二、力的概念力的定義：涉及到的概念：施力物體和受力物體牛頓第三定律——作用力和反作用力力是物體間的相互作用。力的作用離不開物體。第一頁，共六十八頁。2.力的作用效應：內效應（變形效應）外效應（運動效應）（平動、轉動、復合運動）涉及到的概念：牛頓第一定律——力的定性定義牛頓第二定律——力的定量定義胡克定律——力與變形的關系第二頁，共六十八頁。3.力的三要素：三角形、平行四邊形、多邊形法則大小、方向、作用點例如：股骨干骨折施行股骨髁上牽引復位時間上的差異、成角和橫向移位畸形、成角畸形力的合成與分解法則：

應用：二維投影*三維二次投影三維投影第三頁，共六十八頁。運動平面矢狀面額（冠）狀面水平（橫切）面運動軸矢狀軸額狀軸垂直軸第四頁，共六十八頁。肌肉力可分成FmWaG例如：肌肉力的合成與分解以肱二頭肌為例穩固分量（沿骨軸線）轉動分量（垂直骨軸線）在骨折等治療中有積極的意義在肢體運動中有積極的意義第五頁，共六十八頁。5.力系：二力平衡必要與充分條件是：力系（多力情況）：三力平衡匯交定理：

作用于一個物體上的一群力的集合稱為力系。當剛體受三個力作用而平衡時，若其中任何兩力的作用線相交于一點，則其余一力的作用線亦必交于同一點，且三力的作用線在同一平面內。這兩個力大小相等、方向相反、沿同一條直線。第六頁，共六十八頁。力系的分類：共點力系平面共點力系非共點力系空間共點力系平行力系一般力系平面平行力系空間平行力系例如：人在彎腰時作用在脊柱上的力跳高時作用在足上的力定滑輪轉動時力的作用第七頁，共六十八頁。*6.約束和約束反力：自由體：可以在空間作任意運動的物體。非自由體：由于受到周圍物體的限制（或阻礙）而不能作任意運動的物體。約束：事先對物體的運動所加的限制條件。約束反力：（阻力）主動力：（動力）約束作用于非自由體的力。（簡稱：約束力）除約束力外，非自由體上所受到的所有促使物體運動或有運動趨勢的力。第八頁，共六十八頁。三、作用于人體內外的力人體或人體局部受力分析：

（抓住主要矛盾，分離次要矛盾）②受力分析圖——將分離體所受的主動力和約束力以力的矢量形式表示在分離體上所得到的圖形。①分離體——把研究對象解除約束，從周圍物體中分離出來，畫出簡圖。先畫主動力，明確研究對象所受周圍的約束，進一步明確約束類型，再畫約束反力；必要時需用二力平衡共線、三力平衡匯交等條件確定某些約束反力的指向或作用線的方位。第九頁，共六十八頁。我們多次察覺作用于自己身體的力我們常常忽略作用于體內諸力的重要性我們多數不知微觀結構上力的作用第十頁，共六十八頁。內力：（按力的宏觀、微觀分）內力外力外力：人體內部各個部分互相作用的力（肌力、韌帶張力、軟骨應力、骨應力）重力；摩擦力；彈性力；器械的其他阻力；支撐反作用力；流體作用力第十一頁，共六十八頁。（按力的性質分）1、第一基本力：機械力①萬有引力：②接觸力：③摩擦力：④肌肉力：第十二頁，共六十八頁。肌力定律解剖橫斷面：生理橫截面積肌力系數肌力生理橫斷面：與肌肉所有纖維垂直的斷面與肌肉縱軸垂直的斷面第十三頁，共六十八頁。①性別：②人種：③后天因素：肌力系數：建議取美國莫利斯的肌力系數值：德國生理學家艾克：588~980KPa美國克羅莫：343KPa前蘇聯童克福：980KPa中國程國杰：588~686KPa美國莫利斯：710~920KPa第十四頁，共六十八頁。①與肌纖維解剖條件的關系：②與肌纖維力學條件的關系（略）③與肌纖維生理條件的關系（略）比較梭形肌、扇形肌、羽狀肌、半羽狀肌的肌力大小及靈活性。第十五頁，共六十八頁。2、第二基本力：電力①電場力：②磁場力：3、第三基本力：核力超短距離力第十六頁，共六十八頁。四、作用于人體的力鉅力矩的表達式：2.力矩的三要素：大小、方向、作用面大小：方向：右手螺旋定則第十七頁，共六十八頁。第二節剛體生物靜力學骨骼幾何形狀的準確解剖學數據肌肉連接的準確位置和角度靜力平衡定律確定醫療器械所受的作用力計算人體肌肉力、骨骼力、關節力臨床上的癥狀矯形裝置的功能、原理及應用改進醫療方法現行醫療方法第十八頁，共六十八頁。一、平衡條件：1、2、（可分解）（定轉軸）例題1：（作業一）靠在墻上的木板已知地面與墻的摩擦系數分別為，使木板不下滑的角度。第十九頁，共六十八頁。靜力學問題例題2：右圖的牽引裝置是用來施加一軸向力給折斷的股骨(femur)。設病患之體重70kg，若要維持小腿平衡狀態，懸吊重量T應為多少？試計算在上述條件下施加給大腿的平均張力F是多少？

