1.生物力学基础
《人体运动学》第一章 总论(生物力学基础)
时间-空间参数
时间-空间参数是步行中髋、膝、踝关节运动 规律(角度变化或位移、速度、加速度等)、身 体重心的位置变化规律、骨盆的位置变化规律 的反映。
常用的有步态周期中不同时相的关节角度参数、 关节角度曲线、角度-角度图。 单一的角度数值变化意义不大。
动力学指标
(1)足-地接触力 (2)踝关节力 (3)身体重心的加速度
支点
阻力点
动力点 支点
动力点 支点
阻力点
平衡杠杆
省力杠杆
速度杠杆
2.关节活动顺序性原理
大关节最先产生运动，然后依据关节的大小出现一 定的先后顺序。
上下肢各关节的肌肉生理横断面（cm2）
关节 性别 男 女 上 肢 下 肢 肩关节 肘关节 腕关节 髋关节 膝关节 踝关节 140 89 72 51 42 31 261 142 161 97 158 92
δ /L
Linear elastic material
P/A D1
பைடு நூலகம்
D2
D3 δ /L Nonlinear elastic material P/A=C（1-e-D δ /L）
C=a constant, D=equivalent modulus e=natural log base （自然对数的底）
躯干扭转
在身体各部分完成动作时，躯干上下 两端同时绕躯干纵轴的反向转动称躯干的 扭转运动形式。
相向运动
人体处于无支撑的腾空状态完成动作 时，由于人体两端均无约束，因此身体某 一部分向某一方向活动（转动）时，身体 的另一部分会同时产生相反方向的活动 （转动），这种身体两部分相互接近（或 远离）的运动形式称相向运动。
第一章总论第一章总论内容第一节人体运动学基础与概念第二节运动学基础第一节人体运动学基础与概念第二节运动学基础第三节动力学基础第三节动力学基础第四节静力学平衡第五节生物力学基础第六节人体运动的能量代谢第七节人体运动的效果评价第四节静力学平衡第五节生物力学基础第六节人体运动的能量代谢第七节人体运动的效果评价第五节生物力学基础材料力学相关概念1运动生物力学2?应力为了引入应力的概念参照下图首先围绕k点取微小面积有分布内力的合力应力定义为
生物力学原理
生物力学原理
生物力学是研究生物体运动的力学原理的学科，它涉及到生物体的结构、功能和力学特性。
通过运用物理和工程学的原理和方法，生物力学研究者可以揭示生物体内部的各种力学过程以及其对生物体运动的影响。
生物体可以是人类、动物或植物等，在不同的尺度上都存在各种力学现象。
例如，人类的骨骼系统受到重力和外力的作用，在运动中承受着各种力的作用。
通过生物力学的分析，可以研究骨骼系统的力学性能，并且为设计更好的假肢和矫形器具提供依据。
此外，生物力学也可以应用于运动员的训练和康复领域。
通过分析运动员的运动过程，可以了解其身体各部分的力学状态，并制定相应的训练计划或康复方案。
生物力学可以揭示运动员运动技能的优劣，帮助他们改善动作的效果和减少受伤的风险。
在植物学领域，生物力学可以帮助我们了解植物内部生物组织的力学特性和机制。
例如，研究树木的弯曲现象可以帮助我们了解木材的力学性能和抗风能力。
此外，生物力学也可以应用于农业领域，帮助农民设计更优化的农业机械和种植方法。
综上所述，生物力学是一个涉及生物体力学原理的学科，它可以帮助我们了解生物体的运动机制和力学特性。
通过生物力学的研究，我们可以应用其原理和方法改善人类的生活质量，促进运动员的训练和康复，以及提高农业生产效益。
《人体运动学》第一章 总论(基础与概念)
肉骨骼和心血管系统并发症。
心理活动对人体生理运动的影响
人体运动的基本形式、规律及其生理 意义
呼吸与体液循环 肌骨系统运动 运动的生理效应
制动与卧床对机体的影响
制动对心血管系统的影响很大； 局部制动对肌肉和骨关节系统的影响严重； 对呼吸道的影响； 长期制动会产生感觉剥夺和心理的社会剥夺感； 长期卧床及病痛对精神和情绪的影响，可影响消
