生物力学-21167485

运动训练生物力学学习笔记学校：:广州体育学院研究生部专业：:运动训练学号：:105852011400049姓名：:张江龙第一章生物力学概论一．生物力学的定义生物力学是研究生物系统机械运动特点及规律的科学。

它既包括从宏观的角度对生物体整体和器官，组织的运动以及机械特征的研究，又包括从宏观和微观的角度对不同层次的生物组织结构内部的运动和变化进行研究。

生物力学是一门力学与生物学科相互结合相互渗透的边缘学科。

1.运动生物力学运动生物力学是研究体育运动中人体机械运动特点及规律的科学2.运动训练生物力学它利用力学原理和各种科学方法，对体育运动中人体的运动行为作定量的描述和分析，并结合运动解刨学和运动生理学的生物原理对运动进行综合评定，从力学和生物学的相关关系中得出人体运动的内在联系和基本规律，从而确定不同运动项目运动行为的不同特点运动生物力学密切关注并研究体育运动对人体的有关器官的结构及机能的反作用，最终以指导运动训练为宗旨3.运动生物力学研究的目的主要是探索不同运动项目的力学原理与规律，为科学训练提供必要的理论依据及方法，以提高竞技体育成绩和增强人类体质。

二．人体机械运动的特点1.人体运动2.人体的机械运动人体的机械运动是在意识的支配下所完成的带有明确目的和一定意义的一系列动作行为。

因此人体的机械运动可以说是人体高级运动形成的一种外在表现。

人体的机械运动是在外部作用力和内部肌肉张力的作用下产生的。

所以要想揭示人体机械运动的规律，不仅要研究力学的因素，而且还必须探讨其生物学方面的因素。

需要强调的是：对于分析一般的机械系统的运动，无须对引起该系统的运动发生变化的原动力来源加以仔细研究，提供符合要求的动力装置并非是力学研究者所要研究的对象。

然而，使人体运动发生变化的原动力-------肌肉张力确是生物力学研究者必须关注的一个问题。

肌肉力学是研究人体机械运动规律的基础。

物体系统作为整体相对于周围参照物体的位移运动机械运动的表现形式.系统本身发生的变化注意：人体在运动过程中既受自身生物学和生物力学因素的制约，又受到外部力学因素和运动规则的制约。

1.什么是生物医学工程学？它有什么特点？学科范围有那些？生物医学工程（Biomedical Engineering, BME）是运用自然科学和工程技术的原理和方法，研究人的生理、病理过程，揭示人体的生命现象，并从工程角度解决防病治病问题的一门综合性高技术学科。

生物医学工程是理、工、医相结合的新兴边缘学科，是多种工程学科向生物学、医学渗透并相互作用的结果。

2.什么是生物力学？它的研究对象、目的和意义？“生物力学”是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支。

生物力学的研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。

目的和意义：用力学方法和原理解决生物医学问题。

生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病的关系，骨力学特性与骨折的愈合关系，血液流动规律与心血管疾病的关系等的理解。

应用生物力学的研究成果，指导人工关节、人工心脏瓣膜等人工器官的设计。

3.生物力学的研究方法（步骤）是什么？它与一般工程科学的研究方法有何异同？研究方法：进行生物力学的研究首先要了解生物材料的几何特点，进而测定组织或材料的力学性质，确定本构方程、导出主要微分方程和积分方程、确定边界条件并求解。

对于上述边界问题的解，需用生理实验去验证。

若有必要，还需另立数学模型求解，以期理论与实验相一致。

研究步骤：—：首先要考虑生物的形态、器官以及组织的解剖绪构和微结构，充分认识研究对象的几何特征，建立合理的物理模型；二：测定组织或材料的力学性质，即确定本构力程。

对活组织的测量，困难是很大的。

通常的做法是对所研究的材料通过分析先给出其本构关系的某种数学表达式，在此数学表达式中保留若干待定常数，这些常数可以通过在体或离体实验来确定；三：根据物理学中的基本原则(质量守恒、动员守恒、能量守恒和等等)和生物组织的本构方程，导出描述所研究对象的微分方程或积分方程。

