生物力学
生物力学概念
生物力学概念：是研究人体运动规律的科学，它是体育科学的重要组成部分。
人体运动器系：是由若干可以相对运动的部分组合而成的整体。
载荷的表现形式：拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转和复合载荷。
变形的概念：物体在爱到外力作用时，其中任意两点间的距离和任意两直线或两平行面间的夹角会发生变化，它们反映了物体的尺寸和几何形状的改变。
力的可传性原理：力可沿某作用线任意移动而不改变其对物体的作用效应。
拳击的形式：直拳、勾拳、摆拳、刺拳。
组成肌肉的基本单位：肌原纤维。
肌肉收缩和舒张的基本单位：横桥肌肉的三种收缩形式：1、缩短收缩（向心收缩）特点：张力大于外加阻力，肌长度缩短。
作用：是肌肉运动的主要形式，是实现动力性运动的基础（如挥臂、高抬腿等）。
（1）等张收缩：外加阻力恒定，当张力发展到足以克服外加阻力后，张力不再发生变化。
但在不同的关节角度时，肌肉收缩产生的张力则有所不同。
在关节运动的整个范围内，肌肉用力最大的一点称为“顶点”。
在此关节角度下，骨杠杆效率最差。
如：推举杠铃，关节角度在120°时肱二头肌收缩张力最大，关节角度在30°时肱二头肌收缩张力最小。
最大等长收缩时，只有在“顶点”即骨杠杆效率最差的关节角度下，肌肉才有可能达到最大收缩。
而在其他关节角度下，肌肉收缩均小于自身最大力量。
在整个关节活动的范围内，肌肉做等张收缩时所产生的张力往往不是肌肉的最大张力。
（2）等动收缩：在整个关节活动范围内，肌肉以恒定速度进行的最大用力收缩。
但器械阻力不恒定。
等动练习器：在离心制动器上连一条尼龙绳，由于离心制动作用，扯动绳子越快，器械产生的阻力就越大。
特点：器械产生的阻力与肌肉用力的大小相适应。
等动收缩的优点：外加阻力能随关节活动的变化而精确地进行调整，使肌肉在整个关节活动范围内都能产生最大的肌张力。
2、拉长收缩（离心收缩）特点：张力小于外加阻力，肌长度拉长。
作用：缓冲、制动、减速、克服重力。
如：蹲起运动、下坡跑、下楼梯、从高处跳落等动作，相关肌群做离心收缩可避免运动损伤。
生物力学的基本概念及应用举例
生物力学的基本概念及应用举例一、生物力学定义生物力学是研究生物体运动、器官和组织功能及相互作用的力学行为的科学。
它涉及到物理学、生物学、医学、工程学等多个学科领域，是生物医学工程、康复工程、仿生学、体育运动、航空航天等领域的重要基础。
二、生物力学在医学领域应用1.人体生物力学：人体生物力学主要研究人体运动过程中的力学特性，如骨骼、肌肉、关节等组织的力学行为。
它有助于医生理解人体运动机制，为医学诊断和治疗提供依据。
2.生物材料力学：生物材料力学研究生物组织材料的力学性质，如弹性、韧性、强度等。
它为医学领域中的组织工程和器官移植提供了重要指导。
三、生物力学在康复工程领域应用康复工程是利用工程学方法为残疾人设计和制造辅助器具，以改善其生活质量。
生物力学在康复工程中扮演着重要角色，例如在设计和制造假肢、矫形器、轮椅等辅助器具时，需要考虑人体肌肉和骨骼的力学特性，以确保使用效果和安全性。
四、生物力学在生物医学工程领域应用1.生物芯片：生物芯片是一种用于快速检测和分析生物分子的微小芯片。
在生物芯片的制作过程中，需要利用生物力学的知识对芯片的结构和材料进行优化设计，以提高检测的准确性和灵敏度。
2.组织工程：组织工程是利用生物材料、细胞和生长因子等构建人体组织和器官的新兴技术。
在这个过程中，需要深入研究和应用生物力学的知识，以了解和控制细胞生长和分化的力学环境。
五、生物力学在体育运动领域应用1.运动生物力学：运动生物力学主要研究人体运动过程中的力学特性，为运动员提供科学训练方法和运动装备设计提供理论支持。
例如，通过对篮球投篮动作的生物力学分析，可以指导运动员优化投篮技巧和提高命中率。
2.肌肉疲劳与恢复：肌肉疲劳是由于长时间运动导致肌肉功能下降的现象。
通过应用生物力学方法研究肌肉疲劳的机制和恢复过程，可以帮助运动员更好地理解和预防肌肉疲劳，提高运动表现。
六、生物力学在仿生学领域应用仿生学是研究和模仿自然界生物的原理和技术的新兴学科。
生物力学实验报告
