人体力学基础课件.pptx
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- 人体 力学 基础 课件
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1、医用物理医用物理医用物理医用物理第一章第一章 人体力学基础人体力学基础 主讲老师:杜新满黄冈职业技术学院主讲老师:杜新满黄冈职业技术学院第一节第一节 物体的弹性物体的弹性第二节第二节 肌肉和骨骼的力学性质肌肉和骨骼的力学性质第三节第三节 人体静力学人体静力学第四节第四节 人体动力学人体动力学学习目标学习目标1. 掌握:掌握:物质弹性的基本概念;骨骼与物质弹性的基本概念;骨骼与肌肉的力学性质。肌肉的力学性质。2. 熟悉:熟悉:人体的静力平衡条件;人体动人体的静力平衡条件;人体动力学的特征及其在人体运动中的体现。力学的特征及其在人体运动中的体现。3. 了解:了解:人体内的杠杆结构,作用在髋人体内的
2、杠杆结构,作用在髋关节和脊柱上的力以及临床力学器械的应用。关节和脊柱上的力以及临床力学器械的应用。 第一节第一节 物体的弹性物体的弹性第一节 物体的弹性在一定的形变限度内,在一定的形变限度内,去掉外力后物体能够完全去掉外力后物体能够完全恢复原状。恢复原状。 形形 变变弹性形变弹性形变塑性形变塑性形变外力超过一定限度后,外力超过一定限度后,去掉外力后物体不能够完去掉外力后物体不能够完全恢复原状。全恢复原状。一、线应变与正应力一、线应变与正应力 线应变线应变:对一细长物体施加拉力:对一细长物体施加拉力F使之使之拉伸拉伸, 其伸长变化率。其伸长变化率。 0ll ll若物体被拉伸若物体被拉伸 0, 0
3、, 0 0;若物体被压缩若物体被压缩 0, 0, 0 0。第一节 物体的弹性应力:应力:指作用于物体单位面积上的力。指作用于物体单位面积上的力。正应力:正应力:指与作用面垂直的应力,用指与作用面垂直的应力,用表示。表示。其单位为其单位为Nm-2,又称帕斯卡(,又称帕斯卡(Pa)。)。SF 如果物体受力不均匀或者内部材料不均匀,如果物体受力不均匀或者内部材料不均匀,正应力在横截面上不同位置数值并不相同。正应力在横截面上不同位置数值并不相同。 第一节 物体的弹性正应力与线应变的关系正应力与线应变的关系 图为低碳钢正应力图为低碳钢正应力与线应变的关系,可将与线应变的关系,可将拉伸分为拉伸分为弹性、屈
4、服、弹性、屈服、硬化硬化和和颈缩颈缩四个阶段:四个阶段:第一节 物体的弹性弹性阶段:弹性阶段:曲线中曲线中OA段,段,A点称为正比极限。点称为正比极限。B点的正应力叫做弹性极限。点的正应力叫做弹性极限。屈服阶段:屈服阶段:过了过了C点是屈服阶段点是屈服阶段 ,这一阶段的,这一阶段的最大正应力为屈服强度。最大正应力为屈服强度。硬化阶段:硬化阶段:从从D点开始是硬化阶段,只有加大正点开始是硬化阶段,只有加大正应力,才能使物体进一步伸长,此即材料的硬化;应力,才能使物体进一步伸长,此即材料的硬化;E点的正应力叫做强度极限。点的正应力叫做强度极限。颈缩阶段:颈缩阶段:过了过了E点是颈缩阶段点是颈缩阶段
5、 ;F点称为断裂点称为断裂点。点。BF是材料的范性(塑性)范围。是材料的范性(塑性)范围。 如果如果F点距点距B点较远,材料表现为展性。点较远,材料表现为展性。 如果如果F点距点距B点较近,材料表现为脆性。点较近,材料表现为脆性。第一节 物体的弹性在正比极限在正比极限OA内,正应力与线应变成正比:内,正应力与线应变成正比: E式中比例系数式中比例系数E称为杨氏模量。杨氏模量只与称为杨氏模量。杨氏模量只与材料的性质有关,反映了材料抵抗线变的能力。材料的性质有关,反映了材料抵抗线变的能力。 材料低碳钢花岗岩铅骨橡胶血管拉伸压缩E(109Nm-2)19650171690.0010.0002第一节 物