四：根据器官的工作环境，得到有意义的边界条件；五：运用解析方法或数值计算求解问题：六：进行生理实验，以验证上述问题的解的合理性，必要时对原模型加以修正乃至重新建立方程或边界条件进行求解，以期使理论与实验一致；七：探讨理论与实验结果在实际中的应用。

生物力学的分类按传统力学的分类方法分为生物固体力学、生物流体力学、生物运动力学。

从医学应用角度和理论研究的科学分类分为组织与器官力学、血流动力学、生物热力学。

生物力学的发展特点1.内涵扩大2.冇机融合性3.微观深入4.宏观-微观相结合5.多学科交叉应力作用在物体某截面的单位面积上的内力。

当物体受拉力作用时是张应力，当物体受圧力作用时是压应力。

应变物体在正应力的作用下单位长度的改变量。

物体受张应力的作用而伸长，为张应变；物体受压应力的作用而缩短，为压应变。

弹性模量在材料弹性极限范围内，材料的应变和应力是正比关系,这一规律称为胡克定律。

弹性模虽为该比例系数。

黏弹性材料的特性1•蠕变现象：材料在恒定应力的作用下，开始有一迅速的较大的应变，随后有一缓慢的逐渐增加的应变过程，立到具有恒定应变量的平衡状态；2.应力松弛现象：材料在产生恒定应变时，黏弹性材料最初产生的高应力开始会随着时间快速减小，随后随时间缓慢减小直至达到恒定值；3.滞后现彖：材料加卸载的应力应变关系曲线不重合。

刚度：抵抗变形的能力。

强度：抵抗破坏的能力。

韧性：材料在外力作用下发生断裂前所能达到的最人变形程度。

稳定性：构件承受载荷作用吋在其原有形状下保持为稳定的平衡的能力。

Wolff定律/骨变化定律：骨功能的每一改变，都按照数学法则，以某一定的方式改变共内部结构和外部形态，即骨的外部形态和内部结构反映了其功能。

骨的功能适应性表现为黏弹性、各向异性、壳形（管形）结构、均匀强度分布。

骨力学性能的影响因素1.骨的成分因素：孔隙率、矿化、密度2.骨的结构因素：骨小梁结构、皮质骨结构、胶原纤维定向排列、疲劳3.运动负荷4.年龄和衰老骨痂形成和修复包括炎症、软骨痂、硬骨痂和塑形期4期张力带原则要满足以下3个条件：1•骨和骨折能够承受压力；2.固定器械能够承受张力；3.张力带对侧（即压力侧）必须冇完整的骨皮质支撑。

应力遮挡：骨折运用固定器械固定之后，这两种或两种以上貝有不同弹性模量的材料（骨和固定系统之间）就随之组成一个机械系统, 由于固定材料的弹性模量较高（其中不锈钢的弹性模量为骨骼的12倍，钛合金为6倍），加载后则会出现弹性模量较大的固定材料承担更多的负荷來保护另一个具冇较低弹性模量的材料，从而使后者所承担的载荷减少。

第二章生物力学概论1.生物力学:生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支，是研究力与生物体运动、生理、病理、之间关系。

2.生物力学的意义：1.用力学方法和原理解决生物医学问题2.生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病等关系的理解。

应用生物力学的研究成果，指导人工器官的设计。

3.生物力学的研究范围：生物力学的研究范围从生物整体到系统、器官、从鸟飞到植物体液的运输等。

目前热点正逐渐向细胞、分子层次发展。

4.生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律，并加上描写物性的本构方程。

5.生物力学的重点是研究与生理学、医学有关的力学问题6.研究步骤：1.建立合理的物理模型2.确定本构方程3.导出描述所研究对象的微分方程或积分方程4.根据器官的工作环境，得到有意义的边界条件，运用解析方法或数值计算求解问题5.修正乃至重新建立方程进行求解6探索理论与实验结果在实际中的运用。

7.生物力学的研究特点：生物力学研究的对象是生物体作为实验对象的生物材料，有在体和离体（在体分为麻醉状态和非麻醉状态）8.生物力学和生物医学工程学的关系：生物力学是生物医学工程学的理论基础，也是应用技术的基础。

