力学角度（精选6篇）
力学角度 篇1
力系等效是指两个力系对质点系产生的运动效应完全相同,这本就应该属于动力学问题.假设在同一个瞬时有两个不同的力系分别作用在同一个质点系上,使该质点系的质点分别获得的加速度完全相同,根据加速度与速度、位移的关系,则这两个力系使这些质点运动状态(位移和速度)分别发生的改变也是完全相同的,即这两个力系对该质点系产生的运动效应完全相同,这两个力系等效.因此,两个力系等效的充分必要条件就是它们分别使处于同样运动状态的质点系的质点获得同样的加速度.
1 作用在一般质点系上的两个力系等效的充分必要条件
我们以一般的质点系为研究对象,假设两个力系{F1,F2,…,Fn}和{}分别作用在质点系的n个质点上,其中一些力可以为0,这两个力系可以包含不一样多的力.根据达朗贝尔-拉格朗日原理,如果这两个力系在该质点系任意的相同虚位移上所做的元功相等,即,那么这两个力系等效.如果是零力系,即,i=1,2,…,n,则有,这正是静力学普遍方程,即虚位移原理(虚功原理)的表达式.或者,根据Jourdain变分原理,如果这两个力系在该质点系任意的相同虚速度上产生的虚功率相等,即,那么这两个力系等效.
2 作用在刚体上的两个力系等效的充分必要条件
刚体是一种特殊的质点系,从可以推导得到如下定理.
定理:分别作用在同一个刚体上的两个力系{F1,F2,…,Fn}和{}等效的充分必要条件是它们的主矢量相等,对相同点的主矩相等.
证明:任选刚体上一点O为基点,设刚体的角速度为ω,则力Fi的作用点的速度为
两边进行Jourdain变分,可得
计算虚功率
其中分别是力系{F1,F2,…,Fn}的主矢量和对O点的主矩同理,有
其中分别是力系{}的主矢量和对O点的主矩.由,可得
由自由刚体运动的特点可知,δvO和δω是可以独立任意变化的,于是定理结论得证.
注1:利用证明该定理的过程是完全类似的[1,2].
注2:也可以根据牛顿力学中动量定理和动量矩定理,推导出刚体作一般空间运动的动力学方程
再由这组方程以及力系对不同点的主矩之间的关系式
同样可以得到上述定理.
注3:如果{}是零力系,即,i=1,2,…,n,则力系等效定理就给出了刚体在一般空间力系作用下的平衡方程.
3 作用在刚体上的力系简化
力系简化是指在力系等效的前提下用简单的新力系代替老力系.作用在刚体上的任何力系都可以简化成几个最简单的力系之一,即零力系、一个力、力偶、力螺旋.可以简化为零力系的情形,就得到力系平衡条件,即平衡方程.
作用在刚体上的汇交力系、平行力系、平面力系、力偶系等典型力系,简化的结果如下:
(1)汇交力系对汇交点的主矩等于零,可以简化为过汇交点的一个力,也可以称为合力.例如,球铰链的约束是一个分布的汇交力系,汇交点位于球心,可以简化为通过球心的一个力,所以在受力分析中可以当作一个力看待.
(2)当主矢量不等于零时,平行力系可以简化为一个力,例如,地球对地面上常规尺寸物体的引力可以看作是分布的平行力系,可以简化为通过物体重心的一个力,就是通常人们所理解的重力.
(3)当主矢量等于零时,平行力系可以简化为零力系或者力偶.
(4)当主矢量不等于零时,平面力系可以简化为一个力.
(5)当主矢量等于零时,平面力系可以简化为零力系或者力偶.
(6)力偶系的主矢量等于零,可以简化为零力系或者力偶.
(7)作用在刚体上的一般力系,当主矢量与主矩的数量积(点乘)不等于零时,可以简化为力螺旋,例如,在拧螺丝时施加在螺丝刀上的力系,就等效为一个力螺旋,使螺丝从静止开始产生螺旋运动.
(8)当主矢量与主矩的数量积等于零,但主矢量不等于零时,作用在刚体上的一般力系可以简化为一个力;而当主矢量等于零时(主矢量与主矩的数量积必然也等于零),作用在刚体上的一般力系可以简化为零力系或者力偶.
