骨的力学性质实验：弯曲与压缩
骨质疏松动物模型骨的拉伸、压缩、扭转实验研究
ｗｉ ｉｅｒ ｔ ｅ ｏ ａ ｃ ｍ ｐ ｅ ｓｓ ｏｒ ｘ ｒｍｅ ｔ ｉｅｒ ｔｓ ｎ ｗｅ ｅｐ ｏ ｅ ｄ ｄ． ｅｉ ｄ ｃ ｆｓｒ ｔｈ、 ｏ ｈ ｔ ｗｈｔ ａ ｍ ｒ ， ｏ ｆ ｒ ｓ ｈ ｎ ｅ ｐｅｉ ｎｔ ｗｉｈ ｗｈ ｔ ａ ｈ ｒ ｒ ｃ ｅ ｅ Ｔｈ ｎ ｉｅｓｏ ｔｅ ｃ ｃ ｍｐｒｓ ｔｅ ｓ ｓｒ ｉ ｌｓｉ ｉ ｅ ｓｓ ｓ 、 ｔａ ｎｅａ ｔｃ ｒ ｍｏ ｕｕ 、ｏｓｏ ａ ｈ ａ ｎ ｔｅ ｓ ａ ｇｅｏ ｏ ｉ ｎｏ ｉｔ ａ ｔ ｏ ｓ ｏ ｓｏ ａ ｈｇ ｏ ｐ ｗｅ ｇ ｔＴ ｅｃ ｎ ｌｓｏｎｓ ｏ ｔａ ｈｅｉｄｃ ｓｏ ｔｅｃ ｄ ｌｓ ｔ ｒｉ ｎ ｌ ｅ ｆ ｇｓ ｓ 、 ｓ ｉ ｒ ｎ ｌ ｆｔｒ ｏ ｆ ｗｈ ｅｒ ｓ ｓｅ ｕ ｆｅ ｃ ｒ ｕ ｓ ｅ ｒ ｏ． ｈ ｏ ｃｕ ｉ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｎ ｉｅ ｆｓｒ ｔｈ、 ｔｌｓ ｏ ｅｍ ｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｏ ｅ ｙ ｏ ｅｅ ｃ ｐ ｃ ａ ｉａ ｐ ｒ ｆｍｏｄ ｌｇ ｏ ｐ ａｅ ｌｓ ｈ ａ ｆｎｏ ａ ｒ ｐ ｐｒ ｔ ｅ ｒ ｕ ｒ ｅ ｓｔ ａ ｔ ｔ ｒ ｌ ｏｕ ． ｎ ｈ ｏ ｍ ｇ
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骨生物力学(4学时)
（ occupation ）、健康保健（ health maintenance ）
和医生对病人治疗（medical patient care）方面的应
用被很好的认识并且有高度的有效性和实用性。
骨骼生物力学是生物力学的重要分支,尽管骨力学的 研究已有上百年的历史，但至今仍有许多问题处于 有待深入研究的状态。
绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用绪论绪论骨力学与骨伤科疾病的关系骨力学与骨伤科疾病的关系骨材料的力学特性骨材料的力学特性及其实验研究方法及其实验研究方法骨质疏松症骨质疏松症骨折治疗与临床应用骨折治疗与临床应用骨骼生物力学的临床应用举例第一节绪论第一节绪论一一
de Vinci, Vesalius Galileo, Borelli Newton, Harvey Marey, Stenonivs, Bell, Duchenne, etc.