第一础与概念 第二节 运动学基础 第三节 动力学基础 第四节 静力学平衡 第五节 生物力学基础 第六节 人体运动的能量代谢 第七节 人体运动的效果评价
第一节 人体运动学基础与概念
1 人体运动的基本形式、规律及其生理意义
2
制动与卧床对机体的影响
3
心理活动对人体生理运动的影响
高中生物力学复习教案
高中生物力学复习教案
一、概念回顾
1. 什么是力学？
2. 什么是生物力学？
3. 生物力学研究的对象主要是什么？
二、牛顿定律
1. 牛顿第一定律是什么？举例说明。
2. 牛顿第二定律是什么？公式是什么？举例说明。
3. 牛顿第三定律是什么？举例说明。
三、力的分类
1. 什么是力？力的单位是什么？
2. 分类力的种类及其作用。
3. 重力的定义及计算方法。
4. 弹性力的定义及计算方法。
四、生物力学的应用
1. 生物力学在运动中的应用。
2. 生物力学在身体平衡和姿势维持中的应用。
3. 生物力学在运动损伤预防和康复中的应用。
五、案例分析
通过具体案例分析，深入理解生物力学在实际生活和运动中的应用。
六、练习题
1. 一个物体质量为5kg，受到一个10N的力，求加速度。
2. 质量为2kg的物体，在重力加速度为10m/s^2的情况下，受到一个20N的力，求加速度。
3. 如果一个物体受到一个15N的弹性力，计算弹簧的劲度系数为5N/m，求物体的位移。
七、复习总结
通过本次复习，加深对生物力学相关概念和定律的理解和掌握，为考试做好准备。
生物力学 第一章 概论
生物力学 ---力学、生物学、医学等多种学科相互结合、 相互渗透而形成的一门新兴交叉学科。 是力学原理在生物医学工程学中的应用，即是 解释生命及其活动的力学。
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与其它学科的关联
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介绍：
弹性力学领域的经典著作。
1966年以后致力于生物力学的开拓，是举世公认的生物力学的
开创者和奠基人。
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涵盖范围
动物：鸟飞鱼游，鞭毛虫、纤毛运动， 哺乳动物整体到各个器官的运动，血液、 体液、气体、水分的流动，骨骼受力等。
植物：物质输运、机械刺激等 •其中与生理学、生物学和医学相关的力 学是其重点
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什么是生物医学工程学
• 还没有一个公认的定义 • 随科学技术的发展而改变 • 随生物医学工程研究领域而拓展 • 若干个生物医学工程学的奠基人和著名权
威曾有过几个定义
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• 对生物医学工程 • 三个有代表性的定义表述
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人民卫生出版社
•孟和， 《骨伤生物力学》
人民卫生出版社
•冯元桢，《生物力学》
科学出版社
•王鸿儒，《循环力学》
北京医科大学出版社
•陈文杰，《血液流变学》
天津科技出版社
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参考资料之二：
•陶祖莱，《生物力学导论》
天津翻译科技出版社
•冯元桢，《生物力学－活组织的力学特性》
湖南科技出版社
• 腰椎后部韧带结构生物力学实验研究与临床意义 • 运动、钙和雌激素对去势雌性大鼠股骨生物力学影
人体运动生物力学分析
人体运动生物力学分析生物力学是人类研究机体结构和运动规律的一门学科，它涉及了力学、生理学和解剖学等多个学科。
在人体运动方面，生物力学能够帮助我们理解人体的运动规律，从而减少运动损伤、提高运动表现等。