参考文献
[1]马尔契夫Aπ.理论力学(第3版).李俊峰译.北京:高等教育出版社,2006
[2]李俊峰,张雄.理论力学(第2版).北京:清华大学出版社,2010
从生物力学角度浅谈拉丁舞的旋转 篇2
拉丁舞,是一种具有随意、娱乐、健身等特点大大众性外来体育项目,是拉美人们生活中必不可少的日常娱乐项目,它分为伦巴,恰恰,牛仔,桑巴,斗牛,伦巴是拉丁舞5支舞种中最浪漫、抒情的舞蹈,一般是表达男女爱情之间的戏剧性舞蹈表演,伦巴舞中的旋转是拉丁舞种最多的舞种。对于舞者来说,旋转也可以反映作为一个拉丁舞者的平衡能力和爆发力。
2 研究方法
2.1 实验法
实验法是研究者有意改变或设计的社会过程中了解研究对象的外显行为。根据该研究的研究对象和研究内容,被研究对象进行对比试验的方法,来验证生物力学对拉丁舞旋转的影响。
具体方法:对研究对象在旋转时的状态进行拍摄。旋转时有两种状态,一种是全身收紧的状态;另一种是放松的状态,拍摄出两种状态下身体各部位的变化,来进行分析。
2.2 分析法
以拉丁舞技术理论与生物力学原理为依据,对拉丁舞中旋转的动作特性与要点进行分析与评价。运用生物力学中的基本原理对拉丁舞旋转过程中身体的发力、外部的阻力进行理论分析。
3 研究对象与方法
3.1 研究对象
研究对象:个体,年龄:23岁,性别:女,数量:1,特征:身高167体重50 kg。
3.2 研究方法
(1)文献资料法。
在中国知网、高校图书馆等网站收集和阅读拉丁舞和生物力学等学科知识书籍,并对相关文献资料与学科知识进行归纳整理,为本题的研究提够了一定技术路线和思维方式。
(2)录像资料法。
通过观看乔安娜旋转视频和拉丁舞旋转技巧视频,更直观的了解和学习拉丁舞的旋转和观察生物力学在旋转中的应用。麦克尔·乔安娜-日本表演恰恰舞(连续33个旋转)-专辑:黑池冠军麦克尔·乔安娜拉丁舞拉丁舞教学拉丁技巧旋转。
(3)实验法。
通过实验来研究生物力学对旋转的影响,以个体为单位进行试验,如图1所示(以左转为例),下面六张图片是同一位同学在旋转时拍摄的分解动作,通过对分解动作的拍摄更直观的看出身体各部位在处于何种状态时更便于旋转,分别对两种状态进行分析。
首先来看一下图1,左转时的起始动作是左腿往自己正前方出腿,左脚绷脚背,膝盖绷直,腿部收紧,膝盖绷直,大腿内侧夹紧,臀部收紧,收腹,切记不能塌腰,肩膀下压,胳膊肘抬起来。整个身体的状态是收紧的。
图2为左转旋转到180°时拍摄的,在这个时候脚跟是离开地面的,只有脚掌在地面,减小了旋转时的阻力,脚跟是并拢的,两条腿也是并拢的,膝盖绷直,大腿内侧夹紧,臀部收紧,收腹,切记不能塌腰,肩膀下压,胳膊肘抬起来。这个时候的身体状态是这个样子的。
图3为左转旋转到360°,也就是旋转一圈结束时的状态,跟图2的身体状态差不多,脚跟是离开地面的,只有脚掌在地面,减小了旋转时的阻力,脚跟是并拢的,两条腿也是并拢的,膝盖绷直,大腿内侧夹紧,臀部收紧,收腹,切记不能塌腰,肩膀下压,胳膊肘抬起来。跟图2只是方向相反。
综合以上3张图片可以看出,在拉丁舞旋转中旋转一圈身体都要处于收紧的状态,因为拉丁舞多要求舞者的爆发力,旋转是爆发力的体现之一,如果整个身体收不紧,无法完成多圈旋转,就连转一圈都是问题。从下往上身体的状态是这样的,脚跟不能着地,整个过程除了起始没有落跟的过程,两条腿是收紧的,膝盖是绷直的,大腿内侧夹紧,步子不要大,大了会影响旋转的速度,而且两条腿大腿内侧容易收不紧,臀部收紧,收腹,切记不能塌腰,肩膀下压,胳膊肘抬起来,脖子也要立直,旋转时配合手臂的挥摆和留头甩头,才能高质量的完成旋转动作。
左转的起始动作,与图1动作一致。直观地看身体状态为左脚没有绷脚背,两条腿没有收紧,大腿内侧没有夹紧,腹部没有收紧,上身比较松弛,感觉整个人松松垮垮的,也没有练拉丁的精气神。
旋转到180°时的身体状态,与图2动作一致,但身体状态大有不同。这是可以明显的看出脚跟是在地面上的,这是旋转最忌讳的,而且女生的拉丁鞋是高跟鞋,如果脚跟落地就更不利于旋转,这时的身体状态也是放松的,腿部肌肉没有收紧,腹部也没有收紧,破坏了身体与地面的垂直。
旋转到360°也就是旋转一周即将结束时的动作,与图3动作一致,身体状态也不同。动作和身体状态大致一致,但方向不同,脚跟也是落地的,身体同样没有收紧,松松垮垮的,不利于接下来连续旋转。
综合可以看出旋转时脚跟不能落地,包括拉丁旋转在内的所有旋转都是靠脚掌进行的,这样可以减轻脚掌与地面的摩擦力,利于旋转的速度和圈数,两条腿是收紧绷直的,大腿内侧一定要加紧,臀部收紧,收腹等,如果像以上这三种状态下进行旋转是很难进行的。
4 生物力学相关知识
4.1 生物力学定义界定:
生物力学(biomechanics)一般是指应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究。其研究范围从有从整体出发进行研究,如生物系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等),有从局部进行研究的,如从鸟飞、鱼游、鞭毛到植物体液输运等。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。
