生物力学课程——肌肉力学.

空载荷的胶原纤维呈波浪性
有载荷的胶原纤维被拉直
三. 肌腱在骨骼上的附着
1---肌腱末端
2---胶原与纤维软骨混合区 3---组织矿化区 4---融入密质骨
由肌腱逐渐转化为骨质的结构变化使组织的机械性能渐渐 改变，能减少应力聚集于肌腱-骨骼附着点上。
四.生物力学性能：
肌腱能承受很强的张力，将肌肉收缩力 传至关节，带动关节的运动。在正常和过度 负荷下承受张力，当张力过大导致受伤时，
= a （V0－V）/（V＋b）
若T=0，则V达到最大值V0，且 V0=bT0/a
Hill方程的使用条件：
1. 2. 3. 骨骼肌 强直状态 快速释放
Hill方程不能描述：
1.肌肉未受刺激，没有主动收缩时的状况。 2.单收缩状态 3.缓慢释放
第三节
Hill的三元素模型
收缩元素：它描述激活态下肌肉的 力学性质。在静息状态时为零，但 受刺激后可缩短，它能够反应粗肌
肌原纤维这两种基本结构（长 或粗）影响肌肉的收缩功能。
肌 肉能产生的张力与肌原纤维的横截面积
大小成正比。如股四头肌。
肌 肉收缩速度与范围与肌原纤维的长度成
正比。如缝匠肌。
五. 疲劳的影响
肌肉收缩和舒张都依赖于ATP的生成。
• 如果肌肉有足够的氧和营养供给分解产生ATP， 肌肉就能维持长时间的连续低频率收缩。 • 该收缩频率必须低至使肌肉收缩过程中ATP分解 与合成的速率相等。
如果刺激频率过快，超出了 ATP
代偿速率，肌肉的收缩反映逐渐减弱
最后为零。
在持续的刺激下肌肉的张力降低的现象称为肌疲劳。
第五节
肌腱的力学性质
肌腱连接肌肉与骨骼，把肌肉的收缩力 传至骨骼上，从而使关节运动或保持身体姿势。
肌腱的另一个功能:
确保肌肉在其两端的附着处之 间能够维持最佳的收缩长度，以免 过度伸展。
六.韧带断裂和肌腱受伤机制
韧带
肌腱附着于肌肉。 当肌肉收缩时肌腱承受拉应力， 肌肉发挥最大收缩时，肌腱的拉伸 应力达到最大。 肌肉离心收缩时，肌腱承受的 应力会更大。例：快速背曲踝关节， 跟腱拉力增大，超过屈服点，跟腱 断裂。
例：马拉松长跑运动员
高速应力导致跟腱断裂
七.影响肌腱和韧带力学特性的因素:
于脊柱弯曲部分，把
该处的软组织拉长。
弹性滞后
肌腱组织
1.4 1.2 1
应力
应力
35 30 25 20 15 10 5 0
0.005 应变 0.01 0.015
0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 0 系列1
系列1
-5 0
0.05
0.1
0.15 应变
0.2
0.25
最大载荷为5N
最大载荷为90N
五. 粘弹性：
对应力速度的依赖性。 肌腱是粘弹性体，能承受很强的张力，将肌肉 收缩力传至关节，带动关节运动，但它也是柔软的
组织，能绕着骨骼的外缘改变肌肉拉力方向。
应力松弛
临床上，可让一个
均匀的低负载荷加于软 组织，这能将蠕变反应 应用于治疗变形的病理。 例：以脊柱支架改善
蠕变
脊柱侧弯程度，这种
疗法利用均匀负载加
• 在通常情况下，心肌张驰节 律性很强，不允许挛缩，
心肌与骨骼肌的不同之处（三）
骨骼肌
骨骼肌松弛态下应
力很小，可以忽略。 心肌
松弛状态下心肌的应力是心
脏功能至关重要的因素，不 容忽视。因为心博量取决于 舒张末期的容积，而舒张末 期的容积又取决于舒张状态 时心肌的应力—应变关系。
心肌与骨骼肌的不同之处（四）
一．骨骼肌特点 骨骼肌组成动物躯体的主要部分，也是动
物运动的发动机，其运动受自主神经控制。在
显微镜下，可看到骨骼肌明暗相间的条纹，故 又称横纹肌。
神经脉冲、电脉冲或化学刺激下，肌肉收缩 产生张力，每次激发可持续数十至数百毫秒。
骨骼肌的最大特点:
刺激频率越高，产生的张力越大。当频率足 够高（高于100Hz）时，张力达到最大值，且不再
毛细血管也较多，大约每一心肌
和毛细血管较少。因为 养。 心肌不可须臾不足。 • 心肌纤维呈螺旋排列。
• 骨骼肌肌纤维平行排列。
心肌与骨骼肌的不同之处（二）
骨骼肌 ： • 骨骼肌收缩可不必同步。
心肌
• 一个心脏全部心肌细胞的收 缩和松弛是同步的。
• 骨骼肌可以挛缩。对其 力学性质的研究是在强直状 态下进行的。
肌原纤维结构：
肌丝的分子组成和横桥运动
粗肌丝：
由肌凝蛋白组成
肌球蛋白（肌浆蛋白）结构
每一根粗肌丝上有许多细小的桥样突起， 称横桥，在粗肌丝上作螺旋状成对排列。
细肌丝：
由肌纤蛋白、原肌凝蛋白、肌钙蛋白质组成
三. 肌肉收缩的纤维滑移理论：
肌肉松弛时，肌浆球蛋白分子的头部
贴近肌动蛋白纤维上，但没有接触。受刺
受伤的程度与张力的速度与力度有关。
