生物力学特征

生物力学特征（精选10篇）

生物力学特征 篇1

0 引言

就竞走项目而言,它是一项技术性很强的体能类项目,技术优秀且体能强是竞走运动员取胜之关键,技术优秀而体能不强或者体能强而技术不精都不可能在大赛中取得优异成绩。但在竞走技术与体能之间,动作技术优先是竞走项目的精髓。希望通过对优秀女竞走队员的部分技术特征进行分析,可以提高队员的动作技术。

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象

比赛前七名运动员(十一运会女子20km竞走),表1。

1.2 研究方法

实验法:用美国的两台faster500高速摄像机把十一运动会比赛现场女子20km竞走运动员的一个复步的完整动作用平面定机法给拍摄下来。

说明:这次的比赛路线是从田径场出发,行走121.8m之后到奥体北路,绕着奥体北路行走九圈,平均每圈1987.16m,然后再返回到田径场.摄像机就架在距离起点2.75km的地方进行拍摄,共分成九段距离,每一圈平均过弧51m,为了方便起见,我们将每一段距离称为圈,至于每一分段距离与圈数的关系可看图1.

2 结果与分析

女子步长的结果与分析。几乎所有关于竞走技术的研究都会涉及到步长、步频和单步时间的分析[1,2,3]。有学者指出,因为国际的大步幅与我国的小步高频相矛盾,所以我们跟世界上裁判员公认的惩罚尺度意见不能统一,致使我国运动员在国际赛场上总是以失败而告终[4]。

从表3、表4中可以了解我国女子竞走20km优秀运动员在分段距离的群体步长的平均值约为1.05±0.04m,步长最小的时候一般出现在第四圈,最大值一般出现在第七圈,分段距离的前半程一般平均值在1.03±0.05m,后半程步长的平均值一般是1.05±0.02m,群体的分段距离前后半程步长进行T检验P=0.569,可以看出群体的分段距离前半程步长小于后程步长,但两者的差距并不明显。李燕飞达到了个体分段距离步长的峰值,只有周康出现在分段距离的前半程,其他的全部出现于后半程。分段距离的最小值也出现在分段距离的后半程,他们是刘虹、王珊珊、李莉。李莉的步长是1.16±0.05m,周康的分段距离步长均值最小是0.96±0.07m。进行T检验个体分段距离前程步长大于后程步长的有李燕飞与李莉两位运动员,其他的都是前半程小于后半程。前半程步长的距离与后半程步长的距离没有很显著的差异。

分析图1分段距离步长变化图,从女子运动员20km分段距离步长曲线变化图可以看出我国优秀女子20km竞走运动员群体步长的变化呈现前半段下降,后半段上升的趋势,从个体分段距离步长变化曲线图我们可以判断出在运动比赛中大多数运动员的步长变化曲线是在前半段减少,后半段增加的趋势,其中刘虹可作为其中的代表,由此可以看出我国女子20km竞走运动员有控制调节步长的能力,即使在后半段体能下降的时候依然可以增加步长,提高比赛成绩。但也有运动员并不能合理的调节自己的步长,比如运动员李莉在后半段就呈现出步长缩小的情况,这是因为体能下降的情况决定的。从图中可以看出,步长的变化是很明显的,这说明运动员在分段距离上步长变化离散的程度是很大的,使体能得到了很大的消耗。对于离散程度较高的情况普遍存在于我国优秀女子20km竞走运动员当中,这应该是我们训练时加强改进的方面。

3 结论

优秀女竞走队员应对步长控制加强练习,因为技术运动的稳定需要步长的稳定,我们可以采取加快步频的方式,前提是在稳定合理步长的基础上,目的是提高运动员的成绩。

摘要：通过平面定机摄影获得优秀女子竞走队员竞走技术的部分生物力学特征。发现我国优秀女子20km竞走运动员不论是个体还是群体其变化值离散程度均较高,训练中应当加以改进。建议在固定合理稳定的步长基础上加快步频,从而提高运动成绩。

关键词：竞走项目,女竞走队员,技术特征

参考文献

[1]葛长钰.竞走定义变化对技术的影响[J].北京体育大学学报,1998,21(1):72-74.

