骨的生物力学在线视频

同学们

这次课主要介绍人体骨的生物力学性质

我们在运动解剖和运动生理课上

都会从不同角度讲到骨的结构

功能和生理特点

本节课将给大家介绍

骨的力学性能和影响因素

以及在不同负荷情况下的骨行为

首先

我们先了解骨的力学性质

和影响骨力学性质的因素

骨在人体中起到承重和杠杆作用

因此

要求骨既要强度大又要质量轻

将骨与钢和花岗石相比

骨的密度比钢和花岗石要小

骨的强度比钢低

但比花岗石高

而且骨与钢在强度上的差别

要小于两者在密度上的差别

可见

骨的质量要比钢和花岗石轻得多

三者相比

在相同质量下骨有最大的强度

这里我们要解释一下

所谓强度

是指材料抵抗破坏的能力

还有一个概念

叫刚度

就是材料抵抗变形的能力

刚度大的材料不一定强度大

强度大的材料也不一定刚度大

而我们的骨同时具备非常大的强度和刚度

对骨进行材料力学实验可以发现

不同骨的强度和刚度有所不同

骨在受不同形式或不同方向的力时

表现出的强度和刚度也有所不同

例如股骨的强度和刚度都要远大于椎体

沿着颅骨切向方向压

比沿着径向方向压

颅骨的强度和刚度都要更大

从不同方向上对骨施加力的作用

可以发现

骨在最常见的载荷方向上

具有最大的强度和刚度

例如沿长骨的纵轴拉压骨

骨所表现出的强度和刚度

要远大于垂直骨纵轴的方向

例如

沿着长骨的纵轴拉压骨

骨所表现出来的强度和刚度

要远大于垂直骨纵轴的方向

因为长骨在人体中最常见的受力方向

就是沿纵轴的

另外我们还发现

在一块骨上的不同位置

骨的力学性质也不一样

例如股骨的强度和刚度

在中间三分之一的位置最大

在远端和近端三分之一的刚度和强度略小

另外

不同负荷形式下骨的力学性质不同

一般的骨在人体内受到的力

不外乎五种形式

拉 压 弯曲 剪切 扭转

以及这五种形式的不同组合形式

而这五种形式在骨上所表现的负荷形式

可以总结为拉伸负荷

压缩负荷和剪切负荷

材料力学实验表明

我们人体的骨

最能抵抗的是压缩负荷

其次是拉伸负荷

最不能抵抗剪切负荷

总之我们看到

力施加的方向和部位

以及对骨不同的负荷形式

都会影响骨的力学性质

下面我们再来了解下

骨的非常重要的性质

就是骨的功能适应性

骨的功能适应性是指

骨能够适应其力学环境

而产生最优化的外部形状和内部结构

骨能够随着它受到的外部负荷的变化

而进行外部重建和内部重建

骨外部形状的改变成为外部重建

而骨的疏密度

矿物含量等的改变称为内部重建

骨能够通过重建过程改变其大小

形状和结构来适应外界的力学环境

不论是生长发育过程中的骨

还是成年骨与老年骨

始终存在骨重建过程

当骨所受负荷增加时

成骨细胞活性增强

表现为骨生长

而所受负荷减小时

则破骨细胞活性增强

表现为骨吸收

也就是说

骨总是在需要处多生长

而在不需要处多吸收

1892年德国医生Wolff

总结了骨的功能适应性定律

也就是wolff定律

骨功能的每一改变

都有与数学法则一致的确定的内部结构

和外部形态的变化

从骨的功能适应性特点我们可以明确

机械应力可刺激骨形成

废用则可引起骨丢失

所以适量的体力活动

对全年龄段人群的骨骼健康

均有重要意义

例如老年长跑者的骨密度

要显着大于同年龄的一般老人

再例如长期太空飞行的宇航员