人体运动的生物力学分析可以分为静态和动态两个方面。
静态的生物力学分析主要是在静止的状态下，通过测量和计算人体的力学参量，如重量、力矩和压力等，来分析人体各部分的结构和功能特征。
例如，通过对人体轮廓和肌肉结构的分析，可以了解到不同个体之间的形态和大小变异，从而为定制体育器材或医疗器械提供基础数据。
动态的生物力学分析则主要是针对人体在运动状态下的生物力学状态进行分析。
这种分析方法可以通过计算和测量运动中的各种参量，如运动的速度、加速度、力矩、力量和能量等来反映人体在运动过程中的运动规律和运动学特征。
例如，在田径比赛中，通过对选手步伐的分析，可以在一个循环周期内精确地计算出他们的步频和步幅，从而更好地了解和优化运动的节奏。
除了运动学之外，生物力学还可以用来研究人体在运动过程中的动力学特征。
在运动过程中，人体的肌肉和骨骼系统会相互作用，产生力量和阻力，从而实现运动。
生物力学可以通过模拟和计算人体的肌肉力量、关节强度和动力学特征等参量，帮助我们更好地理解人体在运动中的顺畅性、稳定性和效率性。
举个例子，我们可以考虑在一个跑步的场景中，我们如何对人体进行生物力学分析。
首先，我们可以通过对身体接触地面的压力分析，了解人体在跑步时承受的压力大小和分布。
接着，我们可以通过运动和位置传感器测量人体的运动学参数，例如，步速、步长和步宽等。
最后，我们可以利用人体动力学分析来计算肌肉和关节的力量和力矩，并将这些信息与跑步表现相结合，从而进行更好的运动优化和预防运动损伤的方法。
总的来说，人体运动生物力学分析是一种研究人体运动规律和生理特征的重要方法。
它可以帮助我们更好地了解人体在运动中的力学状态和最佳运动方式，从而更好地保护和提高人体健康。
医用物理学习题解答汇总(1)(1)(1)(1)
第一章 生物力学基础1-1 两物体的转动动能之比为1:8，转动惯量之比为2:1，求两物体的角速度之比。
解：由211112k E I ω=，222212k E I ω=，且121/8k k E E =，12/2I I =，可得1214ωω=1-2 细棒长度为1m ，质量为6kg ，转轴与棒垂直，距离一端为0.2m ，求转动惯量。
解：0.80.82230.20.211.0083I r dm x dx x λλ--====⎰⎰ kg/m 21-3 圆盘质量为m ，半径为R ，质量分布均匀，轴过盘中心且与盘面垂直，求转动惯。
解：4232212242Rm R J r dm r dr mR R πσππ===⋅⋅=⎰⎰1-4 一个飞轮的转动惯量为2335kg m ⋅，转速为每分钟72转，因受摩擦力矩作用而均匀减速，经40s 停止，求摩擦力矩。
解： 由每分钟72转可得角速度为2π×72/60=2.4π rad/s ， 由0t ωωβ=+ 可得 0 2.440πβ=+⨯，0.06βπ=- rad/s ， 由M I β=，可得 335(0.06)63.15 N m M π=⨯-=-1-5 在自由旋转的水平圆盘边上，站着一质量为m 的人，圆盘半径为R ，转动惯量为J ，角速度为ω，如果这人由盘边走到盘心，求角速度变化。
解：由角动量守恒()2J mR J ωω+=220(1)J mR mR J Jωωω+==+ 角速度变化20mR Jωωω-= 1-6 一个人坐在转台上，将双手握住的哑铃置于胸前，转台以一定角速度0ω转动（摩擦不计），人和转台的转动惯量为0J ，如果此人将两手平伸，使人和转台的转动惯量增加为原来的2倍，求：（1）人和转台的角速度；（2）转动动能。
解：（1）由角动量守恒0002J J ωω=，所以0/2ωω=（2）222001122224k J E I J ωωω⎛⎫=== ⎪⎝⎭1-7 解释以下各物理量的定义、单位以及它们之间的关系：（1）压应变、压应力、杨氏模量；（2）切应变、切应力、切变模量；（3）体应变、体应力、体变模量。
运动人体科学基础考试知识点