运动生物力学是一项研究人体运动的学科。它涉及动力学、运动学、静力学以及解剖学、生理学等理论,是一门开展得比较早、比较深入的学科之一。
4.2 生物力学原理在体育舞蹈中的应用
(1)运动学原理在体育舞蹈中的应用。
运动学是一门研究人体的科学,它是研究空间和时间变化规律的一门科学。有定性和定量两方面,但不涉及人体运动的机理和原理。拉丁舞的技术动作具备三种特性:第一是运动的时,第二是二是空间,三是时空特性。通过生物力学方法的运动来探究舞蹈技术动作,就是从时间和空间的特征方面来描述拉丁舞运动中身体或身体各环节的运动状态、轨迹及其变化。
(2)动力学原理在体育舞蹈中的应用。
牛顿力学认为任何物体发生运动或运动速度发生变化都是在力的作用下完成的。力是改变物体(人体)运动状态的根本原因。因此,要想研究运动的力学特征,就必须了解并揭示动作都是内力和外力协调整理作用的结果,归纳起来,体育舞蹈中的力源于三个方面:一是舞者自身的肌肉(即内力)在起主导作,如伦巴、恰恰中肩部、髋部、手臂的摆动等等都是在内力的作用下实现的;二是舞者通过舞鞋向地板施压,继而获得地板的反作用力,使身体的幅度和运动的速度相应的增加;三是源于舞伴之间的相互作用力,在两者的共同作用下构成复杂的舞蹈技术动作。
(3)转动学原理在体育舞蹈中的应用。
在运动时,,我们人体的走,跑、跳等动作的转动大多都是考各个环节的转动来完成的。因此,人体环节的转动是整个运动的基础。拉丁舞中的转胯和反身动作都是遵守这一原则的。由此可见,转动动作在拉丁舞中广泛被应用。
4.3 运动生物力学研究方法在体育舞蹈中的应用研究
从研究方法划分来讲,运动力学理论和实验研究方法是研究运动人体的两大方法。在研究中,两种方法一般都是相辅相成、相互统一的运用。
5 研究的结果与分析
从生物力学角度,在平面旋转的拉丁舞的顺利完成,取得了很好的效果,我们必须把握从开始和停止旋转,三个环节的连续旋转,和身体各部分协调进行考虑。在身体协调的大前提下,头部与身体的瞬间转动关系、手臂以及腰臀胯等协调出力也是至关重要。
第一,运动时,头在身体的旋转中起着非常重要的作用。在拉丁舞的旋转中,头部的作用不仅仅是产生优美的线条,还起着维持平衡和带动身体转动的作用。在旋转过程中,眼睛应该定一个点看,然后留头甩头,头部跟随身体转动360度且视线瞬间回到原来的定点上。
第二,一方面,应遵循芭蕾两手臂摆动身体舞蹈的原则,整个身体的旋转会起到支撑作用;另一方面,同时摆臂时,应增加身体的重力中心,人体的重心高,旋转速度更快。
第三,拉丁舞的舞者必须保持轴垂直,脊柱的生理曲线的“S”形保持一条直线,收紧腹部,中断,臀部夹紧,尾椎骨保持中间板。只有中段收紧了才能保证旋转时的速度和质量。
第四,腿部力量也很重要,两条腿必须是绷直的,大腿内侧必须夹紧,膝盖绷直但要灵活,只有力量集中了,在旋转时才能做到快,准,稳。
参考文献
[1].(美)努森著.生物力学基础[M].2版.钟亚美,胡卫红,译.北京:人民体育出版社,2012.
[2]姜宗来,樊瑜波.生物力学[M].科学出版社,2010.
[3]王军.运动生物力学基础[M].武汉:中国地质大学出版社,2011.
[4]李世明.运动生物力学理论与方法[M].北京:科学出版社,2006.
[5]翟林.体育舞蹈教程[M].云南:云南科技出版社,2002.
[6]肖梅梅.舞蹈教学中的旋转训练[J].黑龙江科技信息,2008(18):206.
[7]王冬月,王凡,孙梅芳.古典芭蕾的训练体系在体育舞蹈训练中的应用[J].郑州铁路职业技术学院学报,2007(3):62-64.
[8]孔丽丽.浅谈体育舞蹈中拉丁舞的基础教学[J].贵州体育科技,2004(3):77-78.
力学角度 篇3
当工作面从开切眼沿走向向前推进后, 其上面的顶板岩层随着工作面的放顶必然会出现岩层接近采空区的部分开始垮落、垮落层上面的没能落下的岩石在应力作用下出现裂缝、在裂缝的岩层上面的岩层出现弯曲下沉三种情况。从科学角度看, 工作面中的支护的作用应能支撑住垮落带岩层的重量, 综采液压支架或单体液压支柱的可缩量应能适应岩层的裂缝下沉作用。
通过长期的井下现场实践, 直接顶的岩石厚度比3倍采高大或者和3倍采高相等时, 老塘中只要冒下的直接顶岩石等于3倍采高厚时, 采煤工作面上部的老顶或直接顶岩层已开始出现裂缝, 形成裂隙带。
如果直接顶的厚度比3倍采高小时, 则它上面的老顶可能出现以下两种情况:
(1) 如果直接顶上面的岩石分层厚度超过6m的老顶。工作面开采后, 其也会断开被破坏, 因块大, 之间挤压力大容易被压实, 下降量少, 由于直接顶岩层块大互相挤压上降量少和老顶岩石有一个自由空间;如果工作面沿走向推进到一定距离后, 老顶达到极限垮落步距必将大范围垮落, 必然产生撞击和暴风, 危险性大。这种老顶可定为厚度大不容易冒落顶板。