生物力学实验报告生物力学实验报告导言：生物力学是研究生物体运动和力学特性的学科，它涉及到生物体的力学行为以及与环境和其他物体的相互作用。
本实验旨在探究生物力学在人体运动中的应用，并通过实验数据分析和结果讨论来验证相关理论。
实验目的：1. 了解生物力学的基本概念和原理；2. 掌握生物力学实验的基本操作方法；3. 分析生物力学实验数据，得出结论。
实验材料与方法：材料：测力计、人体模型、计算机、数据采集软件。
方法：将测力计固定在人体模型的不同部位，进行相应的运动实验，并使用数据采集软件记录实验数据。
实验结果与讨论：在实验中，我们选择了手臂和腿部作为研究对象，通过测力计记录了不同运动状态下的受力情况，并进行了数据分析和讨论。
手臂实验结果：我们首先将测力计固定在手臂的肌肉上，进行了屈臂和伸臂的实验。
实验结果显示，在屈臂时，测力计所测得的力值逐渐增加；而在伸臂时，测力计所测得的力值逐渐减小。
这说明在手臂屈伸运动中，肌肉的收缩力和伸展力是相互作用的结果。
腿部实验结果：接下来，我们将测力计固定在腿部的肌肉上，进行了蹲下和跳跃的实验。
实验结果显示，在蹲下时，测力计所测得的力值逐渐增加；而在跳跃时，测力计所测得的力值迅速增大，然后迅速减小。
这说明在腿部蹲下和跳跃的运动中，肌肉的收缩力和伸展力也是相互作用的结果。
实验结论：通过以上实验结果的分析，我们可以得出以下结论：1. 在手臂屈伸运动中，肌肉的收缩力和伸展力是相互作用的结果；2. 在腿部蹲下和跳跃的运动中，肌肉的收缩力和伸展力也是相互作用的结果。
结语：本实验通过测力计在手臂和腿部的实验中，验证了生物力学在人体运动中的应用。
通过分析实验数据和讨论结果，我们对生物力学的基本概念和原理有了更深入的了解，并掌握了生物力学实验的基本操作方法。
生物力学的研究对于解析人体运动和改善运动技能具有重要意义，希望本实验能为相关研究提供一定的参考和启示。
生物力学
生物力学生物力学 biomechanics shengwu lixue生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支。
生物力学的研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。
生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律，并加上描写物性的本构方程。
生物力学重点是研究与生理学、医学有关的力学问题。
生物力学依据研究对象的不同，可细分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。
生物力学的发展简史生物力学一词虽然在20世纪60年代才出现，但它所涉及的一些内容，却是古老的课题。
例如，1582年前后伽利略得出摆长与周期的定量关系，并利用摆来测定人的脉搏率，用与脉搏合拍的摆长来表达脉搏率等。
1616年，英国生理学家哈维根据流体力学中的连续性原理，从理论上论证了血液循环的存在；到1661年，马尔皮基在解剖青蛙时，在蛙肺中看到了微循环的存在，证实了哈维的论断；博雷利在《论动物的运动》一书中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动；欧拉在1775年写了一篇关于波在动脉中传播的论文；兰姆在1898年预言动脉中存在高频波，现已得到证实；材料力学中著名的扬氏模量就是英国物理学家托马斯·扬为建立声带发音的弹性力学理论而提出的。
1733年，英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压，并寻求血压与失血的关系，解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流，他在血液流动中引进了外周阻力概念，并正确指出：产生这种阻力的主要部位在细血管处。
其后泊肃叶确立了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系；夫兰克解释了心脏的力学问题；斯塔林提出了透过膜的传质定律，并解释了人体中水的平衡问题。
