人體運(yùn)動生物力學(xué)

1、人體運(yùn)動生物力學(xué),2009年全國假肢矯形器制作師執(zhí)業(yè)資格理論課,研究內(nèi)容,力學(xué)基礎(chǔ)知識 骨杠桿 關(guān)節(jié) 步態(tài)分析,參考書籍,書名 作者 出版社 出版年 矯形器學(xué)概論 靳爾剛 中國社會出版社 2007 現(xiàn)代運(yùn)動生物力學(xué) 鄭秀媛 國防工業(yè)出版社 2007 新編康復(fù)醫(yī)學(xué) 胡永善 復(fù)旦大學(xué)出版社 2006 運(yùn)動生物力學(xué) 趙煥彬 高等教育出版社 2007,一、力學(xué)基礎(chǔ)知識,1、力的基本概念 力的定義、效應(yīng)、三要素、內(nèi)力與外力 2、力的特性 力的矢量表示法、力的平行四邊形定律、力的作用與反作用定律 3、幾種常見力 重力、摩擦力、彈性力 4、力矩與力的平衡,1、力的基本概念,定義：一個物體對另一個物體的作用，

2、 物體間力的作用是相互的。力的單位：牛頓，N 人體運(yùn)動生物力學(xué)中的力主要是：人體與地面、器械、流體的相互作用。 力的效應(yīng)：力使物體的運(yùn)動狀態(tài)和形狀發(fā)生改變的作用。 內(nèi)效應(yīng)（形狀發(fā)生改變）和外效應(yīng)（運(yùn)動狀態(tài)改變） 力的效應(yīng)的描述：牛頓第一定律、第二定律和胡克定律為基礎(chǔ)。,牛頓第一定律：任何物體，如果不受外力的作用或所受的合力為零，將保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)，又稱慣性定理。 慣性：所有物體具有保持它原來運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)。 物體慣性的量度是物體的質(zhì)量，質(zhì)量越大慣性越大。 牛頓第二定律：物體運(yùn)動的加速度與作用力成正比，與物體的質(zhì)量成反比。 F=ma 胡克定律：物體在彈性限度內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，公式：

3、 s=Ee,力的三要素：大小、方向、作用點(diǎn) 內(nèi)力：在一個系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的力。 人體內(nèi)部各部分相互作用的力，如肌肉力、組織粘滯力、韌帶張力、關(guān)節(jié)約束反作用力等稱為人體內(nèi)力。 外力：外界作用于人體的力稱為人體外力。 人體所受主要外力：重力、彈力、摩擦力、支撐反作用力、介質(zhì)作用力等，矯形器的壓力、扭力等。 內(nèi)力與外力的關(guān)系： 內(nèi)力與外力的概念是相對的。確定某個力是外力或者是內(nèi)力，取決于選取的研究對象。研究對象不同，同一個力既看作是內(nèi)力也可看作是外力。,2、力的特征,力的矢量表示法 矢量：指有大小和方向的物理量。 標(biāo)量：只用大小就可以表示其特征的物理量，質(zhì)量。 力的表示：通常用一根帶箭頭的線段來表示

4、。 長度： 大小 箭頭： 方向 起點(diǎn)： 作用點(diǎn),力的平行四邊形定律 力的矢量性決定了力的合成與分解遵循力的平行四邊形定律。同一點(diǎn)A作用的兩個力F1和F2，以其作鄰邊畫平行四邊形，則平行四邊形的對角線即代表這兩個力的合力，即 F3=F1+F2,力的作用與反作用定律 牛頓第三定理：兩物體間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反、且作用在同一條直線上。 特點(diǎn)： 作用在兩個不同的物體上，與同一物體受到的平衡力有本質(zhì)的區(qū)別； 大小相等，但各自可能產(chǎn)生不等的運(yùn)動效果； 性質(zhì)相同，同時產(chǎn)生，同時消失； 系統(tǒng)內(nèi)的作用力與反作用力屬系統(tǒng)內(nèi)力，對整體運(yùn)動沒有作用；靜止和運(yùn)動狀態(tài)下第三定律都成立；,力的合成與分解

