人体生物力学

老筋非常感谢garden608版主的鼓励，再接再励转载一篇相关文章 　　在人体中，骨在肌拉力作用下围绕关节轴转动，它的作用和杠杆相同，称为骨杠杆。人体的骨杠杆运动有三种形式： 　　1.平衡杠杆：支点在力点和重点之间。如颅进行的仰头和俯首运动。 　　2.省力杠杆：重点在支点和力点之间。如行走时提起足跟的动作，这种杠杆可以克服较大的体重。 　　3.速度杠杆：力点在重点和支点之间。如肘关节的活动，这种活动必须以较大的力量才能克服较小的重量，但运动速度和范围很大。 人体主要的骨骼肌 　　（1）头肌 　　头肌可分为面肌和咀嚼肌二部分。面肌分布于头面部皮下。位于眼裂、口裂周围，有环  形的轮匝肌和放射形安排的肌肉，可使眼裂、口裂张开或关闭，能示喜、怒、哀、乐各种表情。咀嚼肌是作用下颌关节的肌肉，如颞肌和咬肌。能有力的上提下颔骨。 　　（2）四肢肌 　　①上肢肌 　　上肢肌可分为肩肌、臂肌，前臂肌和手肌四部。 　　肩部肌肉可使肩关节运动，如三角肌，它从前、后、外三方包绕肩关节；构成圆隆的肩  部，作用主要是使臂外展。 　　臂肌分前、后两群。在上臂前方跨过肩关节和肘关节的屈肌，如肱二头肌，是强有力的屈肘肌肉。在肱骨后方的肱三头肌为伸肘肌肉。 　　前臂肌也分前、后两群。前臂肌数目多且大多是长肌，这些肌肉分别跨越肘、腕、掌、  指各部。肌肉位于前臂，于腕部形成腱。前肌群位于尺、桡骨前面，主要有屈腕、屈指和使前臂旋前的肌肉。后肌群位于尺、桡骨后面，主要有伸腕、伸指和使前臂旋后的肌肉。 　　手肌除有从前臂来的长肌腱外，还有很多短小的手肌均集中在手的掌侧，可分外侧、中间和内侧三肌群。外侧肌群在拇指根部形成一隆起称鱼际肌，能使拇指作屈、收、展和对掌等动作。中间肌群位于前臂来的屈指肌腱的深面，主要有骨间肌，收缩时能使各指向中指靠拢或分开。外侧肌群称小鱼际，能使小指作屈、外展和对掌等作用。 　　②下肢肌 　　下肢肌可分为髋肌、大腿肌、小腿肌和足肌。 　　髋肌主要起始于骨盆的内面和外面，跨越髋关节，止于股骨上部。位于盆内的腰大肌是屈大腿肌、位于骨盆后外面的臂大肌是后伸大腿肌。 　　大腿肌分前、后、内三肌群。前肌群主要是股四头肌。是膝关节强大的伸肌。内侧肌群位于大腿内侧，能内收大腿，又称内收肌群。后肌群位于大腿后面如股二头肌和半腱肌等能屈小腿和后伸大腿。 　　小腿肌亦分三肌群，前肌群在胫骨、腓骨之前，主要有伸趾肌并帮助足背屈。后肌群主要有小腿三头肌．（腓肠肌和比目鱼肌）位于小腿上部形成膨隆的小腿肚，向下续为跟腱，收缩时提起足跟并能属小腿；在三头肌深面还有屈趾等肌肉。外侧肌群有腓骨长肌、短肌，作用是使足外翻。 　　足肌可分足背肌和足底肌，足背肌为伸趾肌。足底肌的配布和作用与手掌肌近似，但足趾动作远不如手指，其主要功能是维持足弓。 　　资料来源 《人体解剖生理学》 人体内的杠杆 　　运动系统是许多个杠杆结构组成的，人体的许多动作都是通过杠杆作用而表现出来的。 　　在运动过程中，骨为运动的杠杆，关节为运动的支点，骨骼肌施加动力。当骨骼肌收缩时，牵动所附的骨围绕关节转动，就会产生各种动作。人体内有三种类型杠杆，即等臂杠杆、省力杠杆和费力杠杆。下图示仰头、跷足、屈肘分别代表的三种杠杆，你能判断出各属哪一种吗？ 　　图中O表示关节构成的支点，三图分别表示寰枕关节、跖趾关节和肘关节。A点为肌肉在骨上的附着点，即力点，B则表示重点，由此可知，仰头为等臂杠杆，跷足为省力杠杆，而屈肘则为费力杠杆。在屈肘动作中，如果OB是OA的8倍，假如你要用手托起8千克的铁球，请你算算看，肱二头肌至少要施加多大的 力？（答：627.2牛顿） 肌肉粗壮的原因 　　当我们在看健美比赛时，常常会被健美运动员那隆起的健壮肌肉而惊叹，为那展示出的人体之美而称羡。