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。

 

()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。

 

 ()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。

 

 ()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

    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。

()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(121)。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。

 

()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121 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)60%~70%,有機物(骨膠原)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。

 


 

 

全站熱搜

經筋代名詞 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()