(2) 如果直接顶上面的岩石分层厚度不超过6m的老顶。当工作面开采后, 其也会断开, 转动下沉, 下沉落到浮矸上, 整个变化过程中, 老顶断块间从开始到结束不失水平方向力的互相制约, 并且能形成平衡结构, 即这类老顶已进入裂隙带。如果这个过程中断块间没有水平力的联系, 不能形成平衡, 那么老顶是在垮落带里。
关于煤层被采动后其上覆顶板岩层会出现垮落和裂隙现象, 我从长期的生产实践中总结出来的规律看出, 老顶岩层的高度如果只比其下面自由空间高度大一点点时, 是形成不了裂隙带的, 老顶岩层的高度要比自由空间高度超过1.5m-2.0m, 这样才能形成稳定的平衡结构, 才能产生裂隙带。我们可以用下面数学关系式来判别是否进入裂隙带。
如果Hⅰ是裂隙带中的第ⅰ层老顶的高度, 则:
式中:Hⅰ———第ⅰ层老顶的分层厚度, m;
M———煤层采高;
k———老顶及其附加岩层的碎胀系数, 建议取1.1;
h———直接顶岩层厚度m;
a———直接顶岩层的碎胀系数, 建议取1.33。
这个数学关系式从顶板最底下到上面能判断出各个老顶分层, 很容易判别出处在哪个带中。
对难冒落的老顶和比较容易冒落的老顶要用不同的方法去处理。难冒落的要采取打眼放炮方法处理, 用炮崩落实现人工强制落顶, 消除隐患。实现安全生产。
对垮落带老顶, 要用以下措施解决:
(1) 如果直接顶高度比1倍采高大时, 可以对老顶的断裂块采用支撑的措施。生产实践过程看, 厚1.5m的老顶, 块度长6m左右;2m厚的, 岩块长度10m左右;厚2.5m的老顶, 块度大小在长14m左右。用增加切顶支柱的办法解决这个问题, 是因为老顶断裂是在工作面煤壁里切断, 随着采煤工作面的向前推进, 老顶断裂线进入采煤工作面上方, 必须增加切顶支柱来支撑断裂的老顶。
(2) 当直接顶厚度比1倍采高小时, 有时煤层直接和老顶接触, 可考虑沿切顶线直接切断的方式, 为此, 必须使老顶岩梁在切顶线处处于固支条件, 同时所采用的支柱必须能支得住断裂的老顶的重量。为了使老顶岩梁正好在切顶线处形成固支条件, 要求从以下两个方面做起: (1) 工作面切顶支柱的初撑力能平衡工作面上方垮落的岩石的重量, 切顶液压支柱初撑力能支住最大悬顶距时老塘上方垮落带岩层的重量。 (2) 工作面切顶液压支柱的初撑力与切顶支柱初撑力所形成的反力矩应能支住岩梁由重量所产生的力矩。当选择用大初撑力的单体液压支柱, 尤其是选择初撑力大的切顶支柱时, 完全能沿切顶线切断垮落带老顶, 从而实现安全生产。
摘要：煤层顶板分为伪顶, 直接顶, 老顶。伪顶较薄厚度在0.1m0.2m;开采后很容易冒落;而直接顶开采后也容易冒落;老顶很厚且岩石坚硬开采后很难冒落。因此必须掌握老顶的活动规律, 采取针对性的措施, 才能控制和管理好顶板实现安全生产。
关键词：老顶类别及控制,岩石地质力学
参考文献
力学角度 篇4
人膝关节外侧副韧带(lateral collateral ligament,LCL),由于其位置较深,很少单独发生损伤[1],并发前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)损伤相对常见,发生率为1.1%[2]。但是LCL是人膝关节侧方稳定的重要结构,ACL损伤后其代偿作用很重要[3],它的损伤也会影响膝关节的稳定性。LCL的损伤机制和诊治一直是人们争论的热点之一,其相关的运动力学研究却较少报道。本实验采用人膝关节标本在体外模拟膝关节运动,通过压力感受器测量[4,5]LCL的应变值旨在观察不同角度时LCL的应变变化,为更加清楚的了解LCL的损伤机制和选择诊治时提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
自愿捐献的新鲜成年男性正常膝关节标本,共6具。死者均为健康青壮年,年龄26岁~35岁,平均年龄31.4岁。标本均为非对称性,左、右膝关节各3侧。取材时间均在死亡后1 h内。取材范围包括膝关节远、近端各20 cm,保留同等长度腓骨。标本皮肤完好,肉眼及X线观察以排除标本畸形、退行性变及骨折、肿瘤和明显骨质疏松,多种检查方法排除韧带和半月板的损伤。离体1 h内用生理盐水纱布包裹于标本,双层塑料袋密封后置–70℃深低温冰箱冷冻保存。标本冷冻保存时间小于3个月。
1.2 实验仪器与设备
CSS-88100电子万能试验机(长春试验机研究所)DH3818静态应变测试仪(江苏东华测试技术公司),感受器电阻应变片(敏感栅尺寸1 mm×1 mm,浙江黄岩测试仪器厂)及我们自行设计、制作的运动夹具[6]。
1.3 试验流程
实验前48 h取出标本置4℃冰箱中解冻24 h,再室温下解冻24 h。将标本的股骨端固定于夹具上,钢丝编织并固定股四头肌;腓胫骨端通过夹具的固定端固定在电子万能试验机的力学加载轴上,通过夹具两端的夹角来选择不同角度。行髌旁外侧纵形切口(长约5 cm),显露LCL,尽量不破坏关节囊。清除韧带表面黏膜,感受器应变片内电阻丝方向与韧带受力方向一致贴于LCL腓骨止点表面。首先于测试前行温、湿度补偿及消除韧带蠕变(多次加卸载20次)后通过试验机匀速加载400N轴向载荷,分别在屈膝0°、30°、60°及90°位测定LCL承受的应变。
