角膜生物力学研究（通用10篇）
角膜生物力学研究 篇1
摘要：目的 了解软性角膜接触镜配戴者眼部、镜片及护理用品的微生物现状, 了解配戴者眼部感染的危险因素, 为临床治疗提供依据。方法 从配戴者结膜囊、常规消毒前后镜片、镜盒及护理液取材进行细菌、真菌及阿米巴培养, 按常规方法鉴定。结果 细菌检查阳性率结膜囊为60.2%, 清洗消毒前后镜片分别为70.3%和10.2%, 镜盒为70.3%多功能护理液为8%。结论 软性角膜接触镜配戴者引起的微生物性角膜炎有相当部分是可以避免的, 在专业医师的指导下, 使用恰当的护理产品及正确的配戴方法可明显减少并发症的发生。
关键词：软性角膜,微生物
软性角膜接触镜在全球已经拥有近亿的配戴者, 显然, 接触镜是纠正近视有效而广受欢迎的方式, 而且总的来说是比较安全的, 但并非没有并发症, 最重要的并发症是微生物性角膜炎, 大多数角膜炎是细菌引起G-菌, 尤其是假单胞菌属, 是绝大多数严重细菌性角膜炎的病因, 真菌、阿米巴原虫相对少见, 但发病率相对更高, 为此, 我们对软性角膜接触镜配戴者眼部、镜片及护理产品的微生物状况进行了调查分析, 结果如下:
1 材料与方法
1.1 对象
2009年6月至11月在我院配戴软性角膜接触镜的患者有80只眼, 其中眼部感染6眼, 经治疗后均痊愈。
1.2 方法
取材从被检者戴镜后结膜囊、常规消毒前后镜片、镜盒及护理液按常规方法取材。统计学方法:X2检验
2 结果
2.1 结膜囊、镜片及护理用品带菌阳性率比较细菌检查阳性率结膜囊为60.2%;
常规消毒前镜片为703.%, 消毒后镜片为10.2%, 常规消毒前后镜片细菌检查阳性率比较差别有显著性 (P<0.01) , 镜盒为70.3%, 多功能护理液为8%。真菌检查阳性率结膜囊为3.5%, 常规消毒前镜片为3.5%, 消毒后为2.3%, 消毒前后真菌检查阳性率比较没有显著性 (P>0.05) , 多功能护理液和镜盒未检出真菌。
2.2
所有被检眼、结膜囊、常规消毒前后镜片、镜盒及护理液均未检出阿米巴。
2.3 软性角膜接触镜相关性微生物种类
3 讨论
软性角膜接触镜是有效纠正近视的方式之一, 但其配戴存在眼部感染的危险。我们的研究结果显示, 常规消毒能去除镜片上大多数微生物, 在专业医师的指导下完成正规的配戴后, 微生物的阳性检出率明显减少, 这表明正规的护理很重要, 而且可以有效的减少配戴软性角膜接触镜所引起的并发症。同时我们从感染眼的结膜囊、镜片和镜盒中分离出相同的菌株, 表明配戴者眼部发生感染时, 对其镜片和护理产品进行检查, 将有助于病因学的诊断和治疗。理想状态下, 软性角膜接触镜应处于无菌溶液中以减少微生物负荷, 而且这种溶液应与眼表相容。但目前市场上的护理产品做不到这一点, 不同品牌的角膜接触镜引起的角膜炎风险明显不同。这就需要我们选择正规的产品, 尽量降低眼部的感染因素, 减少眼部并发症的发生。
参考文献
[1]杨晓, 龚向明.中国实用眼科杂志, 1999, 5:28.
角膜生物力学研究 篇2
[关键词]咏春拳；撑掌；上肢三关节；角度；运动学
实验法：实验选取测试的角度
左肩胸角：左肘与左肩连线—左肩与右肩连线之间的夹角
左肩角：左肘与左肩连线—左肩与左髓连线之间的夹角
左肘角：左腕与左肘连线—左肘与左肩连线之间的夹角
左腕角：左手与左腕连线—左腕与左肘连线之间的夹角
咏春拳的发力分为长桥发力和短桥发力，所谓‘‘桥’’即指前臂。肘部伸展使桥手到达身体的远端即长桥；肘部保持弯曲，桥手在身体近侧运动叫短桥。无论长桥或短桥均需练习”肘底力”，所撑掌也不例外。撑掌平时应用可以与日字冲拳封挡直拳同时进行连消带打，在发劲情况下可以做到守中用中，连消带打原理，同时单一出撑掌也可以逼退敌手，对其重心施加压力。
一、咏春拳撑掌运动学结果与分析
1.咏春拳撑掌关节角度变化与特征
咏春拳撑掌以腰马劲力催发到二桐手（上臂）再到前锋手（前臂），最后注力于掌心，动作不需要转马与转腰，基本只有上身做动作。这个过程中主要活动位置是上三关（肩、肘、腕），下三关（髋、膝、踝）位置略用，至于给关节速度变化特征与重心位移变化。我们通过运动学分析软件对撑掌关节角度变化与特征与咏春拳拳决结合进行一一叙述。
（1）撑掌肩关节运动特征
从测试得出的数据显示，左肩关节角度由小到大，出掌时候肩关节离身体幅度最大。当准备期两拳拳放置在自己身体的第五根肋骨下一寸的准备期左肩关节度为58.615°， 出掌时掌心朝胸内为竖指立腕，掌心向45°斜前方击出，斜45°角切入可以减低接触受力面积摩擦力等起到卸力作用。在胸部边缘出时，左二桐手（左上臂）左肩关节角度由大变小，因为握拳曲肘时候肩关节是负角度，当0.325秒左右上臂与躯干基本重合角度接近0，之后撑掌打出时候左上臂基本贴着左躯干时候最小值为17.95°，撑掌完成时候为最大值66.684°。左撑掌肩关节角到达最大值时是击打力点最大的时候，手掌位置与胸齐时，可以防御直拳或在柔道防御立技进攻时候防止对方抓衣襟。守中用中原理不但在咏春拳在柔道里面也是合理的。“守中用中”原则即咏春“问手”时守住人体中线，基本要求是手、肘向中线靠拢，守住自己的中线，不仅能保护自己的要害，让对手无法反击同时也为自己攻击对手的中线创造了有利的经济条件。为了确定测试者是否能做到这点，本研究以左肩胸夹角来确定受试者左臂是否“守中”。
在测试者准备期，双拳置于胸部略下一寸，双拳不能贴着身体，肘内夹，所以左肩胸角会产生最小值17.95°，当出掌是握拳立即立腕竖掌击打出去， 左肩胸关节达到最大值191.708°，此时撑掌打击力度也是最大。
从测试者左肩胸夹角可以看到，其最小右肩胸夹角出现在0.1543 s，为18.492°，此时左臂向身体中线靠得最近。最大右肩胸夹角出现在0.329s，为67.58°，此时左臂离身体中线最远。最大与最小夹角相差49.09度，左肩胸夹角的均值为36.8327。所以测试者胸角整个动作过程中处于一个动态的变化之中。
咏春拳除了要求埋肘，埋肘好处作者归纳两点一、保护上体两肋要害，二、不论离桥还是黏手在使用扣手与捺内帘手防守的时候埋肘，肘子可以贴着上体借助骨架的支撑力发劲，好像跆拳道比赛垂臂保护甲两肋位置一样可见埋肘的重要性。咏春拳防守时要求“不动肘”，即肘关节靠近身体中线，以肘关节为轴，利用前臂防护身体各个要害，这也是“守中用中”原则的应用，因此本研究以右肩角来考察右臂是否贴近身体，来检验受试者咏春拳水平。由于肩关节是三轴型关节，关节不同的运动时，分别对垂直轴、矢状轴、额状轴产生力矩，在做撑掌时，要贴着躯干边缘出掌，这就要肩关节向内夹，上臂对矢状轴产生力矩，同时向前冲掌，上臂屈伸，对额状轴产生力矩，所以，对右肩角进行分析时，需结合右肩胸角进行分析。
左肩胸夹角从测试的数据得出，由出掌前静止到击打到中线处，左肩胸夹角越来越小。证明左肩关节越来越贴近中线，所以角度必定减少。当数据越来越大时候，上臂比现代搏击出拳更接近于身体，充分做到守中用中，连消带打的作用。
（2）撑掌肘关节运动特征
不动肘原理，以肘子为中心，归肘以肘底为发力点，撑掌打出后肘关节角度由最小值向最大值改变，最小值为握拳准备时，最大值为出掌时，撑掌力量达到峰值时候为最大值156.459°，出掌时候以肘带腕，俗称说“肘底力”。
（3）撑掌腕关节角度特征
腕关节是撑掌发劲运力的最后一个关节，最小值与最大值之间的相差70.143，说明在整个撑掌过程中左腕关节的变化很明显，这不同于我们平常所见的搏击拳法，在出掌过程中腕关节要求一直保持竖腕立掌。当最小值16.789。
二、结论
当咏春拳发劲时候，通过左肩胸角与左肩角确定撑掌有没有做到守中用中，当撑掌出击时可以为后手创做机会也可以同时出拳。肩关节、肘关节与腕关节变化角度特征依次递减也是咏春拳师傅常说的三关发劲大关节大动量原因，关节角度变化越大力量传递也是越大。
参考文献：
[1]Hooper DM， Morrisey MC， Drechsler W， Morrissey D， King J. Open and Closed Kinetic Chain Exercises in the Early Period After Anterior Cruciate Ligament Reconstruction. Am J Sport Med， 2016； 29： 167-174.
[2]Keum-Jae L. Taekwondo Textbook. Seoul： Kukkiwon； 2005 Kim YK， Kim YH， Im SJ. Inter-joint coordination in producing kicking velocity of Taekwondo kicks. J Sport Scie Med， 2015； 10： 31-38 .
