运动生物力学教案Word格式.docx

1、孟德杰中小学为什么要进行丰富多彩的体育活动？教学内容：教学常规：师生问好、登记考勤等导入部分：复习：第二章 运动生物力学参数；提问问题：简述三维测力台的基本原理。宣布本节课内容，提出问题：骨是空心的还是实心的？空心骨和实心骨的区别？引发学生兴趣。解决学生问题，引出本节课知识点（人体的骨是经过长期进化形成的空心结构，具有优良的性能。工业上采用的空心钢材，就是模仿人体的骨骼结构所制造成的）。空心骨具有质量轻，承重能力强的特征，为什么空心骨和实心骨具有几乎一样的承重能力呢？引发学生思考，激起学生兴趣，引出本节课内容。主要部分：人体运动的“硬件”是以骨骼为杠杆，关节为枢纽，肌肉收缩为动力的运动系统。本

2、章从力学结构及运动对这些运动器官的影响两个方面介绍骨、关节、肌肉的生物力学特性。骨的生物力学人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。骨按形状可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨等。例 骨具有功能适应性。骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。新疆葡萄丰收的时候，用头顶箩筐来运输葡萄，头盖骨很薄，却能承受很大的重量，和它的结构是分布来的，弓形结构承重能力强，从而说明骨具有功能适应性。骨的结构是与其功能相适应的。手指比较灵活，是因为其关节比较多。关节越多的地方，越灵活。从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外

3、力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。越是深入了解人体骨的特性，就越是为其优良的受力结构感到惊叹。制造出这种“智能”型的材料和结构，一直是科学工作者孜孜以求的目标。一、骨的生物力学特征（一）骨对外力作用的反应骨骼的受力形式:拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷这些载荷会在骨内产生拉应力、压应力和剪应力，相应产生拉应变（伸长）、压应变（缩短）和剪应变（截面错位），对骨的结构造成不同的影响。应力：单位面积所受的力。应变：受力条件下单位长度或单位面积的变化量。（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。（2）压缩：压缩

4、载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势，在骨骼内部的剪切面产生剪应力。（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。2骨对复合（实际）外力作用的反应在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出

5、现的是复合载荷。正常行走时，足跟着地时为压应力，支撑阶段为拉应力，足离地时为压应力。在步态周期的后部分出现较高的剪应力，表示存在显著的扭转载荷，提示在支撑时相和足趾离地时相胫骨外旋 （二）骨结构的生物力学特征骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构。结构优化设计理论主要包括：a）均匀强度分布，即在特定的加载条件下，材料的每一部分受到的最大应力相同。b）轨道结构理论（壳形结构），即只在力的承受及传递的路径上使用材料，而在其它地方是空洞。以下从结构优化的角度分三个方面介绍骨结构的生物力学特征。1各向异性由骨内部解剖结构易见骨是一种复合材料结构。复合材

6、料结构的特点就是各向异性。同一块骨的不同部分的力学性能是有差别的。骨具有明显的各向异性。例如长骨主要承受的是轴向的压力，因此沿轴向具有较高的强度和弹性模量。从显微组织分析来看，针状的无机盐晶体和骨胶原纤维主要是沿纵向排列。其中较少一部分沿周向排列。其主要作用是联系和约束纵向纤维，使纵向纤维在压缩和弯曲载荷的作用下不会失稳。 2壳形（管形）结构（1）弯曲载荷下长骨结构的优化对骨的应力，可以用对建筑物梁的应力一样的方法来分析。图（a）是一条两端支持的横梁，在梁的中间加一向下的力，则横梁受到弯曲载荷，会在横梁的顶部产生压应力，底部产生拉应力，越往中部应力越小。一般来说，任何型式的梁的中部都受到很小的