1.4 统计方法
采用SPSS 13.0 for windows进行统计学分析,检验水准α=0.05。应变采用均数±标准差(±s)表示,分别行多样本组间两两比较的SNK-q检验。
2 结果
外侧副韧带所承受的应变在屈膝0°、30°、60°及90°时分别为:(0.0±1.6)με,(-17.3±8.6)με,(-24.0±4.8)με及(26.5±4.7)με。在屈膝30°和60°时应变值无明显差异(P>0.05),0°和90°时应变值明显改变,差异均有统计学意义(P<0.05)(拉应变:“+”压应变:“-”)。
图1所示,LCL所受应变数值在屈膝0°至90°过程中先减小后增大,在屈膝60°位是其临界点。表示LCL先松弛后逐渐变为紧张。
3 讨论
应力(stress)是指某单位面积内部对施加外负荷后形成的负荷,即施加于局部力的强度形成的单位面积的内力。应力的大小取决于力的强度与受力区域截面面积之比,即:外力/受力截面面积=应力。应变(strain)指某一物体在负荷状态下形变量与原尺寸之比。韧带的应变系指负荷状态下纤维长度与原长度变化的百分比。弹性材料在弹性畸变的范围内,应变与应力的增加呈线性增加[7]。韧带属于黏弹性体,应力-应变曲线并非完全呈线性,但在生理负荷下处于其曲线的前段,主要处于线性区。在该范围内,韧带的胶原纤维完全伸直并与载荷方向一致,此时应力-应变曲线呈线性[8]。本实验对韧带的生物力学的研究是在其生理负荷的范围内,因此对韧带的应变情况的观察可以直接了解韧带的受力情况且进行量化分析。
本实验采取体外模拟膝关节运动[9,10]及SANG[11]的方法,将膝关节固定于自制夹具上,通过夹具选择不同角度,应用电子试验机轴向加载负荷模拟成人日常活动中膝关节的正常受力,通过压力感受器测量LCL的应变值。在LCL腓骨止点应变测量部位部分软组织,将LCL表面拭干,贴感受器应变片。这是因为LCL断裂部位最常见的是腓骨止点[12,13],同时减少湿度干扰模拟临床LCL损伤的实际情况。采用自行设计、制造的夹具可对抗轴向载荷对屈曲位标本远端产生的后移力,从而获得各角度加载下的前向载荷,且同时有一定的旋转角度。本夹具有以下特点:(1)设计前提为夹具不影响实验标本在3面6自由度的活动,尽可能保证膝关节在各运动角度受力状态下的生理运动。(2)由3部分组成,分别为胫骨固定端(具有锁定孔和牵引孔,牵引孔可固定断裂的股四头肌腱)、股骨固定端(具有内、外旋控制)、基座(具有外翻角、屈伸角控制,可提供胫骨前移力)。实验中的载荷确定是根据:LCL极限抗张力强度接近800N左右[14,15],日常活动中,LCL最大应力均小于极限应力,一般为极限应力0.0%~44%[16],所以选取400N作为载荷。实验中屈曲角度也是模拟日常生活中的角度变化:0°~90°。BULL[17]等人研究发现在屈膝运动过程中,外侧副韧带的作用是阻止限制膝关节外侧关节间室过度增宽(胫骨内翻)和胫骨外旋的结构,在韧带拉伸试验中,参与对抗的韧带纤维数量逐渐增加,纤维排列改变形成初始的无张力或低张力区域,此后当更多的纤维参与对抗张力,应力水平增高,呈紧张状态[18]。本研究结果证实,屈膝运动过程中LCL在膝0°位无应变,在30°、60°位为压应变,两者无统计学意义,在屈膝90°位LCL所受拉伸应变最大。说明屈膝90°过程中,LCL先逐渐松弛后又逐渐紧张。在屈膝0°时,LCL应变约为0με,可能是LCL松弛和紧张的平衡点,与膝关节伸直时“扣锁机制”的存在有关,此时胫骨稍有外旋,股胫关节面吻合程度最大,两侧关节间室基本等宽,膝关节各结构包括LCL处于相对稳定状态。当膝关节开始屈曲时,STIEHL等[19]研究发现,滚动和滑动运动同时存在,并伴有股胫关节的后脱位,以外侧关节间室的股胫关节后脱位要大一些。膝关节屈伸过程中内外侧关节间室的不对称运动,使得膝关节屈曲角度增大时,胫骨相对于股骨内旋。本研究也证实了膝关节开始屈曲后,LCL所受应变为负值,呈松弛状态。WRETENBERG等[20]发现:当屈膝角度增大至约60°时,股胫关节的接触点,稍向前方,上方移动。比较内外侧关节间室的运动,在外侧关节间室可以看到一定度的脱位,胫骨相对于股骨内旋。GEORGOULIS等[21]发现,膝关节屈曲约60°时,胫骨内旋平均4.8°,以后随着屈膝角度增大而内旋的角度逐渐减小,屈曲60°时,股骨后滚的平均值增大到18.5 mm,胫骨内移2.5 mm。内侧关节间室的股胫关节接触面积从最初的374 mm降至屈曲60°时的308 mm,而外侧关节间室的接触面积没有发生明显的变化。屈曲到90°时外侧关节间室相对增大了许多。本研究结果表明WRETENBERG等[20]和GEORGOULIS等[21]发现的在屈膝0°~60°时,LCL逐渐松弛,在30°、60°位为压应变,两者无明显差别,但在屈膝60°位时达到临界点,可能与胫骨内旋也逐渐达到最大值有关。但是也有些学者[5]研究后认为在屈膝30°、60°位时LCL是逐渐紧张的;而另一些学者[22,23]在进行静态测试研究后又认为,在膝关节屈膝过程中随着屈膝角度的增加LCL是逐渐松弛的,这些差别考虑是受试验方法、标本的状态、使用仪器及模拟情况等不同有关。