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人體生物力學(xué)
老筋非常感謝garden608版主的鼓勵(lì),再接再勵(lì)轉(zhuǎn)載一篇相關(guān)文章
  在人體中,骨在肌拉力作用下圍繞關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng),它的作用和杠桿相同,稱為骨杠桿。人體的骨杠桿運(yùn)動(dòng)有三種形式:
  1.平衡杠桿:支點(diǎn)在力點(diǎn)和重點(diǎn)之間。如顱進(jìn)行的仰頭和俯首運(yùn)動(dòng)。
  2.省力杠桿:重點(diǎn)在支點(diǎn)和力點(diǎn)之間。如行走時(shí)提起足跟的動(dòng)作,這種杠桿可以克服較大的體重。
  3.速度杠桿:力點(diǎn)在重點(diǎn)和支點(diǎn)之間。如肘關(guān)節(jié)的活動(dòng),這種活動(dòng)必須以較大的力量才能克服較小的重量,但運(yùn)動(dòng)速度和范圍很大。

人體主要的骨骼肌


  (1)頭肌
  頭肌可分為面肌和咀嚼肌二部分。面肌分布于頭面部皮下。位于眼裂、口裂周圍,有環(huán)  形的輪匝肌和放射形安排的肌肉,可使眼裂、口裂張開或關(guān)閉,能示喜、怒、哀、樂各種表情。咀嚼肌是作用下頜關(guān)節(jié)的肌肉,如顳肌和咬肌。能有力的上提下頷骨。
  (2)四肢肌
  ①上肢肌
  上肢肌可分為肩肌、臂肌,前臂肌和手肌四部。
  肩部肌肉可使肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),如三角肌,它從前、后、外三方包繞肩關(guān)節(jié);構(gòu)成圓隆的肩  部,作用主要是使臂外展。
  臂肌分前、后兩群。在上臂前方跨過肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的屈肌,如肱二頭肌,是強(qiáng)有力的屈肘肌肉。在肱骨后方的肱三頭肌為伸肘肌肉。
  前臂肌也分前、后兩群。前臂肌數(shù)目多且大多是長肌,這些肌肉分別跨越肘、腕、掌、  指各部。肌肉位于前臂,于腕部形成腱。前肌群位于尺、橈骨前面,主要有屈腕、屈指和使前臂旋前的肌肉。后肌群位于尺、橈骨后面,主要有伸腕、伸指和使前臂旋后的肌肉。
  手肌除有從前臂來的長肌腱外,還有很多短小的手肌均集中在手的掌側(cè),可分外側(cè)、中間和內(nèi)側(cè)三肌群。外側(cè)肌群在拇指根部形成一隆起稱魚際肌,能使拇指作屈、收、展和對(duì)掌等動(dòng)作。中間肌群位于前臂來的屈指肌腱的深面,主要有骨間肌,收縮時(shí)能使各指向中指靠攏或分開。外側(cè)肌群稱小魚際,能使小指作屈、外展和對(duì)掌等作用。
  ②下肢肌
  下肢肌可分為髖肌、大腿肌、小腿肌和足肌。
  髖肌主要起始于骨盆的內(nèi)面和外面,跨越髖關(guān)節(jié),止于股骨上部。位于盆內(nèi)的腰大肌是屈大腿肌、位于骨盆后外面的臂大肌是后伸大腿肌。
  大腿肌分前、后、內(nèi)三肌群。前肌群主要是股四頭肌。是膝關(guān)節(jié)強(qiáng)大的伸肌。內(nèi)側(cè)肌群位于大腿內(nèi)側(cè),能內(nèi)收大腿,又稱內(nèi)收肌群。后肌群位于大腿后面如股二頭肌和半腱肌等能屈小腿和后伸大腿。
  小腿肌亦分三肌群,前肌群在脛骨、腓骨之前,主要有伸趾肌并幫助足背屈。后肌群主要有小腿三頭?。枘c肌和比目魚?。┪挥谛⊥壬喜啃纬膳蚵〉男⊥榷?,向下續(xù)為跟腱,收縮時(shí)提起足跟并能屬小腿;在三頭肌深面還有屈趾等肌肉。外側(cè)肌群有腓骨長肌、短肌,作用是使足外翻。
  足肌可分足背肌和足底肌,足背肌為伸趾肌。足底肌的配布和作用與手掌肌近似,但足趾動(dòng)作遠(yuǎn)不如手指,其主要功能是維持足弓。
  資料來源 《人體解剖生理學(xué)》

