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运动生物力学教案班次上课日期节次上课时数累计时数教学场所09体教1班2011年9月22日3-42课时18课时12-40909体教2班2011年9月23日3-42课时18课时13-207授课内容第三章骨、关节的生物力学教学目标使学生理解骨、关节的生物力学特性，掌握运动对骨、关节的生物力学特性影响。教学重点运动对骨、关节的生物力学特性影响。教学难点运动对骨、关节的生物力学特性影响。教学方法讲授教学法：采用提问的方式对上节课的内容进行回顾，对本堂课进行启发式教学，讲解中展开相关内容，补充有关材料，通过语言向学生系统连贯地传授知识、技能，发展学生智力。讨论教学法：在教师指导下，让学生独立地阅读教材、收集资料，并进行群体性的讨论。讨论教学法以学生自己的活动为中心，可以激发学生对知识的探讨以及对学习的兴趣，达到师生互动。案例教学法：教师通过对教材中的典型事例进行分析，使学生掌握科学知识和科学方法。课前复习、提问班级学生姓名题目09体教1班高立简述三维测力台的基本原理09体教2班薛才良关节的基本结构09体教2班孟德杰中小学为什么要进行丰富多彩的体育活动？教学内容：教学常规：师生问好、登记考勤等导入部分：①复习：第二章运动生物力学参数；提问问题：简述三维测力台的基本原理。②宣布本节课内容，提出问题：骨是空心的还是实心的？空心骨和实心骨的区别？引发学生兴趣。③解决学生问题，引出本节课知识点（人体的骨是经过长期进化形成的空心结构，具有优良的性能。工业上采用的空心钢材，就是模仿人体的骨骼结构所制造成的）。空心骨具有质量轻，承重能力强的特征，为什么空心骨和实心骨具有几乎一样的承重能力呢？引发学生思考，激起学生兴趣，引出本节课内容。主要部分：第三章骨、关节的生物力学人体运动的“硬件”是以骨骼为杠杆，关节为枢纽，肌肉收缩为动力的运动系统。本章从力学结构及运动对这些运动器官的影响两个方面介绍骨、关节、肌肉的生物力学特性。骨的生物力学人体共有206块骨，其功能是对人体起支持、运动和保护的作用。骨按形状可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨等。骨具有功能适应性。骨的功能适应性，是指对所担负工作的适应能力。新疆葡萄丰收的时候，用头顶箩筐来运输葡萄，头盖骨很薄，却能承受很大的重量，和它的结构是分布来的，弓形结构承重能力强，从而说明骨具有功能适应性。骨的结构是与其功能相适应的。手指比较灵活，是因为其关节比较多。关节越多的地方，越灵活。从力学观点来看，骨是理想的等强度优化结构。它不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。越是深入了解人体骨的特性，就越是为其优良的受力结构感到惊叹。制造出这种“智能”型的材料和结构，一直是科学工作者孜孜以求的目标。一、骨的生物力学特征（一）骨对外力作用的反应骨骼的受力形式:拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷这些载荷会在骨内产生拉应力、压应力和剪应力，相应产生拉应变（伸长）、压应变（缩短）和剪应变（截面错位），对骨的结构造成不同的影响。例应力：单位面积所受的力。应变：受力条件下单位长度或单位面积的变化量。（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势，在骨骼内部的剪切面产生剪应力。（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。FF2．骨对复合（实际）外力作用的反应在人体运动中，受到纯粹的上述某一种载荷的情况很少见，大量出现的是复合载荷。正常行走时，足跟着地时为压应力，支撑阶段为拉应力，足离地时为压应力。