牡丹江师范学院研究生学术科技创新重点项目项目号：yjsxscx2015-08mdjnu
运动生物力学研究方法综述 篇3
1. 运动生物力学的启蒙阶段。
公元前384—322年, 古希腊的哲学家和科学家亚里士多德就注意观察在日常生活中人和动物运动的力学问题。15世纪末, 意大利科学家列奥纳尔德·达·芬奇 (Leonaardo David) 用人的尸体研究解剖学, 并在此基础上借助力学研究人体的各种姿势和运动, 指出人体的运动服从于力学定律, 运动生物力学的雏形。
2. 运动生物力学的初步形成。
20世纪, 德国的布拉温 (Braune) 和菲舍尔 (Fisher) 利用解剖尸体的实验方法测定人体各部分相对重量和重心位置, 并开始用动力学的方法研究人体运动。20世纪30年代, 英国生理学家希尔 (Hill) 取青蛙的离体缝匠肌进行实验, 得出著名的Hill方程, 即肌肉收缩的力速方程, 并由此获得诺贝尔奖, 从而奠定了肌肉力学的基础。
3. 运动生物力学的快速发展阶段。
1972在美国宾夕法尼大学召开的第四届国际生物力学会议上将运动生物力学从生物力学中划分出来。近三十年运动生物力学得到了迅速的发展, 20世纪80年代到达鼎盛时期。运动生物力学除了与解剖学、生理学结合较多外, 与医学、康复结合也逐渐密切, 研究成果的水平有了很大的提高。现在摄影测量已发展到三维高速录像 (如美国Pea5系统) , 测力系统已发展到6分量测力台 (如瑞士Kistler系统) 、关节肌力矩测量系统 (如美国Cybex系统) 等, 已基本形成了相对完善并互相支持的运动学、动力学和肌电测量三大系统[1,2]。研究内容已经由为奥运战略服务向竞技体育上扩展, 对人体的研究, 已由对人体整体运动的研究, 逐渐发展到不同环节和结构的深入研究;由对人体运动的描述性研究, 发展到探讨运动时神经肌肉的控制以及运动系统和感觉系统的整合。
二、运动生物力学研究方法的分类
从研究的形式上, 可分为理论研究方法和实验研究方法两大类, 实验研究方法又分实验室测量法和运动测量法。从研究的领域上, 可分为物理学研究方法、生物学研究方法和系统研究方法。从研究材料的来源上可分为原始资料数据的采集整理和资料分析方法。研究运动项目主要以运动学和动力学研究方法为主, 生物学的研究方法为辅, 综合运用多种实验手段[3]。
美国的理查德·C.尼尔森把运动生物力学的研究方法大致概括为如下五种: (1) 研究特定的运动项目或其中的某一环节的生物力学, 这种主要对于运动员、尤其是只对某一运动专项感兴趣的教练员非常有用。 (2) 研究多个运动项目中共同包含的运动动作 (如着地、起跑等动作) 的生物力学。最大好处是建立一种一般性的理论, 这个理论是建立在经典力学定律之上, 或是建立在共同的神经控制模式之上。 (3) 被称为运动生物力学的评定方法, 如从能耗观点去评价运动技术的优劣等。 (4) 指对某一专项运动所涉及的生理学、运动学、动力学以及专项特点等有关方面进行综合考虑。 (5) 讨论在运动中人体器官的生物力学。
中国的周里将研究的方法分为高速摄影 (二维与三维) 、录像、测力、肌电、肌力测试系统、同步测试、理论分析和CT、核磁共振其他方法[4]。
三、运动生物力学研究方法的现状分析
1. 理论研究方法。
运动生物力学理论研究方法的关键是建立人体运动的力学模型。理论研究方法主要是探索人体运动的规律, 它的研究对象、研究目的、研究方法和研究成果均不同于实验方法。理论研究方法的研究对象是抽象的人体模型, 目的是揭示运动规律, 核心是经典数学力学的推导运算, 结论是揭示运动的内在机理。人体运动数学模型方法是理论研究常用的主要方法。自20世纪80年代后, 数学模型方法有了许多新的突破和进展, 但人体运动数学模型方法在中国尚未得到广泛应用[5]。
目前运动生物力学主要是研究人体内部运动器系和表现于外部的人体整体机械运动特征。为了便于研究, 运动生物力学理论方法的关键是建立人体运动的模型来描述运动。大体有两种方法:第一种方法是人体系统仿真研究方法, 其代表人物是南非的力学专家Haze;第二种方法是应用多刚体系统动力学理论建立力学模型, 代表人物是美国力学专家Kane。在运动生物力学研究中, 大多数力学系统的运动都受牛顿运动定律控制, 所以建立的模型都是牛顿力学系统的数学形式。但牛顿力学对于活体显然是不适合或不完全适合, 这已被理论或实践所证实。因而牛顿力学对肌肉、骨骼、关节系统的力学特征及在解决人体运动器系和整体运动之间的因果关系, 把握人体运动行为生物力学规律的体质方面还有相当困难。模型建构是指对数学力学分析所研究问题的模型建构。建构模型的基本标准是代表性、简单性和实效性。模型按其功能可分三个层次:描述性模型、解释性模型和预测性模型[5]。数学模型目前有 (1) Hanavan的人体测量数学模型; (2) Santschiw L等的环节集合分布模型; (3) Zatsiorsky的数学模型; (4) 中国人体模型; (5) 邱亚君和李建设建立的人体二维转动惯量数学模型。
2. 实验研究方法。
比较成熟的测量方法有两种:一种是在实验室条件下, 采用各种类型的测力计和先进的多功能肌力测量系统, 对与运动有关的主要肌群进行定量测量, 此法可简称为“实验室测量法”。另一种是在运动场上通过训练器械或反映运动员专项力量的训练手段, 测定运动员的专项力量训练水平, 此法可称为“运动测量法”。实验研究方法与理论研究方法相比较略显成熟, 主要有以下特点: (1) 在检测手段上随着工程技术的进步, 手段越来越多样化。从“传统”的摄影技术发展到三维立体摄影, 已经能更精确反映事物的运动特征, 而且许多新的现代化技术装备也被应用到运动生物力学研究上, 例如激光瞄准测试分析系统、爱捷运动图像分析系统、六维测力平台SAEMS-T、四导遥测肌电仪、万能材料试验机等。 (2) 实验室测量方法与运动场测量方法相结合[6]。
四、运动生物力学研究方法的发展趋势
未来数年运动生物力学的研究方法发展趋势可归纳为:
1. 竞技体育技术测试研究方法的发展趋势, 是向着适合
于各个运动项目需要的、能现场及时反馈测试分析结果的仪器设备与方法和提供详细测试分析报告的仪器设备与方法两条并行的途径发展。 (1) 三维跟踪摄像、摄影测量方法的推广; (2) 摄像、摄影精度逐步提高; (3) 三维摄像、摄影测量逐步普及; (4) 影像测量点识别、采集的自动化; (5) 足底压力分布测试三维化; (6) 运动技术测试仪器专项化、反馈快速化; (7) 数学力学模型和人体运动仿真使用化等[6];以后主要是对经典力学分析、力学模型研究、运动技术最佳化、人体运动仿真、肌肉力学模型等方面进行重点研究, 使研究方法和测量手段进一步向科学化和合理化发展[7]。
2. 关于模型参数的选择和确定, 取决于参数的功能, 即区
分敏感参数和常规参数, 并且使这些参数定量化和具有可比性。关于数据采集, 首先是数据采集的标准化, 然后是对数据进行力学分析和评价, 更重要的是对所采集的数据进行模型模拟, 因为模型模拟可以产生有关自变量对应变量影响的系列信息, 并建立两类变量之间的数—力关系, 从而为技术分析、技术控制和技术最佳化提出预测, 为运动损伤、康复手段的选择提供方案[8~9]。
3. 运动器系的力学负荷、负荷分布和负荷能力以及运动器官、组织和系统的材料力学是预防生物力学的基础。
重力、支持力、相互作用力、介质阻力以及摩擦力可作为对运动器系的负荷。通常使用但并未充分证明是否可靠的指标有最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及冲量、角冲量和它们的持续时间。所谓“最大”值也只是相对极限值。人体机能代偿能力的储备性决定了绝对最大值是不可计测的。近年来关于运动器械, 包括鞋、服装方面的生物力学研究已引起人们的重视, 这将是一个很有吸引力且富有商业价值的领域[10]。
4. 测量技术、遥测技术和肌肉动力学测量技术 (包括离体
或在体肌肉动力学测量过程) 将成为今后发展的重点, 实验方法与理论模型相结合的综合研究日趋增加, 主要趋向是遥测无线部分数据发射与数据采集装置的小型化和测量过程及结果分析的快速化。
5. 运动损伤的研究将是生物力学新的研究领域。
成都体育学院周继和教授针对运动性急性损伤或慢性损伤的腕关节, 采用INSTRON 8874生物力学测试系统进行人体腕关节软骨盘“压缩—扭转”试验, 观察其组织结构的变化, 有助于了解损伤的机制, 并提出有效的防治方法。南京体育学院钱竞光教授撰写的“股骨颈受载的计算机模拟及其骨折的生物力学机理研究”通过计算机模拟方法研究不同颈干角在相同骨质条件、相同载荷下, 其股骨颈的应力变化规律, 探讨颈干角、骨密度与股骨颈骨折的关系。
随着运动竞技水平和运动训练科学化程度的提高, 运动生物力学研究的方向也将从简单的对人体动作技术分析深入到对内在机理的探讨, 随着医学科学和康复科学的发展骨科生物力学、临床生物力学、康复生物力学以及生物工程中的生物力学等将得到迅速发展, 逐渐成为国际运动生物力学的主要研究领域。
摘要：采用文献资料法、逻辑分析法, 对运动生物力学研究方法及测量手段进行回顾总结。根据现代运动生物力学发展的规律与特点, 对现代运动生物力学研究方法及测量手段进行一定层次的归纳分类, 并对今后运动生物力学研究方法的发展进行展望。
关键词：运动生物力学,研究方法,测量手段
参考文献
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[2]周思红.运动生物力学研究的回顾与21世纪展望[J].山西师大体育学院学报, 2000, (1) :73-77.
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[5]赵焕彬.中国运动生物力学的研究现状与发展趋势[J].河北师范大学学报, 2001, (3) .
[6]武汉体育学院.第六届全国体育科学大会论文摘要汇编[G], 2000.
[7]卡斯达斯.第二十届国际运动生物力学会议论文集[C].阿根延:阿根延大学, 2002.
[8]李建设.运动生物力学学科发展的几个理论问题[J].体育科学, 1997, (6) :77-80.
[9]R.Ballreich.Sports sciencein Germany verlag Karl Holfmann[J].Journal of Biomechanics Online, 1992, (2) :14-15.
角膜生物力学研究 篇4
研究对象:115名竞赛运动员,运动水平从二级到运动健将。
一、分析和讨论:
疲劳特征的发现可引导出下面的计算方法:这115名运动员具有一定的运动水平,他们在起跑后速度和技术指标有着密切的相互影响、相互补偿的关系,这样可得出一次方程式,然后填入终点跑速度值,得出可计算的指标数据。比较获得的指标数据和终点跑实际技术指标,就发现结果超出了一般跑的规律性,实际指标或多或少的符合运动员在非疲劳状态下的技术指标。(表1)
计算公式:PTOPM=-5.288+4.38V(+-5.62),R=0.75
PTOPM表示负面力的纵向被加数;V表示跑的速度;R表示相互关系系数。现在把各项距离的终点跑速度值放入公式内,就可得到计算的负面力。(表2)
比较计算值和实际情况看出,在400米跑中实际的力不符合终点跑的速度。超出的力已被展示出来(方程式评价规格误差=5.26)。这是由于疲劳的肌肉能够产生更多有实际意义的力.显然,就象用铁制起跑器测量200米和800米起跑一样,这样的方法能减少制动阶段力学结构中力的丢失,因为腿部力量做功发力大部分还是利用骨骼传递到踝关节。除了这些,这个方法还能帮助减少由于降低身体重心位于制动阶段造成速度的损失,但对蹬地阶段支撑腿收缩肌肉的能力还不能从根本上起到作用。可见,从正面的力和负面消极的力之间的联系可以得出下面的公式:Pot=1.801+1.288Ptopm.(±9.06),r:0.76。
Pot=正面积极力的纵向因素,把负面消极力的影响和400米终点跑实际指标放入公式中,可以得出:正面积极力应该等于34.1Bt/kg。事实上,真正的数值少于38%,等于21.2±7.2 Bt/kg。
从上面的情况得出,对于400米没有疲劳补偿阶段,跑的速度降低。疲劳肌肉低能力的收缩,在这种情况下不可避免的影响能力再生结构—必然加大后蹬能力,显然这种结构能有效的提高活动能力,它表现出与肌肉生物力学特性的联系—肌肉越坚硬有力,拉伸时间越短,就越能更多的利用聚集的机械力。在缩短制动阶段的高速度跑更有利于肌肉其他性能使用的再生结构的出现。这些结构的加强,能有效的提高肌肉弹性能力,如脚底的屈伸运动。相反,运动员在支撑落地阶段,当肌肉拉长的时间增大时,聚集的机械能力很大程度上分散到肌肉中去。
那么,400米跑在过大支撑阶段是否违背了依赖于肌肉的速度—拉伸条件呢?我们注意看实际情况:在终点跑中制动时间提高了38%,达到80+15mc,但计算和反映出来的数据相比较,他们之间不存在实质上的差别,符合等于0.073和0.080。计算公式为:
Ttopm=0.126-0.009V(±0.009),r=-0.83
Ttopm-制动时间。这样可以说明,制动时间符合终点跑的速度,并不是它违背了肌肉速度—拉伸条件。而真正造成终点跑的技术原因是肌肉的生物化学特点而不是动作技术的生物力学结构,在400米跑的最后阶段,根据生物化学的测量结果,由于大量的乳酸积累而造成对神经细胞积极功能性的抑制,大量的降低 ATF和KPF在血液中的含量,而增加ADF的含量。
因此,我们可以更多的了解到,在疲劳状态下支撑腿肌肉拉长和收缩的相互关系,摆在我们面前的许多重要的实际数据证明,提高局部肌肉的紧张强度与中距离跑的运动能力有着密切的关系。根据实验结果得出,局部肌肉性能的提高,可以根据生物力学特性,更多的利用弹性特点有效的延缓跑的速度在终点跑阶段的降落过程.