人體內(nèi)的杠桿


  運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是許多個(gè)杠桿結(jié)構(gòu)組成的,人體的許多動(dòng)作都是通過杠桿作用而表現(xiàn)出來的。
  在運(yùn)動(dòng)過程中,骨為運(yùn)動(dòng)的杠桿,關(guān)節(jié)為運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn),骨骼肌施加動(dòng)力。當(dāng)骨骼肌收縮時(shí),牽動(dòng)所附的骨圍繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng),就會(huì)產(chǎn)生各種動(dòng)作。人體內(nèi)有三種類型杠桿,即等臂杠桿、省力杠桿和費(fèi)力杠桿。下圖示仰頭、蹺足、屈肘分別代表的三種杠桿,你能判斷出各屬哪一種嗎?


  圖中O表示關(guān)節(jié)構(gòu)成的支點(diǎn),三圖分別表示寰枕關(guān)節(jié)、跖趾關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。A點(diǎn)為肌肉在骨上的附著點(diǎn),即力點(diǎn),B則表示重點(diǎn),由此可知,仰頭為等臂杠桿,蹺足為省力杠桿,而屈肘則為費(fèi)力杠桿。在屈肘動(dòng)作中,如果OB是OA的8倍,假如你要用手托起8千克的鐵球,請你算算看,肱二頭肌至少要施加多大的 力?(答:627.2牛頓)

肌肉粗壯的原因



  當(dāng)我們在看健美比賽時(shí),常常會(huì)被健美運(yùn)動(dòng)員那隆起的健壯肌肉而驚嘆,為那展示出的人體之美而稱羨。那么,他們的肌肉為什么會(huì)那樣發(fā)達(dá)呢?
  原來,骨骼肌的肌細(xì)胞和人體其他細(xì)胞一樣,都要不斷地?cái)z取營養(yǎng)物質(zhì)以維持正常的生命活動(dòng)。細(xì)胞需要的養(yǎng)料是通過血液循環(huán)運(yùn)送來的。在日常生活中,只有很少量的肌肉纖維束參加工作,而大部分肌肉纖維束則處在“休息狀態(tài)”,這些肌肉中的毛細(xì)血管當(dāng)然也是大部分關(guān)閉的,在每平方毫米肌肉里,只有80條左右的毛細(xì)血管開放。體育鍛煉時(shí),大部分肌肉都要“上班”,毛細(xì)血管開放的數(shù)量大大增加,在每平方毫米的肌肉里,開放的毛細(xì)血管可以增加到2000至3 000條,給肌肉送來更多的血液和營養(yǎng)。長期下去,肌纖維就會(huì)變粗,整個(gè)骨骼肌就會(huì)變得粗壯,收縮有力。
  健美運(yùn)動(dòng)員要經(jīng)過艱苦認(rèn)真的鍛煉,有計(jì)劃地通過專項(xiàng)訓(xùn)練,而使某一部分的肌肉發(fā)達(dá),顯示出明顯的輪廓。
人體生物力學(xué)

生物系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)形式有兩種:①整個(gè)生物系統(tǒng)對(duì)于其周圍的介質(zhì)、支撐物或其他物體發(fā)生位移,例如人的行走;②生物系統(tǒng)本身發(fā)生形變,即其中一部分相對(duì)于另一部分發(fā)生位移,例如彎腰、伸腿。生物體運(yùn)動(dòng)要消耗能量,生物體的能量消耗有兩個(gè)方面,一是用以完成規(guī)定的動(dòng)作稱為有效消耗;二是以熱量散失稱為無用消耗。