[2]李卫,李建臣.竞走运动员技术犯规的生物力学成因的研究[J].中国体育科技,1999,35(10):23-24,38.

[3]杨金田,张殿亮,杨银田.对竞走技术中腾空犯规临界值的生物力学研究[J].中国体育科技,1999,35(10):25-26.

[4]王林.竞走-现代竞走技术与训练[M].北京:北京体育大学出版社,2003:39-40.

生物力学特征 篇2

下面，我们通过对连接体运动的深入探讨研究，寻找并把握其隐性力学特征，以便灵活运用这些特征快速解决相关物理问题.

1 连接体运动隐性力的特征的探寻

情形1：物体紧靠在一起或牵拉着一起沿斜面运动

当两物体紧靠在一起沿斜面向上运动（如图1），或者牵拉着一起沿斜面向上运动（如图2）时，设两物体与斜面的动摩擦因数分别为μ1、μ2，两物体间相互作用力大小为F12.对整体和物体m2建立牛顿第二定律关系式，可知

F12=F1-μ1m1gcosθ）m2+（F2+μ2m2gcosθ）m1m1+m2.

通过分析可知，F1′=F1-μ1m1gcosθ实质是将作用在物体1上的摩擦力视为F1的一部分；F2′=F2+μ2m2gcosθ，实质是将作用在物体2上的摩擦力视为F2的一部分.故两物体间相互作用力存在

F12=F1′m2+F2′m1m1+m2关系.

当两物体紧靠在一起沿斜面向下运动或者牵拉着一起沿斜面向下运动时，对整体和物体m2建立牛顿第二定律关系式，可知

F12=（F1+μ1m1gcosθ）m2+（F2-μ2m2gcosθ）m1m1+m2.

通过分析可知，F1′=F1+μ1m1gcosθ实质也是将作用在物体1上的摩擦力视为F1的一部分；F2′=F2-μ2m2gcosθ实质也是将作用在物体2上的摩擦力视为F2的一部分.因此两物体间相互作用力也存在F12=F1′m2+F2′m1m1+m2关系.

当μ1=μ2时，F12=F1m2+F2m1m1+m2，可以看出两物体间相互作用力大小F12与重力、倾角θ及动摩擦因数μ大小均无关.

情形2：物体叠在一起沿斜面运动

如图3，两物体无论以加速度a沿斜面向上加速运动还是沿斜面向下加速运动时，两物体间的平行斜面方向的相互作用力F12其实都是静摩擦力.

物体m2沿斜面向上加速运动时，作用在其下表面的滑动摩擦力沿斜面向下，作用在其上表面的摩擦力沿斜面向上，作用在物体m1下表面的摩擦力方向沿斜面向下，对整体和物体m2建立牛顿第二定律关系式，可知

F12=F1m2+[F2+μ（m1+m2）gcosθ]m1m1+m2.

通過分析可知，F2′=F2+μ（m1+m2）gcosθ实质是将物体2下表面的滑动摩擦力看成F2一部分结果，因此两物体间的平行斜面方向的相互作用力也存在F12=F1m2+F2′m1m1+m2关系.

同理，当两物体以加速度a沿斜面向下加速运动时，对整体和m1（或m2）建立牛顿第二定律关系式，可知

F12=F1m2+[F2-μ（m1+m2）gcosθ]m1m1+m.

通过分析可知，F2′=F2+μ（m1+m2）gcosθ，实质也是将物体2下表面的滑动摩擦力看成F2一部分，叠体间沿运动方向的相互作用力大小同样满足F12=F1m2+F2′m1m1+m2关系.

从上面探讨可以看出，只要我们将作用在物体上的滑动摩擦力“移离”斜面，看成作用在本身物体上推力（或拉力）的一部分，则连接体运动的物体间沿运动方向的相互作用力大小，均满足F12=F1m2+F2m1m1+m2关系.这无疑是连接体运动隐含的作用力关系特征.

知道连接体运动隐含的作用力关系特征，我们可以快速解决相关物体问题.