6、体的弹性二、切应变与切应力二、切应变与切应力dSFFxdtanxdx第一节 物体的弹性 切应变:切应变:指相对偏移位移指相对偏移位移 与两底面垂直与两底面垂直距离距离 的比值:的比值:切应力切应力:切向内力和切面面积的比值,用:切向内力和切面面积的比值,用 表示表示 。SF切应力与切应变的关系:切应力与切应变的关系: 在一定限度内,切应力与切应变成正比,比在一定限度内,切应力与切应变成正比,比例系数为切变模量,即例系数为切变模量,即 G第一节 物体的弹性练一练在各种应变中应力的方向:在各种应变中应力的方向:一定与截面垂直一定与截面垂直一定与截面平行一定与截面平行两者都对两者都对两者都不对两者都
7、不对答案:两者都不对答案:两者都不对练一练杨氏模量表示在正比极限内:杨氏模量表示在正比极限内:正应力与线应变的比值正应力与线应变的比值切应力与切应变的比值切应力与切应变的比值正应力与切应变的比值正应力与切应变的比值切应力与线应变的比值切应力与线应变的比值答案:正应力与线应变的比值答案:正应力与线应变的比值练一练.在日常生活中,哪些变形属于弹性形变,在日常生活中,哪些变形属于弹性形变,哪些属于塑性形变?哪些属于塑性形变?2.杨氏模量的物理含义是什么?杨氏模量的物理含义是什么?第二节第二节 肌肉和骨骼的力学性质肌肉和骨骼的力学性质一、肌肉的力学性质一、肌肉的力学性质 肌原纤维肌原纤维肌凝蛋白肌凝蛋
8、白肌纤蛋白肌纤蛋白 肌纤维肌纤维 肌肌 肉肉肌肉的功能是将化学能转变成机械能。肌肉的功能是将化学能转变成机械能。 第二节 肌肉和骨骼的力学性质第二节 肌肉和骨骼的力学性质肌纤维是肌肉的主要组成部分肌纤维是肌肉的主要组成部分、肌纤维的直径为10-60m,它是由直径为1m左右的许多肌原纤维组成。肌原纤维肌原纤维是由肌凝蛋白组成的粗丝(直是由肌凝蛋白组成的粗丝(直径为径为0.01m0.01m左右)和肌纤蛋白组成的细丝(直径左右)和肌纤蛋白组成的细丝(直径0.004m0.004m左右)构成。左右)构成。第二节 肌肉和骨骼的力学性质粗丝和细丝之间的相对滑行使肌肉发生伸长和收缩。肌原纤维发生伸缩的基本单元
9、是肌节,肌节的长度是变化的,充分缩短时长约1.5m,放松是为2.0-2.5m. 肌纤维具有主动收缩性,肌纤维及其周围的肌纤维具有主动收缩性,肌纤维及其周围的结缔组织还可被动承载,因此整块肌肉伸缩时总结缔组织还可被动承载,因此整块肌肉伸缩时总张力应为主动张力与被动张力之和张力应为主动张力与被动张力之和. C表示收缩时长度变化与表示收缩时长度变化与主动张力变化的关系主动张力变化的关系;A表示被动承载时的长度变表示被动承载时的长度变化与被动张力变化的关系;化与被动张力变化的关系;曲线曲线B是曲线是曲线C与曲线与曲线A之和,之和,表示总张力表示总张力 第二节 肌肉和骨骼的力学性质整块肌肉的力学特性比较
10、复杂,为研究方便,可整块肌肉的力学特性比较复杂,为研究方便,可将其表为如图的将其表为如图的三单元模型三单元模型. 1.1.收缩元:代表肌肉有活性的主收缩元:代表肌肉有活性的主动收缩成分。动收缩成分。2.2.串联弹性元:代表收缩元的固串联弹性元:代表收缩元的固有弹性及与之相串联的部分结缔有弹性及与之相串联的部分结缔组织。组织。3.3.并联弹性元:代表肌肉被动状并联弹性元:代表肌肉被动状态下的力学性质。态下的力学性质。第二节 肌肉和骨骼的力学性质并联弹性元并联弹性元模型的串联构成肌肉的长度,模型的并联构成肌模型的串联构成肌肉的长度,模型的并联构成肌肉的厚度肉的厚度. 多模型串联后,其总长度和各模型