二、 研究结果:
1.在400米跑中出现的疲劳特征反映出违反了肌肉拉伸和收缩的相互关系。
2.证实提高局部肌肉的工作强度有利于在疲劳状态下跑的运动效果。
3.根据肌肉在疲劳状态下的特点合理的安排运动员的技术练习。
我国运动生物力学研究进展 篇5
运动生物力学以研究体育运动中人体运动力学规律为主要任务,是体育科学学科体系中具有极高科技含量的一门学科.一方面,运动生物力学以其多学科的应用性研究成果可直接用于指导体育运动实践;另一方面,体育运动尤其是竞技体育的快速发展需要运动生物力学不断创造新的研究方法和测量技术.因此,运动生物力学的长足进展主要得益于学科交叉的人才优势和不断增长的体育运动实践需要[1].
早在公元前,人体运动中的力学问题就引起了许多自然科学家和哲学家的兴趣.20世纪中叶,由于医学、解剖学和体育学的发展,许多运动中的力学问题亟待解决,而电子学、精密仪器等学科的发展为这些问题的解决创造了前提.另外,力学、物理学这些古老学科在寻找应用新领域中,发现运用力学方法研究人体运动有相当广阔的前景.这些因素的结合使运动生物力学这门边缘学科应运而生,并得以发展.1967年于苏黎世召开了第一届国际生物力学学术会议,1973年成立了国际生物力学学会(简称ISB).1972年,在美国宾夕法尼亚大学召开的第4届国际生物力学大会上,运动生物力学(Sport Biomechanics)从生物力学中独立出来,成立了国际运动生物力学学会(简称ISBS).1982年6月20日,在美国加利福尼亚召开了第一次国际运动生物力学会议.此后,国际运动生物力学的研究工作蓬勃开展,取得了不少有应用价值的成果.我国于1980年成立了下属中国体育科学学会的运动生物力学分会,并于2005年在北京成功地举办了第23届国际运动生物力学学术会议.
1 研究现状
运动生物力学首先是力学,其次是生物,最后是运动.既然运动生物力学是力学,就应将力学的科学研究方法和手段应用到生物体上去,以准确地描述生物体运动的力学特点.只有采用力学的方法和手段,运动生物力学才能作为一门科学来发展.只有采用力学的方法和手段,运动生物力学研究人员才能进行有价值的科学研究.
运动生物力学研究以力学参数的测量为基础,这些参数应能表现人体运动的力学本质.物理学测量技术作为生物力学方法学基础,按测量原理可分为力学、电学、光学和热力学测量技术;按测量属性可分为运动学、动力学、人体惯性参数和肌电参数测量技术.
随着电子技术尤其是计算机技术的迅速发展,已经并将不断对运动生物力学测量技术提出新的要求.目前,图数分析方法在国外已获得新的进展,其主要技术标志是人体关节点的自动识别功能和录像分析系统与测力台的同步测试.较具代表性的是近几年发展起来的三维录像测量系统,其测量仪器和分析方法就是为了满足研究体育运动中人体复杂空间运动而建立起来的.
任何分析方法都基于一定的理论,伯恩斯坦(Nicholas Bernstein)主张用神经控制论的理论研究人体运动,创立了人体动作的系统结构分析方法,伯恩斯坦关于人体动作系和运动行为结构的思想原则,以及运动感觉反馈修正的理论已成为运动控制和运动协调研究的理论基础.阿玛尔和艾夫特曼主张从人与环境间的相互关系研究运动效率,并基于此,建立了人体能量学研究方法,并被后人衍生出肌力优化方法和能量优化方法等.
此外,依据一些数学原理、物理法则或实践证明了的运动生物力学原理都可以建立特殊问题的分析数学方法,如以无限小、连续性和决定性的分析为主的牛顿分析数学方法和对时域或空域大样本观测值进行分析的数理统计法.建立在多刚体系力学理论框架下的人体腾空运动描述方法和对复杂运动过程采用的层次因素分析方法等等.如图1是洪嘉振等[2]用多刚体系统研究朱建华的过杆动作.
值得注意的是从1982年起,一种模拟人脑工作的信息处理技术——神经网络研究受到全球科学家的重视.应用神经网络技术研究人体运动力学行为,在参数分析尤其是综合决策上具有其它方法不可比拟的优势.在我国,早先有吴忠贯,近年有严波涛、吴延禧已在这方面做出了富有意义的研究工作[1].
2 运动生物力学在我国的实际应用
我国运动生物力学的研究,特别是在应用上,具有自己的特色,大致可归结为如下几个方面[3].
第1方面:竞技体育运动动作的技术分析研究是我国的强项.在此方面,我们的研究覆盖面宽、数量多、紧密联系运动实际,在竞技体育领域的应用成果较为显著[4],为我国在国际体育大赛中取得优异成绩起到了积极的辅助作用.
第2方面:通常应用实验测试与理论分析结合的方法(以实验测试为主)对高水平的运动员进行精细的技术诊断,为提高其训练水平和运动成绩提供了必要的科学基础.
第3方面:自行研制许多针对各个竞技专项技术的专用测试仪器和评价系统,其设定的各项指标对该项目能起技术诊断作用,为运动员有针对性的科学训练提供了有效的科技保障.
我国在这些方面的研究数量上领先于其他国家,在研究成果上也有许多独特的创新,特别表现在注重实际应用上,为我国竞技体育的发展作出了贡献.
2.1 乒乓球项目的应用研究
2.1.1 直板反面进攻技术的可行性研究[5,6]
面对高旋转速度的欧洲弧圈球打法,中国运动员原有的直板反手推挡在对付弧圈球上,由于手臂功能受到握板方法的限制,已显示出许多不足.为解决这一难题,准备奥运会和重大国际比赛,中国乒乓球队设计了用直板反面击球进攻技术,即今天所看到的“直板横打”的方法,增加直板反手击球的进攻力.其可行性如何,需要运动生物力学的科学研究和证明.研究人员采用立体定点定机摄影方法获得了运动员和球拍的三维坐标数据,并运用生物力学模型比较了直板正手正面和反面两种击球动作.研究结果表明,直板反面击球,可使腕关节有足够的动作幅度,可使上肢对球的鞭打动作更加充分,可使球板倾角较小而盖住球体避免“吃转”,可使台内击球动作更加细腻准确,有较强的应变能力.从教练员的经验判断上,直板反面击球出手快,照顾范围广,能攻能防,可打可拉.由于球板倾角较小,能有效地回击弧圈球.因此,直板反面击球的技术是可行的.这一研究结果为教练员制定训练计划和比赛战术提供了科学依据.随后,直板反面进攻技术正式成为中国直板乒乓球选手的一个独特技术,为中国运动员在奥运会和重大国际比赛上夺取冠军作出了贡献.
2.1.2 不同直径和重量的乒乓球对击球速度的影响[5,6]
乒乓球运动发展至今天,由于击球速度过快,旋转过强,比赛的难度越来越大,比赛中每分球的回合次数明显减少,普通人对运动员变化莫测的击球难以理解,逐渐失去了对乒乓球运动的兴趣,从而导致近年来观看乒乓球比赛的观众不多,电视及其它传播媒介对乒乓球比赛的转播或介绍兴趣较低.由此,国际乒乓球领域的许多有识之士已经清醒地意识到,失去观众这个“上帝”,就会失去这项运动的观赏价值,因此,乒乓球运动必须改革.在这种情况下,国际乒乓球联合会提出建议,增加乒乓球的直径,由原来的38 mm改为40mm,以减小击球的旋转强度和运行速度,增加比赛中的击球次数,使乒乓球比赛具有更强的观赏性,吸引更多的人来关心乒乓球项目,保证其健康地向前发展.这一改革对乒乓球技术、战术、打法和规则等都会产生巨大的影响.因此,必须有足够的证据证明其科学性和可行性,方可实施.据此,国际乒乓球联合会委托中国,就不同直径和重量的乒乓球受击球旋转和速度的影响进行定量的实验研究,为国际乒乓球联合会的改革提供科学依据.该研究由我国的国家体育总局体育科学研究所承担.该研究的实验对象为3名优秀乒乓球运动员,所采用的测试方法为乒乓球动态测转方法和平面定点定机摄像方法.
乒乓球动态测转方法:采用PD-1乒乓球动态测转仪(光学成像、高速扫描、空间滤波)测量运动员击打不同直径和不同重量的乒乓球后的旋转速度.该仪器的视场面积为0.75 m×1.05 m,测量范围为20～200rad/s,不确定度<±3%,短期稳定度<2%.
平面定点定机摄像方法:采用PEAK运动分析系统,拍摄和分析运动员击打不同直径和不同重量的乒乓球后,球在空中运行的状态.拍摄频率为120 fps/s,拍摄位置为击球运动员的正侧面.
这一研究的核心结果是,运动员在分别击打相同重量的直径为38 mm和40 mm乒乓球时,40 mm乒乓球与38mm乒乓球相比较,扣杀速度平均降低了13%,旋转速度平均减少了21%.这一研究结果表明,40 mm乒乓球更有利于增加比赛中运动员击球的回合数,使比赛更加精彩.
该研究为国际乒乓球联合会于2000年10月1日起,将直径38 mm的乒乓球改为直径40mm的乒乓球,提供了科学依据.同时,我国乒乓球教练员和运动员根据这项研究结果,探讨相应的技术和战术,科学地准备奥运会和重大国际比赛,取得了优异的成绩.
2.2 男子跨栏项目的应用研究
近几年来,中国男子跨栏项目拥有了刘翔(雅典奥运会男子110m跨栏冠军)、史冬鹏等优秀运动员.其中,刘翔在训练和比赛中所表现出的潜力,给中国田径队带来了希望.为使刘翔在2004年奥运会上取得佳绩,中国田径协会于2002年成立了男子跨栏项目研究与服务组[7].该组的主要任务是,根据教练员在准备2004年奥运会的训练和比赛中所提出的问题,进行相应的研究与服务.该组研究与服务的一个重点是,对刘翔等人的技术训练进行诊断与服务.国家体育总局体育科学研究所承担了此项工作,并从2002年起采用运动生物力学的方法,长期配合教练员进行专项技术诊断和技术服务.
需要指出的是,在进行此项工作中,教练员和运动员所需要的研究结果和服务形式是快速、直观、真实、易于比较,而不是难以理解的数学模型和复杂的定量数据.据此,所进行专项技术诊断和技术服务以定性分析为主、定量分析为辅.
