1、人體運動生物力學第1頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日 研究內容 力學基礎知識 骨杠桿 關節 步態分析 第2頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日參考書籍書名 作者 出版社 出版年矯形器學概論 靳爾剛 中國社會出版社 2007現代運動生物力學 鄭秀媛 國防工業出版社 2007新編康復醫學 胡永善 復旦大學出版社 2006運動生物力學 趙煥彬 高等教育出版社 2007第3頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日一、力學基礎知識 1、力的基本概念 力的定義、效應、三要素、內力與外力 2、力的特性 力的矢量表示法、力的平行四邊形定律、力的作用與

2、反作用定律 3、幾種常見力 重力、摩擦力、彈性力 4、力矩與力的平衡第4頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日1、力的基本概念定義：一個物體對另一個物體的作用， 物體間力的作用是相互的。力的單位：牛頓，N 人體運動生物力學中的力主要是：人體與地面、器械、流體的相互作用。力的效應：力使物體的運動狀態和形狀發生改變的作用。內效應（形狀發生改變）和外效應（運動狀態改變）力的效應的描述：牛頓第一定律、第二定律和胡克定律為基礎。第5頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日牛頓第一定律：任何物體，如果不受外力的作用或所受的合力為零，將保持靜止或勻速直線運動狀態，又稱慣性定

3、理。慣性：所有物體具有保持它原來運動狀態的性質。物體慣性的量度是物體的質量，質量越大慣性越大。牛頓第二定律：物體運動的加速度與作用力成正比，與物體的質量成反比。 F=ma胡克定律：物體在彈性限度內，應力和應變成正比，公式： s=Ee 第6頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日力的三要素：大小、方向、作用點內力：在一個系統內部相互作用的力。 人體內部各部分相互作用的力，如肌肉力、組織粘滯力、韌帶張力、關節約束反作用力等稱為人體內力。外力：外界作用于人體的力稱為人體外力。 人體所受主要外力：重力、彈力、摩擦力、支撐反作用力、介質作用力等，矯形器的壓力、扭力等。內力與外力的關系：

4、內力與外力的概念是相對的。確定某個力是外力或者是內力，取決于選取的研究對象。研究對象不同，同一個力既看作是內力也可看作是外力。第7頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日2、力的特征力的矢量表示法矢量：指有大小和方向的物理量。標量：只用大小就可以表示其特征的物理量，質量。力的表示：通常用一根帶箭頭的線段來表示。 長度： 大小 箭頭： 方向 起點： 作用點第8頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日力的平行四邊形定律 力的矢量性決定了力的合成與分解遵循力的平行四邊形定律。同一點A作用的兩個力F1和F2，以其作鄰邊畫平行四邊形，則平行四邊形的對角線即代表這兩個力的合

5、力，即 F3=F1+F2F1F2AF3F3F1F2B第9頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日 力的作用與反作用定律牛頓第三定理：兩物體間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反、且作用在同一條直線上。特點：作用在兩個不同的物體上，與同一物體受到的平衡力有本質的區別；大小相等，但各自可能產生不等的運動效果；性質相同，同時產生，同時消失；系統內的作用力與反作用力屬系統內力，對整體運動沒有作用；靜止和運動狀態下第三定律都成立；第10頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日力的合成與分解力的合成：當一個物體受到數個力的作用時，合力為幾個力的矢量和。力的平行四邊形定律

6、。力的分解：某一力如果要用不同方向的分力來表示，稱為力的分解。F12F2F1F4F3AF12F1F2B第11頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日重力：物體本身受地球吸引而產生的力，方向指向地心。重力與質量不同：質量是物體所含物質的多少，是物體慣性的量度，標量，重力是物體產生重力加速度的原因，矢量。重心：重力的作用點是物體的重心。人體重心：人體各部分所受地球引力的矢量合成，使人體產生重力加速度的力。3、幾種常見力第12頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日摩擦力：兩個互相接觸的物體，當它們要發生或已經發生相對運動時，在接觸面上產生的一種阻礙相對運動的力。摩擦

7、力分為：靜摩擦力和動摩擦力兩種。靜摩擦力：兩物體接觸有相對運動趨勢，但沒有相對運動，這時的摩擦力稱為靜摩擦力。如果物體間發生了相對運動，則稱動摩擦力，包括：滑動摩擦力和滾動摩擦力。彈性力 ：物體由于形變而對引起形變的物體產生的作用力，彈力是接觸力，而人體在接觸過程中發生形變有時是肉眼觀察不到的，但相互擠壓產生的彈力是存在的。第13頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日4、力矩與力的平衡 影響因素：力矩是使人體轉動狀態發生改變的原因，與力的大 小、力的作用線到轉動軸的垂直距離有關。 方向：物體沿逆時針方向轉動為正，反之為負。 力矩：力和力臂的乘積第14頁，共54頁，2022年，

