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 3-4 2课时 18课时 12-409 09体教1班 2011年9月22日 09体教2班 2011年9月23日 3-4 2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。

例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。

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。

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（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。

2．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。 密度(g/cm3) 沿纵轴的最高张力强度 (kg/cm2) 沿纵轴的最高压力强度 (kg/cm2) 垂直纵轴的切变强度(kg/cm2) 垂直纵轴的切变强度(kg/cm2) 钢 7.8 4240 4240 3510 骨 1.87 – 1.97 930 - 1200 1270 - 2100 1190 505 花岗石 2.6 50 1350 141 洋松 0.63 64.5 424 106