第二十頁，共六十八頁。解：假設滑輪無摩擦，則纜線在各處的張力T為相同。根據力平衡公式：

(一般人之小腿與足部之重量為體重之0.061。設病患之體重70kg，則

m=0.061×70=4.27kg=>mg=41.85N)第二十一頁，共六十八頁。

例題3：某人重75kg，手握重5kg的球，而手肘呈90°。二頭肌(bicep)須出力多少以維持前臂平衡？前臂施加多少力于肱骨(humerus)？

第二十二頁，共六十八頁。解：根據靜力平衡和靜力矩平衡前臂的重量為體重的0.022，故m=0.022*75=1.65kg,臂重心位于rOP=0.31m處。對于肘之支點O，其和力矩為零∴手肘的垂直力為FA=472.6N而根據力平衡式，∴二頭肌施力為FB=556.7N

∴手肘的水平力為FC=144.1N

故前臂的施力為第二十三頁，共六十八頁。解：根據靜力平衡和靜力矩平衡前臂的重量為體重的0.022，故m=0.022*75=1.65kg,臂重心位于rOP=0.31m處。對于肘之支點O，其力矩之和

ΣM=-rOE×(-FA)+rOB×(-5*9.8j)+rOP×(-1.65*9.8j)=0

=>0.05FAk-18.62k-5.01k=0

∴手肘的垂直力為FA=472.6N

而根據力平衡式，

ΣF=FCi-FAj+FB(-cos75oi+sin75oj)-49j-16.17j=0

=>FC-0.259FB=0and-537.77+0.966FB=0

∴二頭肌施力為FB=556.7N

∴手肘的水平力為FC=144.1N

故前臂的施力為F=FCi-FAj=144.1i-472.6j

(N)

第二十四頁，共六十八頁。二、人體的杠桿作用：桿：FmWaG骨骼系統關節（單軸雙軸多軸）肌力（動力）支點：力：外力（阻力）第二十五頁，共六十八頁。單軸關節：滑車關節（指間、膝關節）圓柱關節（尺橈關節）雙軸關節：橢圓關節（腕、掌指關節）鞍狀關節（踝關節）三軸關節：球窩關節（肩、髖）平面關節（肩鎖關節）第二十六頁，共六十八頁。第二十七頁，共六十八頁。1、三種杠桿：（1）第一類杠桿：WhFmJ