当膝关节屈曲角度增大超过60°时:内旋的角度逐渐减小,外侧关节间室相对增大有关,这时LCL紧张,开始发挥控制作用。本研究也证实,屈膝90°位LCL最紧张,还可能与LCL有阻制外侧关节间室继续增大而发生继发损伤的作用有关,这种作用实际上是LCL限制膝关节过度内翻的功能体现。实际上,内、外侧关节间室的不对称运动是屈膝过程中LCL应变变化的始动因素,起重要作用。它从屈膝开始就一直伴随,随着屈膝角度的增加,在屈膝达到60°以前主要表现为引起胫骨相对内旋,LCL松弛;屈膝超过60°以后主要表现为外侧关节间室增大,膝关节呈内翻状态,LCL紧张。外侧关节间室中胫骨平台后方成斜坡状的特点是这种现象的解剖学基础[20]。
总之,本试验量化了不同角度下外侧副韧带应变变化的关系。结果表明,屈膝过程中,外侧副韧带在伸直时,膝关节处于“扣锁”状态;在屈膝90°位时,外侧副韧带最紧张,处于易受损伤的高危状态。为更加清楚的了解LCL的损伤机制和选择诊治时提供理论依据。
力学角度 篇5
随着人们经济状况的改善、生活水平的提高和医药科技的进步, 人们的平均寿命明显延长, 社会老龄化的程度越来越明显。相对青壮年, 人到老年, 身体各系统、器官及组织的生理功能明显衰退, 所以, 老年人患病的几率明显提高, 与之相应的, 老年人用药的几率也相应提高, 年龄引起生理功能的改变, 又直接影响药物的作用。俗话说:“是药三分毒。”使用任何药物, 都需要肝、肾等器官对其进行分解处理, 这无疑会加重相应器官的负担, 甚至对器官功能造成损害。所以, 不同年龄段的老年人更应明确自身的生理特点, 以此为基础, 合理选择、使用药物, 方能达到防病治病的目的。本文就老年人的生理特点, 从药物代谢动力学角度, 对老年人药物治疗的原则进行论述。
1 老年人生理特点
1.1 消化系统功能改变
牙齿脱落或出现明显的磨损, 以致影响对食物的咀嚼和消化。舌乳头上的味蕾数目减少, 使味觉降低, 以致影响食欲。胃黏膜萎缩、运动功能减退, 胃排空时间延长, 消化道运动能力降低, 尤其是肠蠕动减弱, 易导致消化不良及便秘。消化腺体萎缩, 消化液分泌量减少, 消化能力下降 (肝血流量65岁以后下降40%左右) 。胰岛素分泌减少, 对葡萄糖的耐量减退。
1.2 心血管系统功能改变
心输出量降低、心搏出量减少 (65岁老年人较25岁年轻人减少30%~40%) ;动、静脉血管弹性降低, 血压逐渐升高, 导致脑、肝、肾及冠状动脉血流量减少。
1.3 呼吸系统功能改变
肺组织硬化, 肋软骨钙化, 肺活量降低25%, 残气量升高50%, 导致免疫功能下降, 易发生肺部感染。血流速度减慢, 毛细血管数量减少, 组织细胞功能减退及细胞膜通透性的改变, 使细胞呼吸作用下降, 对氧的利用率下降。
1.4 泌尿系统功能改变
老年人肾脏的肾单元随年龄的增大而减少, 肾小球滤过率及肾血流量均减少50%左右。80岁以上老年人肾单元仅为青年人的1/3, 肌酐清除率降至青壮年的1/3以下, 导致废物的肾排泄减少。
1.5 内分泌系统功能改变
性激素等很多激素分泌水平显著下降, 对糖皮质激素的反应性降低。
2 老年人药物代谢动力学特点
2.1 药物吸收
药物吸收速率和程度与给药途径、药物剂型、药物的理化性质及机体的内环境有关。口服药由于各种因素的干扰, 不可能百分之百被吸收进入体循环;而静脉给药可以完全被吸收。老年人胃肠液酸度的降低直接影响一些弱酸、弱碱性药物的解离, 进而影响药物的吸收;胃排空速度的减慢使药物进入小肠时间延迟, 药物吸收速率降低;胃肠平滑肌、阔约肌张力降低使胃肠蠕动减慢, 加之老年人易便秘, 使药物在肠道吸收量增加;肝血流量减少使部分药物“首过消除”作用减弱, 易发生不良反应。
2.2 药物分布
药物被转运到机体各部位的过程, 随衰老程度而改变。药物在老年人体内的分布容积比青年人小。老年人细胞含水量降低、体内脂肪比例增加, 使脂溶性药物分布容积增大, 血药浓度降低, 半衰期延长;水溶性药物分布容积减小, 血药浓度升高。老年人血浆蛋白含量下降, 药物血浆蛋白结合率降低, 部分药物血药浓度升高, 药效增强, 易发生毒性反应。尤其是老年女性, 脂肪增加比男性明显。因此, 老年人的药物分布与性别有很大关系。所以, 老年人用药剂量和次数均应少于青壮年。
2.3 药物代谢
药物代谢是指药物在肝脏内经酶的作用而生成代谢物。肝脏是药物代谢的主要器官, 随着年龄的增长, 肝脏重量也逐渐减轻。60岁以上的老年人肝脏重量约为体重的1.6% (青年人占体重的2.5%) ;肝血流量也随年龄增长而减少, 60岁以上的老年人肝血流量可下降45%, 肝脏微粒体酶的活动迟缓和延长, 使药物作用效应延长, 经肝代谢的药物分解减慢, 易导致药物蓄积中毒。
2.4 药物排泄