11、的长度的关系怎样?多模型串联后,其总长度和各模型的长度的关系怎样?每个模型受到的外力的关系怎样?每个模型受到的外力的关系怎样?多模型并联后,各模型的作用力与两端的作用力关系怎多模型并联后,各模型的作用力与两端的作用力关系怎样?各模型的形变与收缩速度怎样?样?各模型的形变与收缩速度怎样?第二节 肌肉和骨骼的力学性质7看书回答:看书回答:练一练当把肌肉看作是由多个单元模型串联时,以下说当把肌肉看作是由多个单元模型串联时,以下说法正确的是:法正确的是:各个收缩元产生的收缩力不相同各个收缩元产生的收缩力不相同每个单元模型所受外力不相等每个单元模型所受外力不相等肌肉的总伸长量等于每个单元模型伸长量之和肌
12、肉的总伸长量等于每个单元模型伸长量之和肌肉长度增加,其收缩力也增加肌肉长度增加,其收缩力也增加答案:肌肉的总伸长量等于每个单元模型伸长量之和答案:肌肉的总伸长量等于每个单元模型伸长量之和二、骨骼的力学性质二、骨骼的力学性质 骨骼是非线性弹性体,受力形式根据外力的方向,骨骼是非线性弹性体,受力形式根据外力的方向,分为拉伸、压缩、弯曲、切变、扭转等形式。分为拉伸、压缩、弯曲、切变、扭转等形式。 1线变线变 当线应变小于当线应变小于0.5%时,正应时,正应力和线应变有直线关系,属于弹力和线应变有直线关系,属于弹性体;当线应变大于性体;当线应变大于0.5%时直线时直线逐渐变成曲线,即增加应力所产逐渐变
13、成曲线,即增加应力所产生的应变比弹性体大得多;当线生的应变比弹性体大得多;当线应变等于应变等于1.5% 左右时曲线会突然左右时曲线会突然停止,这相应于骨断裂。停止,这相应于骨断裂。 第二节 肌肉和骨骼的力学性质线变包括拉伸和压缩两部分。线变包括拉伸和压缩两部分。拉伸拉伸是指自骨的表面向外施加的载荷。拉伸的是指自骨的表面向外施加的载荷。拉伸的极限应力为极限应力为134 MNm-2 。压缩压缩是指加于骨表面大小相等、方向相反的载是指加于骨表面大小相等、方向相反的载荷。压缩的极限应力约为荷。压缩的极限应力约为170 MNm-2 。2弯曲:弯曲:指骨骼受到使其轴线发生弯曲的载荷作用。指骨骼受到使其轴线
14、发生弯曲的载荷作用。 3切变切变:指载荷施加方向与骨骼横截面平行。:指载荷施加方向与骨骼横截面平行。 4扭转扭转:指载荷(扭矩作用)加于骨骼并使其沿轴:指载荷(扭矩作用)加于骨骼并使其沿轴线产生扭曲。线产生扭曲。 第二节 肌肉和骨骼的力学性质练一练骨骼属于:骨骼属于:线性弹性体线性弹性体非线性弹性体非线性弹性体刚体刚体流体流体答案:非线性弹性体答案:非线性弹性体练一练骨骼断裂时的应力称为:骨骼断裂时的应力称为:负荷应力负荷应力剪切应力剪切应力扭曲应力扭曲应力极限应力极限应力答案:极限应力答案:极限应力练一练骨骼压缩和拉伸的极限应力关系是:骨骼压缩和拉伸的极限应力关系是:压缩极限应力等于拉伸的极
15、限应力压缩极限应力等于拉伸的极限应力压缩极限应力大于拉伸的极限应力压缩极限应力大于拉伸的极限应力压缩极限应力小于拉伸的极限应力压缩极限应力小于拉伸的极限应力以上都不对以上都不对答案:压缩极限应力大于拉伸的极限应力答案:压缩极限应力大于拉伸的极限应力第三节第三节 人体静力学人体静力学一、物体平衡条件一、物体平衡条件1.合力为零;合力为零;2.合力矩为零合力矩为零刚体平衡的充分必要条件:刚体平衡的充分必要条件: 合力的作用使刚体发生平移合力的作用使刚体发生平移 合力矩的作用使刚体发生转动合力矩的作用使刚体发生转动 第三节 人体静力学二、杠杆作用二、杠杆作用作用力离支点的距离作用力离支点的距离LF称
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