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文檔簡介
1、人體運動生物力學,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,力學基礎知識 骨杠桿 關節(jié) 步態(tài)分析,參考書籍,書名 作者 出版社 出版年 矯形器學概論 靳爾剛 中國社會出版社 2007 現(xiàn)代運動生物力學 鄭秀媛 國防工業(yè)出版社 2007 新編康復醫(yī)學 胡永善 復旦大學出版社 2006 運動生物力學 趙煥彬 高等教育出版社 2007,一、力學基礎知識,1、力的基本概念 力的定義、效應、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 人體運動生物力學中的力主要是:人體與地面、器械、流體的相互作用。 力的效應:力使物體的運動狀態(tài)和形狀發(fā)生改變的作用。 內(nèi)效應(形狀發(fā)生改變)和外效應(運動狀態(tài)改變) 力的效應的描述:牛頓第一定律、第二定律和胡克定律為基礎。,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動狀態(tài),又稱慣性定理。 慣性:所有物體具有保持它原來運動狀態(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),應力和應變成正比,公式:
3、 s=Ee,力的三要素:大小、方向、作用點 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: 作用點,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: 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,對整體運動沒有作用;靜止和運動狀態(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,當它們要發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生相對運動時,在接觸面上產(chǎn)生的一種阻礙相對運動的力。 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、相對運動趨勢,但沒有相對運動,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。 方向:物體沿逆時針方向轉(zhuǎn)動為正,反之為負。,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)人體支點相對重心位置, 上支撐平衡:當人體處于平衡,且支點在人體重心的上方。如:體操中的各類懸垂動作。 下支撐平衡:當人體處于平衡,且支撐點在人體重心的下方,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:是一種多支撐點的平衡狀態(tài),這時有的支撐點在人體重心上方,有的支撐點在人體重心下方,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,當外力撤除時,人體自然回復平衡位置,而不需要通
8、過肌肉收縮恢復平衡,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:當偏離平衡位置時,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: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,當外力撤除時,人體回到平衡狀態(tài),但是當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: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。在運動中很少見。 特點: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:動力作用點、阻力作用點和支點。 支點:是關節(jié)的瞬時中心; 動力臂:是肌肉作用線到支點的垂直距離。 阻力臂:是阻力作用線到支點的垂直距離。,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:動力點和阻力點位于支點兩側(cè) 單臂杠桿:動力點和阻力點位于支點同側(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、關節(jié),1、關節(jié)定義 2、關節(jié)分類 3、關節(jié)的運動,1、關節(jié)定義 關節(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動; 特點:靈活性和穩(wěn)定性; 穩(wěn)定性和靈活性:是關節(jié)功能同時存在的兩個方面,關節(jié)靈活性以便人體運動時適應各種運動,穩(wěn)定性保證人體運動中維持動態(tài)平衡,處于合理的工作狀態(tài),免于損傷。
12、,2、關節(jié)的分類,移動 :是最簡單的一個骨關節(jié)面在另一骨關 節(jié)面上的滑動。 屈伸:通常是指關節(jié)沿冠狀軸進行的運動。 收展:是關節(jié)沿矢狀軸進行的運動。 旋轉(zhuǎn):是關節(jié)沿垂直軸進行的運動。 內(nèi)旋、外旋 環(huán)轉(zhuǎn):運動的骨,其上端在原位轉(zhuǎn)動,下端則作圓周運動,運動時全骨描繪出一圓錐形的軌跡。,3、關節(jié)的運動,下肢運動的關節(jié)主要包括: 髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié); 髖關節(jié):是球關節(jié),其股骨頭和髖臼具有朝各個方向活動的能力; 膝關節(jié):屬于多軸關節(jié); 踝關節(jié)的運動:包括跖屈、背屈、外旋、內(nèi)旋; 肘關節(jié):的運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,旨在通過生物力學和運動學手段,揭示步態(tài)異常的關鍵環(huán)節(jié)和影響因素,從而協(xié)助康復評估和治療,也有助于協(xié)助臨床診斷、療效評估、機理研究等。,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,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,使下肢向前運動減速,落實足進入支撐相的位置。 承重反應 :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期相當于對側(cè)足的減重反應和足
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,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,主要任務是下肢前向運動減速,準備足著地的姿勢,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。 運動學參數(shù):是指步行中髖、膝、踝等關節(jié)的運動規(guī)律骨盆傾斜和旋轉(zhuǎn)、身體重心位置的
17、變化規(guī)律等。 動力學參數(shù):指引起運動的力學參數(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。 能量代謝參數(shù):指人體運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),相當于支撐相與擺動相之和。 步頻(step frequency):單位時間內(nèi)所行進的步數(shù)。
18、步速(walking velocity):每秒鐘所走的平均距離。 步寬(stride width):當足完全接觸地后,兩足的長軸線與兩個踝關節(jié)連線交點之間的垂直距離。 足偏角(toe out angle):指足中心線與同側(cè)步行直線之間的夾角。,動力學參數(shù)測定:,(1)動力學分析:是對步行時作用力、反作用力強度、方向和時間的研究方法。牛頓第三定律是動力學分析的理論基礎。 (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。測得人體運動時的垂直力和剪力。與運動學參數(shù)結(jié)合可以分析內(nèi)力,即肌肉、肌腱、韌帶和關節(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)助設計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 關節(jié)角度測量法 三維步態(tài)分析,正常步態(tài)具有的特點: 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:指擺動相踝關節(jié)背屈不足,可導致廓清障礙,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,導致踝關節(jié)不穩(wěn),進而影響全身平衡。導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,嚴重影響支撐相負重能力。 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節(jié)屈曲角度40度(正常人為60度),同時髖關節(jié)屈曲程度及時相均延遲。減小其擺動相力矩導致拖足?;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)膝關節(jié)無力導致的,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
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