克罗格由于在微循环力学方面的贡献获得1920年诺贝尔奖金。
希尔因肌肉力学的工作获得1922年诺贝尔奖金。
他们的工作为60年代开始的生物力学的系统研究打下基础。
到了20世纪60年代，一批工程科学家同生理学家合作，对生物学、生理学和医学的有关问题，用工程的观点和方法，进行了较为深入的研究，使生物力学逐渐成为了一门独立的学科。
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。
生物力学研究方法与应用
生物力学研究方法与应用生物力学是研究生物运动的力学过程、动力学规律以及机械特性的一门学科。
它是将力学原理和生物学相结合，运用计算机辅助分析得到生物体运动的途径。
早在古希腊时期，亚里士多德就曾研究过牛的奔跑和人类的步行，称之为“动力学”。
而生物力学则是在近代形成的。
随着科技的发展和研究者的努力，生物力学的应用领域越来越广泛。
本文将阐述生物力学的研究方法和应用。
生物力学研究方法生物力学的研究方法主要包括以下几个方面：1.实验法。
通过实验测量生物体运动时的各种参数，来研究运动规律和机械特性。
以运动员的跳高为例，我们可以通过实验测量出运动员起跳的初始速度、起跳的高度、跨越杠杆的速度等参数，来分析和研究运动员跳高的力学过程。
2.数值模拟。
通过计算机模拟生物体运动的过程，来研究运动规律和机械特性。
数值模拟可以通过建模获取生物体的各种状态参数，进而计算出机械特性指标。
例如，通过计算机模拟肌肉收缩过程，可以研究肌肉的力学特性和肌肉产生的驱动力。
3.实际观测。
通过实际观察生物体运动过程，来研究运动规律和机械特性。
例如，通过观测蜻蜓的飞行过程，可以研究其飞行特性并寻找优化方法。
生物力学的应用生物力学的应用范围极为广泛，可应用于医疗、体育、交通、安全等多个领域：1.医疗领域。
生物力学可以用于评估疾病和伤害的影响、治疗方案的制定和手术效果的评估。
例如，生物力学可以通过实验研究不同种类的人工关节假体在运动中的力学特性和生物相容性，为关节置换手术的设计提供依据。
2.体育领域。
生物力学可以用于分析诸如人体运动、姿势和运动员与运动装备之间的关系。
例如，生物力学可以通过实验研究运动员跳高的力学特性和姿势优化，为运动员提高运动成绩提供科学依据。
3.交通安全领域。
生物力学可以用于研究车辆和其他交通工具的碰撞安全性。
例如，生物力学可以通过实验模拟车辆碰撞，分析碰撞力大小及其对车内人员的危险程度，为改进车辆结构和安全性能提供依据。
结语生物力学是一门结合力学原理和生物学的学科，其研究方法主要包括实验法、数值模拟以及实际观测。
生物力学
生物力学目前，在科研和临床领域，生物材料的开发及应用无疑是一次重大的变革：人造骨骼和关节、义齿、义眼等的出现（图1-1）在为患者解决生理、美观性问题的同时为社会带来巨大的经济利益。
生物材料即生物医学材料，是指具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料，它是生物医学科学中的最新分支学科，是生物、医学、化学、生物物理学和材料科学交叉形成的边缘学科，生物材料的研究与开发具有广泛的应用前景，它已成为最具活力的学科之一。
在生物材料的研发过程中，材料的强度、韧性等力学性能是衡量生物材料应用前景的重要指标之一，这就涉及到了一个古老而现代的学科——生物力学。
（a） (b) (c)图1-1 （a）人造骨骼和关节（b）义齿（c）义眼第一节生物力学的基本知识一、起源与发展其实，生物力学的起源要早于生物材料，它是研究生物和力学有关问题的学科。
在物竞天择的原始社会，人类为生存和基本生活而早已无意识或有意思的应用了生物力学的一些基本原理来生产、生活（图1-2）。
图1-2 原始的生物力学应用现代生物力学大约起源于20世纪60年代末，生物力学和运动生物力学发展进入了形成和发展时期。
在这一时期专家们对于人和动物运动的生物力学特性进行了积极的研究，下面一些学者的科学研究广为人知：亚历山大1970年的《生物力学》；1974年武科布罗多维奇对于动物运动进行了数学模拟，并因此促进了机器人制造技术的发展；19 68年希利杰博兰德创建了有关动物以均匀步法进行运动的理论；1968年苏霍诺夫创建了陆地脊椎动物运动的一般体系；哈顿有关人支撑运动体系调控机制的研究；米勒有关人运动生物力学问题的研究。