那么，他们的肌肉为什么会那样发达呢？ 　　原来，骨骼肌的肌细胞和人体其他细胞一样，都要不断地摄取营养物质以维持正常的生命活动。细胞需要的养料是通过血液循环运送来的。在日常生活中，只有很少量的肌肉纤维束参加工作，而大部分肌肉纤维束则处在“休息状态”，这些肌肉中的毛细血管当然也是大部分关闭的，在每平方毫米肌肉里，只有80条左右的毛细血管开放。体育锻炼时，大部分肌肉都要“上班”，毛细血管开放的数量大大增加，在每平方毫米的肌肉里，开放的毛细血管可以增加到2000至3 000条，给肌肉送来更多的血液和营养。长期下去，肌纤维就会变粗，整个骨骼肌就会变得粗壮，收缩有力。 　　健美运动员要经过艰苦认真的锻炼，有计划地通过专项训练，而使某一部分的肌肉发达，显示出明显的轮廓。 人体生物力学 生物系统的运动表现形式有两种：①整个生物系统对于其周围的介质、支撑物或其他物体发生位移，例如人的行走；②生物系统本身发生形变，即其中一部分相对于另一部分发生位移，例如弯腰、伸腿。生物体运动要消耗能量，生物体的能量消耗有两个方面，一是用以完成规定的动作称为有效消耗；二是以热量散失称为无用消耗。 人体生物力学侧重研究人体各部分的力量、活动范围和速度，人体组织对于不同阻力所发挥出力量的数值、人体各部分的重量、重心变化以及做动作时的惯性等问题，其研究目的是为了使人在人机系统中更好地发挥其作用，尽量避免做无用功，使人能有效地工作，提高活动效率，减少疲劳，确保人身安全。 在安全人机工程学的设计与分析、评价及“三同时”审查、事故分析等时，就要准确地确定操作者和设备的最有利工作范围和界限，因此就得利用人体生物力学方法。为使操作者安全舒适地工作，在设计操纵机构时必须考虑人体出力大小、动作轨迹、动作平稳程度以及人体各部分运动的方向等因素，均要运用人体生物力学的理论。 一、人体生物力学的一般知识 人体完成各种活动动作的运动器官系统，由肌肉、关节、骨骼等组成。全身的关节将骨节连接成一体，形成可以活动的骨骼体系，肌肉跨越关节粘附于骨之上。肌肉、关节、骨三者在神经系统的支配和协调下，按照人的意志，共同准确地由肌肉的收缩与舒张牵动骨通过关节的作用而产生各种动作。 1、骨骼的功能 1）人体骨骼强度。在一定范围内，故的应力-应变关系是线性的，服从虎克定律，但当人体骨骼强度。在一定范围内，骨的应力超过一定应力数值后，这种关系就不再成立。 人体胫骨强度实验结果与其他材料强度的比较见表3-29，人体骨骼的抗弯强度、抗压强度和抗扭强度见表3-30 2）骨的功能。人体全身约有206块骨，可分为头颅骨、上肢骨、下肢骨、躯干骨、脊椎骨等，由这些有生命而坚硬的骨支撑着人体，每块骨都有一定的形态、结构、功能、位置及其神经和血管。骨所承担的功能主要有： （1）骨构成体腔的壁，如头颅腔、胸腔、腹腔、盆腔等，以保护大脑、心、肺、肝、胆、脾胃、肾、肠及生殖器官等人体内脏重要器官。 （2）骨之间由关节连接构成骨骼，形成人体支架，支撑人体全身的重量，支撑人体的肌肉、皮肤、内脏器官等软组织，骨骼与肌肉一块共同维持人体的外部形态。使人成为具有一定高度、宽度、厚度的实体。 （3）骨骼的骨髓腔和松质的腔隙中充填着骨髓，骨髓是一种柔软而富有血液的组织，其中的黄骨髓可储藏脂肪，红骨髓具有造血功能，骨髓中的钙和磷参与体内钙、磷代谢而处于不断变化状态。所以，骨髓除具备造血功能外还是体内脂肪、钙、磷的储备仓库。 （4）肌肉在神经系统支配下产生收缩时，牵动着骨围绕着关节活动，使人体产生各种动作。因此，骨是人体活动的杠杆。 3）骨杠杆。人体骨杠杆的原理与力学杠杆完全一样。在骨杠杆中，关节是支点，肌肉是力量源泉，肌肉与骨的附着点称为力点，而作用于骨上的阻力（如操纵力、体重等）的作用点称为重点（即阻力点）。