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什麼是骨與關節的生物力學

發布時間:2022-09-23 08:39:04

『壹』 關於骨頭的科學知識有哪些

人體的每一個部位都要靠骨頭來支撐,骨頭的形態也多種多樣,人體一共有206塊骨頭,分為顱骨、軀乾和四肢3個大部分。它們分布在全身各個部位,支撐著身體,保護身體的內部器官。

人體所有的骨頭,從形狀和大小上各不相同。從大小上來說,有的比較大,如腿上的脛骨、肱骨等,有的很小,如腳上的趾骨等。從形狀上,大致可分為5種:長骨、短骨、扁骨、不規則骨和含氣骨。

『貳』 骨骼是由哪些物質構成的

骨俗稱骨頭,是人體組織中人們非常熟悉的結構。人類自身的骨骼通常是可摸而不可及的。普通人最常接觸骨的場合是在餐桌上。除了豬、牛、羊、蛇、魚等常見的內骨骼外,蝦、蟹、蟶、龜等的殼則屬於外骨骼。餐桌上大部分會卡牙齒或梗喉嚨的硬東西都是骨。

從生物進化的角度來說,外骨骼的出現要遠遠早於內骨骼,許多無脊椎的動物,如昆蟲類,它們體外具有關節的甲殼質殼就屬於外骨骼,烏龜的殼是由皮膚骨化而來的,屬於皮化骨。外骨骼也好,內骨骼也好,它們最基本的功能有兩個方面,一是保護功能,二是運動功能。低等動物外骨骼的保護功能是明顯的,其運動功能是則有骨骼內附著的肌肉來完成,鮮美的螃蟹腳其實都是它的肌肉。

與其他脊椎動物一樣,人類的骨骼也是位於肌肉內進化來的,屬於內骨骼。但是,人類骨骼的來源是非常復雜的,例如,頭顱骨的淺表位置反映了它的進化根源,與烏龜的殼一樣,人類的上頜骨、下頜骨、鎖骨和牙齒的牙質也與皮膚同源,都屬於皮化骨。還有一些骨頭,如聽小骨、舌骨、喉軟骨,以及鼻腔的骨和軟骨,則與魚類鰓部骨骼的起源相同。另一些骨頭,如髕骨以及很多的籽骨,是由肌肉或肌腱的骨化而產生的。人類內骨骼的許多特點也有保護功能,有時甚至掩蓋了其運動功能。例如,顱骨和椎柱骨就有非常突出的保護功能,使大腦和脊髓能夠經得起各種運動的震盪和沖擊。

人類的骨骼復雜而饒有趣味,就讓我們離開餐桌,來認識一下支撐我們整個身體的骨架吧。

骨骼由骨與關節組成,全身各骨藉助關節相連形成骨骼,構成骨支架,使我們有了人的基本樣子,同時也構成了運動系統最重要的組成部分。骨骼支持體重,保護心、腦、肺等器官。骨骼上有肌肉附著,在神經系統支配下,以關節為樞紐通過骨骼肌的協調動作而進行活動。

要進一步認識人類骨骼,就不能不先看一看骨的基本結構。

• 骨密質與骨松質 從組織學上來說,骨是一種器官。完整的骨包括外層的骨膜、骨質、內含的骨髓、血管、淋巴管和神經等。如圖所示,骨質包括骨密質和骨松質。骨密質質地堅硬,分布於骨質的表面,耐壓性很強,平時最常說的骨頭其實就是指這一層煮不爛的骨密質,它由大量的骨細胞組成。由骨密質圍成的腔被稱為髓腔,裡面就是呈海綿狀的骨松質,由交織的骨小梁構成。因為骨小梁的排列與骨承受的壓力和張力相一致,所以骨松質也同時承受較大的力量。骨髓充填於髓腔和骨松質的間隙里,其中具有豐富的血管、淋巴和神經,使骨進行新陳代謝和生長發育的場所,能夠對骨進行修復、再生和改建。另外,骨髓還具有造血的功能。