运动人体科学基础考试知识点一、人体解剖学基础人体解剖学是研究人体形态结构的科学，通过对其深入了解，我们能更好地理解人体运动时的变化，以及如何通过锻炼改善身体状况。
骨骼系统：了解骨骼的种类、形状、功能及其在运动中的作用。
例如，长骨、短骨、扁平骨等，以及它们如何提供支撑、保护和运动。
肌肉系统：肌肉是运动的关键，掌握各种肌肉的类型、起止点、功能，以及在各种运动中的协同作用。
关节结构：了解关节的类型、特点和运动范围，对于预防运动损伤和设计合理的运动计划至关重要。
二、生物力学基础生物力学是研究生物体运动的科学，通过掌握生物力学的原理，我们能更准确地分析运动中的人体姿势和动作。
力的传递与平衡：理解力的产生、传递和平衡的原理，以及它们在人体运动中的应用。
动作分析：通过分析各种运动动作，了解人体在运动中的姿势、动作和力的作用方式。
运动效率：理解如何提高运动效率，减少能量消耗，提高运动表现。
三、生理学基础生理学是研究生物体功能的科学，对于运动人体科学来说，掌握生理学知识是必不可少的。
循环系统：了解心脏、血管和血液的功能，以及它们在运动中的反应和变化。
呼吸系统：理解呼吸系统的结构和工作原理，以及呼吸在运动中的重要性和调节方式。
神经系统：神经系统控制着人体的所有活动，了解其结构和功能，有助于理解人体运动的控制和调节。
运动与代谢：理解能量代谢的原理，以及运动对代谢的影响。
这有助于制定合理的运动计划和营养补充方案。
四、运动负荷与人体适应了解人体对运动负荷的适应过程，有助于合理安排运动训练和预防过度疲劳。
运动负荷与适应：理解运动负荷与人体适应的关系，以及适应过程中的生理和生化变化。
过度训练：了解过度训练的成因、表现和预防措施，避免因过度训练导致的身体损伤。
恢复与再生：理解恢复与再生的重要性，以及如何通过合理的休息和营养补充促进身体恢复。
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常用设备
JP系列测力台是人体运动 动力学分析、平衡试验、 步态分析不可或缺的工具， 可实现多个测力台的信号 同步采集分析，也可与表 面肌电测试系统、三维运 动图像解析系统、压力分 布测试系统、多种传感器 等兼容同步使用进行步态 分析。
微机控制电液伺服生物力 学疲劳试验机
系列高速摄像设备 —— IEEE 139tion捕获系统无论 是性能评估、仪器设计或 防止和治疗运动损伤，用 作运动分析的运动主要包 括高度动态的运动。 CODA Motion可对许多变 量进行精确的测量，包括 位置、加速度、速度、反 应时间、跳跃高度和长度、 臀部和肩部旋转、角度置 换和分割和全身的质心。 当与肌电图系统和测力台 配合使用时，实际上可测 到任何物理和生理参数。
1895年，Roax研究了人骨的形状、构造，提出松 质骨结构符合最优结构原理的见解，提出骨结松 的功能适应性原则。 功能适应性原则：骨骼进化的趋向总是以用最轻 的重量承受最大的外部作用的方式发展。 Otto Frank通过研究循环系统流体动力学理论， 给出了血液流量与时间的关系的计算方法，并沿 用至今。 Jean Louis Poiseuille，确立黏性流体定常流公式。 Ernest Henry Sarling，建立传质定律。
关于骨的一些基本的概念
应力和应变： 应力与应变是描述骨骼受 力后的内部效应，当外力 作用于骨时，骨以形变来 产生内部的阻抗来抗衡外 力，即是骨产生的应力， 应力的大小是作用于骨横 截面上的外力与骨横截面 面积之比，单位为 Pascal(Pa=N/m2)，即牛 顿/平方米。
压缩 当外力将一个物体朝两个 相同的方向在推时 压力将分子推向其它的分 子。如果太多的分子被挤 在一起, 那么分子就会开 始向外移动，从而导致横 梁凸出。如果突出部分变 得太大，横梁就会向外爆 开，使横梁断裂。（气球 是一个很好的压缩的例子。 当你将空气吹进气球，额 外的空气压力会压缩分子， 使气球膨胀）。