该研究与服务所采用的主要方法为影像测量与分析和图像处理技术.图像采集设备主要为常规数码摄像机(如SONY,JVC),拍摄频率一般为25幅/s(分幅为50场/s).所采用的运动分析系统为“爱捷运动技术分析系统”、“SIMI-运动分析系统”和“DARTFISH.运动分析系统”.
这一研究与服务在“跨栏全程时间结构的研究与监测”、“栏间跑节奏的模拟与强化”、“运动技术图像处理与反馈”等方面为教练员和运动员提供了满意的结果.
栏间跑节奏是影响运动成绩的一个重要因素,也是教练员较为重视的指标之一.为此,课题组除了在向运动员和教练员及时反馈训练图像和栏间跑时间的数据外,为了强化刘翔对最短栏周期节奏的长时记忆,将刘翔训练和比赛最高水平的最短栏周期编辑成10个连续栏周期后,常速连续播放视频文件.同时,将刘翔栏间跑的节奏制作成音频同步叠加到视频文件上,反复播放,对刘翔进行多信息的表象训练.
运动图像处理后的反馈是教练员和刘翔提出的需求,也是他们直观和有效了解技术状况、改进技术训练的一个方法.为此,课题组长期、系统、快速地提供双画面、三画面或四画面的视频录像比较输出、视频画面叠加、视频暂留、连续或单个技术动作图等.这项工作取得较好的反馈效果,受到教练员和刘翔的称赞.
2.3 其他研究
目前,我国运动生物力学的主要研究成果集中在竞技体育的应用上,其他方面较国际先进水平有一定的差距,但也有一些亮点,在此仅做分类简述.
2.3.1 理论研究
上海交通大学[2]和清华大学先后在人体运动模拟(仿真)领域进行了有价值的理论和实际应用研究,为精细分析和设计高难技术动作奠定了理论基础.
清华大学[8]和白求恩医科大学所做的中国人体惯性参数研究,结束了用国外参数分析中国人运动动作的历史,填补了我国这方面研究的空白.
西安体育学院和国家体育总局体育科学研究所[4]采用神经网络技术构筑运动技术分析和诊断的专家决策系统,属于国际前沿研究内容.
2.3.2 大众体育研究
香港中文大学对太极拳促进人体平衡功能的研究,是一项现代科技与传统民族体育结合的新型课题,已得出了许多有意义的结果.
近两年,宁波大学对足底压力和运动鞋的测试研究已形成自己的特色[9].其中,有简易实用的高跟鞋影响稳定性的研究,也有较深层次的足后部骨骼三维有限元模拟研究.
解放军和上海体育科学研究所合作的投弹肱骨骨折机理的研究,是一项临床医学结合运动生物力学的应用研究[10],已获得2006年度全军总后科技进步二等奖.
3 运动生物力学发展趋势
20世纪80年代初我国运动生物力学研究相当活跃,吸引了高等院、校、所相关学科和人体运动科学专门研究机构的合作,多学科交叉的人才优势促进了我国运动生物力学学科的快速发展,迅速缩短了与世界科技发达国家和竞技体育强国之间的差距.但这种多学科的合作研究未能获得持续的发展,以至我们仅在某几个研究方向获得了一些进展.其中主要体现在运动技术诊断和评价上,而这种技术进步主要依赖于计算机技术的进步和外域技术的引进.展望国际运动生物力学发展前景,我们仍应发挥多学科合作的优势,并可望在下列领域获得进展.
3.1 人体运动模型研究及计算机模拟与仿真
计算机是运动生物力学发展的核心,运动生物力学的理论研究偏重于计算方法的准确和简炼以及理论研究的系统性和完整性.借助电子计算机实现快速精确地测量和实时处理人体运动的各种力学参数,实现综合分析和联机分析,以及实现自动化控制是科技发展的必然趋势.由于许多实验不能直接在人体上进行,同时为了对运动效果进行预测,在运动生物力学研究中,已经出现了种种模型.随着电子计算机的普及,模型技术中的计算量大、复杂和费时的困难已逐步得到解决,因此,建立各种模型进行模拟试验是运动生物力学研究方法的又一发展趋势.中国成年人体质的新国家标准已于1998年正式颁布,从此我国取得了我们自己的中国正常人体参数的科学依据,结束了多年来借用外国人体参数的历史,填补了一项重要的空白.
对人体运动的模拟研究是根据不同的人体运动建立各种人体模型,然后用数学语言完整地描述运动目的、运动方式和运动行为的控制,并结合实验测量建立人体运动方程和相应的边界条件,通过计算机对此复杂方程求解,解得的结果对人体运动作出理论的量化解释.这是一个颇有创造性的研究领域.
在建立人体运动模型的基础上,对运动过程进行模拟与仿真是目前处于前沿的人体运动研究方法,至今仍属运动生物力学正在探索的难点,是一个极富挑战性且极具理论和实践意义的尖端研究课题.上海交通大学洪嘉振等[2]在20世纪80年代就曾对朱建华跳高过杆技术进行过仿真研究.国家体育总局科研所郝卫亚等[11]研究并实现了一个适合于跳水运动的三维人体运动仿真与显示平台——数字化三维跳水专项运动仿真系统.通过该系统,可以对跳水运动员的空中动作技术和连接方式进行精细的生物力学研究,可以利用三维动画对运动员的动作技术进行模拟(仿真),从而指导运动员的技术训练.
3.2 体育工程学研究
运动生物力学的研究将更加重视对训练实践的指导,研究成果要能为竞技体育服务.运动测试仪器的专项化是这一发展方向的具体体现,也是运动生物力学解决体育训练问题的较为客观和有效的方法.运动生物力学的技术分析和研究会因研究仪器的发展而得到相应提高,使研究更加细致、更接近运动实际.运动生物力学在很大程度上将依赖于高新技术和高新材料的创新和发展,新的材料和新的技术将使运动生物力学研究的手段和仪器功能得到大幅度提高,因此,适时运用高新技术和高新材料来研制生物力学的测试仪器是运动生物力学研究的一个重要课题.
目前,我国实施全民健身计划,这将促使运动生物力学的研究视线投入到为全民健身服务的行列中来.体育工程学在这一方面的研究内容主要有:各种力学负荷对人体运动功能的影响,如场地、器械、鞋和服装;人体运动素质和运动能力的检测设备和发展运动能力的训练设备等.近些年来,关于健身器械包括鞋、服装等生活用品方面的生物力学研究已引起广泛重视,这将是一个很有吸引力且极富商业价值的领域.
3.3 肌肉力学研究
研究肌肉可以基于不同的角度,根据其收缩时长度变化和张力特点,可以区别出等长和变长、等张和变张状态以及见之于功能的向心和离心状态,根据其收缩成分力学性状变化的受激时间特征可区分出激活态和潜伏态;根据肌肉张力与长度变化的关系,肌肉张力与长度变化速度的关系,研究全约束条件下肌肉收缩的力学机理.还可以研究肌群协作与对抗的关系,工作张力与支撑张力的关系,肌肉收缩张力的传递方式和传递路径.也可以基于肌肉收缩成分和弹性成分建立肌肉结构的多元素模型,并通过实验建立肌肉收缩的本构方程.此外,对离体或在体肌肉的观察、试验和测量,其实验条件的控制相对困难,这也是肌肉力学研究的困难.然而,肌肉力学研究应当是生物力学极其重要的基础研究,上海体育学院陆爱云等已在该领域有了较为丰富的研究积累.
3.4 技术分析专家系统的研究
近十几年,许多运动技术分析专家致力于开发决策专家系统,但少有成功个例,其原因是专家系统中两个不可或缺的内容,即知识库(以某种方法把专门知识储存起来的数据库)和推论机器(利用知识库的数据进行科学推论的机器)的不完善性.随着神经网络技术的出现,采用人工神经网络技术构筑的运动技术分析的专家系统有着广阔的前景,这种技术在根本上实现了对人脑功能的模拟,将成为运动技术分析研究的发展方向.国家体育总局科研所和西安体育学院严波涛等已率先涉足该领域的研究.
3.5 人体运动损伤与康复的生物力学研究
近年来,运动生物力学与运动医学结合的论文数量急剧增加,论文质量也相应提高.在国外,运动生物力学研究应用于人类健康、健身运动是近年的主流,在德国,基于健康的预防康复生物力学已是运动生物力学的主要研究课题.在我国,运动损伤及康复的研究也愈加深入,而且与运动专项结合更加紧密.对预防运动损伤的研究也将是一个热门课题.
今后,应广泛结合运动生物力学和生物学、运动解剖学、运动生理学、运动医学等学科中的研究方法,共同解决人体运动中的有关问题.多种方法结合的研究,特别是多种方法的同步研究和借助其他学科领域的研究方法的多学科综合研究应是运动生物力学研究今后发展的趋势.
