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第5章人体运动的生物力学特性人体运动系统•人体运动系统由骨、骨连结和骨骼肌三部分构成，它们约占人体质量的58％左右。肌肉附着在骨架上，受神经系统的支配，能产生各种不同方式的收缩，肌肉收缩时牵动着骨绕骨连结(尤其是骨关节)转动，使人体产生各种各样的运动和操作姿势。因此，骨是人体运动的杠杆，骨连结是支点，骨骼肌是动力。人体骨骼•人体骨骼共有206块，其中只有177块直接参与人体运动。•人体骨骼分为两大部分：中轴骨和四肢骨。中轴骨包括颅骨29块(其中有6块听小骨和l块舌骨)、椎骨26块(颈椎7块、胸椎12块、腰椎5块、骶骨和尾骨各1块)、肋骨12对和胸骨1块。四肢骨分上肢骨和下肢骨：上肢骨64块，下肢骨62块•(1)支撑人体骨与骨相连结，构成人体支架，支持人体的软组织，承担全身重量。•(2)保护内脏骨形成体腔，保护脑、心、肺等内脏器官。•(3)运动的杠杆肌肉牵引着骨绕关节转动，使人体可产生各种各样的运动。•(4)造血骨的红骨髓有造血的功能，黄骨髓有储藏脂肪的作用。•(5)储备矿物盐主要储备钙和磷，供应人体的需要。关节的分类•(1)单轴关节只有一个运动轴，骨仅能沿该轴作一组运动。单轴关节又有屈戌关节和车轴关节之分：•屈戌关节，又名滑车关节，凸的关节面呈滑车状，如手指关节。通常是绕冠状轴作屈、伸运动。•车轴关节，关节头的关节面呈圆柱状，常以骨和韧带连成一环，围绕关节头，作为“关节窝”，如环枢正中关节、桡尺近侧关节等，可绕铅垂轴作旋转运动。•(2)双轴关节有两个互为垂直的运动轴，可绕此二轴进行两组运动，也可作环转运动。双轴关节又有椭圆关节和鞍状关节之分：•椭圆关节，关节头呈椭圆形凸面，关节窝呈椭圆形凹面，如手腕关节。可绕冠状轴作屈、伸运动，并绕矢状轴作收、展运动。•鞍状关节，相对两关节面都呈马鞍状，可作屈、伸、收、展及环转运动。如拇指腕掌关节。•(3)多轴关节有三个互为垂直的运动轴，能作屈、伸、收、展及旋转等各种运动。多轴关节又有球窝关节和平面关节之分：•球窝关节，球状的关节头较大，而关节窝浅小，如肩关节。杵臼关节与球窝关节相似，而关节窝特深，包绕关节头的1／2以上，因而运动幅度较小，如髋关节。•平面关节，关节面接近平面，实际上是巨大的球窝关节的一小部分，如肩锁关节。•两个或两个以上结构完全独立的关节，但必须同时进行活动，这种关节称为联合关节。关节的运动•(1)角度运动邻近两骨间产生角度改变的相对转动，称为角度运动。通常有屈、伸和收、展两种运动形态。关节绕额状轴转动时，同一关节的两骨互相接近，角度减小时谓之屈，反之谓之伸。关节绕矢状轴转动时，骨的末端向正中面靠近的谓之内收，远离正中面的谓之外展。•(2)旋转运动骨绕垂直轴的运动称为旋转运动，由前向内的旋转称为旋内，由前向外的旋转称之旋外。•(3)环转运动整根骨头绕通过上端点并与骨成一角度的轴线的旋转运动，称为环转运动，运动的结果如同画一个圆锥体的图形。关节的活动范围关节身体部位活动方式最大角度/（°）最大活动范围/(°)舒适调节范围（°）颈关节头至躯干低头、仰头做歪、右歪左转、右转+40~-35°+55~-55°+55~-55°75°110°110°+12~-25°0°0°胸关节腰关节躯干前弯、后弯左弯、右弯左转、右转+100~-50°+50~-50°+50~-50°150°100°100°0°0°0°髋关节大腿至髋关节前弯、后弯外拐、内拐+120~-50°+30~15°135°45°0（+80~100）°膝关节小腿到大腿前摆、后摆0~-135°135°0（-95~-120）°脚关节脚至小腿上摆、下摆+110~+55°55°+85~+95°髋关节小腿关节脚关节脚至躯干外转、内转+110~-70°180°+0~+15°肩关节（锁骨）上臂至躯干外摆、内摆上摆、下摆前摆、后摆+180~30°+180~-45°+140~-40210°225°180°0+15~+35°+40~+90肘关节上臂至下臂弯曲、伸展+145~0°145°+85~+110腕关节手至上臂外摆、内摆弯曲、伸展+30~-20°+75~-60°50°135°0°0°肩关节、下臂手至躯干左转、右转+130~-120°250°-30~--60°骨骼肌的力学特性•凡提到肌肉，均指骨赂肌而言。