• 成骨細胞與破骨細胞 緊貼骨密質外麵包著的一層膜就是骨外膜,髓腔內還有一層薄的骨內膜。在骨外膜和骨內膜中含有一種能夠生成骨的細胞,稱為成骨細胞,這種細胞具有使骨骼生長的功能。有趣的是,在骨外膜中還有另外一種專門破壞骨細胞的細胞,稱為破骨細胞。這兩種細胞作用相反又相互依據。成骨細胞像建築工人,不停地生成新的骨組織,破骨細胞則像維修工人,不停地清除老化、死亡、破碎的骨結構,並且還負責拆除「違章建築」,就是除去不需要的多餘的骨組織,從而使骨的整體結構更符合生物力學的需要。正常情況下,兩種細胞之間處於動態的平衡之中,完成骨的生長發育的新陳代謝。骨折之後,成骨細胞首先啟動,從而促使新骨痂的生成,即骨折的癒合。但是,股痂只是恢復了骨的連續性,往往不符合生物力學的需要,改建塑形的過程則必須有破骨細胞的參與才能完成。

• 骨外膜 成骨細胞和破骨細胞是骨折之後骨癒合和塑形的主要力量。所以,在骨折的治療中,不能隨意地損傷骨膜。骨外膜由纖維結蒂組織構成,含有豐富的神經、血管,對骨的營養、再生和感覺具有重要作用。骨折時會感到劇烈的疼痛,並不是骨的折斷本身引起的,而是骨外膜中豐富的神經受到損傷刺激所致。

• 骨基質 骨質中除了骨細胞以外的物質就是骨基質,其中含有大量的鈣和磷,參與人體的代謝調節。骨基質由骨細胞生成,基質成分的改變其實仍然是成骨細胞與破骨細胞之間動態平衡變化的結果。老年人中常見的骨質疏鬆症最基本的改變,就是骨基質中鈣含量的下降。

• 骨的化學成分 主要是有機質和無機質。有機質有膠原纖維和糖蛋白,賦予骨彈性和韌性。無機質主要是鹼性磷酸鈣,使骨堅硬。幼兒骨的有機質、無機質各佔一半,因而骨骼柔軟,容易變形,不容易骨折,即使發生骨折也常常折而不斷,稱為青枝骨折。成年人有機質與無機質之比為 3 ∶ 7 既柔韌又堅硬,最為合適。老年人骨的無機質變多,而有機質變少,因而較脆,容易發生骨折。鍛煉可以促進骨的發育和改建,長期不活動會導致骨質疏鬆。

• 骨的外形 骨的外形可謂千姿百態,在解剖學上一般把它們分為四類:第一類是長骨,呈長管狀,分布於四肢,如股骨、尺骨、橈骨等,是骨折最常發生的部位;第二類是短骨,主要分布於碗部和足部,數量較多;第三類是扁骨,如肋骨、顱骨等;第四類是不規則骨,如椎骨和髖骨等,這也是骨折經常發生的部位。

• 骨的數量 正常成年人全身共有 206 塊骨,按照它們各自所處的不同部位和功能,可以分為顱骨、軀干骨和四肢骨。顱骨保護著腦,當頭部受傷時,腦部的損傷往往比顱骨本身的受損要重得多。在本書中,主要介紹軀干骨和四肢骨骨折的情況。

• 軀干骨 包括胸骨、肋骨和椎骨。其中,肋骨有 121 對, 24 根,大家比較熟悉,胸口正前方比較平坦的那塊骨就是胸骨,胸骨、肋骨和後方的椎骨共同圍成胸廓,保護裡面的心和肺等臟器。胸骨和肋骨的骨折會不同程度地影響呼吸功能,肋骨骨折的段端有時還會刺傷它們所包容的臟器,如肺、肝、脾等。

