足部生物力学（共3篇）
足部生物力学 篇1
一、运动生物力学的发展过程
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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[4]周里.中国运动生物力学研究现状分析[J].上海体育学院学报, 1997, (1) :23-26.
[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.
[10]王今越.国内运动生物力学发展现状思考[J].天津体育学院学报, 2003, (4) :33-36.
骨盆环损伤的生物力学研究 篇2
1 材料与方法
1.1 一般材料
选取实验室用一年内尸体标准6具, 其中男4具, 女2具;死亡年龄35~54岁, 平均 (42.5±8.3) 岁。所用标本经X线摄片均未有骨质疏松等骨骼相关疾病。取标本包括腰四及股骨近端三分之一之间的完整骨盆模型, 除去皮肤、肌肉、结缔组织, 只保留髋关节囊、骨间韧带、耻骨联合及骨盆后方诸韧带。
1.2 方法
1.2.1 单纯垂直作用力
将制作好的模具放入夹具内, 模拟人体正常站立。以应变花布置测试点, 如图1所示, 选取20个观察点 (骶髂关节两侧) 。将模具置于力学实验机上, 以10 N/S的垂直作用力作用于模具上, 应用应变仪分别记录模具在耻骨联合正常、耻骨联合分离1 cm、2 cm、2.5 cm时模具承受依次100 N/S、200 N/S、300 N/S、400 N/S、500 N/S作用力时的应变值。每个模具实验过程重复三次取平均值。
1.2.2 垂直作用力结合扭转作用力
在对模具施以垂直作用力同时, 向模具逆时针方向加以10~80 N/S的力, 同时采集相应的应变值。
1.3 统计学处理
应用SPSS 16.0统计软件进行数据分析, 正态分布的各统计指标均以均数±标准差 (±s) 表示, 不同耻骨联合分离数据作用于同一位点产生的数值比较应用t检验, P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 单纯垂直作用
(1) 耻骨联合未分离:点1~3、6、7、9、10、13、14、17~19处随垂直作用力加大时应变值变化逐步增大 (P<0.05) 。其余各点应变值稍有变化, 但是差异无统计学意义 (P>0.05) 。 (2) 耻骨联合分离从1 cm逐步增大至2 cm时, 点1~5、8~10、12、15~19处应变值也随之增大 (P<0.05) , 而点6、7处应变值则随之减小 (P<0.05) 。其余各点差异无统计学意义 (P>0.05) 。 (3) 耻骨联合分离从2cm增大到2.5cm时, 点6~8、13、14应变值变小 (P<0.05) , 点11先增大后减小 (P<0.05) , 其余各点差异无统计学意义 (P>0.05) 。
2.2 垂直作用结合扭转作用
随着扭转力增大, 点1~3、13、14压应变值差异无统计学意义 (P>0.05) , 拉应变值逐步增大 (P<0.05) 。点4~7压应变值逐步增大, 而拉应变值逐步减小 (P<0.05) 。
2.3 前后环损坏与固定
耻骨联合分离后, 导致模具前环不稳;而破坏骶髂关节、关节囊、切断韧带, 模具后环不稳。应用钢板固定耻骨联合可稳定前环 (P<0.05) , 对后环影响不确 (P>0.05) 。
3 讨论