7、应力。为此通常都用一工字形截面的横梁作为建筑物的支持梁（如：铁轨），即截面两端厚中间薄（b），可以节省材料。如果作用力可能来自任何一个方向话，可用一个空心圆柱梁，这样就可以用最少的材料而获得最大的强度（c）。这种空心横梁和同结构的实心梁具有同样的的强度，而可节省约四分之一的材料。人体的长骨，如股骨，胫骨，肱骨等，都是中空的结构，都有可能受到来自任何一个方向的力的作用，因此长骨的空心结构是较完善地适宜于支持作用的。（2）扭转载荷下长骨结构的优化将胫骨横截面与工字形梁这一理想的抗弯截面进行比较。可以看到，在承受y-y轴的弯曲载荷时，骨截面就像工字梁截面一样，大部分材料远离中性轴。如果在考虑到骨还将

8、承受绕x-x轴的弯曲载荷和绕纵轴的扭转载荷（在截面上产生剪应力，其大小也是与其到截面中心的距离成正比），这说明了长骨中空的结构是一个优化的结构。 3均匀强度分布骨具有强度大，重量轻的特点（如图）。如果引入比强度（极限（最高）强度除以比重）和比刚度（弹性模量除以比重）的概念，则可以见到骨的比强度接近于工程上常用的低碳钢，而骨的比刚度可达到低碳钢的三分之一。钢骨花岗石洋松密度（g/cm3）7.81.87 1.972.60.63沿纵轴的最高张力强度 （kg/cm2）4240930 - 12005064.5沿纵轴的最高压力强度 （kg/cm2）1270 - 21001350424垂直纵轴的切变强度（k

9、g/cm2）35101190141106505骨的内部组织情况也显示骨是一个合理的承力结构。根据对骨骼综合受力情况的分析，凡是骨骼中应力大的区域，也正好配上了其强度高的区域。骨小梁在长骨的两端分布比较密集，其优点有二：一是当长骨承受压力时，骨小梁可以在提供足够强度的条件下使用比骨密质较少的材料。二是由于骨小梁相当柔软，当牵涉到大作用力时，例如步行、跑步及跳跃情况下，骨小梁能够吸收较多的能量。二、运动对骨的力学性能的影响从生物力学的角度来看，经常进行运动训练或体育锻炼，相当于营造一个新的骨的受力环境（条件）。根据骨的功能适应性原理，骨不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且

10、在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。运动对骨的影响，也就是骨对特定环境下力的变化的功能适应性的表现。决定骨的功能适应性的因素除了外部形态之外，还有截面形状，材料沿各方向的分布规律，内部结构等。（一）适宜应力对骨的力学性能的良好影响1体育锻炼对骨的力学性能的良好影响综合目前研究结果，机械力学信号可转化成促进成骨的生化信号。长期坚持体育锻炼对骨骼的影响：（1）促进未成年骨骼峰值骨量的增加;（2）对成年骨骼的影响表现为一定程度的骨量增加或保持骨量;（3）对绝经后妇女或老年人骨骼的影响在于尽量减少骨量的丢失速度;（4）可使骨密质增厚、骨变粗；（5）骨面肌肉附

11、着处突起明显；（6）骨小梁的排列根据拉（张）应力和压应力的方向排列更加整齐而有规律。这是由于骨的新陈代谢加强，骨的血液循环得到改善，从而在形态结构上产生良好的结果。随着形态结构的变化，骨变得更加粗壮和坚固，抗弯曲、抗压缩和抗扭转载荷的能力都有提高。当体育锻炼停止后，骨所获得的变化就会慢慢消失。因此，体育锻炼应经常化，锻炼的项目要多样化。专项训练与全面训练相结合。2不同运动项目对骨的力学性能的影响（1）研究表明，体育锻炼的项目不同，对人体各部分骨的影响也不同。（2）经常从事下肢活动的跑、跳项目的运动员，对下肢骨影响较大，对上肢骨影响较小。（3）经常练习举重的运动员，对上肢和下肢的影响都较大。又如