在步态周期的后部分出现较高的剪应力，表示存在显著的扭转载荷，提示在支撑时相和足趾离地时相胫骨外旋（二）骨结构的生物力学特征骨的结构被广泛认为通过进化过程得到了最优化的设计：即在特定的载荷环境下得到重量最轻的结构。结构优化设计理论主要包括：a）均匀强度分布，即在特定的加载条件下，材料的每一部分受到的最大应力相同。b）轨道结构理论（壳形结构），即只在力的承受及传递的路径上使用材料，而在其它地方是空洞。以下从结构优化的角度分三个方面介绍骨结构的生物力学特征。1．各向异性由骨内部解剖结构易见骨是一种复合材料结构。复合材料结构的特点就是各向异性。同一块骨的不同部分的力学性能是有差别的。骨具有明显的各向异性。例如长骨主要承受的是轴向的压力，因此沿轴向具有较高的强度和弹性模量。从显微组织分析来看，针状的无机盐晶体和骨胶原纤维主要是沿纵向排列。其中较少一部分沿周向排列。其主要作用是联系和约束纵向纤维，使纵向纤维在压缩和弯曲载荷的作用下不会失稳。2．壳形（管形）结构（1）弯曲载荷下长骨结构的优化对骨的应力，可以用对建筑物梁的应力一样的方法来分析。图（a）是一条两端支持的横梁，在梁的中间加一向下的力，则横梁受到弯曲载荷，会在横梁的顶部产生压应力，底部产生拉应力，越往中部应力越小。一般来说，任何型式的梁的中部都受到很小的应力。为此通常都用一工字形截面的横梁作为建筑物的支持梁（如：铁轨），即截面两端厚中间薄（b），可以节省材料。如果作用力可能来自任何一个方向话，可用一个空心圆柱梁，这样就可以用最少的材料而获得最大的强度（c）。这种空心横梁和同结构的实心梁具有同样的的强度，而可节省约四分之一的材料。人体的长骨，如股骨，胫骨，肱骨等，都是中空的结构，都有可能受到来自任何一个方向的力的作用，因此长骨的空心结构是较完善地适宜于支持作用的。（2）扭转载荷下长骨结构的优化将胫骨横截面与工字形梁这一理想的抗弯截面进行比较。可以看到，在承受y-y轴的弯曲载荷时，骨截面就像工字梁截面一样，大部分材料远离中性轴。如果在考虑到骨还将承受绕x-x轴的弯曲载荷和绕纵轴的扭转载荷（在截面上产生剪应力，其大小也是与其到截面中心的距离成正比），这说明了长骨中空的结构是一个优化的结构。3．均匀强度分布骨具有强度大，重量轻的特点（如图）。如果引入比强度（极限（最高）强度除以比重）和比刚度（弹性模量除以比重）的概念，则可以见到骨的比强度接近于工程上常用的低碳钢，而骨的比刚度可达到低碳钢的三分之一。钢骨花岗石洋松密度(g/cm3)7.81.87–1.972.60.63沿纵轴的最高张力强度(kg/cm2)4240930-12005064.5沿纵轴的最高压力强度(kg/cm2)42401270-21001350424垂直纵轴的切变强度(kg/cm2)35101190141106垂直纵轴的切变强度(kg/cm2)505骨的内部组织情况也显示骨是一个合理的承力结构。根据对骨骼综合受力情况的分析，凡是骨骼中应力大的区域，也正好配上了其强度高的区域。骨小梁在长骨的两端分布比较密集，其优点有二：一是当长骨承受压力时，骨小梁可以在提供足够强度的条件下使用比骨密质较少的材料。二是由于骨小梁相当柔软，当牵涉到大作用力时，例如步行、跑步及跳跃情况下，骨小梁能够吸收较多的能量。二、运动对骨的力学性能的影响从生物力学的角度来看，经常进行运动训练或体育锻炼，相当于营造一个新的骨的受力环境（条件）。根据骨的功能适应性原理，骨不仅在一些不变的外力环境下能表现出承受负荷（力）的优越性，而且在外力条件发生变化时，能通过内部调整，以有利的新的结构的形式来适应新的外部环境。运动对骨的影响，也就是骨对特定环境下力的变化的功能适应性的表现。决定骨的功能适应性的因素除了外部形态之外，还有截面形状，材料沿各方向的分布规律，内部结构等。(一)适宜应力对骨的力学性能的良好影响1．体育锻炼对骨的力学性能的良好影响综合目前研究结果，机械力学信号可转化成促进成骨的生化信号。