运动力学基础.pptx

1u掌握运动中的力合力矩及其表现形式，并明确力是物体运动状态改变和形状改变的原因；掌握影响人体平衡与稳定的因素。u熟悉牛顿运动定律的在人体运动中的应用；熟悉骨、关节、韧带和肌腱的生物力学特性及其在康复治疗中的应用。u了解运动中力的合成与分解及其在人体运动中受力分析中的应用。学习目标第1页/共55页2学习内容学习内容第一节 运动中的力与力矩一、运动中的力二、运动中的力矩第二节 牛顿运动定律及其应用一、牛顿运动定律二、牛顿运动定律在人体运动中的应用第三节 平衡与稳定一、力系平衡条件与人体平衡类型二、稳定性及其影响因素三、人体平衡与稳定的特点第四节 骨、关节生物力学一、骨的生物力学性质二、关节生物力学三、肌腱和韧带的生物力学第2页/共55页3第一节 运动中的力与力矩 力是一个物体对另一个物体的作用，是使物体产生形变或线运动状态改变的原因。力矩则是力和力臂的乘积，是使物体转动状态改变的原因。第3页/共55页4一、运动中的力若将人体整体看做一个力学系统，则人体内部各部分的相互作用，称为内力。外界作用于人体的力称为外力。（一）内力与外力的概念 外力：重力、支撑反作用力等。内力：骨骼肌张力、关节约束力、韧带张力等，其中骨骼肌的张力是人体内力中的主动力。第4页/共55页5运动中的内力和外力的关系2.内力可以改变外力的大小 3.外力可用来增强内力 人体整体人体环节骨骼肌张力外力内力1.内力与外力是相对的第5页/共55页61.重力 重力是地球对人体或物体的引力，是一种非接触力。人体或物体受重力的集中点为重心，其方向指向地心。2.弹力 弹力产生在直接接触的物体之间，以物体相互接触使物体发生形变为先决条件。弹力的大小与物体的弹性系数和形变量成正比。（二）几种常见的外力第6页/共55页73.摩擦力 摩擦力是两相互接触的物体作相对运动（线运动或滚动）或有相对运动趋势时产生的力，分别成为滑动摩擦力、滚动摩擦力和静摩擦力。（二）几种常见的外力第7页/共55页84.支撑反作用力 人体处于支撑状态时，人体重力作用于支撑面上，支撑面又反作用于人体，这种反作用称为支撑反作用力。如果人体处于静止状态，为静力性支撑反作用力；如果人体局部环节有运动，则支撑反作用力会不断变化，称为动力性支撑反作用力。第8页/共55页95.流体作用力人体在空气和水中运动时，与流体发生接触，并相互作用，流体对人体的作用即为流体作用力。人体在水中受到浮力作用，可以减轻肢体的重力作用，对于肌力不足或关节疼痛的患者，可以借助水的阻力和浮力进行康复训练。第9页/共55页101.合力与分力 一个力如果它产生的效果与几个力共同作用的效果相同，则这个力就叫那几个力的合力，而那几个力就叫这个力的分力。2.力的合成 求几个已知力的合力，叫力的合成。3.力的分解 力的分解是力的合成的逆运算。（三）力的合成与分解平行四边形法则是力的合成与分解的基础第10页/共55页11当骨骼肌在某一平面产生力作用时，可将肌力分解为两个垂直分量：一个沿着骨轴线作用，另一个垂直骨轴线。前者起稳固关节的作用，因而叫稳固分量，后者是使骨产生转动的分量，所以叫转动分量。第11页/共55页121.力的时间累积效应 作用于物体的合外力与其作用时间的乘积（Ft），称为力的冲量。而将运动物体或人体具有的“运动量”，即质量与速度的乘积（m v），称为动量。动量定理：物体动量的增量等于其所受的冲量。（四）力的时间和空间累积效应第12页/共55页13动量定理在运动中有广泛的应用。运动中为了减小外界的冲击力，通常需要延长外力的作用时间。为了给物体或人体强大的冲力，要求与物体或人体接触（撞击）的时间要短。增大作用力和延长力的作用时间，可以使人体或器械获得更大的速度。第13页/共55页142.