摘要：运动生物力学是应用力学概念、原理与方法对人体运动规律进行研究的科学．运动生物力学的发展对人们深刻理解人体运动规律，提高竞技体育的运动成绩，预防运动损伤，设计合理有效的康复手段等都具有积极的促进作用．本文简要介绍了运动生物力学的历史和研究现状，结合研究实例介绍了运动生物力学在我国的应用，以及运动生物力学的发展趋势．
我国运动生物力学研究现状与分析 篇6
1运动生物力学发展历程
1 . 1启蒙阶段
早在公元前,就有很多自然科学家和哲学家对日常生活中人和动物的力学问题产生了浓厚的兴趣,15世纪末,意大利著名科学家列奥纳多·达·芬奇(Leonardo Da Vinci)用人的尸体研究解剖学, 并在此基础上借助力学研究人体的各种姿势和运动,指出人体运动符合力学定律,奠定了运动生物力学的雏形。
1 . 2初步形成
20世纪,由于体育学及医学的飞速发展,很多运动中的力学问题日益凸显并亟待解决,随着各类电子设备、精密仪器等测试工具的发明为解决这些问题创造了前提条件。结合解剖学、物理学使运动生物力学这门边缘学科应运而生。
1 . 3发展阶段
1967年苏黎世召开了第一届国际生物力学会议,1973年8月在美国宾夕法尼亚大学召开的第四届国际生物力学会议上将运动生物力学从生物力学中划分出来,成立了国际运动生物力学学会(简称ISBS),运动生物力学正式成为独立的一门学科。1982年6月20日, 在美国加利福尼亚召开第一次国际运动生物力学会议,从此,运动生物力学的研究工作在全世界蓬勃开展。我国于1980年成立了下属中国体育科学学会的运动生物力学分会,并于2005年在北京成功举办了第23届国际运动生物力学会议。
2研究方法
对近3年发表在《天津体育学院学报》、《广州体育学院学报》、《西安体育学院学报》、《成都体育学院学报》、《南京体育学院学报》及通过期刊镜像网查阅到的60篇关于运动生物力学的文章进行统计分析,依照不同研究方向对60篇论文进行重复分类:第一类,按运动项目分为田径、三大球(篮、足、排)、小球(乒、羽)、体操、武术、自行车、游泳、射箭及其他;第二类,按研究方法与手段分为三维摄像分析、一维摄像分析、高速摄像分析、动力学测试、肌电测试分析、同步研究、理论分析、文献资料法及其他;第三类,按照研究领域分为运动技术分析、骨骼神经肌肉研究、方法学研究、仪器设备、教学、文献综述、医疗康复、大众健身8个方面。
3分析与结果
3 . 1分析概况
由表1可以看出,奥运会体育项目占研究的主流,特别是田径项目所占最多,原因是田径包括短跑、长跑等较多小项,有着较多的运动人员参与,较多的被人们关注,并且该类项目动作结构相对稳定,有利于取样分析;其次较多的是:体操及武术,这些项目有力学基础支撑便于研究;而三大球(篮、足、排)、小球(乒、羽)等项目虽然普及范围较广,但是这些项目中动作复杂多样,不便于统计分析。
由表2可以看出,运动力学测试手段有了普遍的提高,摄像方面不再是以往单一的高速摄像,而是发展到高速摄像与解析一体化,摄像分析由传统的平面分析发展到三维立体分析。本次60篇论文中,有很多都运用了运动图像解析技术,这种技术的测试方法基本都是通过高速摄像解析完成的。高速摄影拍摄速度快、精度高, 可定量分析也可定性分析,能用计算机控制,所以在研究中得到广泛的应用。动力学测试手段基本通过三维测力平台来完成测量分析。理论分析与实验测试是相辅相成的,理论需要测试数据来证明,而实验测试需要理论来指导。文献资料的研究则可展现各类研究方法、国内外科学发展综述及原理。
由表3可以看出,60篇论文中研究所涉及的面非常广,其中运动技术分析的文章有24篇,占总数的40%,反映了我国运动生物力学研究的主要领域是运动技术类的分析与诊断。大众健身与医疗康复的有6篇,占10%,这两项内容纳入运动生物力学研究的范畴, 说明研究已经不仅只关注竞技体育,也开始向大众人群扩展,大众健身也是我国体育事业的重要组成部分,提高全民体质关系到我国体育事业的长远发展。
3 . 2结果
运动生物力学首先是力学,其次是生物,最后是运动。只有采用力学的方法和手段来研究,运动生物力学才能作为一门科学来发展。运动生物力学的技术分析和研究水平有赖于电子设备等精密研究仪器的发展,需要计算机和动作技术最佳化等方面的分析来研究。我国运动生物力学经过多年的发展,研究水平和研究能力已取得长足进步,但是研究方法和理论方面积累不多,不够深入, 内容还需不断丰富。研究内容方面需要更多的人去研究更多的方向,尤其是没人做或者做的很少的方向,像球类运动等;研究测试手段需要加强计算机仿真及其他运动测试仪器的开发研究;因此, 需要加强多学科合作,多种测试方法的研究结合、多领域的综合开发研究,在基础理论研究方面加倍努力,使我国运动生物力学的发展达到国际水平。
摘要：采用文献资料调研、数理统计等方法对近年发表在各类体育学术刊物上的有关于运动生物力学方面的60篇论文进行统计,结合运动生物力学的发展史、研究任务、测量技术、研究方法等,综合展现了我国运动生物力学的研究现状,并简要阐述其研究发展趋势及展望。
角膜生物力学研究 篇7
运动鞋鞋底结构一般包括外底和中底, 外底的功能一是保护脚底, 使其不受地面利物的损伤;二是起到制动、防滑等多种作用来满足不同项目的特定要求。常用的运动鞋外底材料有全 (橡) 胶、全塑 (料) 、橡塑并用及聚氨酯等。中底主要的作用是减震、存储能量以及能量的返还。
网球鞋鞋底除了具有一般运动鞋底的功能外, 还应有自己的独特性能, 主要表现在底部件的设计上。从网球运动特性可知, 网球鞋外底前掌是主要受力部位, 应有很好的制动效果, 其外底花纹在左右和前后方向要有较强的抗滑移能力, 后跟部位也要有必要的防滑效果, 以避免运动中的重心不稳, 影响运动成绩, 达不到运动保护的目的。另外, 网球运动过程中有较多的迅速止滑运动, 鞋外底花纹与地面摩擦后, 纹峰易磨损, 摩擦系数降低, 止滑性减弱。因此, 耐磨也就成了防滑的前提。要求鞋底前掌外侧和后跟部位耐磨性好。另外, 在侧身击球时, 要求鞋具有良好的翻转控制功能。
从功能方面, 由于网球运动场地大, 运动员跑动距离长, 在一场比赛中需要3~400次的能量释放, 特别是运动员从静止状态或制动后的爆发式启动, 更需要运动员满负荷的能量释放。所以, 专业网球鞋的弹性、即能量回归的功能显得尤为重要, 运动鞋释放出的反作用力能为穿用者节省更多的体力。另外, 高强度的步法移动和跳跃势必给运动员膝、踝关节带来冲击, 要求鞋底前尖和后跟部位硬度小一些。因此, 网球鞋的减震功能也是设计者必须考虑的。
鞋的质量大小亦对运动成绩产生影响。鞋是人体本身以外的附加体, 鞋的质量越大, 在运动全过程中消耗的能量累积效应也越大。假设跑动的距离为s, 每只鞋的质量为m, 则人体在每只跑鞋上所消耗的能量约为1.5 mgs (J) 。这表明随着距离的增大, 其能量积累效应也将越来越明显[1]。鞋子每增加0.1 kg质量, 人体需要多消耗约1%的能量[2]。由于网球运动强度大, 运动员体能消耗较大, 要求尽量减少体重外的负荷, 鞋成了主要考虑因素, 要在确保牢固的前提下减小鞋底及整鞋的重量。
网球运动中足部有一定的屈挠和弯曲, 是网球鞋的底部件易达到疲劳极限, 易在外表层产生细小裂纹, 最终导致底部断裂, 所以网球鞋的耐屈挠性很重要。网球鞋前跷较低的设计, 可使人体具有较好的稳定性。
网球鞋鞋底的总体设计要求是耐磨、耐屈挠、止滑性、减震性、弹性好, 稳定性好, 质轻。而防滑性和弹性 (能量回归) 是对专业网球鞋鞋底最重要、最基本的性能要求, 也是本研究从生物力学角度所要探讨的问题。
2 实验研究
2.1 大底止滑性实验
2.1.1 实验原理
运动鞋的止滑性能是指在人运动过程中鞋底的防滑性, 其值可以用鞋底与运动场地面的动摩擦系数和静摩擦系数的大小来表示, 摩擦系数越大, 止滑性能越好。因此在研究鞋底止滑性能的大小时, 采取的方法一般都是利用各种摩擦力测试仪测量实验鞋底在定的垂直压力下, 以一定的速度在实验路面上滑动时所产生的摩擦力, 用测得的摩擦力除以垂直压力就是摩擦系数值。如前所述, 鞋底止滑性能的影响因素非常多, 并且各因素之间的关系复杂, 这不仅影响了实验结果的准确度, 还增加了实验结果分析的难度。为了尽量减少实验误差和不同因素的干扰, 提高实验结果的置信度, 本实验固定了其它的实验条件和因素 (止滑测试仪的行程, 滑动速度, 法向载荷等, 如下所述) 。
2.1.2 实验目的
止滑性能是网球鞋的重要指标, 而耐磨性是止滑性的前提。本实验通过测试三双实验用鞋的静摩擦力、动摩擦力及相同条件下的鞋底磨损情况, 从而评价采用不同花纹和材料组合对鞋底的止滑性及耐磨性的影响。
2.1.3 实验内容
运用电脑式鞋子止滑试验机两次对鸿星尔克“灵足”网球鞋、NIKE AIR COURT网球鞋、ADIDAS BARRICADE网球鞋进行止滑性试验。并通过鞋底磨耗质量, 判定鞋底耐磨性 (如表1) 。
2.1.4 实验仪器和设备
PK-227A电脑式鞋子止滑试验机、电子天平。
2.1.5 实验过程
测试实验用鞋在表面光滑的干态混凝土表面上的静摩擦力和动摩擦力。在测试前后分别称单只鞋重, 取平均值。
2.1.6 法向载荷的选定
同样, 在已经选定的速度和行程两个水平的基础上, 选取负载为10 kg、20 kg、30 kg三个水平进行测试。测试结果表明, 法向载荷为30 kg时, 摩擦系数折线的曲率最平稳, 因此选定30 kg为本实验的法向载荷。
2.1.7 滑动速度和摩擦行程的选定
本实验所用止滑仪的最大速度为290 mm/min, 为了使实验外其他方面因素的影响程度降低, 选取了几个速度进行测试, 选择测试数据重现性好的速度值作为正式实验条件。与行程的测定方法相同, 在已经选定的行程 (250 mm) 和相同的负载 (30 kg) 下, 选取290 mm/min, 280 mm/min, 260 mm/min, 195 mm/min, 135 mm/min五个水平进行实验和分析。滑行速度为290 mm/min时摩擦系数折线的曲率最平稳, 因此本实验最后选取的速度为290 mm/min。
室温条件下, 选取以速度290 mm/min, 负载30kg的鞋底在干态混凝土表面上进行实验, 行程分为100 mm、150 mrn、200 mm、250 mm四个水平, 每个水平进行3次, 根据实验所得数据和图形, 选择数据重现性较好和摩擦系数曲率比较平稳的行程水平作为正式实验的行程。实验行程为100 mrn和250 mm时, 折线曲率比较平稳。但因行程为100 mm时摩擦力仍然在增大, 没有达到稳定平稳的状态, 因此本次实验行程选择了250 mrn。
2.1.8 实验结果
表2显示, 三双网球鞋中蹬伸效果最好的是鸿星尔克, 其次是阿迪, 耐克最差;鞋底止滑性最好的是阿迪、鸿星尔克次之、耐克最差。但三种网球鞋鞋底蹬伸效果和止滑性均不存在显著差异。
表3显示, 耐克网球鞋底耐磨性最好, 阿迪次之, 鸿星尔克最差;且耐克和阿迪之间不存在显著差异。
2.2 中底能量回归之实验肌电实验 (肌肉工作状态)
2.2.1 实验目的
网球鞋能量回归的目的是减少身体能量消耗, 而肌电能够通过对肌肉活动的监测来评价肌肉做功和能量消耗, 因而本研究希望通过表面肌电来研究和分析穿不同鞋时的肌肉做功, 进而研究运动鞋的能量回归功效, 为网球鞋能量回归设计提供参考。