长期坚持体育锻炼对骨骼的影响：(1)促进未成年骨骼峰值骨量的增加;(2)对成年骨骼的影响表现为一定程度的骨量增加或保持骨量;(3)对绝经后妇女或老年人骨骼的影响在于尽量减少骨量的丢失速度;(4)可使骨密质增厚、骨变粗；(5)骨面肌肉附着处突起明显；(6)骨小梁的排列根据拉（张）应力和压应力的方向排列更加整齐而有规律。这是由于骨的新陈代谢加强，骨的血液循环得到改善，从而在形态结构上产生良好的结果。随着形态结构的变化，骨变得更加粗壮和坚固，抗弯曲、抗压缩和抗扭转载荷的能力都有提高。当体育锻炼停止后，骨所获得的变化就会慢慢消失。因此，体育锻炼应经常化，锻炼的项目要多样化。专项训练与全面训练相结合。2．不同运动项目对骨的力学性能的影响(1)研究表明，体育锻炼的项目不同，对人体各部分骨的影响也不同。(2)经常从事下肢活动的跑、跳项目的运动员，对下肢骨影响较大，对上肢骨影响较小。(3)经常练习举重的运动员，对上肢和下肢的影响都较大。又如从事多年训练的跳远运动员，踏跳脚的第二跖骨直径增大，芭蕾舞演员的第二、第三跖骨的骨密质，足球运动员第一跖骨的骨密质都有增厚。拳击运动员桡骨骨密质也明显增厚。3．适宜应力原则骨骼对体育运动的生物力学适应性本质上是骨骼系统对机械力信号（应力）的应变。(1)有利的运动负荷及强度导致的骨应变会诱导骨量增加和骨的结构改善；(2)应变过大则造成骨组织微损伤和出现疲劳性骨折;(3)应变过小或出现废用则导致骨质流失过快。因此对骨存在一个最佳的合适应力范围。（1）周期性超强度运动训练可能导致骨微细结构的破坏。这些骨的微损伤随时间不断累积（常见于军事野营训练军人和长跑运动员），如得不到改建修复可导致骨强度下降，甚至发生疲劳性骨折。（2）诱导骨改建的重要机制是微骨裂诱导骨质改建单位的形成，即许多参与局部改建的细胞群形成所谓的切割圆锥，其功能形式表现为激活、骨质吸收及成型。（3）青少年女性运动员过量运动训练会导致经期紊乱，月经失调，造成与激素相关的骨量和骨密度下降。（4）儿童少年时期的骨新陈代谢旺盛。这时期进行合理的体育锻炼，更能促进骨的生长。相反，会使骨朝不正常的方向发展。（5）研究表明过量运动会导致对骨形成的抑制。动物实验证明，生长发育中的小白鼠在大负荷和大强度运动量下，骨骼较细和较短小，重量较轻。而在负荷较小，运动量较合适的的情况下，骨的重量、长度和粗度的数据都较不运动的对照组要大。骨骼的废用（如卧床、肢体固定或失重）对骨的影响也应受到重视。事实上，大量研究已证实骨骼废用使骨密度下降和骨结构受损的速度远比体育锻炼对骨的有益影响快得多，而且恢复时间长且困难。一旦发生由于上述原因造成的骨质快速丢失，如何制定有效的以体育运动为主的康复训练计划仍缺乏研究，这应是今后的重点研究方向之一。(二)骨的运动损伤及防治随着人们生活和医疗水平的提高，体育和娱乐活动在生活中所占的比例日益增大。意外事故就上升成为青壮年死亡的首要原因。因此，对身体各部分的保护和伤后的诊断、治疗就成了一项重要的研究课题。骨折是运动性损伤中最常见的损伤之一，以下从骨折的断裂形式及载荷方式，骨折治疗的生物力学以及常见的骨的损伤机制加以讨论。1．骨折的断裂形式及载荷方式如果作用于骨骼上的载荷超过骨所能承受的强度极限，就会引起的骨折。(1)拉伸载荷引起的骨折常见于跟骨。第5跖骨基底靠近腓骨短肌附着处的骨折以及跟腱靠近附着处的跟骨骨折都是由于拉力产生的骨折。(2)压缩载荷引起的骨折常见于椎体。有时由于肌肉异常强烈的收缩，也可产生关节内压缩型骨折。(3)纯弯曲载荷造成的骨折不多见，常见的是侧力弯曲载荷。从侧面和后面对小腿腓骨击打极易造成这种骨折。因此，足球比赛规则严禁从侧面和后面铲击小腿。(4)剪切载荷引起的骨折常见于跟骨、股骨髁与胫骨平台的剪切破坏，变形后产生相对位置变动。(5)纯扭转载荷引起的骨折比较少见，它多半是和其它的载荷形式组合在一起而引