（3）分析时期(Analysis Period)
从1850年到1930年,这是一个用理论和实验方法对人类和动物骨骼肌肉 系统进行广范分析的时期。俄国、德国和法国各专业学派均致力于这方 面的研究，他们主要是从基础科学的观点结合有限的医学应用进行研究。 由德国的Wolff和Roux、美国的Koch和几个其他的研究者建立了各种有 关于骨骼结构与其负力功能之间的相关性理论。丹麦的Stenonis进行了 类似骨骼而与肌肉相关的研究。Bernstein在1926年出版了他的有关 “生物力学”的论文，文中对长骨、下肢及颞下颌关节负荷力及人类步 态分析进行了大量研究。尽管这些以肌肉骨骼生物力学为主题的理论研 究是非常重要而具革命性，但这些研究在这个时期面临各种困难，主要 是因为欧美各国正面临如火如荼的工业革命期间，它吸引了众多科学和 工程方面的人才并用尽了所有的研究发展投资的基金。医疗和生物研究 与应用也受到同样的影响，因为大多数的医师随着无菌技术的进展和麻
材料弯曲实验报告
材料弯曲实验报告篇一：3-材料力学实验报告(弯曲)材料力学实验报告（二）实验名称：弯曲正应力实验一、实验目的二、实验设备及仪器三、实验记录测点1的平均读数差ΔA1平=? ? ? ? A? 10 ? ?61平1平梁的材料：低碳钢(Q235) 梁的弹性模量E=200GPa梁的截面尺寸高H=宽b= 加载位置 a=W ? bH2抗弯截面模量 Z 6?平均递增载荷? P 平 ?与ΔP相应的弯矩 ? M ? ?Pmax2平? a ?四、测点1实验应力值与理论应力值的比较?1 实 ?E . ??1平?? ?Mmax1 理 ?W?Z误差： ?1理??1实? 100?%?1理五、回答问题1．根据实验结果解释梁弯曲时横截面上正应力分布规律。
2.产生实验误差的原因是由哪些因素造成的？审阅教师篇二：材料力学实验报告(2)实验一拉伸实验一、实验目的1．测定低碳钢(Q235)的屈服点?s，强度极限?b，延伸率?，断面收缩率?。
2．测定铸铁的强度极限?b。
3．观察低碳钢拉伸过程中的各种现象（如屈服、强化、颈缩等），并绘制拉伸曲线。
4．熟悉试验机和其它有关仪器的使用。
二、实验设备1．液压式万能实验机；2．游标卡尺；3．试样刻线机。
三、万能试验机简介具有拉伸、压缩、弯曲及其剪切等各种静力实验功能的试验机称为万能材料试验机，万能材料试验机一般都由两个基本部分组成；1）加载部分，利用一定的动力和传动装置强迫试件发生变形，从而使试件受到力的作用，即对试件加载。
2）测控部分，指示试件所受载荷大小及变形情况。
四、试验方法1．低碳钢拉伸实验（1）用画线器在低碳钢试件上画标距及10等分刻线，量试件直径，低碳钢试件标距。
（2）调整试验机，使下夹头处于适当的位置，把试件夹好。
（3）运行试验程序，加载，实时显示外力和变形的关系曲线。
观察屈服现象。
（4）打印外力和变形的关系曲线，记录屈服载荷Fs=22.5kN，最大载荷Fb =35kN。
（5）取下试件，观察试件断口: 凸凹状，即韧性杯状断口。
第二章 第一节 骨运动学(骨的运动适应性)
种类：根据作用于骨的力不同，其内部 分别会产生相应的应力，如压应力、拉 压力等。
作用：应力对骨的改变、生长和吸收起 着调节作用，应力不足会使骨萎缩，应 力过大也会使骨萎缩。因此，对于骨来 说，存在一个最佳的应力范围。
（2）应变
概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部 变形。 其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度 之比，即形变量与原尺度之比。一般以百分比来 表示。
影响骨强度与刚度的因素有：
①压应力――肌收缩时所产生的压应力能防止拉伸 骨折的发生； ②骨的大小和形状――骨的横截面积的大小及骨组 织在骨中轴周围的分布、形状等均可影响骨强度和刚度。 如骨试件在压缩时， 骨的横截面面积越大，强度和刚度也越大。 破坏载荷及刚度的大小与横截面积成正比。
7）机械力对骨的影响 机械应力与骨组织之间存在着生理平衡。 骨对生理应力刺激的反应是处于动态平 衡状态，应力越大，骨组织增生和骨密质增 厚越明显。
6）骨的强度和刚度
①骨强度 是指骨在承受载荷时所具有的足够 的抵抗破坏的能力，以致不发生破坏。 在压缩载荷的试验中，载荷－变形曲线能反映 结构强度的三个参数是：a.结构在破坏前所能承受 的载荷， b.结构在破坏前所能承受的变形， c.结构在破坏前所能贮存的能量。 ② 骨的刚度 是指骨具有足够的抵抗变形的 能力。 在某种载荷作用下，骨虽不发生断裂，但如果 变形过大，往往会影响骨结构与功能。