9.生物力学的趋势：生物力学的趋势朝着系统和微观两方面发展。

10.生物力学的研究内容：目前的研究领域包括骨组织的结构与受力分析、血液在血管及毛细血管网络中的流动规律、心脏的瓣膜运动、生物材料的制备、细胞乃至分子层次的生物力学问题等。

生物材料力学生物流体力学生物固体力学运动生物力学生物热力学11.生物力学与其他力学最重要的差别是：去研究的对象是生物体。

12.骨膜：紧贴在除关节面以外的骨表面的一侧致密纤维结缔组织膜，很坚韧，分内外两层，含有丰富的血管和神经。

13.骨的力学性质：具有很高的抗拉、压性能有一定的硬度从骨的结构而言，经过生物优化过程，具有最优材料的力学性能，既优化为最大的强度，最省的材料，最轻的重量。

生物力学课题组是一个专门从事生物力学相关研究的学术团队。

生物力学是一门应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的科学，研究领域涵盖生物整体到系统、器官（如血液、体液、脏器、骨骼等），以及生物体的运动规律和生命介质的结构-功能关系。

生物力学课题组通常会进行以下几方面的工作：
1. 研究生物体的运动规律：这包括对动物的运动、鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动等进行研究，以理解它们是如何在不同的力学环境中运动的。

2. 研究生物材料的力学性质：如研究骨骼、肌肉、血液等生物材料的强度、弹性等物理特性。

3. 生物流体力学：研究生物体内的液体流动，如血液在血管中的流动、体液的循环等。

4. 生物固体力学：研究生物体中固体部分的力学行为，如骨骼的强度和脆性等。

5. 康复工程与生物力学：应用生物力学的原理来研究和开发康复工程相关的技术和设备，帮助人们恢复或增强身体功能。

6. 运动生物力学：研究人体在运动中的力学行为，包括技术动作的分析、运动员的训练方法等。

生物力学课题组通常会有多个研究方向，涵盖了从基础研究到应用研究的多个层面。

他们可能会在各种期刊上发表论文，参与科研项目，提供咨询意见，以及培养研究生等。

高中生物力学重点知识点高中生物力学是高中生物课程中的一个重要分支，它主要研究生物体的结构和功能以及它们是如何通过力学原理来实现的。

以下是一些高中生物力学的重点知识点：1. 细胞结构与功能：- 细胞是生物体的基本单位，具有细胞膜、细胞质和细胞核等结构。

- 细胞膜具有选择性通透性，能够控制物质的进出。

- 细胞器如线粒体、内质网、高尔基体等，各自承担不同的功能。

2. 细胞的分裂与增殖：- 细胞分裂包括有丝分裂和无丝分裂，是生物体生长和繁殖的基本方式。

- 有丝分裂过程中，染色体复制并平均分配到两个新细胞中。

3. 肌肉的收缩机制：- 肌肉收缩是生物力学中的重要现象，涉及到肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用。

- 肌肉收缩的能量来源于ATP，通过肌肉纤维的滑动实现。

4. 骨骼的结构与功能：- 骨骼是生物体的支架，由骨组织构成，具有支撑和保护内部器官的功能。

- 骨骼的力学特性包括弹性、硬度和韧性。

5. 关节的类型与功能：- 关节是骨骼之间的连接点，允许骨骼在一定范围内活动。

- 关节的类型包括铰链关节、球窝关节等，每种关节都有其特定的运动范围。

6. 生物力学在运动中的应用：- 运动中的力学原理，如力的平衡、杠杆原理等，对运动员的运动表现有重要影响。

- 通过力学分析，可以优化运动技巧，提高运动效率。

7. 生物材料的力学特性：- 生物材料如皮肤、韧带、肌腱等，具有特定的力学特性，如弹性模量、屈服强度等。

- 这些特性决定了生物材料在生物体中的功能和适应性。

8. 生物力学在医学中的应用：- 生物力学原理在诊断和治疗中发挥着重要作用，如通过力学测试评估骨折的愈合情况。

- 假肢和矫形器的设计也需要考虑生物力学原理，以确保与人体运动协调。

9. 生物力学与进化：- 生物力学特性是生物进化的结果，适应了生物体在特定环境中的生存和运动需求。

- 进化过程中，生物体的力学特性可能会发生变化，以适应新的环境或生活方式。

10. 生物力学的实验方法：- 包括力学测试、影像学技术、计算机模拟等，用于研究生物体的力学特性和运动机制。

运动生物力学基本理论完整运动生物力学的基本理论概述运动生物力学biomechanics应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。

狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。

按照力学观点，人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。

神经系统控制肌肉系统，产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。

运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律，它不讨论神经、肌肉和骨骼系统的内部机制，后者属于神经生理学、软组织力学和骨力学的研究范畴（生物固体力学）。

在运动生物力学中，神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替，肌肉活动简化为受控的力矩发生器，作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响，简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。

相邻环节之间以关节相连接，在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动，并影响系统的整体运动。

对于人体运动的研究最早可追溯到15世纪达·芬奇在力学和解剖学基础上对人体运动器官的形态和机能的解释。

18世纪已出现对猫在空中转体现象的实验和理论研究。

运动生物力学作为一门学科是20世纪60年代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的推动下形成的。

70年代中H.哈兹将人体的神经-肌肉-骨骼大系统作为研究对象，利用复杂的数学模型进行数值计算，以解释最基本的实验现象。

T.R.凯恩将描述人体运动的坐标区分为内变量和外变量，前者描述肢体的相对运动，为可控变量；后者描述人体的整体运动，由动力学方程确定。

这种简化的研究方法有可能将力学原理直接用于人体实际运动的仿真和理论分析。

由于生物体存在个体之间的差异性，实验研究在运动生物力学中占有特殊重要地位。

实验运动生物力学利用高速摄影和计算机解析、光电计时器、加速度计、关节角变化、肌电仪和测力台等工具量测人体运动过程中各环节的运动学参数以及外力和内力的变化规律。

在实践中，运动生物力学主要用于确定各专项体育运动的技术原理，作为运动员的技术诊断和改进训练方法的理论依据。

第一章概论生物力学定义：采用力学理论及方法来研究生物体内物质的运动，是力学与医学、生物学等学科交互结合、相互渗透形成的一门新兴的交叉学科。

分类：生物固体力学、运动生物力学、生物流体力学研究对象及方法：生物固体力学：利用材料力学、塑性力学、断裂力学等固体力学的基本理论和方法，研究生物（动物、植物、病毒等）及其组织器官中与之相关的力学问题。

生物流体力学：利用流体力学的基本理论和方法，主要研究动物和人体心血管系统、消化呼吸系统以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层和流变学有关的力学问题。

运动生物力学：用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究生物运动的学科。

用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深入的领域。

本部分研究的内容及考虑的问题强度问题：强度—材料在外力作用下抵抗破坏（永久变形和断裂）的能力；刚度问题：刚度—指材料或结构在受力时抵抗变形的能力；本构关系：反映材料力学性能的应力应变曲线。

连续介质定义：考察空间Ω0内一点P，再考察空间Ω0内体积分别为V1，V2，…, Vn的子空间序列，序列中的每一个都包含下一个，且都包含P，当时，Vn趋近于一个有限的正数k, 若Vn内所包含的物质质量为Mn，且满足，我们称P点处在极限体积 k上具有可接受变动性ε的物质密度。

同样，若在Ω0内的每一点上定义密度、动量及能量全是连续函数，则我们说Ω0内物质是一种连续介质。

研究动脉血管可以作为连续介质，研究构成血管的蛋白不可作为连续介质体积力：能穿越空间作用到物体上的力，取决于物体的局部性质。

（eg.磁场力）表面力：必须通过物体接触面传递的力。

（eg.风对建筑的力）外力：由系统外的物体对于该系统或它的某一部分所作用的力。

荷载：使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素，单位： Newton （N）静荷载、动荷载(1)集中力与分布力（具有较强的相对性）：集中力：作在物体上的外力如果作用面积远远小于物体尺寸，可以简化为集中力。