康复运动学基础02第二章运动力学基础.ppt

1,第二章 运动力学基础,2,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。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。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,3,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,4,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。,5,一、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。,6,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,1.内力与外力是相对的,7,1.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,8,3.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,9,4.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。,10,5.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。,11,1.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,12,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。,13,1.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,14,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。,15,2.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）。,16,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。,17,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,18,第二节 牛顿运动定律及其应用,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。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。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,19,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,20,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,21,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,22,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,23,人体平衡的类型,（二）人体平衡的类型,24,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,25,1.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,26,2.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，,27,（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。,28,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。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。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,29,人体保持平衡稳定的补偿动作,30,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。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。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。,31,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,32,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,33,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。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。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）。,34,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。,35,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。,36,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,37,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,38,疲劳性骨折的发生过程示意图,39,骨的力学性质还受到以下因素的影响。骨的大小和形状骨折愈合：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。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。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,40,人类三种类型的杠杆,（六）骨的杠杆功能,41,二、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,42,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,43,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,44,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,45,1.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,46,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。,47,2.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。,48,3.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。,49,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。,50,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,51,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,52,粘弹性材料的三个特点,53,1.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,54,1.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,55,1.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,