8、5月20日，9點58分，星期日力的平衡：平衡條件：維持人體平衡的兩個條件合力和合力矩為零。平衡的分類：1）根據人體支點相對重心位置上支撐平衡；下支撐平衡 ；混合支撐平衡2）根據平衡穩度分類 穩定平衡；不穩定平衡； 有限度的穩定平衡；隨遇平衡 第15頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日1）人體支點相對重心位置 上支撐平衡：當人體處于平衡，且支點在人體重心的上方。如：體操中的各類懸垂動作。 下支撐平衡：當人體處于平衡，且支撐點在人體重心的下方，下支撐平衡在人體動作中最為常見。 如：平衡木的平衡動作、站立以及田徑、武術等。 混合支撐平衡：是一種多支撐點的平衡狀態，這時有的支撐點在

9、人體重心上方，有的支撐點在人體重心下方，如肋木側身平衡。第16頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日2）根據平衡穩度分類穩定平衡不穩定平衡有限度的穩定平衡隨遇平衡第17頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日 穩定平衡 人體在外力作用下，偏離平衡位置后，當外力撤除時，人體自然回復平衡位置，而不需要通過肌肉收縮恢復平衡，則該平衡是穩定平衡，多數上支撐平衡屬于穩定平衡。 特點：當偏離平衡位置時，重心升高，產生的重力矩使人體向平衡位置運動，回到平衡位置后，合力為零，合力矩為零。第18頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日 不穩定平衡 人體在外力作用

10、下，偏離平衡位置后，當外力撤除時，人體不僅不能回到原來的平衡位置，而是更加偏離平衡位置。這種平衡叫不穩定平衡。僅在下支撐平衡動作中出現。特點：偏離平衡位置時，重心降低，產生的重力矩使人體繼續傾倒。第19頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日 有限度的穩定平衡人體在外力作用下，在一定限度內偏離平衡位置，當外力撤除時，人體回到平衡狀態，但是當偏離平衡位置超過某一限度時，人體失去平衡，這種平衡叫做有限度的穩定平衡。特點：在一定限度內偏離平衡位置時，人體重心升高，產生的重力矩使人體向平衡位置移動，最終恢復平衡，但超過某一定限度的偏離平衡位置時，人體重心降低，產生的重力矩使人體更加偏離

11、平衡位置。第20頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日 隨遇平衡 人體在外力作用下偏離平衡位置，當外力撤除時，人體既不回到原來的平衡位置，也不繼續偏離原位置，而是在新位置上保持平衡，這種平衡叫隨遇平衡。在運動中很少見。 特點：偏離原來位置時，重心高度不變，不產生使物體位置移動的重力矩。如：連續完成的兩個前滾翻。 第21頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日 重心高度: 重心越低，穩定性越好。支撐面：是由各支撐部位的表面及它們所包圍的面積，支撐面越大，物體平衡的穩定性越好。穩定角：重力作用線和重心與支撐面相應邊界的連線之間的夾角。穩定角越大，穩定性越好；穩定角

12、越小，穩定性越差；穩定角為零，人體處于臨界狀態。質量：質量越大穩定性越好。摩擦力：支撐物的表面摩擦力越大，越易保持穩定。影響人體平衡的因素第22頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日二、骨杠桿 1、骨杠桿定義 2、杠桿原理 3、杠桿的分類第23頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日1、骨杠桿定義：在肌肉拉力作用下，骨骼能夠圍繞關節軸轉動，并克服阻力做功，其功能與杠桿相同，稱作骨杠桿。骨杠桿具有三個點：動力作用點、阻力作用點和支點。支點：是關節的瞬時中心； 動力臂：是肌肉作用線到支點的垂直距離。 阻力臂：是阻力作用線到支點的垂直距離。第24頁，共54頁，202

13、2年，5月20日，9點58分，星期日2、骨杠桿原理杠桿原理：即杠桿平衡條件，作用在同一物體的兩個力矩，大小相等，方向相反。 動力動力臂=阻力阻力臂代數式： F1*L1= F2*L2杠桿平衡條件反映：動力臂是阻力臂的幾倍，動力就是阻力的幾分之一。第25頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日3、杠桿的分類 雙臂杠杠：動力點和阻力點位于支點兩側單臂杠桿：動力點和阻力點位于支點同側 省力杠桿：動力臂 阻力臂，動力阻力費力杠桿：動力臂阻力等力杠桿：動力臂=阻力臂，動力=阻力第26頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日三、關節 1、關節定義 2、關節分類 3、關節的運動