1967年召开了第一次国际生物力学学术讨论会。
1973年正式成立了国际生物力学学会（International Society of Biomechanics,ISB）,这标志着生物力学学科的正式建立。
这一时期在苏联运动训练学作为一门独立学科形成了，而在此之前它只是在体育教育学的范畴内发展的。
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。
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(MPa)
50%
(%)
10%
50%
24
细胞力学
25
25
跖骨的受力状态
From 同济大学医学院 牛文鑫博士
26
有限元建模与分析
From 同济大学医学院 牛文鑫博士
27
脑循环Willis环的血液动力学
影像学+计算流体力学+流体力学实验
From 大连理工大学 贺缨 教授
28
尿尿的流体力学
Patricia J. Yang et al. (2014) PNAS
代表人物： 钱煦 Shu Chien
From Prof. Joji Ando at The University of Tokyo
38
剪应力和ATP协同作用下血管内皮细胞内钙响应
Yamamoto et al., 2000
Shen et al., 1992
39
钙信号与基因表达
Dolmetsch et al., Nature, 1998
29
Intervention: 血管支架对血液动力学的影响
Chen et al. BME Online, 2015 From 四川大学 蒋文涛 教授
30
Intervention:静脉移植(Vein Grafting)
From WWW
31
Intervention: 长期合理运动增强动脉功能
Volaklis et al. 2013
35
Hou, Zhu, Shen, Liu & Qin. 2013a;2013b; 2014; 2015
结 果
结论：急性的高强度抗阻力运动导致颈总
动脉表观硬度增加、管径收缩，血液动力 学参数发生明显改变。
• 问题：为什么运动能改变动脉功能？ 血液动力学机制是什么？
From WWW
37
细胞力生物学 (Cell Mechanobiology)
40
细胞力生物学:
系统动力学的观点
Qin & Xiang, 2008a; 2008b; 2010; 2011a; 2011b; 2012; 2013; 2014
41
信息学是沟通力学与生命科学的桥梁
力学
信息学
生命科学
42
血管内皮细胞钙响应的 动力学数学建模
Li, Xiang and Qin, 2014
46
实验装置实物
47
微流控芯片实物图
48
基于微流控芯片的血液循环系统
Zheng et al. 2012
Shao et al. 2009
49
（三）生物力学在健康工程中的应用
• 疾病预防、诊断、治疗、保健与康复
50
血流动力学与心脑血管疾病早期诊断
血流动力学参数的改变往往早于影像学
(CT/MRI)指标的改变—早期诊断
Yamamoto et al., 2000
43
实验验证工具
Cone-Plate Type
Parallel-plate Type
From Joji Ando Lab
44
实验验证工具
From WWW
45
基于微流控技术的实验平台
Perfusion/Flow System
(1) medium reservoir (2) chamber for cell growth (3) outlet of the perfusion system (4) outlet of the flow chamber (5) channel to increase resistance
17
（二）生物力学是什么？
18
生物力学范畴
• 按研究手段： – 生物固体力学 – 生物流体力学 – 计算生物力学 –… • 按研究对象： – 骨力学 – 软组织力学 – 血液动力学 – 细胞力学 –…
19
