第二节骨的生物力学共66页

当骨承受了很重的力并超出其耐受应力与应变 的极限时，便可造成骨骼损伤甚至发生骨折。
（三）应力-应变曲线 表示应力和应变之间的关系。 应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变
形区。 在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如
骨折）。 弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。 该点对应的应力是产生骨最大应力的
一、骨的承载能力
衡量骨承载能力的三要素： 第一，要求骨有足够的强度。
即指骨在承载负荷的情况下抵抗破坏的能力。 第二，要求骨有足够的刚度。
即指骨在外力作用下抵抗变形的能力。 第三，要求骨有足够的稳定性。
即指骨保持原有平衡形态的能力。
二、骨的载荷及变形
人体在日常生活与运动中都会对机体的每块骨 产生复杂的力。
往往使骨处于两种或多种载荷的状态，即为复 合载荷。
如人体在受伤骨折时，往往是几种作用力的复 合。
像跌倒后发生的桡骨远端骨折，便是既有剪切 力又有压缩力等多种力综合作用的结果。
持续载荷对骨也会产生一定的影响。
即骨受到持续低载荷作用一段时间后，其组织 会产生缓），其蠕变 现象最显著，随后蠕变的速率则会降低。
第二节 骨的生物力学
学习目标
1.掌握骨的应力、应变、骨的载荷和变形； 2.掌握骨的功能适应性原则； 3.熟悉骨的生物力学特征； 4.熟悉运动对骨形态结构的影响及作用原理； 5.了解载荷与骨折的关系及骨折的生物力学原理。
学习内容 一、骨的承载能力
二、骨的载荷与变形 三、骨的应力与应变 四、骨的生物力学特性 五、骨折的生物力学 六、骨的功能适应性 七、骨生物力学指标 八、骨质疏松症运动防治
例如车床剪切断肢体时即为剪切载荷。
5.扭转载荷 (图e) 加在骨上并使其沿轴线发生扭转的载荷即为扭转 载荷。
如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。
在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转 与骨关节的旋转活动中。
当骨受到扭转时，所产生的剪切应力便分布在整 个骨骼结构中。
6.复合载荷(图f)
人体在运动时，由于骨的几何结构不规则， 同时又受到多种不定的载荷，
弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。
（四）骨应变能量
概念：达到极限负荷时的应力－应变曲线下面的 面积表示导致骨折所需要的能量。
★骨的几何结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特 殊性。 ★在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物 质特性也很重要。 ★当外力撤除后，变形完全消失，这种形变称弹性 形变。 ★如果外力撤除后仍有剩余形变，这种性质则称为 弹塑性。 ★钢材等工程材料在一定形变范围内可近似视作弹 性体，而骨则是比较典型的弹塑性体。
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，另一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。
4.剪切载荷(图d) 在骨的表面受到一对大小相等、 方向相反且相距很近的力的作用。 在骨内部也会产生剪切应力和应变。
弹性形变，亦称为弹性极限。 塑性区：屈服点以后的区。 此时已出现结构的损坏和永久变形。 当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。
★导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。
★在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模 量(Young‘s Modules)，表示材料抗形变的能力。
一般而言，弹性模量是一个常数。
即骨会承受来自多方的不同形式的载荷。
（一）骨的载荷 载荷即为外力，是一物体对另一物体的作用。 人体在运动或劳动时，骨要承受不同方式的载荷。 当力和力矩以不同方式施加于骨时，骨将受到拉伸a、 压缩b、弯曲c、剪切d、扭转e和复合f等载荷。
1.拉伸载荷(图a)
在骨的两端受到一对大小相等、方向相反沿 轴线的力的作用。骨受力后，能够导致骨骼内部 产生拉应力和应变，使骨伸长并同时变细。
三、骨的应力与应变
骨力学包含二个最基本的元素，即应力和应变。 （一）骨的应力 概念：当外力作用于骨时，
骨以形变产生内部的阻抗 以抗衡外力，即是骨产生的应力。 特点：应力的大小等于作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比， 单位为Pascal(Pa=N/m2)，即牛顿/平方米。 计算公式：
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。
（二）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(下图)。
由压力、形变和样本的大小计算出应力和应变的大小
例如在进行吊环运动时上肢骨被拉伸。
2.压缩载荷(图b) 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 (图c)
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。
一般而言，骨承受压力负荷的能力最大，其次 是拉力、剪切力和扭转力。
骨所受的正常生理负荷是这些力的综合。
（二）骨的基本变形
骨骼在承受各种不同载荷时会发生不同程度的 变形，如腰脊柱前凸即是受力变形。
根据骨骼受载形式及受载后的变形形式，一般 可将其变形分为拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等 五种基本变形。
★力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为。 在中等量负荷时，负荷骨会出现变形，当负荷去除时， 骨的原有形状和几何学结构便恢复。 如果骨骼系统遭受严重创伤，超过了其所能承受的负 荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂。 ★决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力 的大小、力的方向和力的作用点，及组成骨组织的材 料特性等。 骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，而且易引 起骨的断裂。骨在承受轴向力(axialforce)与承受弯曲 (bending)或扭转力(torsionalforce)方面存在有很大 差异。 ★大骨抵抗力的能力优于小骨。