力的空间累积效应 力与力作用方向上移动距离的乘积（FS），称力对物体作了功。力作用方向与其引起的物体运动方向改变一致，力对物体所做的功为正功。物体的运动方向与力的作用方向相反，这时力所做的功为负功。功的国际单位是焦耳（J）。第14页/共55页15 通常讲骨骼肌做功，是指骨骼肌做的机械功。肌将其贮存的化学能转化为机械能，克服阻力使环节及外界物体产生位移。等长收缩运动中，环节不产生位移，没有做机械功，此时骨骼肌消耗的能量完成了“生理功”。功和能之间是可以相互转换的，能的量值是通过做功来确定的，力对物体做的功等于物体机械能（动能和势能）的增量。第15页/共55页16 力矩（M）是作用于物体或人体的合力（F）与支点到力作用线距离（d）的乘积，即M=F。一种情况：即大小相等，方向相反，作用线互相平行但不重合的两个力作用在同一物体上，虽然其合力为零，但物体同样会转动，这一对力称为力偶，其产生的转动力矩称为力偶矩。另一种情况：物体在无支撑情况下受到力的作用，这个力若不通过物体的重心，也会引起物体的转动，这个力称为偏心力，由其产生的转动力矩称为偏心矩。力矩、力偶矩和偏心矩是人体或物体转动的条件。二、运动中的力矩第16页/共55页17第二节 牛顿运动定律及其应用 v牛顿第一定律：任何物体在不受外力作用（或所受合外力为零）时，物体将保持静止或匀速直线运动状态不变。物体的这种性质称为惯性。v牛顿第二定律：物体加速度（a）的大小与物体所受合外力（F）的大小成正比，与物体的质量（m）成反比，即F=ma。v牛顿第三定律（作用力与反作用力）：两个物体相互作用时，物体甲对物体乙的作用力，F1与F2大小相等、方向相反、沿同一直线，即F1=-F2。一、牛顿运动定律 第17页/共55页18 运动中很多动作可以借助惯性完成，巧妙地利用惯性，不但省力且减少能量消耗，减少运动性疲劳。因此，人体活动中保持动作的连贯性和动作间的连续性能起到省力的作用。例如，康复治疗中偏瘫患者自主从仰卧位到侧卧位，可以利用健侧肢体的惯性完成体位转换例子。二、牛顿运动定律在人体运动中的应用（一）运动中合理利用惯性可以省力第18页/共55页19 指在人体在克服外界阻力负荷运动时，需要遵循由大肌群首先活动，逐步过渡到中小肌群活动。因为大肌群能产生较大的力或力矩，有利于克服阻力物体的惯性，可以有效预防运动开始时的中小肌群的损伤。例如，搬动较重物体时应用下蹲通过大腿的肌群用力来克服重物的惯性，而不应用弯腰通过腰部肌群的用力克服重物的惯性。由于腰部肌群的力量弱，弯腰搬重物易导致腰部肌的急性损伤。（二）克服重物惯性需要遵循骨骼肌活动顺序原理第19页/共55页20 运动中，要使人体运动速度增加或减小，需要外界对人体的作用力增加或减小。根据作用力与反作用力定律，外界物体对人体的作用力增加或减小时，人体对外界的作用力也需要增加或减小。（三）增加人体对外界的作用力可以增大外界对人体的反作用力第20页/共55页21第三节 平衡与稳定 一个物体如果受到几个力的作用，这几个力称为力系。力系平衡的条件因力系的不同而有所差异，力系通常有以下4种情况。1.共点、共线力系 2.平面汇交力系 3.平面平行力系 4.空间一般力系 一、力系平衡条件与人体平衡类型（一）力系的平衡条件第21页/共55页22平衡重心与支撑点关系平衡稳定程度上支撑平衡下支撑平衡混合支撑平衡稳定平衡有限稳定平衡不稳定平衡随遇平衡人体平衡的类型（二）人体平衡的类型第22页/共55页23 稳定性是指人体和物体抵抗各种干扰作用保持平衡的能力。1.静态稳定性 人体静止时抵抗各种干扰的能力.2.动态稳定性 人体重心偏移平衡位置后，干扰因素除去时，人体仍能恢复到初始平衡范围.二、稳定性及其影响因素（一）稳定性第23页/共55页241.