• 椎骨 就是平常所說的背脊骨,共有 33 塊,包括 7 塊頸椎、 12 塊胸椎、 5 塊腰椎、5 塊骶椎和 4 塊尾椎。其中, 5 塊骶椎融合成一塊骶骨, 4 塊尾椎融合成一塊尾骨。從上到下的各節椎骨在外形上有一定的變化,從中可以知道,我們在背後摸到的所謂背脊骨,其實只是椎骨的棘突部分。椎骨的外形奇特,但它們依靠關節和韌帶的連接形成椎管,裡面所容納的脊髓和馬尾神經都屬於中樞神經的一部分。脊髓沿路發出很多脊神經,從椎骨之間的間隙和骶孔中穿出,分布於各處。所以,椎骨的骨折,如果骨折塊有移位,就容易對神經根或脊髓造成壓迫,導致相應的症狀,如截癱等,有時甚至會發生生命危險。

• 四肢骨 又分為上肢骨和下肢骨。其中,上肢的肱骨、尺骨、橈骨,下肢的股骨、脛骨、腓骨及組成手、腳的各個骨又被稱為自由肢骨。肩胛骨、鎖骨和髖骨則被稱為肢帶骨,它們將自由肢骨與軀干骨相連接。四肢骨是勞動和運動時主要的活動部分,也最容易受到傷害,因此骨折也最為多見。

• 關節 把骨與骨之間相連接的結構就是關節,骨折時也可能同時累及關節,稱為關節內骨折,治療上比較困難,而且治療要求也比較高。有時外傷還會引起骨與骨之間的關系不在正常位置,就是所謂的「脫骱」,也就是關節脫位。

『叄』 簡述骨的功能適應性,此為一簡答題(生物力學),快考試了,求大家多幫幫忙

骨作為活的組織可以根據周圍的力學環境調整自身的結構和形態,以便用最優的結構形式承受載
荷,即以最少的結構材料獲得最大的結構強度,把骨的這種性能稱為功能適應性,這種結構的調整過程被稱為骨再造或骨重建。

自從Wolff定性地描述骨再造以來,一些學者試圖把此過程用數學公式進行定量的描述,由此形成兩種主要的骨再造理論。

一種是位置特定理論Site-specific theory (Cowin andHeges;Hart etal; Huiskes et al),另一種是自優化理論Self-optimization theory (Huiskes et al;Carter et al; Beaupre et al; Weinans et al) 。

Cowin 等人使用位置特定理論模擬了非正常狀態下骨的再造行為,如帶有骨內植入物的骨再造行為,把長骨骨幹抽象成厚壁圓筒,對骨幹形狀的變化進行預測等。
Huiskes 等人使用自優化理論研究了股骨植入物周圍骨吸收與應變遮擋的關系及股骨組織的密度分布。

『肆』 解剖學如何分析運動與健康

目的
運動動作的解剖學分析也是人體運動學的解剖學部分(見運動生物力學),其目的是從人體結構的角度分析運動動作的規律性,為學習和提高動作質量提供理論依據。

分析
運動動作雖然有多種多樣,但從人體結構角度分析,它具有一定的規律性。任何動作都是以肌肉收縮為動力,牽引骨骼,圍繞關節而運動的。骨與關節是運動的被動部分,肌肉則是主動部分。肌肉在人體運動中處於重要位置。分析運動動作時,其重點為肌肉。因此,在進行動作分析之前,必須先了解肌肉的功能。

肌肉由許多肌纖維構成。在做動作時,肌纖維可以縮短,也可以被動地伸長,還可以處於既不縮短也不伸長的狀態。肌纖維處於縮短狀態時所做的工作叫做克制工作,這是運動動作中較常見者,如三角肌纖維收縮就可使兩臂側平舉。肌纖維處於伸長狀態時所做的工作叫退讓工作,在負重的情況下緩慢地屈肘關節,使上臂後面之肱三頭肌纖維被拉長時所做的工作,就屬此類。做克制工作和退讓工作時,肢體是處於運動的狀態,所以這種產生運動的工作又稱為動力工作。與此相反的另一種工作為靜力工作,即肌纖維長度不變,既不縮短也不伸長,可是肌肉的緊張程度(張力)增加,如兩臂保持側平舉時,三角肌纖維長度不變,但其張力增加,以克服兩臂下垂的重力,就屬此類。