例1 如图4所示，两矩形物块A、B质量均为m，叠放在一个竖立着的弹簧上，弹簧的劲度系数为k，质量可忽略不计.今用一竖直向下的力F压物块A，弹簧在F作用下又缩短了Δl（仍在弹性限度内），突然撤去外力F，此时A对B的压力大小为

①F ②F+mg ③kΔl2-mg ④kΔl2+mg

分析与解 本题相当于图1两物体互相靠在一起运动情形，而且属于μ=0、θ=90°特殊情形，故A、B之间作用力满足FAB=FAmB+FBmamA+mB关系.

设物块A、B叠放在弹簧上时弹簧压缩量为x，不施加力F时2mg=kx；施加力F后整体力平衡，F+2mg=k（x+Δl），F=kΔl.突然撤去外力F瞬间，作用在B上的弹簧弹力大小仍为k（x+Δl）=F+2mg=kΔl+2mg.

将图4与图1对比可看出FA=0、FB=k（x+Δl）=kΔl+2mg，故A对B的压力大小

FAB=FAmB+FBmAmA+mB=kΔl2+mg=F2+mg

，选项④正确.

例2 如图5，质量为 的物体A 放置在质量为 的物体B上，B与弹簧相连，它们一起在光滑水平面上作简谐振动，振动过程中A、B之间无相对运动.设弹簧的劲度系数为 .当物体离开平衡位置的位移为 时，A、 图5

B间摩擦力的大小等于

（A） 0； （B） ；

（C） ； （D） .

解：将图5与图3对比，可知 ， ， ， ， ， .故A、B间摩擦力大小 ，选项（D）正确.

2 连接体运动隐性能量特征的探寻

连接体运动时，有可能运动的高低位置发生变化，也有可能会额外牵引或挤压弹簧，这些过程，往往会造成系统能量变化，运动形式也可能表现出某些特征.了解并把握这些特征，有助问题的分析解决.

对于系统，从能量守恒角度来说，做多少功，便要转化多少能.设想系统受到人为外界拉力F作用，则人为外界拉力的做功，便等于系统总能量的增量.也即

WF=ΔE总=E总′-E总=（Q+Ek′+Ep′+Ep弹′+ε′）-（Ek+Ep+Ep弹+ε），

也即WF=ΔE总=E总′-E总=Q+ΔEk+ΔEp+ΔEp弹+Δe.

这是连接体运动表现出的通用能量关系式，这可以说是连接体运动的另一个重要的隐性力学特征.该式通过对系统内两个物体各自建立动能定理表达式，也可获得.

该式有极强的通用性和易操作性.不过，为防止列式时出现重复量，列式时要注意以下几点：

（1）式中等号右边的变化量均是后来能与原来能之差.

（2）如果已经将某系统中某部分重力视为外界拉力F，则该部分重力对应部分的势能变化量就不能包含在ΔEp内；若是全部重力视为外界拉力，则等号右边就不能包含全部势能变化量ΔEp.

（3）物体摩擦发热Q=f·s相对.式中s相对是物体相对接触面移动的距离.

（4）没有摩擦发热，等号右边式中Q不能列入；没有弹簧，等号右边式中ΔEp弹不能列入；没有电场，等号右边式中电势能变化量Δε不能列入.

利用连接体运动通用的隐性能量关系式，我们可以快速解决相关物理解决问题.

例3 如图6所示，一轻质弹簧下端与固定挡板相连，上端与放在倾角θ=30°的光滑斜面上的小车A相接触（未连接）.小車A质量M=3 kg，内有质量m0=1 kg的砝码，小车A又与 一跨过定滑轮的不可伸长的轻绳一端相连，绳另一端悬挂着物体B，B的下面又挂着物体C，B和C质量均为m=1 kg，A，B，C

均处于静止状态.现剪断B和C之间的绳子，则A和B开始做振幅为d=5 cm的简谐运动，斜面足够长且始终静止.（g取10 m/s2） 试求：（1）剪断绳子的瞬间小车A的加速度大小；（2）剪断绳子后弹簧的最大弹性势能；（3）当小车A运动到最低点时，取走小车内的砝码，此后小车A沿斜面上滑的最大距离.

分析与解 （1）（本小题过程略）

（2）小车沿斜面向下运动到2d距离处，速度为零，弹性势能最大.设该弹性势能为Ep弹.不妨将物体B的重力视为外界恒定拉力，则

WF=-mg·2d，ΔEk=0，

ΔEp=0-（M+m0）g·2dsin30°，

ΔEp弹=Ep弹-0，

将上述量代入WF=ΔE总=E′-E总=ΔEk+ΔEp+ΔEp弹，

可求得ΔEp弹=1 J.