在所有骨盆环损伤患者中, 高处坠落伤占绝大部分, 患者在下肢着地骨盆环不仅仅承受来自垂直作用的作用力, 往往带有旋力[3,4]。故本研究除了选择垂直作用的外力外, 还加有逆时针扭转作用力。在垂直作用力较小时, 由于骨盆的结构复杂性及牢固性, 可以将垂直作用力均匀分散, 故本研究在耻骨联合未分离时, 除了个别观察点, 几乎所有观察点应变值随着作用力的增加而增大, 且主要体现在骨盆后环处 (1~3、6、7、9、10、13、14) 。前人研究骨盆后环承受大概60%的作用力[3], 本实验结果与其吻合。耻骨联合分离即“开书型分离”, 主要是由于强烈的外旋暴力, 所造成的危害是破坏了骨盆的正常结构, 故易行成各类并发症, 本研究分离耻骨联合后发现, 点1~5、8~10、12、15~19处应变值也随之增大, 而点6、7处应变值则随之减小, 说明分离后由于增大了骨盆环面积导致骶棘韧带紧张, 进而骶髂关节缝隙增大[5,6,7,8,9,10,11,12]。而随着耻骨联合分离到2.5 cm, 骶髂关节缝隙进一步增大, 当韧带断裂时, 两侧受力开始减小。故盆腔前环损伤可以引起骶髂关节功能障碍。而垂直结合外旋作用时, 骶髂关节髂骨侧 (点4~7) 受压力逐渐增大, 骶骨侧收拉力减小, 易发生挫裂。
本研究显示, 随着扭转力增大, 点1~3、13、14压应变值差异无统计学意义 (P>0.05) , 拉应变值逐步增大 (P<0.05) 。点4~7压应变值逐步增大, 而拉应变值逐步减小 (P<0.05) 。耻骨联合分离后, 导致模具前环不稳;而破坏骶髂关节、关节囊、切断韧带, 模具后环不稳。应用钢板固定耻骨联合可稳定前环 (P<0.05) , 对后环影响不确 (P>0.05) 。提示随着作用力加大, 相关观察点应变值随即变化。
以往对骨盆骨折的治疗往往采取保守治疗或者仅仅内固定耻骨联合, 本研究发现耻骨联合固定后仅仅对前环稳定性增强, 并不影响后环, 因此建议对于复杂骨盆骨折患者应采取前后环协同固定, 以加强骨盆的稳定性, 最大程度减少骨折后并发症。
综上所述, 本研究通过对骨盆受力研究, 加强了对骨盆损伤的认识, 对未来应用微创治疗骨盆骨折提供了理论基础。
摘要：目的:探讨骨盆环应力走向, 为骨盆环损伤提供更可靠、合理的治疗方法。方法:选取6尸体标本第四腰椎及近端股骨在内的完整骨盆, 人为应用垂直作用力及旋转作用力作用于骨盆, 观察并记录各标记点应变值。结果:随着作用力加大, 相关观察点应变值随即变化。结论:骶股弓是骨盆传导垂直负荷的主要途径, 耻骨联合分离及外旋力作用易导致骶髂关节损坏。
网球发球技术的生物力学分析 篇3
1、抛球技术的相关研究
在准备动作的基础上, 用大拇指、食指以及中指指肚的位置将球托住, 无名指和小指辅助球的右侧后方, 持球手由下向上缓缓的将球托起, 并在眼睛附近的高度将手伸展, 手臂继续的向上伸展, 直到手臂伸直为止。抛球的位置应该在一点钟的方向, 不同的击球技术, 对待抛球位置也有所不同, 抛球的最低高度, 应该保证持拍手臂是伸直的状态下, 不宜过高, 太高导致球下降的速度加快, 不宜正确的击打来球。优秀运动员的抛球落差在50cm左右, 有些甚至在20cm, 国际优秀运动员的击球点高度是身高的1.50倍。
2、挥拍击球技术的相关研究
下肢快速有力的蹬伸、髋部的转动以及手臂内旋等技术动作共同构成了网球技术的击打动作, 技术动作之间的有效衔接和适度的屈伸也是影响击球动作质量的主要因素。
2.1、膝关节的动作特征
下肢的膝关节运动是网球发力的起点, 适当的膝关节屈曲的有利于储备弹性势能, 膝关节屈曲的太大或太小都不能产生最佳的蹬地力量。下肢蹬地力量是整个网球发力的源泉, 使力量依次从下向上进行传递。下肢的蹬伸运动, 也有利于躯干的向上运动, 并对上肢产生一定的超越现象, 这种超越有利于增加球拍的运行轨迹, 增加击球的力量和速度。从生物力学分析, 认为发球技术动作属于一个协调链。发球所产生的力量并不是单单依靠躯干和手臂的爆发力, 而是将力量有序的链接起来, 膝关节的适度屈伸是发球技术动作传导的开始, 并将其力量传递到整个链条系。