肾脏是药物清除 (排泄) 的重要器官。随着年龄的增长, 功能性肾单位数目进行性减少, 肾血流量逐渐减少。通过肾脏清除的药物, 随着年龄的增长, 其半衰期 (药物的浓度) 清除降到原来浓度的50%所需时间进行性延长。肾功能的逐渐衰退使主要经肾脏排泄的药物 (如磺胺甲唑、庆大霉素、达美康等) 的排泄速度减慢, 血药浓度上升, 易发生毒性反应。此外, 老年人饮水量少也不利于药物排泄。老年人蛋白质摄入量减少, 尿易呈碱性, 使碱性药物 (如氨茶碱、抗酸药等) 在碱性尿液中容易再吸收, 这些因素都可提高某些药物在血浆中的浓度, 并使半衰期延长, 从而造成药物的蓄积中毒。
2.5 药物耐受性
老年人对药物耐受性降低, 女性比男性更明显。通常单用或少量药物配合使用时, 老年人一般可以耐受, 但当许多药物联合使用又不减量时, 易出现不良反应及胃肠道症状。
3 老年人用药的一般原则
由于老年人药物代谢动力学发生改变, 可使血药浓度保持较高水平, 不良反应增加, 加之生理功能的减弱, 免疫功能下降, 所以更易发生药物不良反应。因此, 老年人应少用或不用药物。也就是说, 老年人确实需要药物治疗时, 应根据自身的年龄、性别、各器官功能特点、疾病的轻重缓急等, 选择对症且副作用小的药物。如需联合用药时, 要在医师或药师指导下, 合理选择药物搭配, 在保证治疗的前提下尽量减少用药种类。临床经验证明, 用药种类越少, 毒副作用发生率就越低;药物不良反应的发生率随用药种类增加而增加, 若用1种药物有效, 就勿需用2种药, 以免发生不必要的相互作用。如抗生素的联合应用, 一般不应超过2~3种。老年人往往患有多种疾病, 联合用药应保持警惕, 在患有高血压等心血管疾病及肝、肾功能不全时, 尤其应注意。老年人应根据药物性质选择适合的剂量, 应坚持的原则是用适当的用量获得最大的药效, 以争取副作用最小。一般药物应用时应以最低有效量 (或小剂量) 开始, 尤其对体质较弱、病情较重的病人切不可随意加药。对于急症病人, 开始用量可能较大, 一旦病情稳定应及时减量或停药。确定老年人的用药剂量是给药原则中值得重视的问题。药物的疗效或副作用是根据药量决定的, 老年人用药剂量一般控制在成人量的1/2~3/4, 注意用常用剂量获得可靠的疗效, 切不可药量过大, 品种过多。临床上由于药量和药种多而使老年病人急性中毒或慢性潜在性药物蓄积中毒屡见不鲜。老年人用药剂量个体差异很大, 同龄老年人的药物剂量可相差数倍之多。因此, 老年人给药方案应个体化, 有条件时应进行治疗药物监测 (TDM) 。另外, 老年人神经系统功能衰退, 记忆力明显减退, 尤其患有老年痴呆症的病人, 往往不能按时服药, 鉴于此, 老年人最好选择血药浓度平稳, 服用次数少的缓、控释制剂。许多药源性疾病往往是由于用药时间过长或剂量过大所致, 因此, 当病情好转或经治疗获得疗效时, 应及时停药或减量。老年病人长期用药要定期随访, 掌握影响药物疗效的各种因素, 找到未能取得预期疗效的原因, 发现不良反应时, 应及早处理。应用对骨髓、肝、肾等有损害的药物时, 还应定期检查, 以便早期发现毒性反应。总之, 老年人进行药物治疗应做到处方简单, 药量小而适当, 尽量缩短服药期, 慎防副作用的发生。
摘要：根据老年人的生理特点, 从药物代谢动力学角度出发, 阐述老年人药物代谢动力学特点及用药的一般原则。
力学角度 篇6
神经肌肉疾病患者发生的呼吸衰竭分为两种形式:肺衰竭和泵衰竭。肺衰竭以肺内分流障碍所导致的低氧血症为主要表现,可伴或不伴有死腔过大所致的高碳酸血症。泵衰竭所致的呼吸衰竭则以高碳酸血症为主要表现,其原因可归结为呼吸中枢抑制、呼吸泵的机械性缺损以及呼吸肌疲劳(图1)[1]。
2 肺衰竭
继发于呼吸道误吸而反复发作的肺炎,是神经肌肉疾病患者肺衰竭常见的原因。神经肌肉疾病常影响吞咽功能,导致喉上方的误吸。此外,神经肌肉疾病患者若发生胃食管反流,也会导致喉下方误吸。吞咽过程中,咽喉部菌群随着被误吸的唾液、食物、胃内容物进入肺内,对气道进行直接的化学刺激,导致肺炎反复发生,最终导致支气管扩张和肺纤维化。因此,呼吸衰竭是导致神经肌肉疾病患者过早死亡最常见的原因。
3 泵衰竭
呼吸泵的功能是克服肺及胸壁的弹性和非弹性阻力,将空气吸入肺内,其功能衰竭常见于呼吸肌无力或疲劳。在呼吸泵运转过程中,负荷增大也可以导致泵衰竭或者呼吸衰竭(图2)[2]。分别考虑影响呼吸负荷的各种因素以及影响呼吸泵功能的各种因素对疾病的诊疗有很大意义。
3.1 增加呼吸负荷的各种因素
肺顺应性下降,改变肺容量所需的压力增加,成为对抗呼吸泵的一个重要负荷来源。研究证明,肺顺应性较低,其原因众多,反复误吸导致的肺纤维化是其中之一。在肺通气量一定的情况下,由于肺顺应性下降,呼吸泵为克服肺的弹性阻力所做的功是增加的。
再者,胸壁本身可以使肺顺应性下降,导致呼吸泵做功增加。研究发现,神经肌肉疾病的成人患者,肋骨框架顺应性大大减低,腹部顺应性轻度增加[3],其净效应是胸壁顺应性减低。
另外,由于上呼吸道更容易塌陷,所以为克服非弹性阻力所做功也增加。在生理状况下,吸气时上呼吸道肌肉通过收缩来对抗,使气道塌陷的Bernoulli力,神经肌肉疾病患者由于上呼吸道肌肉张力减低,吸气相容易发生显著气道阻塞[4],在气道形成压力为负的吸气相,这种情况尤为严重,呼吸泵消耗很多能量克服这些弹性和非弹性阻力,为呼吸肌疲劳埋下了隐患。
