第一章总论第四节生物力学基本原理ppt课件.ppt

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1、第一章 总论,第四节 生物力学基本原理,掌握：牛顿力学三定律及其在运动生物力学中的运用。熟悉：生物力学的基本知识；运动生物力学分析中的模型、参考系、坐标系、自有体受力图。了解：步态分析的运动生物力学方法。,一、生物力学概述（一）生物力学（二）生物力学基础知识二、运动生物力学（一）运动生物力学原理（二）运动生物力学分析（三）步态分析,一、生物力学概述（一）生物力学（二）生物力学基础知识,（一）生物力学 生物力学是力学与生物学相互交叉、渗透、融合，而形成的一门边缘性学科，它是研究生命体机械运动规律的科学。,一、生物力学概述,（一）生物力学 生物力学采用力学的基本理论与方法，结合生物学基本原理，对生

2、命体的运动状态及变化规律、运动特征及其构成运动的原因等进行系统研究，形成较为完整的生物力学学科体系。,一、生物力学概述,（一）生物力学 研究具体对象和侧重点不同，分为基础理论研究和应用理论研究。前者：研究生物体基本力学结构、各环节和整体运动机能及一般运动规律。后者：结合生物力学的基础理论，研究生命体特定运动机能及运动状态变化规律。,一、生物力学概述,（一）生物力学 据力学经典分类，结合生物体特点，常见的生物力学研究方向为生物材料力学、生物流体力学、生物固体力学、生物热力学、运动生物力学。,一、生物力学概述,（一）生物力学 生物材料力学研究组成生物体的材料的力学特征。生物流体力学研究生物体内液体

3、、气体的流动规律，包括血液流动，呼吸系统中气体流动，淋巴、泌尿系统中体液流动，及生物体在流体介质中流动规律。,一、生物力学概述,（一）生物力学 生物固体力学研究生物组织、器官，乃至生物系统中力学问题。骨骼和关节力学为最活跃的分支之一：骨折愈合和骨再生的力学机制、人工关节和假肢的设计制造、特殊环境中人体骨骼和关节防护。,一、生物力学概述,（一）生物力学 生物热力学应用热力学理论来研究生命维持过程中物质和能量的运输、交换、补充与消耗。运动生物力学研究生物体的运动规律。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识 生物力学基础知识：基本概念、基本物理量、计算方法、计量单位及其物理意义。基本指标如下：力

4、与载荷、应力与应变、力-位移曲线和应力-应变曲线、强度与刚度、弹性模量、应力松弛与蠕变,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识1.力与载荷 力：一个物体对另一个物体的作用，使物体运动状态发生改变的原因。用F表示力。国际单位是牛顿(N)。质量为lkg的物体在1s内产生lms的速度改变所需要的力是1N，即1N=lkg ms2。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识1.力与载荷 载荷：使物体产生运动或变形所施加的力。被广泛用于描述拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转变形的力。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识1.力与载荷 力是物体之间的相互作用；载荷是作用在物体上的外加力。两者都是物质间的作用

5、，但力是互相间的作用，载荷有施加者和承受者的区别。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识2.应力与应变 物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识2.应力与应变 在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。表示结构内某一平面对外部负荷的反应。应力用表示，=F/s，F是均匀施加的力，S是横截面。应力的单位：Nml，或帕斯卡(Pa)。应力的物理意义是作用于单位面积上的力。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识2.应力与应变 应力随外力

6、的增加而增大。对于材料来说，应力的增长是有限的，超过限度，材料就遭到破坏。应力可能达到的最大限度称材料的极限应力。安全使用材料，应力应低于极限应力，否则材料就会在使用过程中被破坏。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识2.应力与应变 物体受力变形时，体内各点变形程度一般不同。某一点变形程度的力学量称为该点的应变，即：结构内某一点受载时所发生的变形，称应变。应变用表示，=L/L0，L是变形量，L0是初始长度。应变的物理意义是外力作用后产生变形的能力。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识3.力-位移曲线和应力-应变曲线 用变形的位移为横坐标，相应的受力为纵坐标得到力-位移曲线；将横坐标的

7、位移转换为应变，纵坐标的受力转换为应力，得到应力-应变曲线。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识4.强度与刚度 强度指破坏前承受的最大应力。承受的最大力与初始横截面积的比值，用m表示，即m=Fm/S,Fm为材料破坏所需最大力，S为材料初始横截面积。强度的单位为：N/m2或Pa。强度是抵抗外力而不受破坏的能力。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识4.强度与刚度 刚度指受外力作用的抵抗变形的能力。用K表示，K=F/L,F是所受的力，L是F对应的变形值。刚度的单位为：N/m2或Pa。力-位移曲线中线性段的斜率即为材料的线性刚度。刚度是材料产生单位变形所需的外力值。,一、生物力学概述,（二