人体全身共有骨骼肌434块。成年男子骨骼肌约占人体质量的40％、女子为35％左右。骨骼肌有收缩性、伸展性、弹性和粘滞性四种物理特性：•(1)收缩性表现为肌肉纤维长度的缩短和张力的变化。处于静止状态的肌肉并不是完全休息放松的，其中少数运动部位的肌肉保持轻微的收缩(即保持一定的紧张度)，用以维持人体的一定姿势；处于运动状态的肌肉，肌纤维明显缩短，肌肉周径增大，肌肉收缩时肌纤维长度比静止时缩短1/3到l/2。•(2)伸展性表现为肌肉受外力作用时被拉长，外力解除后，被拉长的肌纤维又可复原。•(3)弹性表现为肌肉受压变形，外力解除即复原的线性特性。•(4)粘滞性主要是由于其内部含有胶状物质的缘故。气候寒冷时，肌肉的粘滞性增加；气温升高后，肌肉的粘滞性降低，这可保证人动作的灵活性，避免肌肉拉伤。肌肉收缩的外部表现•肌肉在体内的功能，就是它们在受到刺激时能产生张力或／和缩短，藉以完成躯体的运动或对抗某些外力的作用。当肌肉克服某一外力而缩短，或肌肉因缩短而牵动某一负荷物时，肌肉完成了一定量的机械功，其数值等于所克服的阻力(或负荷)和肌肉缩短长度的乘积。但肌肉在收缩时究竟是以产生张力为主，还是以表现缩短为主，以及收缩时能作功多少，则要看肌肉本身的机能状态和肌肉所遇到的负荷条件。•肌肉在体内或实验条件下可能遇到的负荷主要有两种：一种是在肌肉收缩前就加在肌肉上的负荷，例如，把肌肉一端固定，在另一端悬挂一定数量的重物，这种负荷称为前负荷(preload)，前负荷使肌肉在收缩前即处于某种被拉长的状态，使它在一定的初长度(initiallength)的情况下进入收缩。另一种负荷称为后负荷(afterload)，是肌肉在开始收缩时才能遇到的负荷或阻力，它不能增加肌肉收缩前的初长度，但能阻碍收缩时的短缩。•图中c．c．表示收缩元件；s．c．表示串联顺应元件，相当于串联的无阻尼弹性元件；p.c.表示并联顺应元件，相当于并联的无阻尼弹性元件。三个元件的性质共同决定肌肉的力学特性。肌肉的速度—张力曲线•后负荷不能增加肌肉收缩前的初长度，但能阻碍肌肉收缩时的短缩。•肌肉在有后负荷的条件下收缩时，总是张力产生在前，缩短出现在后；而且后负荷越大，肌肉产生的张力越大，但肌肉缩短开始却越晚，缩短的初速度和肌肉缩短的总长度也越小。如果把同一肌肉在不同后负荷条件下所产生的张力和当它出现缩短时的缩短初速度(相当于缩短曲线开始时的斜率)画成座标曲线。则可得到如图3—34所示的速度—张力曲线。•该关系曲线说明：在中等程度的后负荷作用下，肌肉所能产生的张力和它收缩时的初速度大致呈反比的关系，并且当后负荷增加到某一数值时，肌肉产生的张力可达到它的最大限度，但这时肌肉将不再出现缩短，初速度也成为零。•肌肉产生最大张力而收缩速度为零的这一点，在曲线上相当于P0的位置．，P0称为肌肉的最大张力，由于这时肌肉的收缩实际上并不出现肌肉的缩短，故把这种收缩形式称为等长收缩(isometriccontraction)。在P0位置左侧所有张力小于几而不为零的情况下，肌肉收缩时既产生张力，又出现缩短；而且每次收缩一旦出现，张力就不再增加，故这类收缩形式称为等张收缩(isotoniccontraction)。•速度—张力曲线也说明，肌肉后负荷变小时，等张收缩所表现的张力将越来越小，而缩短的速度将越来越大，因此理论上当负荷为零时，肌肉收缩将不需克服阻力，而速度将达到它的最大值，这相当于曲线左侧vmax的位置，称为肌肉的最大缩短速度。