12、从事多年训练的跳远运动员，踏跳脚的第二跖骨直径增大，芭蕾舞演员的第二、第三跖骨的骨密质，足球运动员第一跖骨的骨密质都有增厚。拳击运动员桡骨骨密质也明显增厚。3适宜应力原则骨骼对体育运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号（应力）的应变。（1）有利的运动负荷及强度导致的骨应变会诱导骨量增加和骨的结构改善；（2）应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折;（3）应变过小或出现废用则导致骨质流失过快。因此对骨存在一个最佳的合适应力范围。（1）周期性超强度运动训练可能导致骨微细结构的破坏。这些骨的微损伤随时间不断累积（常见于军事野营训练军人和长跑运动员），如得不到改建修复可导致骨强度下降，甚至

13、发生疲劳性骨折。（2）诱导骨改建的重要机制是微骨裂诱导骨质改建单位的形成，即许多参与局部改建的细胞群形成所谓的切割圆锥，其功能形式表现为激活、骨质吸收及成型。（3）青少年女性运动员过量运动训练会导致经期紊乱，月经失调，造成与激素相关的骨量和骨密度下降。（4）儿童少年时期的骨新陈代谢旺盛。这时期进行合理的体育锻炼，更能促进骨的生长。相反，会使骨朝不正常的方向发展。（5）研究表明过量运动会导致对骨形成的抑制。动物实验证明，生长发育中的小白鼠在大负荷和大强度运动量下，骨骼较细和较短小，重量较轻。而在负荷较小，运动量较合适的的情况下，骨的重量、长度和粗度的数据都较不运动的对照组要大。骨骼的废用（如卧床

14、、肢体固定或失重）对骨的影响也应受到重视。事实上，大量研究已证实骨骼废用使骨密度下降和骨结构受损的速度远比体育锻炼对骨的有益影响快得多，而且恢复时间长且困难。一旦发生由于上述原因造成的骨质快速丢失，如何制定有效的以体育运动为主的康复训练计划仍缺乏研究，这应是今后的重点研究方向之一。（二）骨的运动损伤及防治随着人们生活和医疗水平的提高，体育和娱乐活动在生活中所占的比例日益增大。意外事故就上升成为青壮年死亡的首要原因。因此，对身体各部分的保护和伤后的诊断、治疗就成了一项重要的研究课题。骨折是运动性损伤中最常见的损伤之一，以下从骨折的断裂形式及载荷方式，骨折治疗的生物力学以及常见的骨的损伤机制加以讨

15、论。1骨折的断裂形式及载荷方式如果作用于骨骼上的载荷超过骨所能承受的强度极限，就会引起的骨折。（1）拉伸载荷引起的骨折常见于跟骨。第5跖骨基底靠近腓骨短肌附着处的骨折以及跟腱靠近附着处的跟骨骨折都是由于拉力产生的骨折。（2）压缩载荷引起的骨折常见于椎体。有时由于肌肉异常强烈的收缩，也可产生关节内压缩型骨折。（3）纯弯曲载荷造成的骨折不多见，常见的是侧力弯曲载荷。从侧面和后面对小腿腓骨击打极易造成这种骨折。因此，足球比赛规则严禁从侧面和后面铲击小腿。（4）剪切载荷引起的骨折常见于跟骨、股骨髁与胫骨平台的剪切破坏，变形后产生相对位置变动。（5）纯扭转载荷引起的骨折比较少见，它多半是和其它的载荷形式

16、组合在一起而引起的。2骨折治疗的生物力学原理如果作用于骨骼上的载荷超过骨所能承受的强度极限，就会引起骨折。骨折治疗就是将骨折移位整复，并促进骨重建过程，使之愈合恢复原有的强度和刚度。骨折的治疗过程会产生骨的力学环境的明显变化。在骨折治疗过程中应遵循的一条生物力学原则是：充分利用生理功能状况下的力学状态去控制骨重建，而不要干扰或尽量减少干扰骨应承受的力学状态。（三）常见运动性骨损伤生物力学分析1疲劳骨折疲劳骨折是一种在运动中常见的低应力性骨折。当骨受低重复载荷作用时，常可观察到疲劳细微骨折。疲劳骨折的产生不仅与载荷的大小和循环次数有关，而且还与载荷的频率有关一般，持续性的运动活动先是引起肌肉疲劳