3.2 影响呼吸泵功能的各种因素
3.2.1 正常呼吸泵
除上述增加呼吸负荷的各种因素外,神经肌肉疾病患者通常存在呼吸肌肌力下降,从而导致呼吸泵功能减弱。无论婴儿还是成人,膈肌都是最主要的吸气肌,普遍认为膈肌的作用如同活塞,可以减低胸腔内的压力,驱使空气进入肺内。膈肌还有两个重要作用:一是膈肌收缩增加腹腔内压力,增加骨性胸腔下部的横径;二是膈肌与其附着的肋骨也有相互作用,膈肌收缩对下部肋骨产生垂直向上的力,使肋骨向外运动,增加骨性胸腔下部横径。肋间外肌也是辅助吸气肌但其通常在运动时或呼吸功需求增大时起作用,正常安静潮气呼吸状态下活动很少。
3.2.2 神经肌肉疾病患者呼吸肌的力学缺陷
呼吸肌的肌力减弱和效能下降导致矛盾呼吸,即胸腹呼吸运动不同步。正常情况下,吸气时胸腔和腹腔都向外运动,而神经肌肉疾病患者吸气时腹部向外运动而胸腔向内,反之亦然。可以应用这种矛盾运动来判别受损的主要肌群。吸气时腹部向外运动而胸腔向内,表明肋间肌肌力受损;反之,如果吸气时腹部向内运动而胸腔向外,则表明膈肌肌力受损[5]。虽然不同原因导致的矛盾呼吸运动在外部表现上差异不大,但是仔细观察各个呼吸时相胸腔和腹腔的运动方向,可以清楚地判断膈肌或肋间肌肌力下降。
3.2.3 神经肌肉疾病患者呼吸功能评价
呼吸功能可以通过标准肺功能测试、短促呼气能力以及呼吸肌功能(特别是呼吸肌张力和疲劳状况)来评估,后者可以用时间张力指数来评价。
时间张力指数测定是反映呼吸肌是否处于疲劳状态的便捷方法。呼吸肌疲劳是指在持续的呼吸负荷下,呼吸肌不能维持正常需求的收缩力。时间张力指数是一个无量纲数,能够反映呼吸肌的疲劳状况。一般而言,作为膈肌最大张力的函数,膈肌压力越大就越有可能处于疲劳状态。Ramonatxo等[6]提出计算呼吸肌时间张力指数,将吸气肌作为一个整体,计算方法和膈肌时间张力指数类似。神经肌肉疾病患者的呼吸肌时间张力指数增大,提示呼吸肌更趋于疲劳状态。
4 对治疗的意义
上述因素对气道粘液处理、呼吸肌锻炼和辅助呼吸等治疗手段有重要的指导意义。由于神经肌肉疾病患者呼吸肌肌力减低,咳嗽峰流速降低,插管就成为了治疗过程中的重要器械。这些器械以正负交替的压力辅助患者吸排出气体以及诱发咳嗽。
研究显示,呼吸肌锻炼对重症肌无力患者[7]和杜氏肌营养不良患者[8]最大吸气压力有改善作用。在一段时间的锻炼后,重症肌无力患者最大吸气压和最大呼气压均增加[9]。另外,呼吸肌锻炼可以减轻重症肌无力患者呼吸困难的Borg直观模拟标尺。这些增强呼吸肌肌力的手段是否能够减少这些患者的疲劳感、降低死亡率,还有待进一步研究。
一些研究表明,甾体类激素(如泼尼松、地夫可特)可以改善DMD患者呼吸肌功能。研究发现,糖皮质激素对DMD患者周围肌力和离床活动时间均有改善作用,患者经皮质激素治疗后呼吸肌力,自主呼气流速及咳嗽峰流速均有改善。另外,皮质激素还可以减缓肺功能的衰退,延迟呼吸机的使用,改善胸锁乳突肌的MRI表现[10]。
无创和有创夜间机械通气,可用于神经肌肉疾病患者呼吸肌疲劳的治疗。夜间通气可以减轻患者昼间高碳酸血症、乏力、呼吸困难、晨起头痛、嗜睡等症状和体征[11]。夜间通气有一种结转效应,达到低PCO2的患者通常在第二天保持较低的PCO2。出现这一情况的原因可能有两个:一是呼吸肌在夜间通气后得到了较好的休息,次日可以发挥更好的通气作用;二是夜间二氧化碳分压下降使得肾脏排出更多的碳酸氢盐,代谢性碱中毒减轻,呼吸控制中枢的调定点下降。夜间通气及激励通气,可以通过增加潮气量防止肋椎关节挛缩,从而改善胸廓的顺应性,显著降低神经肌肉疾病患者呼吸系统并发症的患病率[12]。
神经肌肉疾病患者有时用一些有趣的方法来辅助呼吸,从而减少呼吸功。例如,所谓的“划船”现象,即反复摇摆接触轮椅的安全带,限下法”,即呼气使残气量低于功能残气量,利用胸廓的反弹力辅助下次吸气,从而减少呼吸做功。
对于神经肌肉疾病患者,如何深入地理解和测量其呼吸力学数据,并利用这些知识改善通气策略,还有很多工作要做。对于儿童患者,呼吸泵功能、力学功能、呼吸控制和呼吸机疲劳评价方法的改良尤为重要。长期机械通气对肺和胸壁功能的影响,也需要进一步探讨。呼吸肌锻炼的作用仍需进一步研究,尤其对于儿童患者。复合呼吸肌锻炼对呼吸肌力的增强作用和休息疗法,对呼吸肌疲劳的作用也需深入评估。最后,呼吸肌疲劳的细胞和分子基础需要进一步阐明,这一点对于开发更好的物理疗法和药物疗法具有重要的指导意义。
摘要：神经肌肉疾病损害自身气体交换能力和呼吸动力,这对患者呼吸系统的生长发育、发病率、死亡率有显著影响。其中较为常见的并发症是吸入性疾病,随着发展可以导致限制性肺疾病,肺和胸壁力学功能的异常及呼吸肌力减弱,甚至可以导致呼吸衰竭。改善呼吸功能(如减低呼吸负荷)和呼吸泵功能(增加呼吸肌力,减少呼吸肌疲劳等),并使两者功能达到平衡可以预防呼吸衰竭的发生。保证呼吸道通畅和无创通气是达到上述目的的两个重要手段。所以,如何用更好的方法评估患者呼吸系统泵功能、力学功能、控制功能和肌肉疲劳程度显得尤为必要,本文将对这些问题进行阐述。