杨氏模量以英国科学家托马斯· 杨命名。 杨氏模量取决于材料的组成。举例来说，大部分 金属在合金成分不同、热处理在加工过程中的应 用，其杨氏模量值会有5％或者更大的波动。 很多材料的杨氏模量值非常接近。
3.切变模量 4.体积模量
总结： 三种模量都是反映材料在受到应力时对所应生应 变的抵抗力强弱的物理量，所以弹性模量也称为 该材料的刚度。 应力-应变曲线中，弹性区的直线斜率代表的就是 弹性模量，即刚度。 外力作了功，特体将能量转变为形变势能储存在 内部，物体在被破坏前所储存的能量可以用应力应变关系曲线下面的面积来表示。 弹性区，储存的能量可完全释放。塑性区，不能 完全释放。有一部成为变形的材料的形变势能。
力学基础知识
目的要求 掌握：应力、应变、弹性模量、材料的黏弹性等 概念，物体受力分析的方法和物体平衡的条件等 内容。 熟悉：力的概念、特点、分类；黏弹性材料的迟 滞、蠕变、预调；质点和刚体的概念；物体运动 的分类；杠杆的相关知识；牛顿第一、二、三定 律。 了解：人体各组织生物力学性质与力学基础的关 系。
历史渊源
生物力学的历史（发现时期）
古希腊是最早的生物力学启蒙地点。 早期生物力学应用于大部分手工工具和武器的创 造和使用。
生物力学的历史（分析时期）
17世纪，William Harvey，推理形成血液循环的 论断。 1661年Malpighi，首次在显微镜下观察到微循环 的存在，从而证实了Harvey的推论。 Stephen Hales，首次测量了马的血压，探计了血 压与失血的关系，提出了心肌力和主动脉 的膨胀 特征，认为外周阻力主要来自微血管系统。 19世纪，Herrmann Von Holmholtz对人类视觉和 听觉系统的工作机制进行了开创式的研究。 Diederik Johannes Korteweg和Horace Lamb对血 管中波的传播理论进行了研究。
通过对人体运动的实时捕 捉测量，取得人体各关节 点的三维运动轨迹数据。 以三维运动轨迹数据为基 础，可以容易地得到人体 关节点的位移、速度、加 速度等运动信息。通过对 运动数据的处理和分析， 广泛应用与人体运动技术 诊断，步态分析以及相关 动物的生物力学研究。
我国生物力学研究 起步较晚。 1963年，尚天裕经理论力学与材料力学研究后， 对小夹板的材质、规格做了规定，对捆扎布带定 理化，固定机制理论化。 目前许多高等院校开设了生物力学课程，并培养 有关方面的研究生。
宋应星（1587～1644（？））的《天工开物》是 明代农业和手工业生产技术的百科全书，在卷十 五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法： “凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦 满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分 巧妙。 该书在我国失传300年，于1926年才由日本找回 翻印本。
研究内容和方法
生物力学的研究内容：与生理学、医学有关的力 学问题，非常广泛。 分类：按传统力学分类：生物固体力学、生物流 体力学和运动生物力学等。
分支学科： 1.组织与器官力学：包括骨力学、软组织力学、 肺力学、心脏力学、子宫力学、口腔力学、颅脑 力学等。 2.血流动力学：包括血液流变学、动脉中的脉动 流、心脏动力学和微循环力学等。 3.生物热力学：包括生物传质传热理论、应用生 物控制理论以及药物动力学等。
弹性模量 1.材料的弹性和塑料 不同的材料有不同的应力-应变曲线，曲线包括：弹性区、 塑性区 1）0-A点，载荷和变形之间存在的是线性关系，应力-应变 曲线为直线，成正比关系。撤去外力时材料会恢复到时原 形。 2）A点对应的应力是应力-应变关系呈正比的最大应力， 为正比极限。 3）A点到B点：应力和应变不再成正比关系，但撤去外力 材料仍能恢复原的大小和形状。 4）B点对应的应力是材料处于弹性区的最大应力，为弹性 极限。 5）B-C点，是非线性，材料会发生永久性变形，是材料的 塑性区。 6）C点，屈服区的末端，断裂点。
