【原】骨杠杆在人体附肢骨中的应用

杠杆在力学中解释为一根在力的作用下可绕固定点转动的硬棒，其中杠杆可以是任意形状的硬棒。在我们人体中构建结构的首先是骨骼，其中以附肢骨为主的长骨在结构与功能中类似杠杆的硬棒，而关节轴类似支点，在肌拉力作用下绕着关节轴做功，所以称为骨杠杆。

       人体中骨杠杆和力学中杠杆类型相同，由于支点，动点和阻力的位置不同，造成的阻力矩与动力矩关系不同，可以分为三类杠杆。

• 第一类杠杆：支点位于阻力和动力之间

       第一类杠杆也称平衡杠杆，通常是在维持某一姿势时阻力矩=动力矩，在维持固定姿势中较有优势。

      通常对于第一类杠杆在人体中附肢骨中第一类杠杆有：前臂伸的动作固定姿势的保持中，肱三头肌止于尺骨鹰嘴，伸前臂的动力位于关节轴的后方，阻力为前臂的重力，所以认为维持前臂伸固定动作时，肱三头肌主导的动力矩与前臂阻力矩维持固定姿势，认为其是第一类杠杆。还有非承重足的跖屈动作的维持，小腿三头肌作为动力源其止点位于跟骨上，关节轴为踝关节，阻力为足部的重力，此时，小腿三头肌主导的动力矩与足部的重力维持一致，故认为其是第一类杠杆。

• 第二类杠杆：阻力位于支点与动力之间

      第二类杠杆也称省力杠杆，其工作机理类似常用手推车，其动力配布中动力矩＞阻力矩，故可以省力。

      在人体附肢骨中，承重足做跖屈动作，前脚掌着地为支点，小腿三头肌收缩为动力，而向下人体自身的重力为阻力，动力矩是跨越整个小腿的小腿三头肌，阻力矩为足背上的重力，故动力矩＞阻力矩，省力。此外，还有直腿屈髋动作，股直肌止于胫骨粗隆为动力源，以髋关节为支点，阻力为膝关节上部。但因其动力臂长于阻力臂，在附肢骨的杠杆中，肌肉在作为动力源时附着于骨骼时，同样收缩时间下，止点位于长骨远端肌肉因肌肉收缩的范围有限，故相应骨杠杆运动范围较小，所以该杠杆的优点是省力，不足之处为运动范围小，速度较慢。

• 第三类杠杆：动力位于支点与阻力之间

       第三类杠杆也称速度杠杆，在人体中第三类杠杆较多，其工作实质为动力矩＜阻力矩。

       如：前臂曲肘动作，以肘关节为支点，肱二头肌为主要动力源，阻力为手部与前臂重力，如手部施加外部阻力（哑铃），则肱二头肌需更大的力来维持动作。伸膝动作，以膝关节为支点，止于胫骨粗隆的股四头肌为动力，小腿和足部为阻力。此外还有伸髋动作，屈膝动作等。

       体育运动中除了骨杠杆本身，运动器械的发展也是借助了这一特性，如手持器械类的网球拍、羽毛球拍等，手握拍柄通过肌力作用于腕部变化使球拍出现大范围移动来提高击球速度，给对方来球一个更大的冲量，其机理也是速度杠杆的工作方式。

       人类活动中为了获得较快速度，不惜牺牲更大肌力来提高速度，因速度杠杆动力源中肌肉止点位于长骨近端，在同样时间肌肉收缩下，可以使骨杠杆产生更大范围的移动，增加位移距离，提高速度。其不足之处是因阻力臂长于动力臂，在克服阻力中需要较大动力。

      骨杠杆在人体中因位置不同而作用不同，但生命科学发展中一直是朝着能量节省和速度增加进化的，第三类杠杆在人体附肢骨中较多，原因就是为了速度的增加，但在速度增加的进化中，为了提高速度的代价，需要保持更大的动力，所以在动力源中肌纤维类型出现了羽状肌、半羽肌，来增加肌纤维的生理横截面积，提高肌力。

      人类进化呈现的另一个趋势是耐力增加化，为适应长时间的行走，足部在提踵动作时出现省力杠杆，以便适应长时间的行走。总之，人体结构的配置还是为了适应生理功能的需要，适应人类进化的脚步。