2.2.2 实验内容
运用芬兰Mega ME6000 8通道肌电仪, 对6名青少年男性大学生分别穿着鸿星尔克“灵足”网球鞋、NIKE AIR COURT网球鞋、ADIDAS BARRICADE网球鞋, 在网球场底线中点处开始, 交替以交叉步跑向两个单打场地底角, 并迅速将各点的球拿回底线中点处, 同时采集左右下肢各4块不同肌肉做功的平均数据。对平均数据的各通道做功与负荷以及下肢肌肉总做功进行分析, 比较3款不同网球鞋之间的差异。
2.2.3 实验对象
(1) 实验受试者。
注:P<0.05时, 差异显著。本文其它表格也以此为标准。
体育学院男生6名, 身体健康, 无临床病史, 足部形态功能正常, 无足病和运动性障碍, 经过技术培训并经过预实验, 动作稳定性好、测量数据可靠性高。
(2) 实验用鞋购置于大型百货商店品牌特许零售商专柜 (如表4) 。
2.2.4 测试肌肉筛选及其依据
测试肌肉为下肢左右各4块肌肉, 分别为:腓肠肌内侧头、胫骨前肌、股四头肌和股二头肌。测试肌肉的选择基于一定的标准。首先这4块肌肉连接了下肢髋、膝、踝三个关节, 是文献中广为采用的, 这些肌肉也是下肢运动中主要做功肌肉。其次腓肠肌能屈踝关节和屈膝关节, 在站立时, 能固定踝关节和膝关节, 以防止身体向前倾斜;胫骨前肌可使足内翻;股四头肌是全身体积最大的肌肉, 是膝关节强有力的伸肌, 还有屈大腿的作用;股二头肌可以屈膝关节, 伸大腿 (如表5) 。
2.2.5 实验过程
在受试者测试肌肉表面贴上电极片, 连接肌电仪, 随机着三款不同的网球鞋在在网球场底线中点处开始, 交替以交叉步跑向单打场地两个底角, 并迅速将拿回底线中点处, 每次拿一球, 并以节拍器控制时间, 5秒内完成一次往返跑。每次实验间隔15分钟, 让被试充分休息。
2.2.6 表面肌电信号的采集
利用芬兰Mega ME6000 8通道肌电采集盒, 用记录模式分别采集穿3款不同网球鞋时的SEMG信号, 信号的采样频率为1000 Hz, 采样时间35秒, 肌电信号采集采用双电极引导法。
2.2.7 肌电图的分析处理
取运动开始稳定后连续一分钟的肌电图进行分析处理。取平均数据的各通道做功、总做功两项指标。结合SPSS 12.0统计软件包对数据进行多元统计分析。显著性水平P<0.05 (*) , P<0.01 (**) 。
2.2.8 实验结果
(1) 下肢各通道肌肉做功分析。
表6显示:T检验统计量对应的双尾概率P>0.05, 说明差异不显著。
(2) 下肢肌肉总做功分析。
表7显示:在稳定慢跑连续一分钟的肌肉总做功上, 穿鸿星尔克网球鞋时的平均做功为364 035.4 (u Vs) , 穿耐克网球鞋时平均做功为345 337.0 (u Vs) , 穿阿迪达斯网球鞋时的平均做功为342 409.0 (u Vs) 。
穿耐克和阿迪达斯网球鞋时下肢肌肉总做功有显著线性相关, 相关系数高达0.975, 且概率P<0.01。
T检验统计量对应的双尾概率P>0.05, 认为穿三双网球鞋时下肢总做功不存在显著差异。
3 实验分析与结论
3.1 鞋底止滑性实验
3.1.1 鞋底止滑性
前掌静摩擦力从大到小依次为鸿星尔克、阿迪、耐克, 动摩擦力从大到小依次为阿迪、鸿星尔克、耐克。虽无显著差异, 却据因此判定鸿星尔克的独特底纹设计具备良好的止滑性。
3.1.2 鞋底耐磨性
鸿星尔克网球鞋鞋底磨耗质量远大于其他两双网球鞋, 原因与特殊底纹增大了与地面的摩擦接触面以及大底材料选择有关。
3.2 肌肉工作状态
3.2.1 下肢肌肉总做功
其平均值从小到大依次为阿迪、耐克、鸿星尔克。从肌肉做功指标分析, 阿迪能量网球鞋可以更好地减少能耗, 可以认为有一定的能量回归功效, 但比较其它两款运动鞋而言, 这种差异并不显著。
3.2.2 下肢肌肉总做功的相关系数及检验
阿迪和耐克相关系数较高。结合平均值, 说明在肌肉做功上阿迪和耐克相近。因此阿迪达斯和耐克在减少能量消耗的功能上比鸿星尔克稍好, 但差异不显著。
3.2.3 下肢各通道肌肉做功
穿耐克网球鞋时通道1做功差异显著其它各通道做功差异不显著。说明下肢各通道肌肉做功差异不显著。
4 网球鞋设计的生物力学建议
4.1 提高鞋与足系统的整合性
鞋足系统的整合性对能量回归率有很大的影响, 在网球鞋能量回归设计时, 结合鞋楦和鞋底结构设计, 使鞋足系统达到高度整合, 提高运动鞋能量回归率。
4.2 能量存储释放周期与步态的一致性
网球鞋能量回归设计时, 把能量回归系统结构的能量存储与释放周期与不同运动项目的步频和步态周期相结合, 使得能量回归与步态协调一致, 实现真正意义上的能量回归。
4.3 减轻运动鞋自身重量
网球鞋能量回归设计时, 在不改变能量回归结构性能的前提条件下, 尽量使用轻质材料, 去除多余设计以减轻运动鞋质量。
4.4 鞋底设计建议 (如图1)
(1) 1和5硬度小, 耐磨, 减震性好。
(2) 2弹性好, 防滑移性能好。
(3) 3翻转控制性能好。
摘要：本研究运用PK-227A止滑试验机测试三种不同鞋底花纹设计的止滑性;并试图通过称取鞋底磨耗质量以判定三种网球鞋鞋底的耐磨性;运用Mega ME6000 8通道肌电仪, 分别对6名男性穿三种不同网球鞋时的下肢主要肌肉做功测量和分析, 试图通过实验研究并结合理论分析, 对网球鞋的能量回归实际功效给予评价, 并探讨网球鞋能量回归的影响因素, 从而为网球鞋的能量回归设计提供生物力学依据。
关键词：网球鞋鞋底,止滑性,能量回归,肌电
参考文献
[1]潘慧炬.力学原理与跑鞋创新设计[J].北京体育大学学报, 2001 (1) .
生物质热解动力学研究进展 篇8
生物质热解气化技术是在一定温度、完全缺氧或有限供氧的条件下, 将生物质中高分子有机物分解转化为小分子、高质量能源燃料, 实现能源利用的一项综合性技术。通过有机物热解、氧化、还原重整反应, 最终将有机物转化为富含一氧化碳、氢气和低分子烃类等生物质燃气。合成气通过甲烷化反应可进一步制备成清洁、高品质天然气 (简称SNG) 。随着世界资源日益匮乏, 环境保护观念日渐深入, 生物质热解技术引起了各国的广泛关注并进行了一系列的研究工作。美国、加拿大、瑞典、芬兰和德国等对生物质热解技术研究以及生物质能利用技术比较成熟。生物质能利用规模化和自动化程度较高。农林生物质能资源在我国非常丰富, 加强这一技术研究对缓解我国能源匮乏的现状, 提高工业生产效率和能源供应具有重要意义。生物质热解动力学研究是生物质热解技术的理论基础, 国内外学者对此做了大量工作。
2生物质热解动力学研究
生物质主要由纤维素、半纤维素及木质素等有机物组成[1]。纤维素的热裂解特性很大程度上表现了生物质的整体热裂解规律, 鉴于纤维素具有相对规整的结构和稳定的热解特性, 因而生物质热解动力学的研究都基于对纤维素热解反应研究[2]。对于纤维素热裂解表观反应动力学研究, 迄今已有许多不同的结果。反应模型的描述有单组动力学参数, 也有多组动力学参数, 从而对纤维素热裂解机理的描述也就各不相同。对纤维素热裂解过程建立可靠的模型, 对于深入理解纤维素热解本质有很大帮助, 并可以为研究整体生物质热解真实过程奠定坚实的理论基础。
2.1半纤维素热解的动力学模型。半纤维素的主要成分木聚糖常被作为模型化研究对象。该模型将半纤维素的热解描述为一种解聚合反应, 反应规律符合1.5级Amhenius反应, 产物为挥发物和固体炭。这种模型认为固体炭的产生与反应温度无关, 因而可在较宽的温度范围内预测热解反应的速率。该模型没有考虑大颗粒生物质粒子的收缩性和孔隙率的影响, 只对比分析了慢速热解条件下的实验数据和和数值, 而没有考虑快速热解的情况。
2.2竞争反应模型。Piskorz等[4]提出的竞争反应模型假设首次裂解为低温炭化反应与纤维素聚合度快速降低之间竞争反应。当纤维素聚合度降低到200时, 葡萄糖环断裂生成羟基乙醛 (乙醇醛) 与通过转糖基作用, 解聚生成左旋葡萄糖构成竞争反应, 模型如图1所示。
2.3准机理模型。准机理模型有两种:单步全局模型和半全局动力学模型。单步模型是最简单的纤维素热解准机理模型, 它将热解产物简单划分为两大类:挥发性产物和不挥发性产物, 由于该类模型的动力学参数可以方便的利用热天平等分析设备进行研究, 在过去的多年中被广泛应用。而半全局动力学模型通常引入了复杂的多步反应系统, 它对热解产物的划分比较细致, 可以对热解过程进行细致的描述, 并能预测焦油、轻质气体和半焦等产物。半全局动力学模型中采用的反应方案多种多样, 可以是平行式反应、连续式反应、核衰变式反应或者它们之间的各种组合。
2.4分布模型。分布模型主要关注于全局反应中的各种组分, 而纤维素的热裂解是一种复杂非均相的反应, 反应过程中由于存在化学键的断裂和重构, 反应界面的扩散作用以及不断改变的反应几何, 都会影响着反应过程, 分布模型的提出, 就是用一种近似方法获得较为细节的反应机理模型。
2.5纤维素全局热解模型。Diebold[6]通过实验建立了统一的纤维素全局热解模型, 并探讨了活性纤维素在反应中的作用, 模型如图2所示。他在实验中发现低温慢热解有助于焦炭生成;中温快速热解得到焦油较多;高温快速热解有助于气体生成。k是考虑了各组分的含量后, 由代表不同组分动力学数据按组分含量加权叠加而得。该模型不足之处在于三种组分的热解行为是用统一形式进行描述, 然而事实上三种组分内在的反应机理并不相同。
目前, 关于生物质热解动力学模型研究过程中仍然存在着诸多困难, 提出的各模型之间存在着或多或少分歧, 而且由于各个研究存在差异, 没有形成一种可以普遍适用模型, 这对于模型实际使用带来了很大的抑制作用, 需建立一种更接近实际通用模型, 并进行验证。
3生物质热解气化技术应用和发展方向
生物质热解气化技术日趋成熟, 可以应用于生物质燃气供应、生物质发电和生物质热解气化合成液体燃料等领域。生物质燃气具有清洁方便的特点, 在人们生活中有着广泛应用。生物质发电主要是通过生物质气化及直燃所释放热量转化为电能, 生物质发电项目研究为解决工业用电及城市用电发挥着一定作用。生物质热解气化合成液体燃料技术与目前生物质生物法制取液体燃料技术相比, 具有易于大规模生产、效率高、成本低等优点。
生物质能是一种环保, 清洁, 可再生的能源, 有着良好市场发展前景与利用价值。随着常规能源日益枯竭, 推进生物质能利用产业化、规模化是生物质热解气化技术发展的必然要求。对于生物质热解气化技术研究, 一方面要提高热解气化反应强度和效率, 另一方面要提高燃气品质, 因此, 研发高强度、高效率固定式气化床及流化床工艺设备, 改善生物质蒸汽气化及富氧气化效果, 加强对生物质合成天然气技术深入研究是生物质热解气化技术研究方向。
摘要：热解技术是生物质转化的重要技术之一。生物质热解过程十分复杂, 其转换过程会受到热解条件和生物质本身物化特性影响。因此, 研究生物质热解动力学对于深入理解生物质的热解机理、生物质热解工艺开发、工艺参数选择等均具有重要意义。该文对比了不同生物质热解动力学模型和热解反应途径, 对各自模型优缺点进行了总结。该工作为生物质热解动力学研究中, 动力学模型的选择提供了依据。
关键词：生物质,热解气化,动力学,模型
参考文献
[1]卢洪波, 戴惠玉, 马玉鑫.生物质三组分燃烧特性及动力学分析[J].农业工程学报, 2012, 28 (17) :186-191.