应力和应变 1.正应力和应变 1）物体受到拉力或压力时其长度会有变化。 2）正应力：垂直作用在物体面积为S某截面的单 位面积上的内力为物体在该截面处所受的正应力。 3）物体受拉力作用时是张应力，受压力作用时是 压应力 4）相关公式：欧拉正应力、拉格朗日定义。针对 截面面积有无改变而定。 5）物体受张应力的作用而伸长，此时的应变为张 应变；物体受压应力的作用而缩短，此时的应变 为压应变。
生物力学研究进展
生命科学的进步是主要推动力 精细化、定量化、模型化、数学化
常用设备
生物力学试验机用于各种 金属、非金属、复合材料 及生物材料的拉伸、压缩、 弯曲、扭转等力学性能测 试和分析研究，可根据国 家标准及ISO、JIS、ASTM、 DIN等标准进行试验和提 供数据，自动绘制各种试 验曲线，自动打印试验报 告及试验曲线，
中医的生物力学研究 中医小夹板、脉象仪、推拿测定仪等。 在骨髂力学、脉博学、无损检测、推拿、气功、 生物软组织研究领域。
研究方法： 1.解剖学方法确定所研究的对象结构的几何特征， 给定本构关系。 2.根据器官或系统的工作情况，建立合理的力学模 型，相应的微分和或微分-积分方程。 3.给出该方程的解析解或数值解或近似解等。 4.建立相应的实验方案，选择做生理实验及实验室 在体实验。 5.反复对比修正，以期得到临床应用。
力学基本概念
力的概念
力：是一个物体对另一物体的作用。 力的特点：力的大小、力的方向、力的作用点。 力的效应： 改变物体运动状态（运动效应，外效应） 使物体的大小和形状发生改变（变形效应，内效应）
力的分类： 1.万有引力： 1）对于大质量的物体意义大 2）重力与重量的区别：重量是物体施加于其他物 体的的力，而重力是物体本身所受的地球引力。 3）人体重心：人体所受重力的合力作用点。位于 身体正中面上第三骶椎上缘前方7CM处，大约在 身高的55-56%。人体重心移动取决于身体的移动。
分析： 屈服点和断裂点对应的应变范围大，说明材料能 发生较大的塑性形变，具有延展性，为塑性材料， 反之材料具有脆性。 问题： 举例塑形材料和脆性材料。
2.弹性模量 弹性模量也称为杨氏模量 胡克定律：在材料弹性极限范围内，材料的应和 应力是正比关系。 不同固体的杨氏模数约值材料 橡胶（微小应变）0.01-0.11 低密度聚乙烯0.2 尼龙2-4 橡木（颗粒表面） 钛 (Ti)105-120 合金与钢190-210 钻石1,050-1,200
骨伤科生物力学
概论
WHO?
问题
要学习生物力学？ 生物力学学什么？ 怎么学生物力学？
目的要求 掌握：生物力学的概念。 熟悉：生物力学的研究内容和方法。 了解：生物力学的历史渊源和研究进展。
概念
生物力学 是研究生物的结构、功能、发生和发展的规律以 及生物与周围环境的关系等的科学。 是力学、生物学、医学等学科之间相互渗透的边 缘学科。 通过生物学与力学原理方法的有机结合，认识生 命过程的规律；解决健康领域的科学问题。
冯元祯教授 开创了生物力学研究领域，建立了肺的力学模型， 奠定了肺力学、呼吸力学基础，生物组织的生长 与应力的关系的模型。 1978年，来华讲学，使我国力学和医学工作者耳 目一新，随之全国力学规划会议将生物力学列入 发展规划。
生物力学的历史（应用时期）
自60年代开始，生物力学方面研究细分为不同领 域，大致可分为骨科矫正、肿瘤处置和康复科学 等。 Inman、Eberhart对于假肢的设计、分析和安装进 行研究，使生物力学进行实践应用的阶段。 随着医学专家和工程师和材料科学家的合作，用 稀有金属制造关节置换假体和对特殊生物置入材 料的研究开始萌芽。
2.接触力： 物体因接接触变形而产生的相互作用力。 物体接触时，在接触部位会产生变形，而变形的 物体在一定限度内总是企图恢复原状，而产生力。 ？？只接触不变形可能吗？？ 3.弹性力： 最典型的弹性力是弹簧的弹性力。