17、。当肌肉疲劳后，肌肉收缩力降低，从而改变了骨的应力分布，使高载荷出现，随着循环次数的增加，可导致疲劳骨折。骨折既可能可出现在受拉侧，也可能出现在受压侧，或者两侧都出现。拉力侧骨折产生横向裂缝，且很快扩展为完全骨折；压力侧骨折发生比较缓慢，骨重建过程不太容易被疲劳过程超过，而且可能不扩展为完全骨折。运动康复-赵蕊蕊治疗疲劳骨折-治疗原则第二节关节生物力学关节的结构基本结构（关节面及关节软骨关节囊关节腔）辅助结构（韧带关节内软骨关节唇滑膜囊滑膜襞）关节的基本功能关节的基本功能是传递人体运动的力和保证身体各部分间的灵活运动。明确力在各种关节中的传递方式以及关节的运动特点是关节生物力学的主要目标。人体

18、关节最奇妙之处在于它是一个集自如的快速和慢速运动，承受高载荷和低载荷于一体，可正常运行数十年的既灵活又稳固的结构。在现今的科学技术水平上，人体关节在承受不同载荷下作不同的运动被认为分属于不同的运行机制，目前还无法模拟。一、关节的生物力学特性1关节的摩擦系数关节的摩擦系数采用重力摆法进行测定。人体某些关节的摩擦系数，与工程上的人工润滑结构相比，其摩擦系数是非常小的。这是人体关节抗摩耐用的重要原因之一。2。关节软骨的生物力学性能 （1） 关节软骨概述在关节中，关节面覆盖有一层1-5mm厚的致密白色结缔组织。在生理上，关节软骨实质上是一种孤立的组织，缺乏血液和淋巴供应，也无神经支配。关节软骨的固体基

19、质约占组织湿重的20%-40%，是由胶原蛋白、一种与水亲和力极强的蛋白多糖凝胶和软骨细胞组成；其余60%-80%的为水溶液，大部分水溶液在承受载荷的时候可以被挤出。胶原蛋白为关节软骨提供了一种纤维状超微网状结构，胶原蛋白和蛋白多糖一起抵抗关节的应力和应变。由图可以看出，胶原蛋白在软骨中是不均匀分布的，共分为三层。关节软骨的主要功能是：减小关节活动时的阻力（润滑关节）; 减小关节面负载时的压强（适应关节面）;减轻震动（缓冲）。关节软骨是一种多孔的粘弹性材料，其组织间隙中充满着关节液。在受拉伸应力下间隙扩大，液体流入，压缩时液体被挤出。软骨中没有血管，它正是靠这种应力下液体的流动来保证营养的供应。

20、由于软骨的应力影响着软骨内液体的含量，而液体的含量又影响着软骨的力学性能，这使得分析十分复杂。（1）关节软骨的渗透性实验表明，在恒定的外力下，软骨变形，关节液和水分子溶质从软骨的小孔流出，由形变引起的压力梯度就是引起关节液渗出的驱动力。随着液体的流出，小孔的孔径越压越小。因此，关节液的流出量在受力初期大于受力末期，形变也是初期大于末期。关节软骨依靠这样一种力学反馈机制来调节关节液的进出。正常的关节软骨的渗透性较小（与海绵相比）。在病理条件下关节软骨的渗透性增大，会出现关节积水、疼痛等与关节软骨力学性能变化有关的症状。渗透性是一种材料参数，它表示液体流过多孔的固体基质时的摩擦阻力。渗透性越低，在