角膜生物力学研究 篇9
腰骶部的肌肉痉挛可使骶骼SI关节承受较大的应力，使关节运动度减小。下面就SI关节所致疼痛和功能障碍做一介绍。
1运动学研究SI关节运动不是单一、简单的轴向运动，而是在6个自由度上的耦合运动。但旋转和位移幅度很小，最多只有几度和几个毫米，很难测量。虽然在单侧髂骨固定时SI关节可发生较大的运动，但这种推断不一定适用于活体，原因：①由于研究是直接牵拉扭转关节囊的前方，而不是牵拉背侧的骨间韧带，这些骨间韧带具有很强的刚度，研究得出的结论是否是正常的生理运动参数，尚不清楚；②研究中，骶棘韧带和骶结节韧带被切除。这两条韧带的功能是限制骶骨围绕X和Y轴的旋转、增加骨盆平面和SI关节的稳定性；③骶髂和髂腰韧带以及耻骨联合的作用是阻止髂骨的分离；④研究中固定部分髂骨，忽略了载荷过程中髂骨的生理变形，造成SI关节的较大集中应力，导致运动幅度增加。SI关节运动存在着性别差异。男性主要以位移为主；而女性主要是旋转。男性最大旋转幅度1.2°，女性2.8°。提示：不同性别SI关节运动上的差异是由于关节面的解剖形态所决定的。有研究在尸体的SI关节上，比较了关节表面的局部解剖学。结果证实两性SI关节运动间的差异可能是由于不同性别之间的解剖特点所决定的。但也有研究证实年龄、分娩和性别对SI关节的运动无影响。
2研究SI关节方法学上的错误在测定SI关节运动中有一些方法学上错误，其中一些会导致测量数据的不准确，如使关节运动增加和影响关节运动类型的研究方法。物理治疗师和推拿师喜欢使用轴向旋转推拿方法。有关推拿的骨盆X线片分析，特别是将骨盆作为一个功能单位环绕Y轴进行旋转。相对中心线，在IN/EX位X线片上可增加2mm的投影。如果在二维X线片上骨盆相对双脚有5°的旋转时，就可能有10mm的半脱位。实际上这仅是假象或伪影，即不是三维成像。但如果在临床上用三维的方法来评价SI关节的运动，又很难行得通。有研究指出，有关推拿的骨盆X线片分析忽视了推拿圈外同行对其有效性的评价。因为推拿医师描述了在这种X线片上SI关节的三维位移情况。由于对这些分析方法缺乏业外专家的有效评价，因而这些方法的可靠性值得怀疑。由于尸体与活体上的差异，可能会错误地断定SI关节活动度增加。这些错误包括：①固定骶骨和髂骨，会通过骨移减少载荷，结果增加SI关节的张力，造成关节的运动增加；②切除SI关节韧带，如髂腰韧带，使关节的活动度增大；③切除腰椎和椎间盘，可造成SI关节轴向旋转运动增加。同样，研究中将胸腰筋膜和腰骨盆部的肌肉切除，使得腰骶部自身支架系统的功能丧失。而在健康人中SI关节的运动要比尸体小的多，这在活体三维检测中得到证实。
3相关的疼痛类型SI关节的病变可导致下腰痛。然而其所导致的疼痛特点仍未确定，有研究将刺激物直接注射到SI关节内，发现疼痛放散到髂嵴后下方10cm和侧方3cm的范围内。据此，可判断SI关节病变所致的腰腿痛。也有研究确定了SI关节功能障碍性臀、股、小腿和足部疼痛的临床特点。SI关节病变所致的下肢痛缺乏L5神经根水平以上受损的征象，可有L5神经根以下任何节段损伤的征象，提示，根据这种疼痛特点可以区分SI关节性疼痛和其它原因所致的下腰痛。
4临床检查的可靠性SI关节的物理检查方法大致分两类：①摸清骨盆的骨性标志；②激发疼痛，疼痛激发试验和阻滞试验较为可靠，而SI关节所有的特殊检查方法的临床价值尚不能肯定。然而，令人惊讶的是推拿界仍在推崇和使用这些检查方法，究其原因是以往这些检查方法广为流传，推拿界从不同学科，如矫外、内科和骨科中不断引证，以加强自己的理论基础。
5临床意义和治疗SI关节周围的韧带和肌肉均有丰富的神经分布，这些组织遇受损伤后易产生疼痛。然而，临床各种诊断方法的可靠性尚有疑问。运动触诊也不成熟，如果发现双侧SI关节的运动不对称，可能属正常。因为即使在同一个体双侧SI关节的解剖形态学可有差异，这种解剖学上的差异导致运动学上的不对称。虽然很多病因可引起SI关节疼痛，但根据以往关节的稳定性和运动性研究，活动增加性SI关节疼痛很少发生，然而在病理性不稳和创伤、多产妇、长期卧床所致肌肉萎缩和下运动神经元损伤等，似乎有可能引起疼痛，对此治疗较为棘手。实践证明，治疗多产妇韧带损伤性不稳的唯一方法是应用支架或固定带，以加强SI关节的稳定。支架放在大粗隆上面以增加对SI关节的压力，起着稳定作用。骨盆带的作用相同，对此尚未引起临床的注意。脊柱的所有组织都具有粘弹性，在载荷的初始阶段(当加载或御载时)，脊柱组织出现弹性变形。然而，如果载荷维持超过一段时间后，载荷位移曲线就不是线性的。御载后，恢复最初的弹性载荷。最初的弹性恢复后，组织将逐渐恢复到其静止时的长度，如仍有较明显的滞后现象，则组织将很难再恢复到其原始的静止长度。对于永久性静止性改变(如较严重的创伤)，脊柱组织所受的载荷时间必定延长。推拿手法一般在不到1秒内完成，因此推拿只会造成弹性变形。弹性变形不会引起组织静止状态的长度改变，所以，如果有韧带松弛和不稳，将使关节的运动增加。为了获得正常的运动，唯一的方法是增强关节的稳定。另外，由于骨盆部的载荷传导系统功能障碍，可造成SI关节的疼痛。所以应教会患者如何进行康复煅炼，以提高自身支架系统的功能。煅炼的重点应放在遅绳肌腱、臀大肌、背阔肌、腹肌和背伸肌等处，近来的研究也表明一种SI关节的注射疗法(prolotherapy)可能对韧带不稳或载荷传导系统障碍的患者有治疗作用，因为此时常合并有局部组织的肥大。对注射、推拿和煅炼疗法慢性腰痛的双盲研究表明：综合疗法对SI关节障碍的患者有较好的疗效。另一方面，如果患者在异常的体位，如半脱位持续几个月甚至数年，脊柱的软组织也将变形以适应这种异常，并将维持在此体位上。这些软组织将会发生退变。因此，一个短促的推拿手法不会使已变形的软组织回到正常的位置上去。有人认为单用推拿，仅会使患者症状得到短暂的缓解。不久患者的躯体功能障碍症状又复原，使得患者依赖于手法治疗。为了使已变形的组织恢复正常，则需要长期的力量和康复锻炼。过去10年间，许多专家认为大多数SI关节功能障碍是因关节组织应力的增加或炎症反应所致。因为似乎绝大多数患者伴有肌肉的痉挛或强直，这有可能引起SI关节的应力不平衡或应力增加，造成疼痛和炎症。在这种情况下，手法似乎是可以选择的局部治疗方法。临床也推测SI关节运动障碍可引起患者的疼痛。治疗手法为SI关节特殊的调整手法，然而手法的应用是根据运动触诊测量的方法来判断患者治疗前后的改善情况。治疗前后没有应用三维和放射像片的方法来有效地比较静态下SI关节序列的改变情况。以往有关SI关节运动学研究表明：SI关节病变的患者，其活动度无明显改变。因而，从以上研究得出的结论仅是直接作用在SI关节的手法可能减轻疼痛。最近有人对无症状者SI关节的俯卧位冲击手法后，双腿H反射波的情况进行了研究。结果表明，手法后治疗侧的反射性明显降低，而对照组则无改变。这表明作用在SI关节上的冲力可能会影响运动神经元的兴奋性，从而减轻疼痛，解除肌肉痉挛。然而，就象腰椎小关节、椎间盘和韧带组织对促反射改变一样，SI关节部有着丰富的机械感受器。腰椎的活动度较SI关节大的多，作用于SI关节的任何扳动手法都可使腰椎发生摆动，造成机械感受器的兴奋性增加。与一般概念不同的是，没有什么证据表明在消除反射性改变中，特异性调整手法优于同时扳动多节段的大体类手法。因而，手法对SI关节的特异性作用，只是推测而已。许多临床医师认为SI关节内有空腔，在手法扳动过程中可闻及这些空腔发出"喀哒"声并可用手声察觉到。据信，有响声是表明"脱位"的关节已复位，但没有证据支持推拿可明显改变SI关节解剖位置的这一说法。同样也没有证据表明SI关节面可被分离的足以形成关节空穴，然而一些临床医师仍墨守其原有的想法。在特异性SI关节推拿手法作用时发出的喀哒声很可能是来自L5或S1的小关节或SI关节的附属结构，这些附属结构较SI关节表浅，且较松散。不同体位下的SI关节生物力学稳定模型表明剪切应力特别容易造成SI关节损伤。为证明此理论，有人用X线、MRI和CT进行了研究。SI关节和耻骨联合剪切力是沿着Z轴和沿着Y轴。创造引起这种剪切应力，常合并有韧带不稳，导致治疗困难。虽然一些可造成骨盆的剪切应力，但由于二维影像学上的投射错误问题，其在X线和其它先进影像学上的表现有疑问且很难评价。有人讨论了SI关节半脱位时的骨盆剪切应力，并提出了一种矫正手法。然而，对矫正时剪切应力的定位尚无确切的证据。研究表明体位载荷和结构上的不对称可能加重SI关节的紧张度和应力。在尸体腰椎和骨盆研究证明：在较大范围内的自由载荷，在一侧SI关节产生应力集中。SI关节的运动学研究表明，瞬间载荷作用于SI关节可引起关节在三维空间内明显的旋转和位移。因此，矫正由异常体位和结构性腿短引起人体功效降低和载荷不对称应是主要的治疗。SI关节稳定的生物力学模型表明：SI关节部在驼背畸形、直立坐位、后移和后伸胸部以及一些其它体位时易被拉紧，结果导致下肢载荷的不称对。这些体位可增加肌肉的张力以维持平衡，并可造成SI关节的慢性劳损，因此，痉挛组织可造成SI关节的疼痛和炎症。近来的研究证实矫正组织结构对腰痛有治疗作用。42例慢性腰痛患者的足跟被垫高使骶骨底保持在水平位，致使腰椎前凸曲线减少。必要时可使用矫正，使患者的姿势矫正到正常的重力线上。发现姿势矫正配合骶骨底水平的疗法大大优于单独使用手法，这种综合疗法是唯一可改善局部对线不佳和消除慢性腰痛的方法。无论是特异性的矫正手法，还是非特异性的矫正手法，目前，尚无研究证实其能使偏移的骶骨或骨盆回复到正常位置。这主要是由于仅用手法而不配合姿势矫正，不能矫正结构性腿短，这种结构性腿短可引起SI关节内部结构紊乱。然而，许多手法治疗者提出一些特异性的骨盆矫正手法，认为据此即可矫正紊乱。为什么这些未经科学研究证实的推测能在推拿界长盛不衰?究其原因，主要是不了解SI关节的解剖学、生物力学和错误地理解了有关的知识。例如，有人很详细是介绍了SI关节的运动，但忽视了SI关节的活动度。这种断章取义的推测只能误导临床医师。目前，仅就现有的技术尚无法准确地预测不同患者SI关节的性质和功能。推拿医师的概念落后于本文所讨论的先进内容。然而，大多数临床医师很可能认为对SI关节功能障碍有许多合理的诊断和治疗方法。只有深刻理解SI关节的解剖和生物力学知识，才能寻找到适当的治疗方法。这些治疗方法应包括有推拿、康复锻炼、力量练习、稳定支架、矫正骶骨平衡和姿势等。