人体活动主要由下列骨杠杆形式而定。 （1）平衡骨杠杆。 （2）速度骨杠杆。 （3）省力骨杠杆。 2、关节的活动范围 1）关节的连结： （1）直接连结。 （2）间接连结。 2）关节的作用 （1）关节的损伤。关节除了有将骨与骨相连的功能之外，并与肌肉和韧带连结在一起，因韧带既可有连结两骨、增加关节的稳定性的作用，还有限制关节运动的作用。这样一来，人体各关节的活动就要受到限制，若超过其限制范围，则会受到损伤。 （2）关节的舒适。当人体处在最大活动范围以内的活动，即处在各种舒适姿势时，相应的关节亦会处在舒适范围之中，此时人的活动时间即可持久，而且其活动质量与效率亦会高，可靠性与安全性均会高。 3、人体肌肉力学特性 论人体骨骼与关节机构怎样完善，如果没有肌肉，就不能做功。所以，人体活动的能量决定于肌肉。肌肉的基本机能是将摄入的化学能转变成机械能或热能再转变成机械功反映了肌肉活动的主要生物力或力，肌肉收缩时所产生的力及其长度改变与改变的速度学特征。 人体的肌肉依其形状构造、功能、分布等可分为平滑肌、心肌、横纹肌等三种。横纹肌大都跨越骨关节，附着于骨骼，故称为骨骼肌；由于骨骼肌的运动要受人的意志支配，故又称随意肌。少数横纹肌附着于皮肤，称为皮肌，由于人体运动主要与横纹肌有关，所以安全人机工程学所讨论的肌肉仅限于横纹肌（简称肌肉）。 肌肉的收缩和放松均是由神经系统支配而产生的，两者都是因肌纤维接受刺激后所发另一种是肌纤 生的机械性反应。这种机械性反应有两种表现，一种是肌纤维的长度缩短维张力增加。 肌肉在没有负荷而自由缩短的情况下，肌肉的长度缩短而张力不变的收缩，称为等张收缩。当肌肉在两端被固定或负有不能克服的负荷情况下，肌肉的长度不可能缩短，只能产生张力，这种长度没有改变而张力增加的收缩，称为等长收缩。 4、人体运动的特征 人体是一个有机的物质系统，身体各个部分的运动都是转动，转动状态的改变则不是取决于力，而是取决于力矩。 5、人体活动范围 人体的肢体、躯干、头、颈、手掌、手指、脚掌、脚趾等均有各自的活动范围。人体活动范围可分为：最有利范围、正常范围和最大可及范围三种。 （1）最有利范围。 （2）正常范围。 （3）最大可及范围。 二、人体各部分的操纵力 纵力是指操作者在操作时为达到操作目的所付出的一定数量的力。人的头、躯干、肩膀、四肢、手掌、手指、脚掌、脚趾均可发挥出一定的操纵力。故此在设计人机系统时，为了使操纵者既发挥最大的主观能动性，而又不感到疲劳，既耗费能量最少，同时感到轻松愉快，就必须很好地考虑操纵力的数值以及操作者的生理状况是否能够付出所需要的操纵力。 肢体的力量来自肌肉收缩，肌肉收缩时所产生的力称为肌力。肌力的大小取决于以下几个生理因素：单个肌纤维的收缩力；肌肉中肌纤维的数量与体积；肌肉收缩前的初长度；中枢神经系统的机 能状态；肌肉对骨骼发生作用的机械条件。 1、手的操纵力 （1）坐姿操纵力。 （2）立姿操纵力。 （3）握力。 （4）拉力与推力。 （5）扭力和提力。 2、脚的操纵力 在生产中，用脚操作的情况很多。最常见的是汽车的离合器踏板和刹车踏板，缝纫机踏板，加工机械（如冲床、蒸汽锤等）的脚踏控制装置等。 三、人体活动的速度与准确度 1、肢体的动作速度 肢体动作速度的大小，基本上取决于肢体肌肉收缩的速度。不同的肌肉，收缩速度也不同，如慢肌纤维收缩速度慢些，快肌纤维收缩速度快些。通常一块肌肉中既有慢肌纤维也含快肌纤维。中枢神经系统根据需要时而使慢肌纤维收缩，时而使快肌纤维收缩，从而改变肌肉的收缩速度。收缩速度还取决于肌肉收缩时所发挥的力量和阻力的大小。发挥的力量愈大，外部阻力愈小，则收缩速度愈快。 