8、）生物力学基础知识5.弹性模量 弹性模量是材料抵抗弹性变形的能力，反应材料内部原子间结合力的大小。是应力-应变曲线上直线段的斜率，即：弹性模量的单位Pa。弹性模量反映材料的硬度（刚度）。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识6.应力松弛与蠕变 弹性：受外力作用，发生形变，除去外力后恢复原来形状的特性。黏性：受外力作用，发生形变，除去外力后形变不可回复的特性。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础知识6.应力松弛与蠕变 既具有弹性材料的力学性质，又具有黏性材料的力学性质的材料称之为黏弹性材料。生物固体材料如骨、软骨、肌肉、血管壁、皮肤等都属于黏弹性材料。,一、生物力学概述,（二）生物力学基础

9、知识6.应力松弛与蠕变 黏弹性材料的特点：应力松弛：当物体突然发生应变时，若应变保持一定，则相应的应力将随时间的增加而下降。,一、生物力学概述,应力,时间t,（二）生物力学基础知识6.应力松弛与蠕变 黏弹性材料的特点：蠕变：若应力保持一定，物体的应变随时间的增加而增大。,一、生物力学概述,时间t,应变,蠕变曲线,（二）生物力学基础知识6.应力松弛与蠕变 黏弹性材料的特点：滞后：对物体作周期性的加载和卸载，则加载时的应力-应变曲线同卸载时的应力-应变曲线不重合。,一、生物力学概述,二、运动生物力学（一）运动生物力学原理（二）运动生物力学分析（三）步态分析,（一）运动生物力学原理 人体在运动过程中

10、，其质量的分布状态、形状，随运动条件的改变而发生变化，但人体的运动基本上遵循力学规律进行。,二、运动生物力学,（一）运动生物力学原理 运动生物力学在分析复杂的人体运动问题，将复杂的人体运动进行适当的模型化处理，建立相应的模型并运用牛顿经典力学基本理论与方法进行动力学分析与研究。,二、运动生物力学,（一）运动生物力学原理1.牛顿第一定律-惯性定律 自然界中的物体，如果不受外力作用（F0）或所受外力作用之和等于零，则物体保持其原来的静止或匀速直线运动状态不变。,二、运动生物力学,（一）运动生物力学原理1.牛顿第一定律-惯性定律 牛顿第一定律也称惯性定律。惯性与改变物体速度所需要能量大小有关。惯性与

11、其质量成正比。质量越重，移动或改变加速度需要更多的能量。,二、运动生物力学,（一）运动生物力学原理2.牛顿第二定律 物体运动时受到外力作用或所受外力作用之合不等于零时，物体的运动必然获得加速度。物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同，公式：F=ma。,二、运动生物力学,（一）运动生物力学原理2.牛顿第二定律 物体运动状态与其受到的合外力有关：所受合外力大于零时，加速度为正值，处于加速运动阶段；所受合外力小于零时，加速度为负值，处于减速运动阶段。,二、运动生物力学,（一）运动生物力学原理2.牛顿第二定律 动量：运动时物体的质量与速度的乘积。冲量

12、：运动时物体所受作用力的大小与作用时间的乘积。动量定理：力对物体的冲量，使动量发生变化，冲量等于动量的变化量。,二、运动生物力学,（一）运动生物力学原理2.牛顿第二定律 动量守恒定律：人体不受外力或所受外力矢量和为零，人体总动量保持不变。人体运动所受合外力为零，仅存在内力的相互作用，各环节的动量处于变化过程中，动量发生相互传递，但人体总动量保持不变。,二、运动生物力学,（一）运动生物力学原理3.牛顿第三定律 两物体相互作用时，物体甲对物体乙的作用力F与物体乙对物体甲的反作用力-F大小相等、方向相反，并且作用在同一条直线上，作用力F和反作用力-F分别作用于不同受力物体，这就是牛顿运动第三定律，也

13、称为作用力与反作用力定律。公式：F-F,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析1.模型 在对人体运动进行运动学分析时，尤其是对人体复杂运动过程的描述，通常根据研究的目的，采用科学的方法将人体进行一定程度的简化处理，建立质点、刚体、连续介质等不同的力学模型。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析1.模型（1）质点：研究人体整体系统运动时，不考虑运动过程中身体姿势(形态)、各环节间相对位置变化，只注重整体位移的时空特征(速度、加速度、位移距离)时，可忽略人体运动姿势(形态)，将人体的运动简化为一个点(质点：通常选用身体重心为参照点)的运动。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析1.模型（