会由于长期处于失重状态

而经历快速的钙丢失

及由此引发的骨量减少

对普通人来说

卧床休息能造成每星期丢失约1%的骨量

接下来

我们了解下骨所受的负荷形式

及相应的骨折情况

刚才已经说过

骨在人体内受到的力不外乎五种形式

拉 压 弯曲 扭转 剪切

以及这五种形式的不同组合形式

例如拉和扭转的组合

骨在受拉时会变长

超过生理限度后骨的结合线分离

骨单位脱离

最终骨被拉断

临床上因拉伸负荷而引起的骨折

往往发生于富有松质骨的部位

如小腿三头肌的强力收缩

对跟骨产生异常高的拉伸负荷

而产生的跟骨的撕脱性骨折

在压缩负荷下

骨结构缩短而增宽

骨受压缩负荷下往往形成斜形劈裂

临床上压缩骨折

也常见于受到高强度压缩力的椎骨

由于压缩骨折是斜行断口

椎体的压缩骨折很容易造成脊髓的损伤

骨抵抗剪切负荷能力很差

这是因为骨很少受到剪切力

临床上剪切骨折最多见于松质骨

如股骨髁骨折及胫骨平台的骨折

往往是因为膝内翻应力

伴随着垂直重力构成的复合暴力所致

骨在受弯曲负荷时

凸侧受拉伸负荷

而凹侧则受压缩负荷

弯曲可分为三点弯曲和四点弯曲

三点弯曲骨折

往往在中间力的作用点处断裂

典型的三点弯曲骨折

是滑雪运动员发生的 靴口骨折

四点弯曲时骨的断裂点

会在两个力偶之间薄弱部位

扭转引起的骨折是螺旋骨折

骨折面为45°螺旋型

由于骨的形状不规则

受力不均匀

断裂时可同时出现几个螺旋型断口

因而多数骨是螺旋形粉碎骨折

如投掷动作过程中

肩关节周围肌肉使上臂内旋的力矩

与投掷物惯性力对肱骨的力矩方向相反

当运动员开始内旋上臂向前投掷时

肱骨可能受到过大的扭转负荷

而产生螺旋型骨折

虽然每种负荷形式分别独立存在

但是活体骨很少只受到一种力的作用

活体骨的受力情况比较复杂

这与骨受外力和附着的肌肉收缩

产生的力的复杂性有关

还与骨不规则的几何结构有关

例如

在跑或走的一个步态周期的不同阶段

胫骨会受到不同的应力负荷

刚才给大家举的骨折的例子中

大家看到的呢

基本是一次暴力超过生理极限产生的骨折

还有的是多次反复负荷造成的疲劳性骨折

所谓疲劳性骨折

是指由于重复的较低负荷引起的骨折

又叫应力性骨折 新兵骨折 慢性骨折等

我举个例子

大家就会对疲劳骨折有明确的认识了

大家想想日常生活中的一个场景

你有一根铁丝

但没有任何工具把铁丝弄断

那你会怎么办

对

你会来回不停的弯折铁丝

你会发现弯折过程中铁丝会变热

虽然一次弯折不会使铁丝断掉

但弯折到一定次数

铁丝就会断

我们的骨也是一样

在受到反复的较低载荷的情况下

这种频繁的负荷

妨碍了骨为防止骨折所进行的重建活动

骨重建不足以弥补骨疲劳损伤时

就会发生疲劳性骨折

因此在体育锻炼或运动训练过程中

采用多种练习形式

避免单打一的练习动作

科学安排训练负荷和训练量

采取必要的身体保护措施

可以有效预防疲劳性骨折的发生

好

最后我们来总结一下这节课的内容

第一

我们的骨具有极优良的力学性质

即轻又强还很硬

第二

骨具有功能适应性

积极参加体力活动

给骨全面的 适度的力学刺激

有助于提高骨的力学性能

最后

很多因素都会影响骨的力学性质

骨在受不同形式的负荷下

会产生不同的损伤情况

了解这些因素和情况

有助于我们预防骨的损伤

好谢谢大家