例如.頭部杠桿定義特點例子WhFmJ31FmWhJ31平衡杠桿第二十八頁，共六十八頁。

例如.足部杠桿（2）第二類杠桿：定義特點例子省力杠桿第二十九頁，共六十八頁。

例如.臂部杠桿FmWaG（3）第三類杠桿：定義特點例子速度杠桿(費力杠桿）第三十頁，共六十八頁。G=10NWa=30NFm15030cm30cm3cmT第三十一頁，共六十八頁。省力費力第三十二頁，共六十八頁。平衡杠桿省力杠桿速度桿桿第三十三頁，共六十八頁。第三十四頁，共六十八頁。*省力杠桿在康復中的作用可負較大重量加強肌肉保護(用小的動力克服大的阻力）第三十五頁，共六十八頁。*費力杠桿在康復治療中的作用訓練肌力：通過調整阻力臂距離，增加或減少負荷重量。例：股四頭肌漸進抗阻獲得速度：可通過增加阻力臂，減少動力臂進行，雖然費力，但力點稍移動，即可加大阻力點移動的速度和范圍。(用大的動力克服小的阻力）(用小的動力點位移得到大的阻力點位移）第三十六頁，共六十八頁。2、拉角和阻角的影響：（2）阻角的影響：（阻力與桿的小夾角）（1）拉角的影響:（動力與桿的小夾角）①在相等的收縮下：拉角越小引起的旋轉越大；

拉角越大引起的旋轉越小。②在阻力不變的情況下：拉角越小轉動分量越小——要用的力越大

拉角越大穩固分量越大——避免脫臼阻角越大拉力越大第三十七頁，共六十八頁。拉角和肌肉收縮關系圖肌肉收縮：每次收縮全長的八分之一第三十八頁，共六十八頁。3、作用于髖關節的力：（1）股骨與髖骨的基本結構：①髖骨：②股骨：③髖關節：髂骨坐骨恥骨——髖臼頭、頸、大轉子、髁（內、外側髁）、骨端髖臼、股骨頭第三十九頁，共六十八頁。第四十頁，共六十八頁。髖關節的生理構造（外部）第四十一頁，共六十八頁。髖關節的生理構造（內部）第四十二頁，共六十八頁。髖關節的生理構造（骨端）關節腔隙CE角垂直線水平線AC角前傾角骨小梁骨端線第四十三頁，共六十八頁。（2）計算作用于股骨頭上的力R和外展肌力F在單腿站立的狀態下：②英曼數據：①外展肌群：臀大肌、臀中肌、臀小肌梨狀肌、閉孔內外肌、股方肌闊筋膜張肌1英尺=0.3048米1英尺=12英寸第四十四頁，共六十八頁。使腿外展的肌群（肌肉）臀大肌:臀大肌起于髂翼外面，骶尾骨后面，止于股骨臀肌粗隆，一部分到髂脛束臀中肌:臀中肌起于髂翼外面和臀筋膜，止于股骨大轉子臀小肌:臀小肌起于髂翼外面，止于股骨大轉子前線闊筋膜張肌:闊筋膜張肌起于髂前上棘及其后側的髂嵴，移行于髂脛束達脛骨上端第四十五頁，共六十八頁。股骨FNWLN=WFmWL=1/7W7008cm3cm7cmR髖關節第四十六頁，共六十八頁。（3）臨床聯系：①鎮痛步態：②外反骨：③骨端分離：④缺血性壞死：當外展肌麻痹或弱或損傷時；當髖關節有疾患時；骨端軟骨板向水平面轉動骨端與骨連接斷開供血不足第四十七頁，共六十八頁。（4）康復治療：以手杖為例若手杖支撐1/6體重FmWLN=5/6W單腳將離開骶骨中心正下方6cm第四十八頁，共六十八頁。作業2：彎腰角度：頭和上肢的重量：軀干的重量：（1）只彎腰雙手下垂不提重物求：骶骨頂作用于腰骶椎間盤基部的力R和骶棘所施加的力F骶棘作用點分軀干：骶棘作用線與軀干夾角：第四十九頁，共六十八頁。作業2：彎腰角度：頭和上肢的重量：軀干的重量：（2）只彎腰雙手下垂提重物（0.2W)求：骶骨頂作用于腰骶椎間盤基部的力R和骶棘所施加的力F骶棘作用點分軀干：骶棘作用線與軀干夾角：第五十頁，共六十八頁。附加問：①椎間盤脫出、突出的臨床表現是什么？②內突和外突的臨床表現有什么不同？③為避免脫出、突出手提重物時應如何做？④康復方案？第五十一頁，共六十八頁。人體髖關節運動生物力學模型研究