14、第27頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日1、關節定義關節：是骨與骨之間的可動連接；基本功能：傳遞力和保證身體各部分間靈活運動；特點：靈活性和穩定性；穩定性和靈活性：是關節功能同時存在的兩個方面，關節靈活性以便人體運動時適應各種運動，穩定性保證人體運動中維持動態平衡，處于合理的工作狀態，免于損傷。第28頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日2、關節的分類 單軸關節(1)滑車關節(2)車軸關節 雙軸關節(1)橢圓關節(2)鞍狀關節 多軸關節(1)球窩關節(2)平面關節第29頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日移動 ：是最簡單的一個骨關節面

15、在另一骨關 節面上的滑動。屈伸：通常是指關節沿冠狀軸進行的運動。收展：是關節沿矢狀軸進行的運動。旋轉：是關節沿垂直軸進行的運動。 內旋、外旋環轉：運動的骨，其上端在原位轉動，下端則作圓周運動，運動時全骨描繪出一圓錐形的軌跡。3、關節的運動第30頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日下肢運動的關節主要包括： 髖關節、膝關節、踝關節；髖關節：是球關節，其股骨頭和髖臼具有朝各個方向活動的能力；膝關節：屬于多軸關節；踝關節的運動：包括跖屈、背屈、外旋、內旋； 肘關節：的運動主要包括兩種是屈曲和伸展。第31頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日四、步態分析1、步行周期

16、（1）支撐相（2）擺動相2、步行參數 步長、步寬、步幅、步頻、步行周期等3、異常步態第32頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日步行（walking）：指通過雙腳的交互動作移行人體的活動。步態（gait ）：是行走時人體的姿態，是步行運動狀態的統稱。 步態分析（gait analysis）：是研究步行規律的檢測方法，旨在通過生物力學和運動學手段，揭示步態異常的關鍵環節和影響因素，從而協助康復評估和治療，也有助于協助臨床診斷、療效評估、機理研究等。第33頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日1、步行周期步行周期：指一側下肢完成從足落地到再次落地的時間過程，根據

17、下肢在步行時的位置分為：站立期和擺動期。第34頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日（1）站立期下肢接觸地面并承受重力的時相，約占步行周期的60%，即足跟觸地到足趾離地時期，包括： 早期(early stance)：首次觸地和承重反應，正常步速時占步行周期的10%12% 。中期(mid stance)：支撐足全部著地，對側足處于擺動相，是唯一單足支撐全部重力的時相，正常步速時大約為步行周期的38%40%。 末期(terminal stance) ：指下肢主動加速蹬離(push off)的階段，開始于足跟抬起，結束于足離地，約為步行周期的10%12%。 第35頁，共54頁，20

18、22年，5月20日，9點58分，星期日站立期早期(early stance)：首次觸地: 指足跟接觸地面的瞬間，使下肢向前運動減速，落實足進入支撐相的位置。承重反應 :指首次觸地之后重心由足跟向全足轉移的過程。雙支撐相: 支撐足首次觸地及承重反應期相當于對側足的減重反應和足離地，由于此時雙足均在地面，又稱之為雙支撐相。雙支撐相是步行周期中最穩定的時期。跑步地面反作用力（GRF）: 首次觸地時的GRF一般相當于體重和加速度的綜合，正常步速時為體重的120%140%。步速越快，GRF越高。第36頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日（2）擺動期下肢在空中向前擺動的時相，指足離開地

19、面向前邁步到再次落地的時間，占步行周期的40%，包括：早期(initial swing) :指足離開地面早期的活動，主要的動作為足廓清地面和屈髖帶動屈膝，加速肢體前向擺動，占步行周期的13%15%。 中期(mid swing):指足在邁步中期的活動，足廓清仍然是主要任務，占步行周期的10%。 末期(terminal swing): 指邁步即將結束，足在落地前的活動，主要任務是下肢前向運動減速，準備足著地的姿勢，占步行周期的15%。第37頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日步態周期（Gait Cycle Timing）1、足跟著地期 （heel contact）2、站立中期