（3）取走小车内砝码，小车A沿斜面上滑会脱离弹簧，弹性势能会减小为零.设小车上滑距离为s.不妨仍将小车B的重力视为外界恒定拉力，则

WF=mg·s， ΔEk=0，

ΔEp=Mg·ssin30°-0，

ΔEp弹=0-Ep弹=-1 J.

将上述量代入

WF=ΔE总=E总′-E总=ΔEk+ΔEp+ΔEp弹，

生物力学特征 篇3

关键词：太极拳教学,膝关节,生物力学特征

本人从事太极拳教学多年, 时有同事和学生说起在练习24式简化太极拳的过程中, 膝关节会有不同程度的疼痛。于是我出于专业的好奇, 查阅了一些文献资料, 结果是支持太极拳具有良好健身作用的文献不胜其数。然而从事篮球专业训练的运动员会多发篮球膝, 原因主要是膝关节在篮球运动中常处于不稳定的半蹲位, 且膝关节在不断的蹬伸过程关节软骨不断研磨, 这样容易造成关节的损伤, 如果不及时休息恢复, 很容易造成慢性损伤, 导致骨关节炎。是不是太极拳的练习过程中若不注意太极拳的技法和要求, 或者因为其他的原因等导致膝关节不同程度的损伤?

一、由关节的压缩特性来谈24式简化太极拳的教学

关节软骨是一种复合生物材料, 由固体相胶原纤维、蛋白多糖和液体相水及电解质等组成。通过光学显微镜的观察认为, 关节软骨具有浅表层、移行层、放射层、钙化层四层结构。关节软骨的生物力学特性是与其内部结构密切相关。胶原纤维在关节软骨中, 呈网状结构, 能够限制大分子物质的自由扩散, 而小分子物质则不受限制, 可自由通过, 因此, 蛋白多糖在其中并不能自由扩散, 而水分子则可以自由移动。关节软骨材料特性在很大程度上取决于施加负荷的速度。因为在迅速施加并迅速解除负载的情况下, 软骨发生瞬间变形, 没有时间让软骨组织挤出液体, 这种情况下, 关节软骨组织类似于一弹性单相物质, 施加负载时马上变形, 负载消失后立即复原。这种关节软骨瞬间变形和复原反应是软骨组织能够抵抗冲击负荷。

关节软骨不仅是一种良好的抗压材料, 而且是一种粘弹性十分明显的材料。粘弹性材料的两个基本反应是蠕变和应力松弛。蠕变是材料在恒定应力作用下, 其应变随着时间的延长而不断加大;应力松驰则是指材料在保持恒定应变状态下, 所需要的外在应力随着时间的延长而不断地减小。不同材料的粘弹性发生的机理可以有所不同。

在软骨组织负荷后, 首先发生瞬间变形, 但当负荷持续作用时, 软骨的抗压作用迅速减少, 而是出现一依赖时间的蠕变期。这是由于软骨内液体被逐渐挤出的缘故。在初始阶段, 蠕变速度非常快, 这是由于外在压力与软骨内蛋白多糖渗透压之间差距大, 故液体渗出很快。随着液体的进一步渗出, 软骨蛋白多糖浓度增加, 渗透压增大, 反过来又阻止液体的渗出。结果渗出逐渐减少直至最后达到平衡, 此时无液体渗出, 软骨变形停止, 最后成为一直线。人体软骨的蠕变量是很大的, 初始应变与最大应变可以相差3~5倍, 即使作用于关节软骨的力很小, 但只要作用时间足够大就有可能因为蠕变作用而引起软骨的较大变形。这种蠕变作用还有可能使得软骨内的软骨细胞发生损伤, 或者是胶原纤维发生断裂。只要时间足够, 较小的应力同样可以产生较大变形。关节软骨的粘弹性行为, 对于理解软骨的正常生理及损伤机理具有重要意义。孟维春等关节软骨压缩特性的实验研究生物力学方面论证了关节软骨在遭受慢性应力作用时, 因蠕变而引起的软骨内部结构破坏, 最终导致慢性骨关节炎的改变。Cooper的调查研究发现, 经常从事长时间屈膝负重工作者, 膝关节的骨关节炎的发生率明显增高。因此, 临床上应尽量避免持续的慢性应力损伤。