2.2、髋部的动作特征
髋是整个用力加速过程的枢纽, 能将下肢蹬伸产生的线动量转换为躯干角动量, 保证了击球瞬间身体仍处于上升状态, 躯干的转动对于保持身体的平衡也起到一定的作用。同时髋轴在下肢力量作用下向前旋转, 躯干在髋关节处伸展, 增大躯干背弓弧度。这些动作都有利于上臂击球的鞭打动作。
2.3、挥拍臂的内旋动作特征
当扭转躯干和肩以及髋轴用力发力时, 身体有一个明显向内旋转的状态, 这样大幅度的扭转会对击球造成一定的困难, 很难把握住球拍的运动方向, 这时就需要手臂产生一个与躯干和髋轴相反的力量, 使手臂有一个内旋的动作, 来抵制身体动作产生方向上的偏差, 在当今的网球发球技术中, 躯干和肩轴都有明显的转动动作, 因此挥拍臂在击球前瞬间的内旋动作已成为必不可少的技术环节。
2.4、屈肘和抖腕动作特征
在击球时, 有效的屈肘和抖腕技术动作能起到很好的加速作用。抖腕可以使腕关节速度有明显差异。但是屈肘和抖腕的动作幅度不宜过大, 大幅度的屈肘和抖腕技术动作会使球的下降的速度过快, 容易造成下网, 导致失误。同时在球拍向前挥时, 手腕应该处于竖起的状态, 在击球时刻, 持拍的手腕带动小臂有一个向内击打的动作, 这也是发力的重要环节。这一阶段的适度紧张, 可以使力量传到球拍上, 增加击球的球速, 使击球质量得到提高。从运动系统角度看, 主要是各关节起动的早、晚, 和主动肌、对抗肌收缩的顺序、时间是否协调。腕关节的运动, 应该先是屈腕肌快速用力屈腕, 速度达到最大后, 伸腕肌用力, 形成制动, 最终将力量作用于球拍之上, 提高球速。
3、跟进动作技术的相关研究
发球后人体的重心有向前的转移, 特别是上体有向前屈的趋势, 迈下肢向前的一种自然动作, 这样做的目的可以使身体的力量作用在球的上面, 更好的增加击球效果, 同时向前跟进, 也可以很好的跟上网技术结合起来, 减少了随球上网的时间, 能够更好的来到网前。占取有利的位置。用力学观点来阐述随挥技术动作的意义:由牛顿力学定理可知, 球拍作用于球上的力F与作用的时间t的乘积称为冲量。球的冲量表达为:F·t=mv-mv。 (m为球的质量, V为球的初速度, V为t时刻球的速度) 在发球时, 球在垂直下落时被球拍打中的, 这时球在最高点时没有速度, 处于静止状态, 初速度为0, 所以得出:F·t=mv, 表明球拍在拍子上停留的时间越长, 球的速度V也会越快 (m为常量) 。
结论:在发球技术动作中, 我们不仅要把每一个关键的技术环节做好, 做的到位, 同时还要将各个环节有效的链接起来, 使之成为一个整体。即整个发球动作要协调、连贯。从生物力学分析, 我们应该把整个的发球过程看成是一个生物运动协调链, 很多人发球发不好的问题就出在有的链条断了, 不连续, 不协调, 这是一环扣一环很连续的动作, 最后才能为加速击球做准备, 整个发球的发力过程为下肢的蹬伸→转髋→转体→上肢手臂的挥动→手腕的旋内→随挥动作。发球的时候适当的放松对于提高发球的效率也起到了积极的作用。
参考文献
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[2]刘卉.网球大力发球技术的运动生物力学原理[J].北京体育大学学报, 2000:23.[2]刘卉.网球大力发球技术的运动生物力学原理[J].北京体育大学学报, 2000:23.
[3]陈万军, 郭开强, 邢哓圆, 焦雪华.优秀网球运动员发球技术特征分析[J].湖北体育科技, 2006, (05) .[3]陈万军, 郭开强, 邢哓圆, 焦雪华.优秀网球运动员发球技术特征分析[J].湖北体育科技, 2006, (05) .