5、 力的合成：當(dāng)一個物體受到數(shù)個力的作用時，合力為幾個力的矢量和。力的平行四邊形定律。 力的分解：某一力如果要用不同方向的分力來表示，稱為力的分解。,F12,重力：物體本身受地球吸引而產(chǎn)生的力，方向指向地心。 重力與質(zhì)量不同： 質(zhì)量是物體所含物質(zhì)的多少，是物體慣性的量度，標(biāo)量，重力是物體產(chǎn)生重力加速度的原因，矢量。 重心：重力的作用點(diǎn)是物體的重心。 人體重心：人體各部分所受地球引力的矢量合成，使人體產(chǎn)生重力加速度的力。,3、幾種常見力,摩擦力：兩個互相接觸的物體，當(dāng)它們要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生相對運(yùn)動時，在接觸面上產(chǎn)生的一種阻礙相對運(yùn)動的力。 摩擦力分為：靜摩擦力和動摩擦力兩種。 靜摩擦力：兩物體接觸有

6、相對運(yùn)動趨勢，但沒有相對運(yùn)動，這時的摩擦力稱為靜摩擦力。如果物體間發(fā)生了相對運(yùn)動，則稱動摩擦力，包括：滑動摩擦力和滾動摩擦力。 彈性力 ：物體由于形變而對引起形變的物體產(chǎn)生的作用力，彈力是接觸力，而人體在接觸過程中發(fā)生形變有時是肉眼觀察不到的，但相互擠壓產(chǎn)生的彈力是存在的。,4、力矩與力的平衡,影響因素：力矩是使人體轉(zhuǎn)動狀態(tài)發(fā)生改變的原因，與力的大 小、力的作用線到轉(zhuǎn)動軸的垂直距離有關(guān)。 方向：物體沿逆時針方向轉(zhuǎn)動為正，反之為負(fù)。,力矩：力和力臂的乘積,力的平衡： 平衡條件：維持人體平衡的兩個條件合力和合力矩為零。 平衡的分類： 1）根據(jù)人體支點(diǎn)相對重心位置 上支撐平衡；下支撐平衡 ；混合支撐

7、平衡 2）根據(jù)平衡穩(wěn)度分類 穩(wěn)定平衡；不穩(wěn)定平衡； 有限度的穩(wěn)定平衡；隨遇平衡,1）人體支點(diǎn)相對重心位置, 上支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支點(diǎn)在人體重心的上方。如：體操中的各類懸垂動作。 下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支撐點(diǎn)在人體重心的下方，下支撐平衡在人體動作中最為常見。 如：平衡木的平衡動作、站立以及田徑、武術(shù)等。 混合支撐平衡：是一種多支撐點(diǎn)的平衡狀態(tài)，這時有的支撐點(diǎn)在人體重心上方，有的支撐點(diǎn)在人體重心下方，如肋木側(cè)身平衡。,2）根據(jù)平衡穩(wěn)度分類,穩(wěn)定平衡 不穩(wěn)定平衡 有限度的穩(wěn)定平衡 隨遇平衡, 穩(wěn)定平衡,人體在外力作用下，偏離平衡位置后，當(dāng)外力撤除時，人體自然回復(fù)平衡位置，而不需要通

8、過肌肉收縮恢復(fù)平衡，則該平衡是穩(wěn)定平衡，多數(shù)上支撐平衡屬于穩(wěn)定平衡。 特點(diǎn)：當(dāng)偏離平衡位置時，重心升高，產(chǎn)生的重力矩使人體向平衡位置運(yùn)動，回到平衡位置后，合力為零，合力矩為零。, 不穩(wěn)定平衡,人體在外力作用下，偏離平衡位置后，當(dāng)外力撤除時，人體不僅不能回到原來的平衡位置，而是更加偏離平衡位置。這種平衡叫不穩(wěn)定平衡。僅在下支撐平衡動作中出現(xiàn)。 特點(diǎn)：偏離平衡位置時，重心降低，產(chǎn)生的重力矩使人體繼續(xù)傾倒。, 有限度的穩(wěn)定平衡,人體在外力作用下，在一定限度內(nèi)偏離平衡位置，當(dāng)外力撤除時，人體回到平衡狀態(tài)，但是當(dāng)偏離平衡位置超過某一限度時，人體失去平衡，這種平衡叫做有限度的穩(wěn)定平衡。 特點(diǎn)：在一定限度內(nèi)