由于关节软骨可缓冲短暂而强烈的机械冲击力, 而在缓慢而持久的应力作用下, 会出现一依赖时间的蠕变期, 且蠕变作用使得软骨内的软骨细胞发生损伤和胶原纤维断裂, 只要时间足够较小的应力同样可以产生较大变形。

关节软骨的粘弹性行为与24式简化太极拳的缓慢持久的运动特征是一对矛盾。在太极拳的练习中, 膝关节软骨较一般运动来说要承受较长的缓慢而持久的应力作用, 也就是说在这种应力下很可能造成关节软骨的软骨细胞发生损伤和胶原纤维断裂。所以在教学和练习中我们应注意:身体重心和虚实的转换, 别使某一膝关节软骨处于较长时间的缓慢应力的作用下;要注意练习的时间和适当的休息;要根据自己的身体条件安排练习的时间和强度, 做到区别对待。

二、由膝关节的力学结构特点来谈太极拳的教学

膝关节由屈曲至伸直并伴有旋转时, 最易造成半月板的损伤。膝半月板:位于股骨髁和胫骨髁之间, 左右各一, 它附在胫骨平台上并随胫骨在股骨上移动。当膝关节在半屈位旋转时, 半月板产生移位。单纯的胫骨屈曲, 半月板移位不大, 只有当胫骨旋转时半月板移位最大。瓦斯摩尔斯 (德国) 认为这种移位所产生的压力在膝关节旋转不稳定中常能使半月板发生病理性损害。如半月板炎和半月板病, 这些损害会进一步加重膝的旋转不稳定, 甚至发展成膝关节骨关节病。

关节软骨在受压时, 间质内的液体可被挤入关节表面, 产生自压形式的静水润滑作用, 使关节软骨面具有低磨擦系数。软骨细胞则在软骨粘连素及蛋白多糖的协助下与Ⅱ型胶原纤维相粘连。关节软骨具有黏弹性的间质内液体流是软骨渗透性功能及蛋白多糖固定电荷集团的表现, 使其弹性系数高, 抗张力性能强。关节面在受到突然的撞击或扭转后, 软骨基质中大分子网络结构将承受巨大的剪力, 在基质内的液体流动难以形成相对抗的压力时, 这种网络结构将被破坏, 细胞裸露于基质中受到损伤, 甚至延及至软骨下骨。

在一般人看来, 太极拳动作柔和、运动强度小、没有危险, 很适合老年人。然而, 锻炼不当会导致膝关节的损伤.太极拳的标志动作是马步蹲裆, 有资料显示, 人体屈膝30°, 膝关节承受压力和体重相等。屈膝60°, 膝关节压力为体重的4倍;屈膝90°, 所承受的压力是体重的6倍。如果膝关节长期处于紧张和负重状态就容易加速关节软骨的磨损, 引起膝关节疼痛。

24式简化太极拳膝关节在练习中不断的屈伸扭转, 且很多动作膝关节都是在屈曲至伸直并伴有旋转, 譬如野马分鬃, 左右揽雀尾等动作。运动中为了避免胫骨和股骨较大的相对运动。在练习时我们应该适当的注意些细节。练习野马分鬃和搂膝拗步时, 后撤撇前脚的外撇幅度不能太大, 这样在接下来弓步的蹬伸过程中膝关节不会太大的扭转。练习左右揽雀尾, 当左揽雀尾转右揽雀尾时要注意左脚的内扣。还有蹬转的过程中应该注意虚实的转化, 后脚的蹬伸以前脚掌为轴要圆活, 尽量避免膝关节扭转时胫骨和股骨的相对运动。换句话说, 也就是要做到“迈步如猫行”的轻盈圆活。且在24式简化太极拳的练习中不光是这几个动作仅仅如此, 只是举个例子而已。另外, 在练习中所有的弓步和马步不要屈膝不要太深, 因根据自己的身体条件而定, 要做到“中正安舒”。所以我们在教学中要注意:动作正确, 尤其注意膝关节不要因扭转造成胫骨和股骨很大的相对运动;应根据习练者得身体条件提出练习要求。