影响人体下支撑稳定性的因素支撑面大小:支撑面大，稳定度大；支撑面小，稳定度小。重心的高低:在支撑面不变的情况下，人体的重心位置低，稳定度大；重心位置高，稳定度小。（二）影响人体下支撑稳定性的因素与评价指标第24页/共55页252.人体下支撑稳定性的评价指标（1）稳定角：稳定角是指重力作用线和重心至支撑面边缘相应点的连线间的夹角。重心高度相同，支撑面越大，稳定角越大；支撑面相同，重心越高，稳定角越小。稳定角越大，物体的稳定度越大，第25页/共55页26（2）稳定系数：稳定系数是指稳定力矩与倾倒力矩之比值。稳定系数表明物体依靠重力抵抗平衡受破坏的能力，稳定系数大于1时，物体能抵抗外来翻倒力矩，平衡不被破坏；稳定系数小于1时，物体抵抗不住外来的翻倒力矩，平衡将遭到破坏，即物体会翻倒。第26页/共55页27q人体不能绝对静止：人体的呼吸、循环运动使得人体重心不是定点。另一方面人体肌张力任何时候不能恒定。q人体形状可变：由于人体支撑面边缘均为软组织，有效支撑面面积要小于“理论”支撑面的面积。q人体自身的姿势自动调节系统：人体有翻倒趋势时，依靠反射性地改变身体姿势，可以保持原有平衡。三、人体平衡与稳定的特点第27页/共55页28人体保持平衡稳定的补偿动作第28页/共55页29q人体内力起重要作用：内力可以通过对外界环境（人体或物体）的主动作用，从而影响人体的平衡。q心理因素的影响：紧张心理反应对人体平衡稳定性的影响最为明显。q感觉系统在保持人体平衡中的作用：视觉、位觉与本体感觉等感觉系统起着重要作用。第29页/共55页30第四节 骨、关节生物力学（一）骨受载荷形式 一、骨的生物力学性质 拉伸载荷压缩载荷弯曲载荷剪切载荷扭转载荷复合载荷第30页/共55页31骨的应力是指骨结构受到外来载荷时其表面单位面积所受到的力。骨的应变是指骨在外力作用下的局部形变，包括线性应变和剪切应变。（二）骨的应力与应变曲线第31页/共55页32v应力较小时，在一定的范围内，应力与应变之间存在着一个线性关系，应力-应变曲线为直线，即应力与应变成正比关系，称为弹性区。去除外部载荷移后，材料将恢复到原来的形状，即不会造成永久形变。v载荷持续增加时，骨最外层某些部位就会发生屈服，即弹性区末端点称为屈服点。屈服点以后的曲线则变成了非线性，骨将产生永久变形，称为塑性区。v载荷持续增加，骨组织的结构体将在某个部位失效（骨折，图中C点为断裂点），对应的应力称为极限应力（C）。第32页/共55页33 在应力-应变曲线图中的弹性区，材料的应力与应变之间存在着一定的关系，即应力/应变是常数，此常数为材料的弹性模量或杨氏模量，其大小等于这段直线的斜率。弹性模量或杨氏模量大小表示了材料抵抗变形的能力，称为刚度。第33页/共55页34 达到极限应力时的应力-应变曲线下面的面积表示导致骨折所需要的能量。一般骨在生理负荷范围内，骨产生弹性变形，当外力去除后，弹性区内的能量能同时被骨释放，使骨恢复原状。但当骨不断受到外力作用时，其应变能量不能被及时完全释放，经积累后可能会损坏材料的结构。第34页/共55页35 骨的生长是破坏和重建两个过程对立统一的结果。骨的塑形与重建是通过适应力的作用，这种适应性是按沃尔夫（Wolff）定律进行的。适宜的载荷对骨有积极的影响，但过载、过用或过度冲击性载荷可引起骨损伤甚至骨折发生。（三）机械应力对骨生长的影响第35页/共55页36 运动中，骨会反复受力，超过某一生理限度时使骨组织受到损伤，造成骨的损伤为疲劳性损伤。在持续性紧张的骨骼肌运动中，首先引起骨骼肌疲劳，收缩能力降低，其结果是抵消作用于骨上的应力的能力也减弱，导致对骨的作用力过大，骨结构在反复的应力刺激下导致结构的改变而发生骨折。