人體生物力學(xué)側(cè)重研究人體各部分的力量、活動(dòng)范圍和速度,人體組織對(duì)于不同阻力所發(fā)揮出力量的數(shù)值、人體各部分的重量、重心變化以及做動(dòng)作時(shí)的慣性等問題,其研究目的是為了使人在人機(jī)系統(tǒng)中更好地發(fā)揮其作用,盡量避免做無用功,使人能有效地工作,提高活動(dòng)效率,減少疲勞,確保人身安全。

在安全人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)與分析、評(píng)價(jià)及“三同時(shí)”審查、事故分析等時(shí),就要準(zhǔn)確地確定操作者和設(shè)備的最有利工作范圍和界限,因此就得利用人體生物力學(xué)方法。為使操作者安全舒適地工作,在設(shè)計(jì)操縱機(jī)構(gòu)時(shí)必須考慮人體出力大小、動(dòng)作軌跡、動(dòng)作平穩(wěn)程度以及人體各部分運(yùn)動(dòng)的方向等因素,均要運(yùn)用人體生物力學(xué)的理論。
一、人體生物力學(xué)的一般知識(shí)

人體完成各種活動(dòng)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)器官系統(tǒng),由肌肉、關(guān)節(jié)、骨骼等組成。全身的關(guān)節(jié)將骨節(jié)連接成一體,形成可以活動(dòng)的骨骼體系,肌肉跨越關(guān)節(jié)粘附于骨之上。肌肉、關(guān)節(jié)、骨三者在神經(jīng)系統(tǒng)的支配和協(xié)調(diào)下,按照人的意志,共同準(zhǔn)確地由肌肉的收縮與舒張牽動(dòng)骨通過關(guān)節(jié)的作用而產(chǎn)生各種動(dòng)作。
1、骨骼的功能
1)人體骨骼強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi),故的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是線性的,服從虎克定律,但當(dāng)人體骨骼強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi),骨的應(yīng)力超過一定應(yīng)力數(shù)值后,這種關(guān)系就不再成立。

人體脛骨強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他材料強(qiáng)度的比較見表3-29,人體骨骼的抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度見表3-30


2)骨的功能。人體全身約有206塊骨,可分為頭顱骨、上肢骨、下肢骨、軀干骨、脊椎骨等,由這些有生命而堅(jiān)硬的骨支撐著人體,每塊骨都有一定的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、位置及其神經(jīng)和血管。骨所承擔(dān)的功能主要有:

(1)骨構(gòu)成體腔的壁,如頭顱腔、胸腔、腹腔、盆腔等,以保護(hù)大腦、心、肺、肝、膽、脾胃、腎、腸及生殖器官等人體內(nèi)臟重要器官。

(2)骨之間由關(guān)節(jié)連接構(gòu)成骨骼,形成人體支架,支撐人體全身的重量,支撐人體的肌肉、皮膚、內(nèi)臟器官等軟組織,骨骼與肌肉一塊共同維持人體的外部形態(tài)。使人成為具有一定高度、寬度、厚度的實(shí)體。

(3)骨骼的骨髓腔和松質(zhì)的腔隙中充填著骨髓,骨髓是一種柔軟而富有血液的組織,其中的黃骨髓可儲(chǔ)藏脂肪,紅骨髓具有造血功能,骨髓中的鈣和磷參與體內(nèi)鈣、磷代謝而處于不斷變化狀態(tài)。所以,骨髓除具備造血功能外還是體內(nèi)脂肪、鈣、磷的儲(chǔ)備倉庫。

(4)肌肉在神經(jīng)系統(tǒng)支配下產(chǎn)生收縮時(shí),牽動(dòng)著骨圍繞著關(guān)節(jié)活動(dòng),使人體產(chǎn)生各種動(dòng)作。因此,骨是人體活動(dòng)的杠桿。
3)骨杠桿。人體骨杠桿的原理與力學(xué)杠桿完全一樣。在骨杠桿中,關(guān)節(jié)是支點(diǎn),肌肉是力量源泉,肌肉與骨的附著點(diǎn)稱為力點(diǎn),而作用于骨上的阻力(如操縱力、體重等)的作用點(diǎn)稱為重點(diǎn)(即阻力點(diǎn))。人體活動(dòng)主要由下列骨杠桿形式而定。