三、小结

运动创伤和劳损是膝关节疼痛的一个重要原因, 因此明确膝关节在进行太极拳练习时可能造成哪些损伤及损伤原因对进行太极拳教学非常重要。

太极拳运动对腿部的要求较高, 膝关节始终处于半蹲位的静力性支撑, 这就对膝关节的要求较高;动作姿势的不正确是直接造成膝部损伤又因素之一;运动前准备活动不充分, 运动结束后没有适当的整理放松活动, 使运动中产生的疲劳堆积形成损伤;没有根据自己的实际情况安排好运动时间和运动强度, 忽略了运动应遵循的循序渐进原则;从生物力学的角度分析, 由于膝关节股骨内外髁的外形和长度不同, 即内髁关节面较外髁长, 致使膑骨关节面不平稳。股内侧肌无力或变得萎缩, 则能失去股内侧肌这种弓弦作用, 增加了膝的旋转不稳定, 结果可导致膑骨软骨病。因此股内侧肌肌力不足, 无法保证膝关节的稳定, 也是造成损伤的又一个重要原因。

24式简化太极拳是全国推广的具有很好健身效果且老少皆宜的健身手段。如果我们在练习中不注意习练的技法和要求, 不遵循体育锻炼的一般原则也许会对身带来不良的后果;此外, 要根据自己的身体条件安排习练的时间和强度, 注意休息和恢复不能急功冒进。

参考文献

[1]孟维春, 董启榕.关节软骨压缩特性的实验研究[J].医用生物力学, 2003, 18 (1)

[2]韩雨平.对体育运动中膝关节的稳定性的研究[J].民营科技, 2010, (6) .

[3]王学成, 华雪.太极拳运动对膝关节影响的研究[J].琼州学院学报, 2010, 5 (17) .

生物力学特征 篇4

1 理论模型

1.1 基本假设

(1) 处于塑性区(极限平衡区)内任何节点的的正应力与剪应力满足莫尔-库仑强度准则：

其中，为斜面上的抗剪强度；，分别为岩体的粘聚力和内摩擦角；为斜面上的正应力，其值；，为方向余弦。

(2) 分析过程中不考虑体积力的影响。

(3) 岩体是弹塑性材料，且各向同性。

1.2 基本方程

在处于塑性区(极限平衡状态)的岩体，应力满足平衡微分方程：

1.3 本构模型

本研究采用ansys有限元法求解边坡稳定问题时，采用了理想弹塑性模型，其本构模型采Drucker-Prager 准则：

式中：,分别表示应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量。、为与岩土材料内摩擦角和粘聚力有关的常数，，。屈服面在平面上为不等角度的六边形的外接圆。

2 高边坡开挖应力场

为了解边坡开挖的力学效应,对K88+680断面边坡进行了二维弹塑性有限元计算分析。计算模型边界为：底部为173m,高为112m,分别为开挖宽度和深度的4倍多，基本可以消除边界对应力的影响。底部取x、y方向

位移约束，侧面施加x方向位移约束。模型网格的稀密对二维弹塑性有限元计算有着一定的影响，为了提高计算精度，所以在开挖区域及周边敏感部位对网格采取加密措施。模型是由5544个节点组成的5688个单元。用“杀死”单元法开挖掉3710个单元。

2.1 计算参数的选取

本次模拟考虑到了地层岩性的差异，计算区域中所涉及的岩体主要有坡积土(Q4dl+el) 和强风化泥灰岩(T2b)，通过岩体物理力学试验和工程地质类比，最后确定了各岩体的计算参数(表1)

摘 要：边坡开挖过程的力学性状变化是一个复杂的过程，同时其塑性区演变趋势也是一个复杂的过程。文章通过假设边坡完全处于理想弹塑性状态，并以Drucker-Prager 准则为本构模型，运用ANSYS有限元软件对巫山至巫溪（巫溪段）公路K88段高边坡开挖过程应力调整过程及塑性区变化过程进行了模拟，得出了开挖过程中应力最大处为坡脚。边坡塑性区是一个动态调整过程，最终位于强风化泥灰岩与弱风化泥灰岩交界处。