9、偏離平衡位置時，人體重心升高，產(chǎn)生的重力矩使人體向平衡位置移動，最終恢復(fù)平衡，但超過某一定限度的偏離平衡位置時，人體重心降低，產(chǎn)生的重力矩使人體更加偏離平衡位置。, 隨遇平衡,人體在外力作用下偏離平衡位置，當(dāng)外力撤除時，人體既不回到原來的平衡位置，也不繼續(xù)偏離原位置，而是在新位置上保持平衡，這種平衡叫隨遇平衡。在運(yùn)動中很少見。 特點(diǎn)：偏離原來位置時，重心高度不變，不產(chǎn)生使物體位置移動的重力矩。如：連續(xù)完成的兩個前滾翻。,重心高度: 重心越低，穩(wěn)定性越好。 支撐面：是由各支撐部位的表面及它們所包圍的面積，支撐面越大，物體平衡的穩(wěn)定性越好。 穩(wěn)定角：重力作用線和重心與支撐面相應(yīng)邊界的連線之間的夾角

10、。穩(wěn)定角越大，穩(wěn)定性越好；穩(wěn)定角越小，穩(wěn)定性越差；穩(wěn)定角為零，人體處于臨界狀態(tài)。 質(zhì)量：質(zhì)量越大穩(wěn)定性越好。 摩擦力：支撐物的表面摩擦力越大，越易保持穩(wěn)定。,影響人體平衡的因素,二、骨杠桿,1、骨杠桿定義 2、杠桿原理 3、杠桿的分類,1、骨杠桿 定義：在肌肉拉力作用下，骨骼能夠圍繞關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，并克服阻力做功，其功能與杠桿相同，稱作骨杠桿。 骨杠桿具有三個點(diǎn)：動力作用點(diǎn)、阻力作用點(diǎn)和支點(diǎn)。 支點(diǎn)：是關(guān)節(jié)的瞬時中心； 動力臂：是肌肉作用線到支點(diǎn)的垂直距離。 阻力臂：是阻力作用線到支點(diǎn)的垂直距離。,2、骨杠桿原理 杠桿原理：即杠桿平衡條件，作用在同一物體的兩個力矩，大小相等，方向相反。 動力動力臂

11、=阻力阻力臂 代數(shù)式： F1*L1= F2*L2 杠桿平衡條件反映：動力臂是阻力臂的幾倍，動力就是阻力的幾分之一。,3、杠桿的分類 雙臂杠杠：動力點(diǎn)和阻力點(diǎn)位于支點(diǎn)兩側(cè) 單臂杠桿：動力點(diǎn)和阻力點(diǎn)位于支點(diǎn)同側(cè) 省力杠桿：動力臂 阻力臂，動力阻力 等力杠桿：動力臂=阻力臂，動力=阻力,三、關(guān)節(jié),1、關(guān)節(jié)定義 2、關(guān)節(jié)分類 3、關(guān)節(jié)的運(yùn)動,1、關(guān)節(jié)定義 關(guān)節(jié)：是骨與骨之間的可動連接； 基本功能：傳遞力和保證身體各部分間靈活運(yùn)動； 特點(diǎn)：靈活性和穩(wěn)定性； 穩(wěn)定性和靈活性：是關(guān)節(jié)功能同時存在的兩個方面，關(guān)節(jié)靈活性以便人體運(yùn)動時適應(yīng)各種運(yùn)動，穩(wěn)定性保證人體運(yùn)動中維持動態(tài)平衡，處于合理的工作狀態(tài)，免于損傷。

12、,2、關(guān)節(jié)的分類,移動 ：是最簡單的一個骨關(guān)節(jié)面在另一骨關(guān) 節(jié)面上的滑動。 屈伸：通常是指關(guān)節(jié)沿冠狀軸進(jìn)行的運(yùn)動。 收展：是關(guān)節(jié)沿矢狀軸進(jìn)行的運(yùn)動。 旋轉(zhuǎn)：是關(guān)節(jié)沿垂直軸進(jìn)行的運(yùn)動。 內(nèi)旋、外旋 環(huán)轉(zhuǎn)：運(yùn)動的骨，其上端在原位轉(zhuǎn)動，下端則作圓周運(yùn)動，運(yùn)動時全骨描繪出一圓錐形的軌跡。,3、關(guān)節(jié)的運(yùn)動,下肢運(yùn)動的關(guān)節(jié)主要包括： 髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)； 髖關(guān)節(jié)：是球關(guān)節(jié)，其股骨頭和髖臼具有朝各個方向活動的能力； 膝關(guān)節(jié)：屬于多軸關(guān)節(jié)； 踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動：包括跖屈、背屈、外旋、內(nèi)旋； 肘關(guān)節(jié)：的運(yùn)動主要包括兩種是屈曲和伸展。,四、步態(tài)分析,1、步行周期 （1）支撐相 （2）擺動相 2、步行參數(shù) 步長、步寬

