhǔn)確模擬髖關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉骨骼狀態(tài)。并希望能夠?yàn)橐院蟮睦碚撗芯俊Ⅲw育研究和醫(yī)學(xué)研究提供成功的髖關(guān)節(jié)模型。,髕骨受力,4、作

20、用于膝關(guān)節(jié)的力,三、人體的平衡,平衡基本狀態(tài)：,人體平衡：,人體保持某一姿態(tài)的穩(wěn)定性或動(dòng)態(tài)中的控制能力。,靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),1、關(guān)鍵在于重心,（1）人體的重心：,從解剖學(xué)角度看：左右基本對(duì)稱(chēng)（正中偏右）。,當(dāng)人體自然站立時(shí)，總重心的位置一般在身體正中面上第三骶椎上緣前方7cm偏右處,（2）重心位置：,地球?qū)θ梭w各部分引力合力的作用點(diǎn)。,如：,(3)人體重心的變化特點(diǎn)：,男子的重心高度約為身高的56%， 女子的重心高度約

21、為身高的55%,①重心通常會(huì)隨著消化、呼吸、血液循環(huán)等生理過(guò)程的進(jìn)行而變化,②重心通常會(huì)隨著姿勢(shì)的變化而變化,③重心通常會(huì)隨著年齡、性別、身體結(jié)構(gòu)、后天狀況等特點(diǎn)而變化,? 幾何形狀固定的物體，不管他怎樣運(yùn)動(dòng)，其重心相對(duì)于自身的位置是不變的。,成人與兒童,男子與女子,體操與足球運(yùn)動(dòng)員,(4)人體重心測(cè)量方法,① 重心板（一維或二維）實(shí)測(cè)靜態(tài)人體的重心位置② 攝影和錄像獲得的人體圖像中通過(guò)測(cè)量和計(jì)算獲得,第一步：以人體左下角邊緣處O點(diǎn)為

22、原點(diǎn)繪出直角坐標(biāo)系（OXY）。第二步： 確定各環(huán)節(jié)點(diǎn)位置。第三步： 確定頭和手的重心位置。頭的重心在耳廓上緣中點(diǎn)正面觀時(shí)在兩眉間，手的重心在中指的掌指關(guān)節(jié)處。第四步： 連接關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成人體棍圖。第五步： 開(kāi)始測(cè)量各環(huán)節(jié)的相片長(zhǎng)度(以毫米為單位)，填入環(huán)節(jié)長(zhǎng)度一欄內(nèi)。,第六步: 把各環(huán)節(jié)重心至近側(cè)端距離占環(huán)節(jié)長(zhǎng)度的比值填入半徑系數(shù)一欄內(nèi)。見(jiàn)表2—1中具體的布拉溫—菲舍爾環(huán)節(jié)相對(duì)重心位置數(shù)據(jù)。第七步： 環(huán)節(jié)長(zhǎng)度乘以環(huán)節(jié)相對(duì)重心位置百

23、分比，填入環(huán)節(jié)重心近側(cè)端實(shí)長(zhǎng)一欄內(nèi)。第八步： 按環(huán)節(jié)質(zhì)心到近側(cè)端實(shí)際長(zhǎng)度一欄的數(shù)據(jù)，在照片上的環(huán)節(jié)上點(diǎn)出環(huán)節(jié)質(zhì)心位置。頭手的位置不必計(jì)算，可以直接點(diǎn)出。第九步： 從照片上測(cè)量各環(huán)節(jié)質(zhì)心的坐標(biāo)。第十步： 把人體模型中已知的環(huán)節(jié)相對(duì)重量數(shù)據(jù)添入表內(nèi)（P）。第十一步： 計(jì)算出各環(huán)節(jié)對(duì)軸之矩Px,Py。第十二步： 求出Px,Py的和，即為人體總重心位置。第十三步： 在照片上點(diǎn)出總重心。,2、人體平衡的分類(lèi),① 上支撐平衡（懸垂平衡）

24、② 下支撐平衡（倒立平衡）③ 混合支撐平衡（肋木側(cè)平衡）,(2). 根據(jù)平衡的穩(wěn)定性（穩(wěn)度）,① 穩(wěn)定平衡（吊袋、懸垂） 有限度的穩(wěn)定平衡（人上支撐平衡）,(1). 根據(jù)人體重心與支撐點(diǎn)的位置關(guān)系,② 不穩(wěn)定平衡（單臂倒立） （人下支撐平衡）,③隨遇平衡（球的平衡）,（1）隨遇平衡,（2）穩(wěn)定平衡,（3） 不穩(wěn)定平衡,特征,重心,線面,例子：,無(wú)論任何位置都是平衡狀態(tài),重心不升高也不降低,重力作用線通過(guò)支持面,水平面均