2）压缩载荷 是施加于骨组织表面的两个沿轴 线的大小相等、方向相对的载荷。 该载荷在骨组织内部产生压应力 和应变。 如举重运动员举起杠铃后上肢和 下肢骨被压缩。
3）弯曲载荷 是使骨沿其轴线发生弯曲形变的载 荷。 例如当脊柱前屈或后伸时脊柱的弯 曲则为弯曲载荷。 特点：骨骼在弯曲载荷时，其中性 轴两旁一侧产生拉应力和拉应变，另— 侧则产生压应力和压应变，在中性轴上 则没有应力和应变。 应力的大小与至骨骼中性轴距离成 正比，即距中性轴越远，其应力就越大。
骨的力学性质实验：弯曲与压缩
三点弯曲实验示意图
压缩实验的骨试样较小，例如，长方体试样长为5mm，横截面为1mm x1.3mm。
若是新鲜或湿骨试样置于生理盐水中，进行拉伸或压缩实验。
压缩力在骨内产生压应力和压应变，骨受压缩后缩短，压应变为负值。
松质骨的拉压性能远差于密质骨。
骨的拉伸、压缩力学性质受到性别、年龄、取材、部位和方向、骨的状态（干或湿骨）、加载速度等因素的影响，在某一范围变化，且骨的抗拉强度低于抗压强度。
骨的拉伸和压缩力学性质随着年龄和性别的不同而不同。
下图是男女股骨和肱骨强度极限随年龄的变化图：
从图中可以看出，除女性15~19岁年龄组外，不同性别的骨骼的平均作用强度极限随年龄增大显著减小（10%），极限应变显著减小（35%）。
最大力 矩形试样抗弯强度σbb 矩形试样弯曲弹性模量Eb 矩形试样弯曲弹性模量Eb 单位 N
MPa
MPa MPa 试样1 439.526 32.582 1431.2173 1431.2173 平均值
439.526 32.582
1431.2173 1431.2173 标准偏差(n) 0.000
0.000
0.0000
0.0000
骨头压缩实验数据：试样高度h:13.04mm ，样品直径d ：11.5mm
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0510152025
303540应力/δ
应变/ε
骨头应力—应变曲线图。
骨力学
骨力学是生物力学的重要分支，它研究骨和骨骼体系的力学问题。
骨骼在生物体内占有非常重要的地位。
以人体为例，骨骼是人体赖以生存和运动的支柱，没有合理的骨骼结构，人体不可能完成如此精巧的运动。
骨结构是人体内最坚硬的部分，力学性质与一般工程材料很接近，骨路系统的功能是支持、运动和保护，使得肌肉和身体得以方便的活动，是人体的重要组成部分。
骨是一种动态的、有生命的、在发育中生长的组织，它的结构形成受很多因素的影响，包括遗传倾向、营养情况、疾病、生物化学等因素。
除此之外，骨的力学功能适应性是骨的—个十分重要的性质，在骨的结构与承受载荷问题上，骨有最优化的形状和结构；骨可自身修复，可以随着它受到的应力和应变情况来改变其性质和外形，进行外表再造和内部再造留等。
骨的组织结构十分复杂．对这种生物材料力学问题的研究，无疑是具有理论意义的。
因为它不仅使我们能认识骨的力学特性，而且由此将对力学学科的发展及新材料的研究等产生影响。
骨和骨骼是有生命的，所以对这种具有特殊组织结构生命体的研究，实际上是开拓了一个崭新的学科领域。
人们希望知道外界作用(包括力、电、磁、热等的作用)对活的骨细胞、骨单位等的力学效应，从而进一岁揭示生命的奥秘。
如上所述，骨力学研究骨组织和骨骼结构在外界作用下的力学特性，研究骨在受力后的瞬时效应和远期效应，研究骨的生长和吸收等规律。
因此，骨力学对骨科疾患、骨伤治疗、代用材料及康复学等有着重要的临床应用。
目前在这些方向德应用研究很活跃，其中不少是很有成效的。
骨力学的研完对象是作为生物体支架的骨及骨路系统，目前主要是人体各类骨及骨骼。
研究骨力学问题，目的仍然必须依照连续体力学的传统理论和方法。
就是说，在充分了解骨组织结构的基础上，将骨抽象为一种模型化了的工程材料。
在某些情况下可以把它粗糙地看做理想弹性体，有时则看做粘弹性体或其他力学模型。
它可以是各向同性的、横观各向同性的、正交各向异性的、两相或多相复杂形式的复合计料。
股骨松质骨弯曲实验研究
一
８ — ０
２０ ０ ２年
第４ ２卷
第 ３ ４期 ，
试 验 技术 与 试验 机
股 骨 松 质 骨 弯 曲实 验 研 究
吉 林 大学 中 日联谊 医院 内蒙古 自治 区鄂 尔古纳 市 人 民医 院 吉林 大 学机 械学 院
摘 要
赵 宝林 张 外 马 洪顺
实 验参 照金 属 材 料 的 实 验 方 法 ， 日本 岛 津 在 Ａ １ Ｔ 自动 控 制 电 子 万 能 试 验 机 上 进 行 。 ０Ａ