关键词：开挖岩体边坡；力学性状；塑性区演变特征

巫山至巫溪(巫溪段)二级公路位于重庆市巫溪县南部地区。起点位于龙溪金家沟，里程K86+000，终点在花栗路口，里程K109+875.993，全长23.875km。路线路段主要跨越大泉山山脉，地形较复杂，沿线多高陡边坡，受岩性影响，有很多高边坡在开挖过程中出现失稳现象。研究路段位于柚子树境内，起止里程桩号K88+840～K88+950，全长110m。该段内边坡为路堑边坡，切坡最高为32m，最低为21m。场地内出露地层主要为第四系全新统残坡积碎石土（Q4el+dl），厚度0.4~1.5m；以及三叠系中统巴东组（T2b3）泥灰岩，厚度大于30m。

1 理论模型

1.1 基本假设

(1) 处于塑性区(极限平衡区)内任何节点的的正应力与剪应力满足莫尔-库仑强度准则：

其中，为斜面上的抗剪强度；，分别为岩体的粘聚力和内摩擦角；为斜面上的正应力，其值；，为方向余弦。

(2) 分析过程中不考虑体积力的影响。

(3) 岩体是弹塑性材料，且各向同性。

1.2 基本方程

在处于塑性区(极限平衡状态)的岩体，应力满足平衡微分方程：

式中：,分别表示应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量。、为与岩土材料内摩擦角和粘聚力有关的常数，，。屈服面在平面上为不等角度的六边形的外接圆。

2 高边坡开挖应力场

为了解边坡开挖的力学效应,对K88+680断面边坡进行了二维弹塑性有限元计算分析。计算模型边界为：底部为173m,高为112m,分别为开挖宽度和深度的4倍多，基本可以消除边界对应力的影响。底部取x、y方向

位移约束，侧面施加x方向位移约束。模型网格的稀密对二维弹塑性有限元计算有着一定的影响，为了提高计算精度，所以在开挖区域及周边敏感部位对网格采取加密措施。模型是由5544个节点组成的5688个单元。用“杀死”单元法开挖掉3710个单元。

2.1 计算参数的选取

本次模拟考虑到了地层岩性的差异，计算区域中所涉及的岩体主要有坡积土(Q4dl+el) 和强风化泥灰岩(T2b)，通过岩体物理力学试验和工程地质类比，最后确定了各岩体的计算参数(表1)

岩 体 (kg/m3)(MPa)(KPa)

坡积土21001500.382521

强风化泥灰岩230018000.326023

弱风化泥灰岩240026000.2613024

灰岩(基岩)240045000.1840035

2.2 初始应力场

岩体的初始应力场, 取正应力以压为正（在ansys中数值上表示为负）, 其大主应力方向在近地表呈不规则的锯齿型，深部接近水平，深部应力值为2.6MPa左右(图1)；小主应力方向在近地表处基本上与坡面轮廓线平行, 深部接近水平，深部应力值为0.57MPa左右(图2)。

2.3 开挖应力场

经计算, 在开挖过程中, 初始应力场不断受到扰动与调整, 开挖区左右及下部的扰动范围在1倍开口宽度以内, 开挖面附近大主应力方向接近垂直开挖面方向, 坡面局部地区由压应力变为拉应力,小主应力方向接近于平行开挖面方向,路基近表面是处于受拉状态。在左右坡脚处存在不同程度的应力集中现象,右边坡脚处最大压应力值为0.17MPa，左边坡脚处最大压应力0.98MPa。

2.4 受拉区域

边坡切削完成后，由于卸荷回弹，整个路基近表面及左切坡的第一台阶中部出现了拉应力区，并受地质构造等因素的影响而呈现出不同的分布形式。在路基上出现呈矩形状拉应力区，其大主应力值为30～75kPa，左切坡上有一个呈等边三角形状的拉应力区，其大主应力值为5～27kPa。

3 塑性区演变特征

根据计算区内的地层结构，在建模的时候分成四层不同岩性的岩体，该边坡分四个阶段开挖来分析其塑性区的演变情况。随开挖深度的增加, 塑性区范围不断增大。当开采深度达到一定深度, 边坡的稳定性就会受到很大威胁。