（四）骨疲劳第36页/共55页37持续剧烈运动/大强度劳动骨骼肌疲劳贮存能量能力下降动作结构特征改变骨受载荷异常应力分布改变高拉伸复 合高压缩斜行骨折斜行裂纹横行骨折横向裂纹疲疲劳劳性性骨骨折折的的发发生生过过程程示示意意图图第37页/共55页38骨的力学性质还受到以下因素的影响。q骨的大小和形状q骨折愈合：当骨折愈合开始时，骨痂在骨折处周围形成套状以稳定骨折区。骨痂使截面积显著增加，从而增加骨骼的强度和刚度。q手术因素：有些外科手术造成骨缺损而使其力学性能明显减弱。q衰老与骨质疏松：骨组织总量的减少和骨体积的轻度减少。（五）影响骨力学性能的其他因素第38页/共55页39人类三种类型的杠杆（六）骨的杠杆功能第39页/共55页40二、关节的生物力学 关节面形状韧带强弱骨骼肌力量关节负压（一）关节稳定性第40页/共55页41 关节的存在使骨的杠杆作用得以实现，而提供骨杠杆转动的力、力矩可来自多方面，如承载的负荷与环节重量、关节韧带牵拉、肌收缩力等。（二）关节的力和力矩第41页/共55页42 力学性能与固体材料特性和渗透性有关。渗透性是指液体流过多孔固体基质时的摩擦阻力，是双相材料的重要参数。关节软骨损害、变性与关节载荷的频率与量级有关。关节的先天性发育不良以及关节损伤等因素，可以导致应力集中。（三）关节软骨生物力学特性第42页/共55页43 脊柱是躯干的中轴、位于背部正中，由24块椎骨、一块骶骨和一块尾骨，借椎间盘、韧带和关节连接而成。为直立与行走需要，形成四个生理性弯曲。（四）脊柱生物力学第43页/共55页44 1.脊柱结构力学特性 脊椎的功能单元是运动节段，包括2个椎体及其间的软组织。（1）椎体 （2）椎间盘 第44页/共55页45 随着年龄增长及外伤损害，椎间盘表现出老化与退变的特征，导致椎间盘的承载能力及其传递能力下降，继而产生脊柱的功能性退化与可能性的损伤。第45页/共55页462.脊柱的稳定 正常脊柱的稳定结构的因素有:外在稳定结构主要靠腹、腰与背等肌肉主动调节；内部主要靠骨关节、韧带进行控制。在内部稳定结构中除椎体和关节突的形状限制着脊柱的活动外，椎骨间韧带也维持着脊柱的稳定。脊柱失稳是骨伤科中的重要问题。正确判断能为病人提供风险最小、痊愈可能性最大的条件。第46页/共55页473.体位和负重对腰椎的影响 腰部是躯干的主要负重区。当身体前屈加大转动力矩后，椎间盘的负荷也相应增加。坐位时肌松弛腰部的负荷要比直立时大。如果腰后垫枕挺胸斜靠时，腰部受力可显著减轻。仰卧位时腰椎间盘受力最小。第47页/共55页48 上肢举重或提重物时，腰椎的负荷显著增加，物体的重心与脊柱运动中心的距离；脊柱的弯曲和旋转的程度；负重物体的性质、大小、形态、重量和密度。第48页/共55页49 肌腱和韧带都是粘弹性组织，其应力-应变曲线的形状取决于组织中胶原纤维和弹性纤维的比例。三、肌腱和韧带的生物力学（一）肌腱和韧带的应力-应变曲线第49页/共55页50 生物固体材料，如骨、肌腱和韧带等都具有粘弹性材料的特性。粘弹性是引起能量消耗的重要原因。而且粘弹性材料的力学性质与温度、压力等外部环境的关系极为密切。（二）生物固体材料的力学特点第50页/共55页51粘弹性材料的三个特点第51页/共55页52 1.解剖位置 2.锻炼和固定 3.年龄 4.激光和热治疗（三）影响肌腱生物力学特性的因素第52页/共55页53 1.温度、负荷加载速度的影响 2.机械应力的影响 3.年龄的影响（四）影响韧带生物力学特性的因素第53页/共55页541.运动中内力和外力如何区分？内力和外有何关系？2.如何应用牛顿运动定律指导人体运动？3.影响人体平衡的因素有哪些？4.与一般物体相比人体平衡有什么特点？5.影响骨力学性能的因素有哪些？6.影响肌腱生物力学特性的因素有哪些？复 习 思 考 题第54页/共55页55感谢您的观看。第55页/共55页