20、（mid-stance）3、推離期4、加速期 (acceleration)5、擺動前期 (prophase-swing) 6、擺動中期 (mid-swing)7、擺動后期 (deceleration)第38頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日2、步行參數時間-距離參數：包括步長、步幅、步寬、步頻、步行周期、支撐相時間、擺動相時間等。運動學參數：是指步行中髖、膝、踝等關節的運動規律骨盆傾斜和旋轉、身體重心位置的變化規律等。動力學參數：指引起運動的力學參數，包括地面反力、肌肉力做功與功率等。肌電活動參數：指步行過程中下肢主要肌肉的電生理活動指標。能量代謝參數：指人體運動過程中的

21、能量代謝情況。第39頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日時間/距離參數步長（step length）：指一足著地至對側足著地的平均距離，走步時左右足跟間的距離。步長時間(step time)：指一足著地至對側足著地的平均 時間。 步幅(stride length)：同一側足跟兩次著地間距離。步行周期(cycle time)：指平均步幅時間(stride time)，相當于支撐相與擺動相之和。 步頻(step frequency)：單位時間內所行進的步數。步速（walking velocity)：每秒鐘所走的平均距離。步寬（stride width）：當足完全接觸地后，兩足的

22、長軸線與兩個踝關節連線交點之間的垂直距離。足偏角(toe out angle)：指足中心線與同側步行直線之間的夾角。第40頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日動力學參數測定：（1）動力學分析：是對步行時作用力、反作用力強度、方向和時間的研究方法。牛頓第三定律是動力學分析的理論基礎。（2）特征： 地面反作用力：正常步行時GRF呈雙峰型。在步行中足跟著地時有一極大值，隨足逐漸放平，受力面積增大力值減小，足完全放平時力值最小，至足跟離地足趾蹬地時出現另一個極大值。在整個步行周期中， GRF具有典型的雙峰值性質。第41頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日 剪力：

23、前后剪力表現為反向尖峰圖形， 左右剪力形態相似，但是幅度較小。 力矩：是力與關節活動范圍的乘積。 測力平臺 ：記錄步行時壓力變化的規律。測得人體運動時的垂直力和剪力。與運動學參數結合可以分析內力，即肌肉、肌腱、韌帶和關節所產生的控制外力的動力，一般以力矩表示。 足測力板 ：采用特制超薄的測力墊直接插入到受試者鞋內，測定站立或步行時足底受力分布及重心移動的靜態或動態變化，協助設計合適的矯形鞋和步態分析。第42頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日步行參數的測定 定性分析 目測法：由醫務人員通過眼睛觀察，對步態作大體分析的方法。 定量分析 足印法 關節角度測量法 三維步態分析第4

24、3頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日正常步態具有的特點：穩定性 、周期性、節律性、方向性 、協調性影響步態的多種因素：解剖結構 、生理功能 、運動控制能力、 心理狀態 、步態分析 第44頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日3、常見異常步態 常見異常步態現象 外周神經損傷導致的異常步態 中樞神經疾病常見的異常步態第45頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日常見異常步態現象足下垂足內翻足外翻足趾卷曲母趾背伸 膝僵直 膝過伸 膝過屈 髖過屈 髖內收過度 髖過伸第46頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日1、足下垂：指擺動相

25、踝關節背屈不足，可導致廓清障礙，常與足內翻或外翻同時存在 ；2、足內翻：步行時足觸地部位主要是足前外側緣，常有承重部位疼痛，導致踝關節不穩，進而影響全身平衡。導致患肢擺動相廓清能力降低。3足外翻：多見于骨骼發育尚未成熟的兒童或年輕患者，表現為步行時足向外側傾斜，支撐相足內側觸地，可有足趾屈曲畸形，嚴重影響支撐相負重能力。4、足趾卷曲：支撐相足趾保持屈曲，常合并足下垂及內翻，多見于中樞神經損傷、長期制動及攣縮等。第47頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日5、母趾背伸：支撐相和擺動相腳趾均背屈，多見于中樞神經損傷患者。6、膝僵直：支撐相晚期和擺動初期的關節屈曲角度40度(正常人為60度)，同時髖關節屈曲程度及時相均延遲。減小其擺動相力矩導致拖足。患者往往在擺動相采用劃圈步態、盡量抬髖或對側下肢踮足來代償。7、膝過伸：對側膝關節無力導致的，多見于支撐相中、末期，膝過伸臨床上很常見。 8、膝屈曲：指患者支撐相和擺動相都保持屈膝姿勢，多見于骨性畸形，臨床上較少見。第48頁，共54頁，2022年，5月20日，9點58分，星期日9、髖過屈：多由于屈髖肌攣縮或痙攣造成，表現為支撐相髖關節屈曲，特