21、承受载荷时液体流动的阻力越大。与普通海绵的渗透性相比，健康软骨的渗透性是很小的。液体通过如关节软骨这样的多孔介质有两种主要的力学方式： 1。由液压梯度造成的通过软骨的液流； 2。由变形造成的通过软骨的液流。在正常的关节软骨上，这两种机制同时起作用。（2）粘弹性关节软骨和关节液具有粘弹性（非线性）的特点，其力学性质与温度、压力等外部环境的关系极为密切。粘弹性体相对于弹性体来说具有如下三个特征：应力松弛:当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力会随时间的增加而下降。这种现象称为应力松弛。蠕变:当物体突然产生应力时，若应力保持一定，则相应的应变会随时间的增加而增大。这种现象称为蠕变。滞后:

22、在加载载荷和卸载过程中，应力应变关系不相同，即受力和恢复的状态不同。这种现象称为滞后。3时间-形变关系关节软骨和关节液作为一种粘弹性体，对外部载荷作用的快慢十分敏感，即其形变与外力的作用速度有关。例如，关节软骨的形变是由于液体的流出，关节软骨受到的挤压速度越快，液体流出小孔的阻力也就越大，关节液就越不容易流出；而速度越慢，关节液越容易流出。测量结果表明，当外力作用的时间在1/100 s左右时，关节液是同时具有流动性和弹性的粘弹性体，像橡皮垫一样，缓冲关节面之间的碰撞。当作用时间大于1/100 s时，关节液像润滑液一样，使关节灵活运动。如果外力作用的时间很短，例如达到1/1000 s左右时，关节

23、液不再表现为液体或弹性体，而是呈现出固体的特点，对碰撞时的冲力不再起缓冲的作用。打篮球时手指的挫伤往往就是这样造成的，从而说明准备活动的重要性。4关节润滑机制前面提到，人体的关节是是一个集自如的快速和慢速运动，承受高载荷和低载荷于一体的既灵活又稳固的结构。关于关节的润滑目前尚无普遍接受的统一机制。在一定情况下根据关节负荷或运动的需要由下列一种或多种机制起作用。类似于骨的功能适应性原理，人们在定义润滑机制的出发点是关节会采用最适合的机制应对面临的运动和载荷。目前有二种机制： （1）界面润滑 （2）压渗润滑当关节在高负荷条件下快速运动时，关节软骨内的液体被挤压渗出到临近接触点/面周围的关节间隙。此

24、时关节面软骨表面之间的液膜由压渗出的组织液和原有的滑液组成。（二）关节结构的力学特性 1关节静力学分析关节在静止状态下的受力状况，一般是采用环节静力分析法，即根据杠杆平衡条件估算关节受力和关节肌力矩。值得注意的是，关节的活动和稳定状况不仅与其自身的结构有关，而且与关节周围的肌肉和韧带的作用有关。因此，在分析关节运动和受力状况时往往不能忽略这些结构对关节的作用。例如，双足站立时，人体的重力线从耻骨联合后面通过。直立时，单侧股骨头上的关节反作用力是除去下肢重量后剩下的体重的1/2，即约为全部体重的1/3。而单足站立时，髋关节以上的身体重力线在三个基本平面上均发生了位移，在关节周围产生了力矩，从而使

25、关节作用力增加。根据英曼（Inman）的计算，单足站立时股骨头所受到的关节反作用力是体重的2.4倍。上楼梯时，当人的一侧下肢举腿登梯时，作用在另一侧负重腿上的胫股关节的反作用力的最小值可达体重的4.1倍，髌韧带的受力是是体重的3.2倍。2关节运动学关节的运动1。屈和伸 - 关节沿冠状轴运动。运动时两骨之间的角度发生变化，角度变小称屈，角度变大称伸。2、内收和外展- 关节沿矢状轴运动。运动时骨向正中矢状面靠拢，称同收。反之称外展。3、旋内和旋外- 关节沿垂直轴运动。运动时骨向前内侧旋转，称旋内。反之称旋外。4、环转运动- 关节运动时，关节头在原位转动，骨的远端做圆周运动。5、其他- 水平屈、伸，