(1)平衡骨杠桿。

(2)速度骨杠桿。

(3)省力骨杠桿。



2、關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍
1)關(guān)節(jié)的連結(jié):

(1)直接連結(jié)。

(2)間接連結(jié)。
2)關(guān)節(jié)的作用

(1)關(guān)節(jié)的損傷。關(guān)節(jié)除了有將骨與骨相連的功能之外,并與肌肉和韌帶連結(jié)在一起,因韌帶既可有連結(jié)兩骨、增加關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性的作用,還有限制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的作用。這樣一來,人體各關(guān)節(jié)的活動(dòng)就要受到限制,若超過其限制范圍,則會(huì)受到損傷。

(2)關(guān)節(jié)的舒適。當(dāng)人體處在最大活動(dòng)范圍以內(nèi)的活動(dòng),即處在各種舒適姿勢時(shí),相應(yīng)的關(guān)節(jié)亦會(huì)處在舒適范圍之中,此時(shí)人的活動(dòng)時(shí)間即可持久,而且其活動(dòng)質(zhì)量與效率亦會(huì)高,可靠性與安全性均會(huì)高。
3、人體肌肉力學(xué)特性

論人體骨骼與關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)怎樣完善,如果沒有肌肉,就不能做功。所以,人體活動(dòng)的能量決定于肌肉。肌肉的基本機(jī)能是將攝入的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或熱能再轉(zhuǎn)變成機(jī)械功反映了肌肉活動(dòng)的主要生物力或力,肌肉收縮時(shí)所產(chǎn)生的力及其長度改變與改變的速度學(xué)特征。

人體的肌肉依其形狀構(gòu)造、功能、分布等可分為平滑肌、心肌、橫紋肌等三種。橫紋肌大都跨越骨關(guān)節(jié),附著于骨骼,故稱為骨骼?。挥捎诠趋兰〉倪\(yùn)動(dòng)要受人的意志支配,故又稱隨意肌。少數(shù)橫紋肌附著于皮膚,稱為皮肌,由于人體運(yùn)動(dòng)主要與橫紋肌有關(guān),所以安全人機(jī)工程學(xué)所討論的肌肉僅限于橫紋?。ê喎Q肌肉)。


肌肉的收縮和放松均是由神經(jīng)系統(tǒng)支配而產(chǎn)生的,兩者都是因肌纖維接受刺激后所發(fā)另一種是肌纖
生的機(jī)械性反應(yīng)。這種機(jī)械性反應(yīng)有兩種表現(xiàn),一種是肌纖維的長度縮短維張力增加。

肌肉在沒有負(fù)荷而自由縮短的情況下,肌肉的長度縮短而張力不變的收縮,稱為等張收縮。當(dāng)肌肉在兩端被固定或負(fù)有不能克服的負(fù)荷情況下,肌肉的長度不可能縮短,只能產(chǎn)生張力,這種長度沒有改變而張力增加的收縮,稱為等長收縮。
4、人體運(yùn)動(dòng)的特征

人體是一個(gè)有機(jī)的物質(zhì)系統(tǒng),身體各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)都是轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的改變則不是取決于力,而是取決于力矩。

5、人體活動(dòng)范圍

人體的肢體、軀干、頭、頸、手掌、手指、腳掌、腳趾等均有各自的活動(dòng)范圍。人體活動(dòng)范圍可分為:最有利范圍、正常范圍和最大可及范圍三種。
(1)最有利范圍。
(2)正常范圍。
(3)最大可及范圍。
二、人體各部分的操縱力