每個關節的運動,都不是單純地由一塊肌肉來完成,而是由一群肌肉完成的。而在這一肌群中各個肌肉所起的作用又不完全一樣,其中直接完成動作的肌肉叫原動肌,與其作用相反的肌肉叫對抗肌。例如屈肘時,上臂前面的肱二頭肌、肱肌和前臂外側的肱橈肌是屈肘的原動肌,而上臂後面的肱三頭肌是屈肘的對抗肌,其肌纖維被拉長,但保持一定的緊張度,使屈肘時的原動肌在收縮過程中免於因動作過猛而受傷。有時在做某個動作時,只需一個關節運動,要求鄰近的關節固定不動。以便使活動這個關節的肌肉能充分發揮力量。這種使鄰近關節固定不動的肌肉,叫固定肌。如用力屈肘時要求肩關節固定,所以肩關節周圍的肌肉則稱為固定肌。

在分析運動動作時除了要注意肌肉收縮力以外,還要注意重力和摩擦力等。這些力產生於身體外部,因而稱為外力。肌肉收縮力產生於身體內部,所以稱為內力或肌力。內力和外力往往同時作用於人體,其作用的方向可以相同,也可以相反。

如果在肢體上兩種力的方向相反,肌力大於外力時,肢體則朝著與外力相反的方向運動。例如作高抬腿跑時,大腿於髖關節處做向上屈的動作,其原動肌就是與重力相反的一側的髂腰肌、股直肌(圖1)等。若負重蹲起時,身體需由蹲位伸直向上,這時為了克服杠鈴和身體各部分向下運動,則蹲起的原動肌主要為臀大肌、股四頭肌和小腿三頭肌(圖2)。如果作用於肢體的兩種力的方向一致,肢體運動速度則快,其原動肌則是位於肢體運動方向同一側的肌群。例如,排球運動員在跳起正面扣球時,上肢在肩關節處作伸與內收動作,其重力也有使上肢向下的作用,所以上肢內收和伸的速度要超過重力向下的速度。這時扣球動作的原動肌,就是使上臂在肩關節處伸和內收的肌群,即胸大肌、背闊肌和三角肌(圖3)等。如果作用於肢體時兩種力的方向相同,而肢體運動速度慢於重力,則原動肌是位於肢體運動方向相反的一側的肌群。例如在雙杠上做雙臂屈伸慢落下時,上臂在肩關節處外展和伸,重力也是使上臂在肩關節處外展和伸;為了提高訓練效果,使身體下落速度小於重力速度,原動肌就是位於與肢體運動方向相反的一側,即使上臂在肩關節處內收和屈的胸大肌和背闊肌。

『伍』 骨關節肌肉的生物力學特徵

你是問骨?還是關節?還是肌肉?
這些問題不是一句兩句能說清楚的。
建議從基礎書籍學起。

『陸』 骨關節和肌肉在生物運動中的關系 對運動生物力學的理解

運動是肌肉牽拉骨繞著關節轉動產生的.肌肉產生一個動力作用在骨上面,而關節給骨一個支點讓其有規律的運動.所以用物理的話說:骨是杠桿,關節是支點,肌肉是動力
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『柒』 什麼是骨質增生

骨質增生症屬中醫的"痹證"范疇,亦稱"骨痹"。中醫認為本病與外傷、勞損、瘀血阻絡、感受風寒濕邪、痰濕內阻、肝腎虧虛
骨質增生病因
等有關。
1.
病理學:不規則的軟骨損害,在負重區域的軟骨下骨硬化、囊腫,邊緣骨贅增生,干骺端血流增加及不同程度的滑膜炎。
2.
組織學:早期軟骨表面碎裂、軟骨細胞增生、軟骨面縱向裂開、結晶沉積,同時存在著軟骨修復、骨贅增生;晚期出現軟骨的徹底破壞,表現為軟骨硬化、軟骨消失及軟骨下局灶性骨壞死。
3.
生物力學:關節軟骨的可伸張性、抗壓力、抗剪切力及軟骨通透性降低。軟骨水分增加,過度腫脹,軟骨下骨硬化。
4.
生化改變:蛋白聚糖的含量(濃度)下降,其分子大小和聚集度改變,膠原纖維的大小、排列以及基質大分子的合成和降解均出現異常改變。
5.營養學:骨質增生的根本原因是缺鈣。是應力反應的結果。
頸椎骨質增生的病因
年齡因素、慢性勞損、外傷、咽喉部炎症、發育性椎管狹窄、頸椎的先天性畸形、代謝因素、精神因素等均能引起頸椎骨質增生。