26、滑动关节是人体运动的枢纽。一般来说，关节的两个运动学特征比较受到重视：一是关节的运动幅度（角度），二是达到这个运动幅度的方式（随意和强迫运动范围）。根据解剖学，关节的运动形式可以归纳为绕三个基本运动轴的运动，即屈伸运动、展收运动和旋转运动。从生物力学运动分析的角度，有两点还需要注意：（1）动作的顺序。即环节的位置与动作的顺序有关。例如：从解剖姿势使手掌掌心运动到向身体外侧可以有两中方式。一是从解剖姿势开始两臂绕肩关节前屈，然后水平外展，然后内收。二是直接从解剖姿势绕肩关节旋外。（2）关节瞬时中心的位置。关节瞬时中心：当一关节连接的一个环节绕另一个环节转动时，在每一瞬时有一个不动的点，即速度为零

27、的点，这一点称为瞬时旋转中心，简称关节瞬时中心。利用关节瞬时中心可以描述相邻两个环节在同一平面上的相对活动和接触点的位移方向。从瞬时中心的异常可揭示力学改变与生物学反应之间的内部联系。在人工关节的设计中，了解瞬时中心也至关重要。3关节动力学关节动力学包括两方面的内容:一是组成关节的各部分在外力作用下的运动特性，如关节软骨、关节液及其润滑机制等。这一部分在前面已经讨论过。二是作为一个结构整体的关节动力学。其研究方法和关节静力学类似，但还需要考虑人体运动的惯性参数。常用的思路是根据测定的肢体末端的外力和运动学数据，计算关节的反作用力和肌肉力矩。二、运动对关节力学性能的影响（一）运动对关节组织结构性

28、能的影响 1适宜的体育锻炼对提高关节负载能力和减小摩擦阻力的影响 （1）系统的体育锻炼可以使骨关节面骨密质增厚，从而能承受更大的负荷，并增强关节的稳固性。 （2）动物实验证明，长期运动可以使关节面软骨增厚。这种关节面软骨的增厚被认为是由于软骨基质和细胞吸收液体的结果。 （3）据报道一年的大强度的体育活动可以使关节滑液量成倍增加，有助于减少关节运动时的摩擦力。 （4）体育活动还可以使一些辅助结构如关节肌腱、韧带增粗，肌肉力量增强，在骨附着处的直径增加，提高关节的稳定性和动作力矩。2过当运动对关节组织结构性能的影响膝关节半月板（关节内软骨）撕裂就是典型的突然受到压缩-扭转复合载荷的结果。其原因是，

29、当膝关节伸直时半月板被股骨髁推挤向前，屈曲时，半月板则向后移动。膝关节半屈曲作小腿外展外旋或内收内旋时，两侧半月板位于一前一后，若动作突然，半月板来不及滑移，就会使半月板在股骨髁和胫骨平台之间发生强烈的研磨，即可引起各种类型的损伤。因此，当膝关节屈曲，小腿固定于外展、外旋位，大腿突然内收、内旋并伸膝时，就可能造成内侧半月板撕裂。相反，当膝关节屈曲，小腿固定于内收、内旋位，而大腿突然外展、外旋并伸膝时，就会造成外侧半月板撕裂。小结：总结本次课重点内容、进行补充教学-课堂答疑，布置作业。思考题：1举例说明载荷形式与应力应变的关系。2骨损伤防治的生物力学原则是什么？3关节软骨有哪些力学特性？4简述关节的润滑机制。教学反思：让学生了解骨和关节的良好生物力学性能以及这些性能在体育运动中的体现，是本节课的重点。其中骨的壳形结构比较难理解，要举例详细说明。本节课学生积极认真，课堂氛围较好。