縱力是指操作者在操作時(shí)為達(dá)到操作目的所付出的一定數(shù)量的力。人的頭、軀干、肩膀、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)揮出一定的操縱力。故此在設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí),為了使操縱者既發(fā)揮最大的主觀能動(dòng)性,而又不感到疲勞,既耗費(fèi)能量最少,同時(shí)感到輕松愉快,就必須很好地考慮操縱力的數(shù)值以及操作者的生理狀況是否能夠付出所需要的操縱力。

肢體的力量來自肌肉收縮,肌肉收縮時(shí)所產(chǎn)生的力稱為肌力。肌力的大小取決于以下幾個(gè)生理因素:單個(gè)肌纖維的收縮力;肌肉中肌纖維的數(shù)量與體積;肌肉收縮前的初長度;中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)
能狀態(tài);肌肉對(duì)骨骼發(fā)生作用的機(jī)械條件。

1、手的操縱力
(1)坐姿操縱力。
(2)立姿操縱力。
(3)握力。







(4)拉力與推力。
(5)扭力和提力。
2、腳的操縱力

在生產(chǎn)中,用腳操作的情況很多。最常見的是汽車的離合器踏板和剎車踏板,縫紉機(jī)踏板,加工機(jī)械(如沖床、蒸汽錘等)的腳踏控制裝置等。


三、人體活動(dòng)的速度與準(zhǔn)確度
1、肢體的動(dòng)作速度

肢體動(dòng)作速度的大小,基本上取決于肢體肌肉收縮的速度。不同的肌肉,收縮速度也不同,如慢肌纖維收縮速度慢些,快肌纖維收縮速度快些。通常一塊肌肉中既有慢肌纖維也含快肌纖維。中樞神經(jīng)系統(tǒng)根據(jù)需要時(shí)而使慢肌纖維收縮,時(shí)而使快肌纖維收縮,從而改變肌肉的收縮速度。收縮速度還取決于肌肉收縮時(shí)所發(fā)揮的力量和阻力的大小。發(fā)揮的力量愈大,外部阻力愈小,則收縮速度愈快。

對(duì)于操作動(dòng)作速度,還取決于動(dòng)作方向和動(dòng)作軌跡等特征。另外,不同的動(dòng)作特點(diǎn)對(duì)動(dòng)作速度影響十分顯著,因此,合理地設(shè)計(jì)操作動(dòng)作可明顯提高工效。

有的操作常常不需要用眼睛觀察而迅速準(zhǔn)確地操縱控制器,如司機(jī)加大油門的操作,這就需要控制設(shè)計(jì)得使操作者能準(zhǔn)確迅速安全地連續(xù)操作,如果把控制器安排在便于精確和快速調(diào)節(jié)的位置上就可以提高操作者的準(zhǔn)確性,避免一些事故的發(fā)生。

對(duì)于那些要求身體做較大范圍動(dòng)作的操縱工作,重要的問題就是如何合理地選擇使操作者具有靈活動(dòng)作的軌跡,動(dòng)作靈活性包括動(dòng)作速度和頻率。

動(dòng)作速度取決于工作的動(dòng)作方向和動(dòng)作軌跡的特征。在操縱工作時(shí),連續(xù)和突然改變的曲線式動(dòng)作,它們的速度是不相同的,故要分別考慮。
2、人體動(dòng)作的頻率

動(dòng)作頻率是指在一定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作所重復(fù)的次數(shù)。同理,肢體的動(dòng)作頻率也取決于動(dòng)作部位和動(dòng)作方式。表3-36為人體各部位動(dòng)作速度與頻率的限度。在設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)時(shí),對(duì)操作速度和頻率的要求不得超出肢體動(dòng)作速度和頻率的能力限度。