『捌』 肩胛骨生物力學

肩胛骨的運動解剖
(一)JGJ肩關節
1、主要結構:由肱骨頭與肩胛骨的關節盂借關節囊連接而成。
2、輔助結構:
(1)關節盂唇:由纖維軟骨環構成。
作用:加深關節窩,使兩關節面相適應。
(2)肌腱與韌帶
①肱二頭肌長頭肌腱:起於盂上結節,從上方穿過肩關節。止於肱骨結間溝。
作用:從上方加固肩關節
②喙肱韌帶:位於關節囊上方,起自喙突根部,止於肱骨大結節。
作用:可防止肱骨頭向上脫位。
③盂肱韌帶:位於關節囊前壁,起於關節囊前緣,止於肱骨小結節。
作用:加強關節囊前壁。
④喙肩韌帶:橫架喙突與肩峰之間。
作用:能防止肱骨頭向上脫位
3、肩關節關節的運動
(1)繞冠狀軸作屈伸:墊排球、跑步前後擺臂動作
(2)繞矢狀軸作外展內收:兩手側平舉或直立飛鳥動作、揮拍網球
(3)繞垂直軸作旋外旋內:健美操動作、鐵餅預擺動作
(4)繞多個軸作環轉:武術掄臂動作
(5)水平屈伸、水平外展:健美操動作、自游泳、側平舉
(二)ZGJ肘關節
1、主要結構:肘關節由肱尺關節、肱橈關節和橈尺近側關節包在一個關節囊內構成復合性關節。
(1)肱尺關節:由肱骨滑車與尺骨的滑車切跡構成屈戍關節。
(2)肱橈關節:由肱骨小頭與橈骨的關節凹構成 球窩關節。
(3)橈尺關節:由橈骨的環狀關節面與尺骨的橈 切跡構成車軸關節。關節囊前後壁薄而鬆弛,兩側壁緊張形成側副韌帶。
2、關節的輔助結構
(1)尺側副韌帶:位於肘關節的內側,起於肱骨內上髁,止於尺骨滑車切跡的內側緣。
作用:從內側加固關節。
(2)橈側副韌帶:位於肘關節的外側,起於肱骨外上髁,止於尺骨橈切跡的前、後緣。
作用:從外側加固關節。
(3)橈骨環韌帶:兩端附著於尺骨的橈切跡前後緣,與橈切跡共同組成一個纖維環包繞橈骨頭。
作用:能在環內沿縱軸旋轉而不易脫位。
3、肘關節的基本運動:
(1)繞冠狀軸作屈伸運動:負重彎舉、撐桿跳;
(2)繞垂直軸作旋前旋後:乒乓球正反手扣球、擊劍.
(一)KGJ髖關節
1、關節基本結構:由髖臼和股骨頭構成球窩關節。
2、關節的輔助結構
(1)髖臼唇附於:髖臼周緣的
結構:纖維軟骨環 構成。
作用:有加深關節窩,增大關節穩固性的功能
(2)韌帶
①骼股韌帶:位於關節囊的前面,呈倒置「V」字形。起於髂前下棘;止於股骨轉子間線。
作用:有限制髖關節過度伸和維持人體立姿勢,是人體中最強大的韌帶之一。
②恥股韌帶:位於髖關節囊前內側。起於恥骨上支,斜向外下方與髖關節囊 融合;止於轉子間線下部。
作用:限制大腿在髖關節處過度外展和旋外。
③坐骨韌帶:位於髖關節後面。起於坐骨體;止於大轉子根部。
作用:限制大腿在髖關節處過度內收、旋內。
④股骨頭韌帶:位於關節腔內,一端附著髖臼,另一端附著股骨頭凹。
作用:有滋著股骨頭的血管通過,起著關節墊的作用。
3、關節的基本運動(了解)
(1)繞冠狀軸佐屈伸運動:前後踢腿動作
(2)繞矢狀軸作外收內展:側踢腿運動
(3)繞垂直軸作旋內旋外:交叉步跑動作
(4)作環轉:武術里合腿動作
(二)XGJ膝關節
1、關節的基本結構:由股脛關節和股髕關節構成的橢圓屈成關節。
(1)股脛關節:由股骨和脛骨相應的內、外側髁關節面構成橢圓關節。
(2)股髕關節:由股骨的髕面和髕骨關節面構成屈戍關節。股脛關節頭大,關節窩淺使兩關節面不相適應,關節囊薄而鬆弛。
2、關節的輔助結構
(1)半月板:由2個纖維軟骨板構成,墊在脛骨內、外側髁關節面上,半月板外緣厚內緣薄。內側半月板:呈「C」字形,前端窄後部寬,外緣中部與關節囊纖維層和脛側副韌帶相連。外側半月板:呈「O」字形,外緣的後部與腘繩肌腱相連、前部與前交叉韌帶相連。
作用:有加深關節窩,緩沖震動和保護膝關節的功能。
(2)翼狀襞:位於髕骨下方的兩側,含有脂肪的鄒襞。
作用:填充關節腔,增大關節穩固性,有緩沖震動功能。
(3)髕上囊和髕下囊:位於股四頭肌腱與骨面之間。
作用:具有減少腱與骨面之間相互摩擦。
(4)加固關節的韌帶
①前後交叉韌帶:位於關節腔內,分別附著於股骨髁內側面與脛骨髁間隆起。
作用:防止股骨和脛骨前後移位。
②腓側副韌帶:位於膝關節外側稍後方。起於股骨外側髁;止於腓骨小頭。
作用:從外側加固和限制膝關節過伸
③脛側副韌帶:位於膝關節的內側偏後方。起於股骨內側髁;止於脛骨內側髁。
作用:從內側加固和限制膝關節過伸
④髕韌帶:位於膝關節的前方,為股四頭肌腱延續部分。起於髕骨;止於脛骨粗隆。
作用:從前方加固和限制膝關節過度屈
(三)HGJ踝關節
1、基本結構:由脛骨下關節面和脛、腓的內、外踝關節面與距骨滑車構成屈戍關節。關節囊的前後壁薄而鬆弛,關節頭前寬後窄。這樣容易造成踝關節受傷。