对于操作动作速度，还取决于动作方向和动作轨迹等特征。另外，不同的动作特点对动作速度影响十分显著，因此，合理地设计操作动作可明显提高工效。 有的操作常常不需要用眼睛观察而迅速准确地操纵控制器，如司机加大油门的操作，这就需要控制设计得使操作者能准确迅速安全地连续操作，如果把控制器安排在便于精确和快速调节的位置上就可以提高操作者的准确性，避免一些事故的发生。 对于那些要求身体做较大范围动作的操纵工作，重要的问题就是如何合理地选择使操作者具有灵活动作的轨迹，动作灵活性包括动作速度和频率。 动作速度取决于工作的动作方向和动作轨迹的特征。在操纵工作时，连续和突然改变的曲线式动作，它们的速度是不相同的，故要分别考虑。 2、人体动作的频率 动作频率是指在一定时间内动作所重复的次数。同理，肢体的动作频率也取决于动作部位和动作方式。表3-36为人体各部位动作速度与频率的限度。在设计操作系统时，对操作速度和频率的要求不得超出肢体动作速度和频率的能力限度。 3、人体动作的灵活性 在操纵时产生突然或平稳的改变方向时，圆形轨迹比直线轨迹灵活。 手向着身体动作比离开身体的动作灵活而准确，向前后往复动作比向左右往复动作的速度大。 最大动作速度与被移的负载的重量 成正比，而达到最大速度所需要的时间与被移动的负载成正比，动作的方向和轨迹应当满足工作动作准确性的要求人体较短部位的动作比较长部位的动作灵活：人体较轻部位的动作比较重部位的动作灵活；人体体积较小部位的动作比较大部位的动作灵活。 因此，在考虑动作灵活性时，应按生物力学特征进行人体惯性特点的比较和估算，利用这些特点，可以研究和模拟人体各部位的运动状态。 四、影响人体作用力的因素 1、体重 体重对人体作用力的发挥存在着有利和不利的两个方面例如，在提取地上重物时，身体及头部随重物的被提起而向上移动（抗重力），体重提高了力的使用效率，将物体放置在地面上（向下用力），站姿比坐姿更好，因为站姿可使头及躯干的重量协助腕、肘、肩关节来运用力，还有体育活动中的拳击、足球射门、投掷等，除了有关肢体的关节、肌肉活动得知，即冲力是质量与速度起作用外，躯体的重量也起作用，这可从物理中的冲力E=mv的乘积，也就是说力与运动部分的质量及肢体和力的作用对象之间的相对速度成正比。 控制器应能承受静止肢体的重量，这一点对防止意外启动，保证安全和消除肢体静态作业非常重要。例如，汽车的足控蹬板应能承受驾驶员下肢的静止重量，不同人群（包括体格和性别）的身体各部分的重量是不同的，其中以躯干和大腿的重量差别最大 2、体位 操作者的体位（立位、坐位、躺位）、躯干的稳定性对人体的作用力也有一定的影响。人体的作用力对人体体位的依赖关系，由以下两个原因决定： （1）随着关节姿势的改变，肌肉的长度发生变化，而肌肉表现出来的最大力同它的长度的减少量的二次方成正比下降，肌肉收缩最大时张力值最小。 （2）肌张力随转轴的力矩发生变化。力学中把转轴到力的作用线的最短距离（垂直距离）叫做力臂。人体运动的特点是肌肉附丽点到转轴的距离很近，因而在大多数运动中赢得速度和路程，但却费力。 操作者立位作业可以经常改变姿势，活动范围也大，站立时易用力，但单调作业会引起生理性和心理性疲劳，立位可适当地走动，有助于维持工作能力，但立位又不易进行精确而细致的工作，不易转换操作，而且肌肉要做更多的功来维持体重，易引起疲劳。 坐位则可以进行较长时间的精确而细致的工作，可以手足并用，但是坐位作业则不易改变姿势，用力受限制，工作范围受局限，久坐会导致生理性疲劳。 躺位操作易疲劳，汽车修理工修理汽车时就有时必须仰躺着工作。 在设计人机系统时，应综合考虑操作者的工作体位、姿势的改变等。体位正确可减少静态疲劳，有利于身体健康和保证工作质量，提高劳动生产效率和保证安全。