人体生物力学概论-外力

上肢和下肢的自然运动链的顺序涉及一个综合的生物力学任务，当受损导致功能失调的生物力学输出，导致疼痛和/或损伤。^[11][12][13]

• 例如在肩部，当前面的环节存在缺陷时，它们会对肩部产生负面影响。^[13][14]因此，在处理肩部功能障碍时，应尝试恢复所有的运动链缺陷，治疗应在综合锻炼后进行[15]

运动分析中的动力学概念［|］

运动学的概念描述了一个物体运动的一部分，动力学的概念给了我们一个与该运动相关的力的概念。在讨论运动分析的动力学概念时，我们需要在生物力学中定义力。力是生物力学中表示负载的一种简单方法，可以定义为一个物体对另一个物体的作用。[16]力可以是外部的，也可以是内部的。

• 外力是指来自身体外部的拉力或推力
• 内力是作用在身体结构上的力，由身体组织产生。^[17][18]

部队

• 凸轮可以改变物体的形状和运动状态。
• 有规模、方向和应用点特点的。

所有这些因素决定了力对物体的作用。^[17]有多个力作用在一个物体上，有可能将这些力分解为一个单一的“合力”，与所有其他合力具有相同的效果。把这两种或两种以上的力组合成一个合力的过程称为力的合成。在理解了力是什么之后，有必要研究一些指导力应用的定律。^[17]

Levangie和Norkin，^[17]重申力的三个主要规则:

1. 作用在线段上的力一定来自于某种东西
2. 任何与线段接触的物体都必须在线段上产生一个力
3. 重力被认为对所有物体都有作用力。

理解运动生物力学的原则是对力、牛顿运动定律、功和能量的深入理解。^[19]

牛顿运动定律［|］

牛顿运动定律描述了力和运动的作用。

图片:Paolozzi在伦敦大英图书馆院子里的雕像，试图抓住这样一个想法，即通过牛顿的方程和他的运动和引力定律，宇宙成为一个更加确定和可测量的地方

1.牛顿第一定律运动定律也被称为惯性定律(惯性是物体改变其运动状态的阻力)，指出一个物体将保持静止或匀速运动，除非有不平衡的合力作用在它身上。牛顿惯量定律的概念表明，物体的质量越大，推动它的力就越大。^[17]这意味着需要改变合力来产生运动的变化。^[19]例子:

• 用轮椅推一个体内脂肪含量高的人，比推一个瘦弱的人需要更大的力量。^[17]
• 当一个足球运动员踢足球时，他改变了球上的合力，使它移动。^[19]
• 汽车中的乘客与汽车的移动速度相同，当汽车突然刹车时，如果没有系安全带，乘客将继续以与汽车刹车前相同的速度向前移动。^[19]
• 要举起重物，举重者必须产生一个大于物体重量的向上的力，否则，它就不会移动。^[19]

另一个应用第一运动定律的领域是静态分析。静力分析是分析物体相互作用时产生的力和力矩的一种工程方法。^[16]这一概念应用于生物力学，用于估计肌肉和关节反应在肌肉骨骼系统的未知力量。

2.牛顿第二定律运动与力的冲量有关。这个定律指出，一个合力作用在物体上，通过使物体加速或减速来改变物体的动量。^[16]它也被称为脉冲动量原理，在运动中有一系列的应用。运动成绩是指人体或运动器材运动速度的增减。这一原则导致了体育技术的改进，比如在铅球中，如何在更长的时间内施加力量。^[19]

3.牛顿第三定律状态对于每一个作用，都有一个大小相等、方向相反的反作用力。这一概念的一个应用是，运动员在混凝土地面上比在沙质地面上跑得更快，这是由于推动身体的地面反作用力相反。^[16]

接触力［|］

例如，通过引入摩擦力来提高地面反作用力，接触力的知识在运动鞋或训练鞋的设计中是必不可少的。[6]

力矩或扭矩［|］

力矩是力和距离的乘积，也指线段转动的力。这个概念的重要性在于，力的力矩对于肌肉有效地维持负重是很重要的。例如，在膝关节中，髌骨与股四头肌围绕膝关节旋转中心形成有效的力矩，使膝关节的伸展保持足够的负重。[6]

简单的机器［|］

在孤立地考虑了一些外力之后，重要的是要了解这些外力如何结合在一起，以机器的形式发挥特定的功能。机器把能量从一种形式转换成另一种形式，这种能量就是做功的能力。力使物体运动时做功。在力学中，机器通过做功将能量从一种形式转换为另一种形式，即产生运动。[6]肌肉骨骼系统是一组简单的机器，它们一起工作来支持负载并产生运动。

只有三台简单的机器在人体肌肉骨骼系统中，杠杆、轮轴和滑轮。这个简单的机器启用三个功能，包括力和运动的放大和施加力方向的变化。然而，大多数肌肉骨骼系统中的简单机器都是为了增强运动而不是力量而设计的。^[6]

杆系统［|］

当肌肉紧张时，它会拉动骨骼来支撑或将施加的载荷的阻力转移到身体的某一部位。[6]^[7]肌肉和骨骼机械地起着杠杆的作用。

• 一个杆是任何围绕支点旋转的刚性段。
• 一个支点杠杆旋转的支撑点或轴。
• 一个杆系统当两个力相互作用产生相反的力矩时，它就存在。
• 产生合力的力叫做努力的力量(EF)。
• 另一种创造对立时刻的力，被称为阻力(射频)。

根据载荷、力和支点杠杆的布置可分为一级至三级。人体常见的解剖杠杆是第三类原因是肌肉插入通常靠近关节的靠近动作关节的因此,努力通常是在支点和阻力之间，这是一个三等杠杆。^[21]这设计帮助身体获得运动和速度因此人类的肌肉骨骼系统设计的速度和范围的运动以武力为代价。^[6][22]

轮轴［|］

在肌肉骨骼系统中，车轮和轴的安排提供了力量和运动的放大．一个例子就是肩关节的内侧和外侧旋转。这一概念也应用于轮椅的设计及其手动推进[23]^[24]

滑轮［|］

解剖滑轮是轮轴的改良形式。滑轮的主要功能是改变力的方向，使工作更容易。人体运动的“任务”是旋转身体的一个部分。解剖滑轮通过使肌肉的动作线偏离关节轴，从而增加肌肉力的机械优势，使这项任务更容易完成。机械优势(MA)是衡量杠杆机械效率的指标，是力对阻力有效性的函数。[6]^[7]

有四类解剖滑轮，类I到类IV，这可能会引起物理治疗师的兴趣。

• 1类滑轮由外部支撑。它可以提高肌肉的动作，而肌肉的动作来自于外部支撑，就像滑轮一样。一个例子就是髌骨像滑轮一样来改善股四头肌的功能。
• II类滑轮由骨、软骨和肌腱组成。其中一个例子就是当骨头充当滑轮时，腓骨的外踝充当腓骨长肌的滑轮。
• III类滑轮是关节作为滑轮时的滑轮。一个例子是股骨上髁，当肌腱插入胫骨时，它给股薄肌腱一个有利的插入角度。
• 第四类是当肌肉充当滑轮时。一个例子是肱二头肌，它的大小随着插入角度的增加而增加。滑轮在物理治疗中的应用包括滑轮运动，以改善活动范围和协调性，特别是在肩关节炎的情况下。^[6]

结论［|］

动力学和运动学概念对于理解人体运动和运动时力对身体各部分的影响是重要的。在设计支持性和自适应装置和设备时，需要考虑力、摩擦和机器的生物力学概念，以帮助或改善人体运动。

参考文献［|］