2、輔助結構
①內側韌帶
位置:位於踝關節內側的強大韌帶。起於脛骨內踝,呈扇形向下;止於舟骨、距骨、跟骨的內側。
作用:限制足過度外翻。
②外側韌帶有三條:距腓前韌帶、距腓後韌帶、跟腓韌帶。
位置:起於腓骨外踝尖;止於距骨前、距骨後、跟骨。
特點:此韌帶比較分散,較薄弱,過度內翻易損傷此韌帶。例如球類、體操、田經等最多見外側韌帶損傷。
3、關節的運動特點
繞冠狀軸作屈伸:勾足、綳足動作
內翻-— 足的內側緣提起、外側緣下降。
外翻----足的外側緣提起、內側緣下降。
XFJ斜方肌
(1)位於:頸部和背上部皮下,三角形闊肌,兩側相合斜方形。
(2)起止點:起於上項線、枕外隆凸,項韌帶,第7頸椎和全部胸椎的棘突。上部止於鎖骨外側1/3,中部止於肩峰和肩胛岡上緣;下部止於肩胛岡下緣的內側
(3)發展力量練習:飛鳥展翅,負重直臂、側上舉,提拉鈴聳、肩,持啞鈴擴胸。在兒童時期發展此肌,預防和矯正駝背。
2、XDJ胸大肌
(1)位於:胸廓前壁淺表,為扇形扁肌。
(2)起止點:鎖骨部起於鎖骨內側半;胸肋部起於胸骨前面與第1—6肋軟骨;腹部起於腹直肌鞘前璧上部。上下部肌纖維扭轉180°換位交叉,止於肱骨大結節山嵴。
(3)輔助練習:仰卧推舉發展該肌力量,拉力器練習發展伸展性。
3、BKJ背闊肌
(1)位於:腰背部皮下,上部被斜方加遮蓋,是人體最闊肌。
(2)起止點:起自於下位6個胸椎和全部腰椎棘突、骶中嵴、髂嵴後部和10—12肋骨外面。上下部肌纖維扭轉180°肌腱止於肱骨小結嵴
(3)輔助練習:引體向上、拉力器練習、拉象皮筋、爬桿等。
4、QJJ前鋸肌
(1)位於:胸廓外側面,為扁闊形肌肉。
(2)起止點:以第8—9個肌齒起於上 位第 8—9助的外側面。上部肌纖維止於肩胛骨內側緣;下部肌纖維止於肩胛骨下角前面
(3)輔助練習:推掌、沖 拳、推鉛球