近年来 由于 骨 质 疏 松 、 建 、 造 、 形 重 骨 矫 外科 开 展 的人 工关 节 置换 术 等都 需要 了解 松 质 骨 的力学 特性 。 以往 的研究 以松质 骨 的压 缩 强度 和 弹性 模 量 居 多 。参 考 文 献 ［ ］ 道 １报 了对 成人 胫 骨 松 质 骨 力 学 性 质 的实 验 研 究 。 参考 文献 ［］ ［］ ［］ 道 了对 松 质 骨 的 力 ２ 、３ 、４ 报 学性 质研 究 。但 由于松 质 骨 材 料 与 种 族 ， 解 剖部位 ， 观 密度 、 龄 等 因 素 有 关 ［］ 因 表 年 ５。 此研 究 国人不 同部位 松质 骨 的力 学 性质 对 临
试 样 置于机 器 的 三 点 弯 曲 支 座 上 ， 座 跨 距 支 ３ｍ ０ ｍ。将 试 样 的 原 始 数 据 输 入 给 计 算 机 。 驱 动机 器 以 ｌ ｍ ｍｎ的实验 速度 对 试样 施加 ｍ ／ｉ
床都有参考价值 。鉴于此 ， 作者对正常国人 新鲜尸 体股骨 下端松质 骨进行 弯 曲实验研 究 。 旨在 为满 足 临床 医学 要求 和 探 索松 质骨
理盐水浸透的沙布包裹 ， 装入塑料袋 中， 密封 后置于 一２ ｃ 冰 箱 内保存 。实 验前 取 出标 Ｏ【 ＝ 本， 在常温下解冻 ， 待用。 关 于松 质 骨 力 学 性 质 的 实验 方 法 ， 样 试
第三章《骨肌肉力学特性 及人体基本活动形式》
二、在体肌收缩生物力学
▪ （一）肌肉的激活状态：肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变 化。
▪ 肌肉进入激活状态后，收缩元兴奋产生张力，起初被串联弹 性元的形变所缓冲。当串联弹性元的形变和张力进一步发展， 整块肌肉的张力达到一定程度后，收缩元主动张力才能直接对 肌肉起止点施力，表现出肌肉收缩力。
2
载荷——变形曲线显示出确定结构强度的三个参数：
①结构在破坏前所能承受载荷; ②结构在破坏时发生的变形； ③结构在破坏前所储存的能量
由载荷与形变所表达的强度， 用极限断裂点来表示。由能量 贮存所表达的强度，则一整个 曲线下方的面积大小来表示。 此外结构的刚度，则用弹性范 围的曲线斜率来表示。
载荷——变形曲线可以用于测定大小不同、形状和性质不同 物体的强度和刚度。（但必须是试件和试验条件标准化。）
▪ （2）多个模型并联而成的肌肉：各个模型受外力 之和等于肌肉外力，而肌肉的变形与模型变形相等。 因此，肌肉生理横断面的增加，导致收缩力的增加， 但不影响其收缩速度。
12
▪ （二）肌肉结构力学模型的性质 ▪ 1、肌肉张力 —— 长度特性 ▪ A→肌肉被动张力为零时,肌肉所
能达到的最大长度称为肌肉的平 衡长度。 ▪ B→收缩元的张力随长度变化,表 现最大张力时的长度称肌肉的静 息长度,约为平衡长度的125％。 ▪ 2、Hill方程（肌肉收缩力—速度 曲线） ▪ V＝b（T0－T）/（T+a）； ▪ T＝a（V0－V）/（V+b）
弹性。
当收缩元兴奋后，使肌肉具有弹性。
▪ 总张力＝主动张力＋被动张力
11
▪ 2、模型的串联构成肌肉的长度；
并联构成肌肉的厚度。
▪ （1）多个模型串联而成的肌肉：每个模型受外力
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骨的力学性质实验：弯曲与压缩
三点弯曲实验示意图
压缩实验的骨试样较小，例如，长方体试样长为5mm，横截面为1mm x1.3mm。
若是新鲜或湿骨试样置于生理盐水中，进行拉伸或压缩实验。
压缩力在骨内产生压应力和压应变，骨受压缩后缩短，压应变为负值。
松质骨的拉压性能远差于密质骨。
骨的拉伸、压缩力学性质受到性别、年龄、取材、部位和方向、骨的状态（干或湿骨）、加载速度等因素的影响，在某一范围变化，且骨的抗拉强度低于抗压强度。
骨的拉伸和压缩力学性质随着年龄和性别的不同而不同。
下图是男女股骨和肱骨强度极限随年龄的变化图：
从图中可以看出，除女性15~19岁年龄组外，不同性别的骨骼的平均作用强度极限随年龄增大显著
骨头压缩实验数据：
试样高度h:13.04mm ，样品直径d ：11.5mm
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303540应力/δ
应变/ε
骨头应力—应变曲线图
根据骨头弯曲压缩试验，结果表明：骨头抗弯强度σ为：32.582MPa, 骨头弯曲弹性模量E 为：1431.2173MPa,骨头的比例极限σp 为:35MPa,其屈服应力σs 为：38MPa 。