介紹天津中醫藥大學生物力學實驗室第五十二頁，共六十八頁。第一方面：選題的科學依據

1、課題所屬研究領域2、課題的理論意義和應用價值3、國內外研究概況及發展趨勢

第五十三頁，共六十八頁。1、課題所屬研究領域a：人體髖關節運動生物力學模型研究屬于運動生物力學（Biomechanics）的研究范疇。b：運動生物力學是一門主要研究運動中人體機械運動規律的科學。C：運動生物力學的研究最終目的第五十四頁，共六十八頁。2、課題的理論意義和應用價值a、髖關節重要性

第五十五頁，共六十八頁。b、體育運動學方面為評價運動員動作技術的合理性，設計新的體育訓練手段，改善技術動作，提高體育成績提供理論依據

C、骨科臨床醫學方面近20年來，不論是作為生物力學的基礎理論研究，還是作為骨科臨床上的應用研究，髖關節都是非常受重視的環節，因為不管是對人工髖關節生物材料的研究，還是骨科臨床上的髖關節置換術的開展，都必須充分了解髖關節的力學性能總結：希望通過本次研究能夠為以后的理論研究、體育研究和醫學研究提供成功的髖關節模型。第五十六頁，共六十八頁。3、國內外研究概況及發展趨勢a、國外研究概況（Kane、Hazte）多體建模：Kane（美國）人體仿真：Hazte（南非）近幾年的研究：Miller(4剛體模型),Hazte(11剛體模型)等b、國內研究概況

1980年12月成立了中國運動生物力學協會近幾年來的研究成果：中國人體尺寸、人體器官密度、，人體環節的慣性參數和回歸方程的測定等第五十七頁，共六十八頁。第二方面：課題的具體實施

1、技術路線

2、研究措施

3、進度計劃髖關節的生理構造髖關節的建模原理與步驟進度計劃第五十八頁，共六十八頁。

髖關節建模的原理與步驟從運動學和動力學兩方面通過多體的研究方法進行建模：第一：確定髖關節模型的組成部分第二：取得描述髖關節模型的各種數據第三：確定全局坐標系，組裝模型，并使各部件的局部坐標簡化第四：對模型進行校核，消除尺寸誤差，限定關節的運動范圍第五：添加約束和運動，將其應用于具體問題第五十九頁，共六十八頁。進度計劃（2002.9-2004.6）課題相關文獻查閱：3個月髖關節生理學特性學習、運動生物力學的深化、多體知識的鞏固：3個月左右髖關節的幾何建模：2個月左右髖關節的運動學建模：3個月左右髖關節模型運動仿真與控制：3個月左右通過典型運動計算校核模型：3個月左右第六十頁，共六十八頁。第三方面：

課題預期達到的成果和水平

希望通過多體系統動力學，運動生物力學與控制學建立起較為精確的髖關節力學仿真模型，能夠通過該模型分析髖關節運動的變化原理和規律，揭示髖關節的力學運動特性，準確模擬髖關節在運動時的肌肉骨骼狀態。并希望能夠為以后的理論研究、體育研究和醫學研究提供成功的髖關節模型。第六十一頁，共六十八頁。髕骨受力髕韌帶骨直肌骨中間肌骨內側肌骨外側肌屈膝300F=W600900屈膝>900F=4WF=6WF=8W4、作用于膝關節的力（自學）第六十二頁，共六十八頁。三、人體的平衡平衡基本狀態：人體平衡：人體保持某一姿態的穩定性或動態中的控制能力。靜止或勻速直線運動狀態第六十三頁，共六十八頁。1、關鍵在于重心（1）人體的重心：從解剖學角度看：左右基本對稱（正中偏右）。當人體自然站立時，總重心的位置一般在身體正中面上第三骶椎上緣前方7cm偏右處（2）人體重心位置：地球對人體各部分引力合力的作用點。如：第六十四頁，共六十八頁。(3)人體重心的變化特點：

男子的重心高度約為身高的56%，女子的重心高度約為身高的55%①重心通常會隨著消化、呼吸、血液循環等生理過程的進行而變化②重心通常會隨著姿勢的變化而變化③重心通常會隨著年齡、性別、身體結構、后天狀況等特點而變化幾何形狀固定的物體，不管他怎樣運動，其重心相對于自身的位置是不變的。成人與兒童男子與女子體操