生物力學

生物固體力學是利用材料力學、彈塑性理論、斷裂力學的基本理論和方法,研究生物組織和器官中與之相關的力學問題。在近似分析中,人與動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態參數都可應用材料力學的標准公式。但是,無論在形態還是力學性質上,骨頭都是各向異性的。
20世紀70年代以來,對骨骼的力學性質已有許多理論與實踐研究,如組合桿假設,二相假設等,有限元法、斷裂力學以及應力套方法和先測彈力法等檢測技術都已應用於骨力學研究。骨是一種復合材料,它的強度不僅與骨的構造也與材料本身相關。骨是骨膠原纖維和無機晶體的組合物,骨板由縱向纖維和環向纖維構成,骨質中的無機晶體使骨強度大大提高。體現了骨以最少的結構材料來承受最大外力的功能適應性。
木材和昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構成的復合材料,它與由很細的玻璃纖維嵌在合成樹脂中構成的玻璃鋼的力學性質類似。動物與植物是由多糖、蛋白質類脂等構成的高聚物,應用橡膠和塑料的高聚物理論可得出蛋白質和多糖的力學性質。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識不僅可用於由氨基酸組成的蛋白質,也可用來分析有關細胞的力學性質。如細胞分裂時微絲的作用力,肌絲的工作方式和工作原理及細胞膜的力學性質等。
生物固體力學中關於骨的研究,可以追溯到19世紀,大量的研究者對骨組織進行了研究,直到19世紀末,Wollf提出了著名的Wollf's Law. 他認為骨組織是一種自優化的組織,其結構會隨著外載的變化而逐漸變化,從而達到最優的狀態。以後,研究者進行了大量研究,基於此定律提出了不少的理論及數學模型。其中較為著名教授有S.C Cowin ,D. R Carter , Husikes。在國內,吉林大學的朱興華教授也做了大量工作。
生物流體力學
生物流體力學是研究生物心血管系統、消化呼吸系統、泌尿系統、內分泌以及游泳、飛行等與水動力學、空氣動力學、邊界層理論和流變學有關的力學問題。
人和動物體內血液的流動、植物體液的輸運等與流體力學中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動型式相近。在分析血液力學性質時,血液在大血管流動的情況下,可將血液看作均質流體。由於微血管直徑與紅細胞直徑相當在微循環分析時,則可將血液看作兩相流體。當然,血管越細,血液的非牛頓特性越顯著。
人體內血液的流動大都屬於層流,在血液流動很快或血管很粗的部位容易產生湍流。在主動脈中,以峰值速度運動的血液勉強處於層流狀態,但在許多情況下會轉變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通過毛細血管壁的物質交換則是一種滲流。對於血液流動這樣的內流,因心臟的搏動血液流動具有波動性,又因血管富有彈性故流動邊界呈不固定型。因此,體內血液的流動狀態是比較復雜的。
對於外流,流體力學的知識也用於動物游泳的研究。如魚的體型呈流線型,且易撓曲,可通過興波自我推進。水洞實驗表明,在魚游動時的流體邊界層內,速度梯度很大,因而克服流體的粘性阻力的功率也大。小生物和單細胞的游動,也是外流問題。鞭毛的波動和纖毛的拍打推動細胞表面的流體,使細胞向前運動。精子用鞭毛游動,水的慣性可以忽略,其水動力正比於精子的相對游動速度。原生動物在液體中運動,其所受阻力可以根據計算流場中小顆粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。