结论SI关节的特点，如楔形的骶骨、粗糙的关节面、对称性的凸凹和强有力的骨间韧带，所有这些组织结构都增加了关节的稳定性，因而也就限制了SI关节的活动。腰背和下肢的肌肉系统，通过胸腰筋膜构成了骨盆的自身支架系统，这有助于静态和动态时重力的传送。这些复杂结构构成SI关节的稳定，从而也限制了关节的活动。SI关节的活动是在旋转的同时，伴有多个轴的位移。这些运动幅度很小，腰痛患者可能有SI关节的活动度幅大，但很少出现，对这类患者可使用支架和康复锻炼以使SI关节韧带的粘弹和蠕变时间缩短，强壮的肌肉可增加SI关节的稳定性。损伤严重时，SI关节间的凹凸结构在理论上可能发生错位造成不匹配，由此产生疼痛和功能障碍。然而，目前尚无直接证据。或许，推拿可减轻关节间的不匹配。但是，如果推拿能够减轻这种不匹配，那么推拿也有可能造成正常SI关节的不匹配。SI关节是一个真正的滑膜关节，而周围的韧带和肌肉是构成SI关节的唯一稳定结构。因此，推拿不大可能扳动SI关节，实际上，推拿很可能扳动的是SI关节的附属结构和(或) L5、S1小关节，是这些组织结构在手法扳动过程中发出可闻及的喀哒声和手下的错动感。不管怎样，SI关节的推拿手法似乎能够引起反射，由此减轻肌肉痉挛，大多数的SI关节半脱位是由于X线片上的投影错误和临床猜测所致，而X线片一般无法显示患者立体结构上的半脱位。目前文献所介绍的治疗SI关节功能障碍的推拿手法、X线片表现和运动学触诊尚有不完善之处。因此，对有疑问的内容进行临床对照研究，特别是对矫正SI关节错位作用的推拿手法进行研究。这就需要采用有效的三维测量手段，另外，还需要应用三维的测量方法对动态的SI关节组织结构、不同年龄的运动学变化、性别上的差异、关节面的解剖形态对运动的影响以及长期随访等研究。准确有效的诊断方法至关重要。参考文献
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角膜生物力学研究 篇10
油茶是我国南方特有的重要木本食用油料树种[1,2]。江西省是油茶的主要产区之一, 全省现有油茶林面积83.7万hm2, 占全省经济林面积的79.6%, 为全国油茶林面积的1/3左右[3,4]。全省现有丘陵山地面积占整个土地面积的78%, 最适宜油茶生长的海拔在500m以下的低山丘陵面积占全省土地总面积的42%, 广阔的丘陵山地为油茶发展提供了保证[1,2,3,4,5]。在当今国家重视、政府鼓励、科技扶持、企业参与、林农自愿发展的大好形势下, 江西省油茶产业发展速度达到了前所未有的水平[6]。
油茶果采摘时, 正是油茶初花期[7], 要注意花苞损伤。油茶果适采期短 (一般为7天左右) [7], 人工采摘容易错过最佳采摘时期, 影响油茶产量。随着我国人口老龄化的加剧和农村劳动力的不断减少, 采摘油茶果的成本大幅提高, 导致农民迫切需要实现油茶果采摘的机械化[8,9,10];同时, 快速发展的油茶产业需要采摘作业机械化, 以实现规模化经营和管理。中南林业科技大学发明公开了一种齿梳式油茶果采摘机[8], 能有效解决现有油茶果大多采用人工采摘而导致的劳动强度大、效率低的问题, 实用性很强, 可为油茶果种植的推广提供技术支持, 代替人工采摘[8]。然而, 采摘头升降速度存在波动性以及齿梳式采摘难以避免采摘过程对花蕾的损害[8], 影响下一年油茶产量。为此, 探究了油茶果和油茶花苞的生物力学特性, 以降低齿梳式采摘技术对花苞的损伤程度。
1 试验材料与方法
1.1 试验设备
1.1.1 力学测量器具
型号 (Model) :WITH BACKLIGHT
负载量 (Capacity) :50kg/10g
电源 (Power) :3V (AAA battery-2pcs)
精确度 (Precision) :±0.1N
特点:使用高性能嵌入式微电脑为核心、测量准确、性能稳定的测量仪。独具LCD数字显示屏, 数字显示清晰, 具有单位转换、自动关机、保留及测量锁定功能, 是理想的测量器具。
1.1.2 油茶果质量测量器具
型号:FA1004
称量范围/g:0~100
重复性误差/g:0.000 2
线性误差/g:±0.000 5
电源:220+22-33V·50Hz或 (110±11) V·60Hz
输出接口:RS232C
1.2 试验材料及选取原则
江西省是油茶的天然分布区, 种质资源调查结果 (经鉴定) :山茶属植物有36个物种。其中, 油茶组2种 (1变种) 、红山茶组10种、糙果组4种、短柱茶组4种、茶组1种、连蕊茶组15种。在全省范围内, 栽培面积最大、产量最多的是普通油茶, 其次是小果油茶、红花油茶[2]。不同油茶果实的主要植物学性状如表1所示[7]。
以全省范围栽培面积最大、产量最多的普通油茶为样本。随机取样于江西农业大学植物标本园内的油茶林 (见图1) , 选取适采期的油茶果及同一时期的油茶花苞进行力学特性试验。
以不同油茶果实的主要植物学性状来辨识出普通油茶, 在江西农业大学植物标本园现场测试。为防止油茶果水分流失而影响实验结果, 获取油茶果试样后立即测量其质量和果径。同时, 现场做油茶花苞的力学试验, 减少采摘后其它因素对试验结果的影响。油茶果和油茶花苞的横向扭断力[8]及纵向拉断力[8]的力学特性试验数据分别随机采取100组。
1.3 试验方法
1.3.1 油茶果力学特性试验方法
测量油茶果横向扭断力时末端装置采用测试仪自带的挂钩装置;测量油茶果纵向拉断力时, 末端装置采用塑料夹具。分别对油茶果做横向扭断力和纵向拉断力的试验, 记录每组数据, 并对油茶果进行编号, 同时测量其质量及果径, 如图2、图3所示。
1.3.2 油茶花苞力学特性试验方法
测量花苞横向扭断力末端装置采用仪器自带的挂钩装置;测量纵向拉断力时, 末端装置采用针式装置。分别对油茶花苞做横向扭断力和纵向拉断力的试验, 同时测量花苞的直径并记录每组试验数据, 如表2所示。
表中每一行为10颗油茶果测量数据平均值。
2 试验结果
2.1 油茶果的试验结果
单果质量:大于16g为大果;10~16g为中果;小于10g为小果[11]。依此观测指标所选取的油茶果样本, 大果占12.5%, 中果占33%, 小果占54.5%。各个指标内的果实皆有, 小果数量偏多。
2.2 油茶花苞的试验结果
试验结果如图4、图5、表3所示。
表中每一行为10个油茶花苞测量数据平均值。
油茶花的开放明显地显示出蕾裂、初开、瓣立、瓣倒、柱萎等5个时期[12]。花苞所取的样本处于蕾裂和初开两个时期, 花蕾的直径接近于普通油茶优性状指标[13]。
3 分析
3.1 力学特性数据分析
通过油茶果和油茶花苞力学特性数据的散点图, 可以观察到数据分布并不集中, 样本中的个别值明显偏离其所属样本的其余观测值, 这样的数值称之为异常值。异常值会给后续分析带来很多麻烦, 导致估计有偏误。对于异常值, 应尽可能分析检查其出现的原因, 以便取舍数据有更加充分的依据。在计算平均数时, 所有数据都参加运算, 从而能充分利用数据所提供的信息, 但容易受异常值的影响。将异常值计算在内, 对用平均数来估计有很大的偏误。
箱线图能直观识别数据中的异常值, 真实直观地表现数据形态的本来面貌。各组数据的箱线图并列起来, 绘制成比较箱线图可强有力比较数据样本分布。箱线图由5部分组成:最小值 (Min) 、下四分位数 (Q3) 、中位数 (Me) 、上四分位数 (Q1) 、最大值 (Max) [14,15]。四分位数是通过3个点将全部数据等分为4部分, 对未分组的数据计算四分位时, 先要对全部数据进行排序, 然后确定四分位数所在的位置[13,14]。这里设总样本数数为n, 则Q3的位置= (n+1) /4;Q1的位置=3 (n+1) /4。当四分位数的位置不在某一数值上时, 可根据四分位数的位置按比例分摊四分位数位置两侧数值的差值[14,15]。异常值被定义为小于Q3-1.5IQR或大于Q1+1.5IQR的值。箱线图判断异常值的标准以四分位数和四分位距为基础。四分位具有一定的耐抗性, 多大25%的数据可以变得任意远而不会很大地扰动四分位数, 所以异常值不能对这个标准施加影响, 可见箱线图在识别异常值方面有一定的优越性。
由实验数据绘制油茶果和油茶花苞的横向扭断力、纵向拉断力的比较箱线图, 如图6所示。
第1个图对应油茶果横向扭断力, 数据跨度较大, 数据中存在极端异常值;中位数线距盒子图中心线较近, 数据分布较均衡。第2个图对应油茶花苞横向扭断力, 数据跨度相对较小, 数据中存在温和异常值;中位数线离盒子图中心线较远, 样本分布较不均衡。第3个图对应油茶果的纵向拉断力, 数据跨度较大, 无异常值;中位数线距盒子图中心线较远, 数据分布不均衡。第4个图对应花苞的纵向拉断力, 数据跨度相对较小, 无异常值;中位数线距图形中心线较近, 数据分布相对均衡。
箱线图数据分析如表4所示。
N
平均值*为样本除去异常值后的平均值。
3.2 生物特性分析
油茶果呈球形, 普通品种的油茶果径平均在15~2 5 mm之间[16], 试验样本的油茶果平均直径为21.03mm。其中, 大果12.5%、中果33%、小果54.5%, 各个层次果实皆有分布。由于小果数量偏多, 样本质量平均值为10.754g, 但仍在普通油茶果实质量幅度[7]范围内。综上所述, 样本具有合理性。
通过观察和测量多颗油茶树, 油茶果主要分布在树冠表层、树表向里延伸大致250mm左右的空间区域, 其余区域油茶果数量较少。
由表5[7]可知, 江西地区油茶果适采期正是油茶花苞的初花期和盛花期, 即油茶树花果同期。油茶果进入适采期时, 油茶花苞大多处于蕾裂期。花蕾呈圆锥形, 依附在枝梢上, 所取样本花蕾的平均直径为3.12mm, 花蕾的直径较小。油茶树属于常绿小乔木, 枝繁叶茂, 同时树枝具有很好的韧性。花蕾周围一般生长茂密的枝叶, 没有受到大的挤压或剪切力, 花蕾不易掉落。
4 结论
油茶果和油茶花苞的生物力学特性试验结果表明:油茶果平均直径为21.03mm, 蕾裂期的油茶花苞平均直径为3.12 mm, 两者差距悬殊。除去样本中的异常值, 获得油茶果和花苞的横向扭断力均值分别为1 1.0 8 2、6.9 4 1 N;纵向拉断力均值分别为7.9 7 9、5.706N。油茶果横向扭断力和纵向拉断力的均值分别大于花苞的均值;油茶果和花苞横向扭断力的均值大于其纵向拉断力的均值。