对肌腱组织做均匀的拉伸实验
肌腱和韧带的生理负荷:
正常活体生理情况下，肌腱和韧带 所承受的应力只是它们极限的1/3，一般
的应变度大约是2%-5%。
植入应变器研究肌腱（趾伸）：
快步疾走，应变2.6%。 速度减慢，应变相对减小。
每走一步，肌腱最大应变只维持0.1秒 步行时所受最大应力 45N ，是最大承受应力的 1/4 。
肌纤维被牵拉或缩短时张
力的变化主要归因于肌节结构的
变化。
张力
当肌节处于松弛 状态，静息长度（2.0
—2.25μm)时，肌肉能
产生最大的张力，因 为这时粗细肌丝相互
重叠得最充分，横桥
的数量最多。
如果肌肉被拉长 超过了静息长度，张 力也逐渐下降。因为 此时肌节被拉长，肌 丝间的接触少张力会 降低。肌节的长度约 为 3.6μm 时 ， 肌 丝 间 几乎没有重叠，所以 不能产生主动张力。
张力T，那么T和V之间的
经验关系就是Hill方程。
它的数学表达式为：
（V+b）（T+a）=b（T0+a）
式中a、b、T0为三个独立的常数， 这些常数都是肌肉的初始长度L0、溶
液的温度和成分，钙离子浓度以及药
品等因素的函数。
Hill方程也可写成如下形式:
V=b（T0－T）/（T＋a） T=（bT0－aV）/（V＋b）
激时。此时肌肉主动收缩产生主动力。
肌肉（骨骼肌）是人 体运动系统重要的组成部 分，是人体运动的动力来 源。可以说肌肉在生物力 学研究中是最具吸引力、 最有挑战性的研究领域。 肌肉的力学性质十分复杂， 它跟组成肌肉各种成份的 力学特性有关，迄今为止 人们仍然在不断的研究和 探索之中。
第一节
骨骼肌的特点、构成及收缩原理
一.肌腱的组成 高密度的结缔组织，含有 大量平行排列的纤维胶原组织。
组成： • 成纤维细胞（ 20% ）
• 细胞外基质（ 80% ）
• 水分（70%）
• 固体物质（30%）:
胶原（75%或以上） 基质 少量的弹力蛋白
胶原分子：三条多肽链 胶原原纤维：胶原分子交联 胶原纤维:
二. 胶原纤维的排列
丝与细肌丝相对运动形成的张力，
即主动张力部分。 并联弹性元：它表示松弛态下肌肉 的力学性质，其本构方程可描述被 动张力部分。 串联弹性元：它表示二种肌丝、横 桥、 Z 盘以及结缔组织本身固有的 弹性。
被动张力：松弛态下（不受刺激），
肌肉没有收缩时的张力。
主动张力：肌肉受到刺激（不是负载），
由于主动收缩产生的张力。
Hill方程是肌肉力学中最有名的方程， 是骨骼肌力学的基础。 来源：青蛙的缝匠肌实验
描述：骨骼肌在强直状态下快速释放时 张力T和缩短速率V之间的关系。
实验方法：
一根骨骼肌固定长 度为L0，张力为T0，在强 直状态下将肌束突然放松 到新的长度L，L＜L0，T＜ T0。释放后，立即测量缩
短速率V=－dL/dt，以及
激时，头部突起，横桥粘接于肌动蛋白纤 维上，产生张力，横桥使肌浆球蛋白纤维
和肌动蛋白纤维之间发生相对滑动移。然
而两种纤维本身长度不变，因而肌纤维节
收缩，肌肉也随之收缩作功。
第二节
Hill方程
与心肌、平滑肌相比，对骨骼肌的研 究较为深入，因为有： 1. Hill方程—可描述骨骼肌的力学性质。 2. Hill模型—可描述骨骼肌的功能状态。
人体内脏器均由平滑肌组成，如肠、肝、脾、肾。
但不同的器官平滑肌的组织结 构、功能及力学性质有显著差异，
很难用统一标准刻画它。
根据肌肉产生张力时的状态不同， 分为：
松弛状态：肌肉未受到神经脉冲、 电、化学等
刺激时。此时肌肉的张力称为被 动张力或松弛态下张力。
激活状态：肌肉受到神经脉冲、 电、化学等刺
时可长达3cm。
肌细胞核在细胞膜下方，肌细胞
质内有许多成束排列的肌原纤维，直
径约1μ。 肌原纤维是肌细胞特有的重要组 成部分，它是肌肉细胞的收缩单位。
肌原纤维的组成： 由两种粗、细肌交错对插排列而成，较粗 的叫肌浆球蛋白，也称肌球蛋白，直径约
1.2×10-6cm 。较细的叫肌动蛋白，直径约为
5×10-7。
肌肉的种类及特点
动物的肌肉分三类： 骨骼肌、心肌和平滑肌。 骨骼肌、心肌是横纹肌，有明暗相间的
条纹，但结构、功能以及力学性质不同。
肌肉既具有一般软组织材料的 力学性质—拉伸承载、变形、松弛 和蠕变，又有其独具特性 — 主动 收缩产生张力。
主动张力是怎样产生的？
骨骼肌：在神经、电、化学刺激下产生主动收缩。 心肌：在窦房结发出的电信号下产生主动收缩。 平滑肌：自发的主动收缩。不受自主神经控制。
如 果肌 纤 维 的 长 度 过短，张力开始慢 慢 下降然 后迅速 降 低。因为肌丝过度 重 叠干扰 了横桥 的 形成。肌节的长度 小于 1.65μm时，粗 肌丝滑到了 Z线，这 时张力大幅度降低。