14、2）连续介质：研究人体整体运动时，既要考虑整体位移的时空特征(速度、加速度、位移距离)，还要注意运动过程中机体各环节相对位置变化，采用由多个质点所组合的多质点系统模型进行建模。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析1.模型（2）连续介质：多质点模型又称为“瘦化模型”，根据人体结构的解剖特征选定各关节中心点为参照点，按人体基本结构用线段连接起来，是现实物质的一种理想模式。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析1.模型（3）刚体：物体变形对所研究的问题没有显著影响，将物体简化为刚体。刚体系模型则是根据人体运动系统的若干骨骼及其肌肉群环节简化为相应的刚体组合系统。,二、运动生物力学,（二）运

15、动生物力学分析1.模型（3）刚体：根据人体各环节的几何参数（长度、高度、宽度、关节点）和惯性数据（质量、惯性、环节重心位置）等建立刚体系模型：1-15.,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析2.参考系 描写一个物体的运动必须选定另一个物体作为参考，这个被选定的参考物体就叫做参考系。相对于地球静止或相对于地球作匀速直线运动的参考系叫惯性参考系。又称静参考系，或静系。相对于地球作变速运动的参考系叫非惯性参考系。又称动参考系，或动系。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析2.参考系 同一物体采用不同的参考系描述时，其结果一般不同，这叫做运动描述的相对性。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学

16、分析3.坐标系 为定量描述运动的位置、位置随时间的变化，所选定的参考系中的标度框架，叫坐标系。坐标系由参照原点、参照方向、参照单位、坐标轴、量变曲线所组成的。数学方法的抽象表达方式，是参照系的数学抽象模型。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析3.坐标系 坐标系：一维坐标系、二维坐标系、三维坐标系、极坐标系、柱坐标系、球面坐标系。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析3.坐标系 用定量研究的方法，测量人体运动时相对于参照系其发生的位移变化，用坐标系对其进行一定程度的定量描记和运动学参数比较，可以清楚地分析和描述人体运动的运动学特征。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析3.坐标系

17、运动物体发生运动变化的空间特性与性质不同，采用不同的坐标系进行描记。在一维平面空间内的直线运动，位移的距离和方向的运动学参数用一维坐标来描记。人体的位移，不只在一个方向上，而在同一个平面的多个方向，需应用平面二维坐标来描记。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析3.坐标系 多数情况下，人体运动发生在一个以上的平面内,为了充分描记这种运动，利用三维坐标系。三维坐标系通常有三个轴（X、Y和Z），三个轴相互垂直（或者成直角）。与二维坐标系一样，坐标轴的箭头指向正方向。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析4.自由体受力图 对运动进行分析，首先对人体进行受力分析，建立一份自由体受力图，将运动过

18、程中人体所受到的所有力考虑在内。自由体受力图是一份用于描绘身体及其环境之间的相互作用的简图。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析4.自由体受力图 自由体受力图要求将应用在该系统中的所有相关的力仔细地描绘出来。这些力可能是由肌肉、重力（反映在节段的重量上）、液体、空气阻力、磨擦力以及地面反作用力产生的。箭头用来表示力矢量。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析4.自由体受力图 小腿和足在行走中足跟着地瞬间自由体受力图。M：肌力的合力。-合力 G：地面反作用力；S：小腿重量；F：足重量。-系统外力。J：关节反作用力。包括关节接触力、传导力的积累效应。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学

19、分析4.自由体受力图 第一步，识别和分离自由体。第二步，确定坐标系。第三步，识别作用在自由体上的所有力，并标记在受力图中。第四步，显示关节反作用力。,二、运动生物力学,（二）运动生物力学分析4.自由体受力图,二、运动生物力学,M：肌力的合力。S：上肢重量；B：球重量。J：关节反作用力。,右臂和球受力图,（二）运动生物力学分析4.自由体受力图,二、运动生物力学,R：合力。H：头的重量；T：牵引力。J：关节反作用力。,共线：相加成为合力,颈椎牵引受力图,（二）运动生物力学分析4.自由体受力图,二、运动生物力学,非平行、共面：多边形、平行时变性方法,R：合力。W：体重；M：外展肌力。J：关节反作用力。,髋关节单肢支撑受力图,（三）步态分析 步态是指人体步行时的姿态，是人体通过髋、膝、踝、足趾的一系列连续活动，使身体沿着一定方向移动的过程。正常步态具有稳定性、周期性、节律性、方向性、协调性，以及个体差异性。当人们存在疾病时，步态特征将有明显的改变。,二、运动生物力学,（三）步态分析 步态分析是用运动生物力学的概念和处理方法，以及人体解剖、生理学对人体行走的功能状态进行分析的过程。分析步行过程中的时空参数（步长、步幅、步宽、足角、步频、步速、步行周期、步行时相）、运动学参数（关节、肌肉）、动力学参数（能量）等。,二、运动生物力学,