此外,空氣動力學的原理與方法常用來研究動物的飛行。飛機和飛行動物飛行功率由兩部分組成:零升力功率和誘導功率。前者用來克服邊界層內的空氣粘性阻力;後者用來向下加速空氣,以提供大小等於飛機或飛行動物重量的升力。鳥在空中可以通過前後拍翅來調節滑翔角度,這與滑翔機襟翼調節的作用一樣。風洞已用於研究飛行動物的飛行特性,如禿鷲、蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機非常相似。
運動生物力學
運動生物力學是用靜力學、運動學和動力學的基本原理結合解剖學、生理學研究人體運動的學科。用理論力學的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領域。
在人體運動中,應用層動學和動力學的基本原理、方程去分析計算運動員跑、跳、投擲等多種運動項目的極限能力,其結果與奧林匹克運動會的記錄非常相近。在創傷生物力學方面,以動力學的觀點應用有限元法,計算頭部和頸部受沖擊時的頻率響應並建立創傷模型,從而改進頭部和頸部的防護並可加快創傷的治療。
人體各器官、系統,特別是心臟—循環系統和肺臟—呼吸系統的動力學問題、生物系統和環境之間的熱力學平衡問題、特異功能問題等也是當前研究的熱點。生物力學的研究,不僅涉及醫學、體育運動方面,而且已深入交通安全、宇航、軍事科學的有關方面。
編輯本段中國研究
與中國傳統醫學結合
中國的生物力學研究,有相當一部分與中國傳統醫學結合。因而在骨骼力學、脈搏波、無損檢測、推拿、氣功、生物軟組織等項目的研究中已形成自己的特色。
進行生物力學的研究首先要了解生物材料的幾何特點,進而測定組織或材料的力學性質,確定本構方程、導出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件並求解。對於上述邊界問題的解,需用生理實驗去驗證。若有必要,還需另立數學模型求解,以期理論與實驗相一致。
其次作為實驗對象的生物材料,有在體和離體之分。在體生物材料一般處於受力狀態(如血管、肌肉),一旦游離出來,則處於自由狀態,即非生理狀態(如血管、肌肉一旦游離,當即明顯收縮變短)。兩種狀態材料的實驗結果差異較大。
說明
生物力學的研究要同時從力學和組織學、生理學、醫學等兩大方面進行研究,即將宏觀力學性質和微觀組織結構聯系起來,因而要求多學科的聯合研究或研究人員具有多學科的知識。

『玖』 骨的力學特性是什麼

骨和軟骨是特殊的固體材料。它們和其他工程材料相比,最明顯的特點是具有生命,不停地經歷著復雜的物理、化學過程,以適應各種體外環境和內在環境。在生物力學中,研究骨和軟骨的目的在於剖析骨和骨骼系統的力學性質,揭示骨骼生長、發育腑變、衰退和死亡同力學作用間相互關系,給出生命科學中這類力學問題的精確的定量分析。

建立本構關系是對骨和軟骨這類生物材料進行力學分析首先要解決的問題。各種骨骼的構造形式,組成成分、個體形狀等差別很大,以人體骨骼為例,顱骨、股骨、掌骨、脊椎骨的力學性質就有很大的差別,加上研究目的不同,因此需要採用不同的本構關系。目前,骨和軟骨的本構關系和模型基本上還處在借用工程材料的本構關系的狀態。盡管如此,據此做出的不少骨骼力學分析仍是很有意義的。對人體主要骨骼,如顱骨、股骨、脊椎骨、膝蓋骨等作出的許多靜力學和動力學的分析,與臨床表現很接近。這些分析對於生物醫學工程頗具指導意義。

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