变形体:应力 (Stress)
F
F
F
=F/A
（单位面积上的受力大小） 单位：N/m2 (Pa), MN /m2 (MPa)
Green (2004; 2009)
机制：应力-生长法则(Fung,1983)
dm/dt
0 c
a
b
s
dm k (s a) k1 (b s) k2 (s c) k3 dt
急性抗阻力运动干涉实验
34
无创伤测量
– 血压:电子血压计(Patient Monitor PM8000, Mindray ) – 动脉管径与轴心流速: 彩色超声多普勒 (ProSound Alpha 7, Aloka)
组织工程
From WWW
55
血管工程
J Artif Organs (2005)
力学因素加速 胚胎干细胞 向血管细胞分化
With Prof. Joji Ando group at The University of Tokyo
56
中医工程
From WWW
57
合理的运动是良药
From WWW
58
63
12/15/2014
64
呼吸力学
Epithelial Cells表皮细胞
From WWW
15
听觉系统的力学
Auditory Organ ---------------------- Hearing
occipital lobe
From WWW
16
力与触觉
Mechanosensitive Channels
From WWW
直接检测困难，建立动力学数学模型，通过
求解模型的反问题计算出反映动力学状态的 参数：血管弹性、阻力等
现代信号分析技术—生理特征频率与能量
From WWW
51
颈动脉血流信号分析仪
52
血管支架(stent/drug-coated stent)
From WWW
53
人工心脏瓣膜
From WWW
54
From WWW
骨骼能承受骨组织的机械应变，并具有适应 这些功能需要的能力，骨骼结构受应力的影 响，负荷增加骨增粗，负荷减少骨变细，这 一现象称之为Wolff定律。
（德国医学博士Wolff ,1892） 5
失重对宇航员的影响
From WWW
6
跟腱(Achilles’s tendon)
2008 跟腱炎症
A
20
变形体:应变（Strain)
F
L0 L
F
= (L-L0) / L0
（单位长度变形的大小）
21
骨的力学性质
· 硬组织的单轴拉伸及压缩实验
拉伸
压缩
力学性质：弹性模量E+、E22
骨的力学性质
· 硬组织的扭转实验
力学性质：剪切弹性模量G
23
软组织的力学性质
软组织的单向拉伸实验
项背韧带 0.15 30 腱 0.015 平滑肌
2012跟腱断裂
From WWW
7
组织液流动与物质输运
水
胚胎 (2个月) 95% 婴儿 80% 成人 65%
Photos by Dr. Shibata
at University of Tokyo
8
血液流动与血管生长
鸡胚胎发育过程中，血流速度最快的通道逐渐生长 成为主动脉，而流速较慢的通道却常常萎缩并逐步 消失 (Thoma, 1893)
康复工程
From WWW
59
基于微流控芯片的循环癌细胞分选
C. T. Lim Group at NUS (2013)
60
基于智能手机的医疗诊断
From WWW
61
基于微流控技术的精子优选与卵子受精
Suh et al. 2005
Han et al. 2010
62
生物力学
让生活更美好 Biomechanics Makes Life Better
τ=
4µ������ π������ 3
τ- 剪切应力 µ-粘度 Q-流量 r – 内半径
9
血管的零应力状态
Fung YC冯元桢
10
11
动脉粥样硬化 (Atherosclerosis, AS)
From WWW
12
动脉瘤aneu细胞的迁移
Wang, 2005
14
生物力学与人类健康
覃开蓉
大连理工大学电信学部 生物医学工程系
1
提 纲
• 为什么有生物力学？ • 生物力学是什么？ • 生物力学在人类健康工程中的应用
2
（一）为什么有生物力学？
• 运动、流动、应力与生命现象
3
运动是人的天性
视频：精子运动 卵子受精
From WWW
4
骨的功能适应性原理与Wolff定律