显然，P0和vmax值都是评价肌肉收缩能力大小的有用指标。•肌肉收缩速度v与张力P之间的关系，可由著名的希尔(AVHili)方程加以描述：•式中P为肌肉张力；V为肌肉收缩速度；Po为肌肉的初张力；a、b为常数。肌肉的张力—长度曲线•速度—张力曲线是在前负荷固定于某一数值而改变后负荷时，肌肉所表现的收缩形式和速度、张力变化的情况。如果改变肌肉的前负荷，使肌肉在不同前负荷即不同初长度的情况下重复上述改变后负荷的实验，则对应于每一具体前负荷或初长度，都能得到一条速度-张力曲线，把不同前负荷情况下得到的速度—张力曲线按顺序排列起来，就可得到一个立体坐标系统，全面地说明前负荷及后负荷对肌肉收缩的影响肌肉的功率—速度曲线•肌肉的输出功率由张力与缩短速度的乘积决定。在最大张力P和最大缩短速度vmax。两个极限工况下，输出功率等于零。通常，当肌肉缩短速度为(0．2—0．3)Vmax。时，其输出功率最大•人体所能产生的最大功率主要与人的性别、年龄、身高、体重、人体表面积、运动或劳动的强度及其持续时间等因素有关。有的研究者用人体运动的最大耗氧量(QO2max)和最大氧债(运动或作业开始后，因呼吸、循环机能跟不上氧的需要量，肌肉在短时缺氧条件下工作而形成氧债)等参数，近似计算人体运动所产生的功率，其计算公式如下：•式中PW为人体运动所产生的功率(kW)；t为运动时间(min)；O2max为最大耗氧量(L／min)；VQo2：为超过最大耗氧量的氧需量，称为氧债(L)；A为人的年龄；M为人的体重(kg)肌肉收缩的能量和机械效率•肌肉收缩时消耗的能量转变为功和热。肌肉作等长收缩时机械功为零，因而其化学反应能量全部转变为热；肌肉作非等长收缩时能量的一部分消耗于对外做机械功，另一部分转变为热能。肌肉做功所消耗的总能量和机械效率可分别按下面两个公式计算：•式中E为肌肉做功所消耗的总能量；W为肌肉对外所做的机械功；Q为转变为热能的能量n为肌肉的机械效率肌肉的力矩—角度曲线•图3—38所示为绕踝关节运动的力矩—角度曲线，四条曲线分别对应于四种不同的膝关节角度位置。肌电图•肌肉收缩是由肌肉的动作电位引起的，记录肌肉动作电位变化的曲线称为肌电图(简称EMG．--Electromyograms)。肌电图的形状可反映肌肉本身机能的变化。人体的出力•人体出力来源于肌肉的收缩，肌肉收缩时所产生的力，称为肌力。肌力的大小取决于单个肌纤维的收缩力、肌肉中肌纤维的数量与体积、肌肉收缩前的初长度、中枢神经系统的机能状态、肌肉对发生作用的机械条件等生理因素•一般，女性的肌力比男性约低20％一35％：右手的肌力比左手约强10%：而习惯左手的人，其左手肌力比右手约强6%一7％•在生产劳动中，为了达到操作效果，操作者身体有关部位(手、脚及躯干等)所施出的一定量的力，称为操纵力。人的操纵力有一定的数值范围，是设计机械设备的操纵系统所必需的基础数据。人体所能发挥的操纵力的大小，除了取决于上述人体肌肉的生理特性外，还取决于人的操作姿势、施力部位、施力方向、施力方式以及施力的持续时间等因素。只有在一定的综合条件下的肌肉出力的能力和限度，才是操纵力设计的依据。坐姿时手臂的操纵力立姿时手臂的操纵力坐姿时的足蹬力•坐姿时的足蹬力大小在各个不同位置上的分布情况如图3—46所示，图中的外围曲线表示足蹬力的界限，箭头表示施力方向。可见最大足蹬力通常在膝部弯曲1600位置上产生。手的握力•一般青年人右手平均瞬时最大握力为556N(330—755N)，左手平均瞬时最大握力为421N。右手能保持1分钟的握力平均为275N，左手为244N。握力大小还与手的姿势有关，手掌向上时的握力最大，手掌朝向侧面时次之，手掌向下时的握力最小。应当注意到，人体的所有出力的大小，都与持续时间有关。随着施力持续时间的延长，人的力量将很快减小。例如，拉力由最大值衰减到四分之一数值，只需要4min。此外，任何人的出力衰减到最大值的二分之一时的持续时间，大体相同。