3、人體動(dòng)作的靈活性

在操縱時(shí)產(chǎn)生突然或平穩(wěn)的改變方向時(shí),圓形軌跡比直線軌跡靈活。

手向著身體動(dòng)作比離開身體的動(dòng)作靈活而準(zhǔn)確,向前后往復(fù)動(dòng)作比向左右往復(fù)動(dòng)作的速度大。

最大動(dòng)作速度與被移的負(fù)載的重量 成正比,而達(dá)到最大速度所需要的時(shí)間與被移動(dòng)的負(fù)載成正比,動(dòng)作的方向和軌跡應(yīng)當(dāng)滿足工作動(dòng)作準(zhǔn)確性的要求人體較短部位的動(dòng)作比較長部位的動(dòng)作靈活:人體較輕部位的動(dòng)作比較重部位的動(dòng)作靈活;人體體積較小部位的動(dòng)作比較大部位的動(dòng)作靈活。

因此,在考慮動(dòng)作靈活性時(shí),應(yīng)按生物力學(xué)特征進(jìn)行人體慣性特點(diǎn)的比較和估算,利用這些特點(diǎn),可以研究和模擬人體各部位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
四、影響人體作用力的因素
1、體重

體重對(duì)人體作用力的發(fā)揮存在著有利和不利的兩個(gè)方面例如,在提取地上重物時(shí),身體及頭部隨重物的被提起而向上移動(dòng)(抗重力),體重提高了力的使用效率,將物體放置在地面上(向下用力),站姿比坐姿更好,因?yàn)檎咀丝墒诡^及軀干的重量協(xié)助腕、肘、肩關(guān)節(jié)來運(yùn)用力,還有體育活動(dòng)中的拳擊、足球射門、投擲等,除了有關(guān)肢體的關(guān)節(jié)、肌肉活動(dòng)得知,即沖力是質(zhì)量與速度起作用外,軀體的重量也起作用,這可從物理中的沖力E=mv的乘積,也就是說力與運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量及肢體和力的作用對(duì)象之間的相對(duì)速度成正比。



控制器應(yīng)能承受靜止肢體的重量,這一點(diǎn)對(duì)防止意外啟動(dòng),保證安全和消除肢體靜態(tài)作業(yè)非常重要。例如,汽車的足控蹬板應(yīng)能承受駕駛員下肢的靜止重量,不同人群(包括體格和性別)的身體各部分的重量是不同的,其中以軀干和大腿的重量差別最大
2、體位

操作者的體位(立位、坐位、躺位)、軀干的穩(wěn)定性對(duì)人體的作用力也有一定的影響。人體的作用力對(duì)人體體位的依賴關(guān)系,由以下兩個(gè)原因決定:
(1)隨著關(guān)節(jié)姿勢的改變,肌肉的長度發(fā)生變化,而肌肉表現(xiàn)出來的最大力同它的長度的減少量的二次方成正比下降,肌肉收縮最大時(shí)張力值最小。
(2)肌張力隨轉(zhuǎn)軸的力矩發(fā)生變化。力學(xué)中把轉(zhuǎn)軸到力的作用線的最短距離(垂直距離)叫做力臂。人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是肌肉附麗點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離很近,因而在大多數(shù)運(yùn)動(dòng)中贏得速度和路程,但卻費(fèi)力。



操作者立位作業(yè)可以經(jīng)常改變姿勢,活動(dòng)范圍也大,站立時(shí)易用力,但單調(diào)作業(yè)會(huì)引起生理性和心理性疲勞,立位可適當(dāng)?shù)刈邉?dòng),有助于維持工作能力,但立位又不易進(jìn)行精確而細(xì)致的工作,不易轉(zhuǎn)換操作,而且肌肉要做更多的功來維持體重,易引起疲勞。

坐位則可以進(jìn)行較長時(shí)間的精確而細(xì)致的工作,可以手足并用,但是坐位作業(yè)則不易改變姿勢,用力受限制,工作范圍受局限,久坐會(huì)導(dǎo)致生理性疲勞。

躺位操作易疲勞,汽車修理工修理汽車時(shí)就有時(shí)必須仰躺著工作。

在設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)時(shí),應(yīng)綜合考慮操作者的工作體位、姿勢的改變等。體位正確可減少靜態(tài)疲勞,有利于身體健康和保證工作質(zhì)量,提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和保證安全。

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