骨骼力學的幾個基本慨念
生物力學(biomechanics)是研究人體活動的力和運動的一門科學，涉及工程學、醫學、仿生學、體育等多種學科，在骨科領域中，應用生物力學的概念和原理解釋人體正常和異常的解剖與生理現象，有助於骨科醫生更好地理解和治療肌肉骨骼系統的疾病。因此，骨骼力學已成為現代骨科醫生必須具備的科學基礎。
(一)基本概念
人體運動器官的功能包括支撐與運動兩個方面。人體骨骼是身體的堅強支柱，分為軀幹骨、四肢骨和顱骨三大部分。成人的骨共有206塊，就像一台機器共有206個構件，每個構件在人的日常生活、勞動和運動中都承受著足夠的承載能力，它由三方面來衡量。
01、要求骨骼有足夠的強度：抵抗破壞骨折的能力，如四肢骨在劇烈運動和強勞動時不應該發生骨折。
02、要求骨骼有剛度：抵抗變形的能力，如脊柱在彎曲時不應該發生損傷或是側凸。
03、要求骨骼有足夠的穩定性：保持平衡的能力，如長骨在壓力作用下有被壓彎的可能性，但在日常生活中始終保持原有直線平衡形狀不變。
(二)外力與內力
所謂力就是一個物體對另一個物體的作用，它可分為外力和內力。人體在日常生活與運動中都會對機體的每塊骨產生複雜的力，如人體在長跑時受到的外力為體重、迎面風力及地面反作用力等。當外力使物體發生變形時，物體內部分子之間伴隨著一種抵抗力即為內力，例如，我們用手拉彈簧，就一定感到彈簧也在拉我們的手，拉力愈大，抵抗拉力也愈大。因此，外力越大，內力也越大。
(三)應力與應變
任何物體只要在外力作用下，就一定要發生變形，同時又在物體內部引起內力，內力是隨著外力的加大而增大，它總是與外力維持平衡，從而才能使物體不發生破壞。
任何物體在受力時都會引起物體的變形，變形點稱為應變，內力強度點稱為應力。應力即為單位面積上的內力。寫成公式為：
內力 外力
應力= 或 應力=
截面面積 截面面積
即
ρ
δ = [單位常用mPa(mN/m2)]
應力是指局部力的強度，是單位面積上的力。應變是局部的變形，是形變量與原尺度之比。如果某骨承受了很重的力，超出了其耐受應力與應變的極限，即可造成骨骼損傷甚至發生骨折。
(四)五種基本變形
骨骼在受到外力作用時都有不同程度的變形，一般骨骼受力時的變形形式分為拉伸、壓縮、剪切、彎曲和扭轉等五種基本變形(圖1—2—1)。例如：運動員在進行吊環運動時上肢骨就受到拉伸作用；舉重運動員挺舉時四肢均受到壓縮作用；彎腰時脊柱受到彎曲作用；體操運動員做轉身動作時下肢骨受到扭轉作用；車床剪切斷肢體即為剪切作用等。但人體在受傷骨折時，往往是幾種作用力的複合。例如，跌倒後橈骨遠端骨折，既有剪切力又有壓縮力等。
(五)骨組織的力學特性
l．各向異性：
由於骨的結構為中間多孔介質的夾層結構材料，。因而這種材料是各向異性體(不同方向的力學性質不同)。
拉伸 壓縮 彎曲 剪切 扭轉圖1—2—1 骨的五種基本變形
02、彈性和堅固性：
骨組織大約有25％～30％是水，其餘70％～75％是無機物和有機物，其中無機物(磷酸鈣與碳酸鈣)占60％～70％，有機物(骨膠原)占20％～40％。骨的有機成分組成網狀結構，使骨具有彈性，骨的無機物填充在有機物的網狀結構中，使骨具有堅固性，能承受各種形式的應力。研究表明，無機物使骨具有抗壓能力，而有機物使骨具有抗張能力。
03、抗壓力強，抗張力差：
骨對縱向壓縮的抵抗最強，即在壓力情況下不易損壞，在張力情況下易損壞，這和骨小梁的排列有關。
04、耐衝擊力和持續力差：
載荷作用時，在骨中所引起的張力分佈雖然一樣，但效果不一樣。兩者相等時，衝擊力在骨中所引起的變化較大，即骨對衝擊力的抵抗比較小。另外，同其他材料相比，其持續性能、耐疲勞性能較差。
留言列表