13、、步幅、步頻、步行周期等 3、異常步態(tài),步行（walking）：指通過雙腳的交互動作移行人體的活動。 步態(tài)（gait ）：是行走時人體的姿態(tài)，是步行運(yùn)動狀態(tài)的統(tǒng)稱。 步態(tài)分析（gait analysis）：是研究步行規(guī)律的檢測方法，旨在通過生物力學(xué)和運(yùn)動學(xué)手段，揭示步態(tài)異常的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和影響因素，從而協(xié)助康復(fù)評估和治療，也有助于協(xié)助臨床診斷、療效評估、機(jī)理研究等。,1、步行周期,步行周期：指一側(cè)下肢完成從足落地到再次落地的時間過程，根據(jù)下肢在步行時的位置分為：站立期和擺動期。,（1）站立期,下肢接觸地面并承受重力的時相，約占步行周期的60%，即足跟觸地到足趾離地時期，包括： 早期(early s

14、tance)：首次觸地和承重反應(yīng)，正常步速時占步行周期的10%12% 。 中期(mid stance)：支撐足全部著地，對側(cè)足處于擺動相，是唯一單足支撐全部重力的時相，正常步速時大約為步行周期的38%40%。 末期(terminal stance) ：指下肢主動加速蹬離(push off)的階段，開始于足跟抬起，結(jié)束于足離地，約為步行周期的10%12%。,站立期早期(early stance)：,首次觸地: 指足跟接觸地面的瞬間，使下肢向前運(yùn)動減速，落實(shí)足進(jìn)入支撐相的位置。 承重反應(yīng) :指首次觸地之后重心由足跟向全足轉(zhuǎn)移的過程。 雙支撐相: 支撐足首次觸地及承重反應(yīng)期相當(dāng)于對側(cè)足的減重反應(yīng)和足

15、離地，由于此時雙足均在地面，又稱之為雙支撐相。雙支撐相是步行周期中最穩(wěn)定的時期。跑步 地面反作用力（GRF）: 首次觸地時的GRF一般相當(dāng)于體重和加速度的綜合，正常步速時為體重的120%140%。步速越快，GRF越高。,（2）擺動期,下肢在空中向前擺動的時相，指足離開地面向前邁步到再次落地的時間，占步行周期的40%，包括： 早期(initial swing) :指足離開地面早期的活動，主要的動作為足廓清地面和屈髖帶動屈膝，加速肢體前向擺動，占步行周期的13%15%。 中期(mid swing):指足在邁步中期的活動，足廓清仍然是主要任務(wù)，占步行周期的10%。 末期(terminal swing

16、): 指邁步即將結(jié)束，足在落地前的活動，主要任務(wù)是下肢前向運(yùn)動減速，準(zhǔn)備足著地的姿勢，占步行周期的15%。,步態(tài)周期（Gait Cycle Timing）,1、足跟著地期 （heel contact） 2、站立中期 （mid-stance） 3、推離期 4、加速期 (acceleration) 5、擺動前期 (prophase-swing) 6、擺動中期 (mid-swing) 7、擺動后期 (deceleration),2、步行參數(shù),時間-距離參數(shù)：包括步長、步幅、步寬、步頻、步行周期、支撐相時間、擺動相時間等。 運(yùn)動學(xué)參數(shù)：是指步行中髖、膝、踝等關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律骨盆傾斜和旋轉(zhuǎn)、身體重心位置的

17、變化規(guī)律等。 動力學(xué)參數(shù)：指引起運(yùn)動的力學(xué)參數(shù)，包括地面反力、肌肉力做功與功率等。 肌電活動參數(shù)：指步行過程中下肢主要肌肉的電生理活動指標(biāo)。 能量代謝參數(shù)：指人體運(yùn)動過程中的能量代謝情況。,時間/距離參數(shù),步長（step length）：指一足著地至對側(cè)足著地的平均距離，走步時左右足跟間的距離。 步長時間(step time)：指一足著地至對側(cè)足著地的平均 時間。 步幅(stride length)：同一側(cè)足跟兩次著地間距離。 步行周期(cycle time)：指平均步幅時間(stride time)，相當(dāng)于支撐相與擺動相之和。 步頻(step frequency)：單位時間內(nèi)所行進(jìn)的步數(shù)。

18、步速（walking velocity)：每秒鐘所走的平均距離。 步寬（stride width）：當(dāng)足完全接觸地后，兩足的長軸線與兩個踝關(guān)節(jié)連線交點(diǎn)之間的垂直距離。 足偏角(toe out angle)：指足中心線與同側(cè)步行直線之間的夾角。,動力學(xué)參數(shù)測定：,（1）動力學(xué)分析：是對步行時作用力、反作用力強(qiáng)度、方向和時間的研究方法。牛頓第三定律是動力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)。 （2）特征：,地面反作用力： 正常步行時GRF呈雙峰型。 在步行中足跟著地時有一極大值，隨足逐漸放平，受 力面積增大力值減小，足完全放平時力值最小，至足 跟離地足趾蹬地時出現(xiàn)另一個極大值。在整個步行周 期中， GRF具有典型的雙

19、峰值性質(zhì)。,剪力：前后剪力表現(xiàn)為反向尖峰圖形， 左右剪力形態(tài)相似，但是幅度較小。 力矩：是力與關(guān)節(jié)活動范圍的乘積。 測力平臺 ：記錄步行時壓力變化的規(guī)律。測得人體運(yùn)動時的垂直力和剪力。與運(yùn)動學(xué)參數(shù)結(jié)合可以分析內(nèi)力，即肌肉、肌腱、韌帶和關(guān)節(jié)所產(chǎn)生的控制外力的動力，一般以力矩表示。 足測力板 ：采用特制超薄的測力墊直接插入到受試者鞋內(nèi)，測定站立或步行時足底受力分布及重心移動的靜態(tài)或動態(tài)變化，協(xié)助設(shè)計(jì)合適的矯形鞋和步態(tài)分析。,步行參數(shù)的測定,定性分析 目測法：由醫(yī)務(wù)人員通過眼睛觀察，對步態(tài)作大體分析的方法。 定量分析 足印法 關(guān)節(jié)角度測量法 三維步態(tài)分析,正常步態(tài)具有的特點(diǎn)： 穩(wěn)定性 、周期性、節(jié)律

20、性、方向性 、協(xié)調(diào)性 影響步態(tài)的多種因素： 解剖結(jié)構(gòu) 、生理功能 、運(yùn)動控制能力、 心理狀態(tài) 、步態(tài)分析,3、常見異常步態(tài),常見異常步態(tài)現(xiàn)象 外周神經(jīng)損傷導(dǎo)致的異常步態(tài) 中樞神經(jīng)疾病常見的異常步態(tài),常見異常步態(tài)現(xiàn)象,足下垂 足內(nèi)翻 足外翻 足趾卷曲 母趾背伸,膝僵直 膝過伸 膝過屈 髖過屈 髖內(nèi)收過度 髖過伸,1、足下垂：指擺動相踝關(guān)節(jié)背屈不足，可導(dǎo)致廓清障礙，常與足內(nèi)翻或外翻同時存在 ； 2、足內(nèi)翻：步行時足觸地部位主要是足前外側(cè)緣，常有承重部位疼痛，導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)，進(jìn)而影響全身平衡。導(dǎo)致患肢擺動相廓清能力降低。 3足外翻：多見于骨骼發(fā)育尚未成熟的兒童或年輕患者，表現(xiàn)為步行時足向外側(cè)傾斜，支

21、撐相足內(nèi)側(cè)觸地，可有足趾屈曲畸形，嚴(yán)重影響支撐相負(fù)重能力。 4、足趾卷曲：支撐相足趾保持屈曲，常合并足下垂及內(nèi)翻，多見于中樞神經(jīng)損傷、長期制動及攣縮等。,5、母趾背伸：支撐相和擺動相腳趾均背屈，多見于中樞神經(jīng)損傷患者。 6、膝僵直：支撐相晚期和擺動初期的關(guān)節(jié)屈曲角度40度(正常人為60度)，同時髖關(guān)節(jié)屈曲程度及時相均延遲。減小其擺動相力矩導(dǎo)致拖足?；颊咄跀[動相采用劃圈步態(tài)、盡量抬髖或?qū)?cè)下肢踮足來代償。 7、膝過伸：對側(cè)膝關(guān)節(jié)無力導(dǎo)致的，多見于支撐相中、末期，膝過伸臨床上很常見。 8、膝屈曲：指患者支撐相和擺動相都保持屈膝姿勢，多見于骨性畸形，臨床上較少見。,9、髖過屈：多由于屈髖肌攣縮或痙攣造成，表現(xiàn)為支撐相髖關(guān)