3.1 第一次开挖

第一次开挖主要是把近地表的坡积土挖除，兼挖强风化泥灰岩层上部，因为原地表斜坡比较陡峭，且开挖坡比高大(1∶0.5~1∶0.3)。此部分开挖后，观察有限元计算结果，可以看出在坡脚除出现了应力集中，并有小范围的塑性变形，其等效塑性应变区的值为：0.395×10-5～0.673×10-4 。

3.2 第二次开挖

第二次开挖是将强风化泥灰岩层切掉，坡脚已达到强风化泥灰岩与弱风化泥灰岩交界处，坡脚虽然有应力集中现象，但是塑性区是出现在层间，与第一次开挖的塑性区是相连接的。塑性区外的弹性区应力有增加的趋势，这是因为此处岩体发生塑性变形，将应力释放转移到弹性区岩体内。塑性应变出现在坡面临空面，其等效塑性区内的值为：0.163×10-4～0.277×10-3 。

3.3 第三次开挖

第三次开挖是沿第二次开挖的基础上往下开挖5m左右，坡角处出现应力集中现场，并出现小范围的塑性区，在强风化泥灰岩与弱风化泥灰岩的交界处的塑性区范围进一步扩大，并出现滑移变形。层间塑性区的等效塑性应变为：0.124×10-4～0.210×10-3；开挖坡脚塑性区的等效塑性应变为：0.124×10-4～0.111×10-3。

3.4 第四次开挖

此次开挖是将边坡切削到路基设计标高，整个路基是处在弱风化泥灰岩层中。强风化泥灰岩和弱风化泥灰岩交界处出现大面积的塑性区，坡脚排水沟处出现应力集中，有塑性区分布，并在路肩上了出现塑性变形。第三阶段的开挖坡脚塑性区消失，这是因为随着开挖的深入，此处的应力集中消失。层间塑性区的等效塑性应变为0.208×10-4～0.187×10-3 ，其值较第三阶段小，这是由于开挖卸荷后应力调整，使得部分变形反弹；坡脚塑性区的等效塑性应变为0.208×10-4～0.229×10-3 。

4 结论

（1）随着自上而下开挖推进, 应力不断调整，位移、塑性区范围也不断增大。开挖结束后, 左边坡脚处最大压应力0.98MPa 。虽然坡体总体上处于稳定状态, 但通过对应力、位移及塑性区计算结果分析知道,坡面出现了拉应力区,有局部破坏的危险，应力集中区坡脚处。

（2）随着开挖的进行，在强风化泥灰岩与弱风化泥灰岩交界处塑性区范围逐渐扩大，从云图中可以看出有向下滑移的趋势；坡脚处塑性区随着开挖的深入而位置也发生移动。

颗粒介质结构与力学特征研究综述 篇5

颗粒(particles或grains)在自然界中普遍存在,比如雾霾颗粒、泥沙颗粒和碎屑流中的块石等,其空间尺度从微米量级跨越到米量级,力学、工程、环境和地质灾害领域的研究人员开展了大量相关研究[1,2].如图1所示,大小在毫米以下的细颗粒易于被流体挟带而悬浮于流体中,颗粒和流体可处理成均相流体;对于粗大颗粒甚至块石,Stokes数较大,流体不足以带动颗粒,颗粒堆积形成一类新型物质形态,它具有长程无序、短程有序的结构,处于能量的亚稳态,具有独特的力学性质,国际学术界称此类体系为颗粒介质(granular materials或granular matter)[3,4,5,6].

颗粒介质的力学行为与体系的密度、应变率、加载方式密切相关:在低应力和低应变率下,材料表现为均匀变形;在高应力和高应变速率下,体系的变形集中在厚度只有几个颗粒大小的剪切带内,变形是高度局域化的,且伴随着复杂的体缩和体胀.颗粒介质呈现类似固体或类似流体的力学行为,人们形象地称之为固态颗粒介质(granular solids)和流态颗粒介质(granular fluids).在运动过程中,颗粒介质力学状态在时间和空间上往往自然转变,称为固态-流态转变,是最重要而且最深刻的未解决的核心问题.固态-流态转变涉及不同的时空尺度,既包括局域的、宏观上不易察觉的颗粒尺度的应力和位置重新分布,也包括大尺度、灾难性的整体失稳现象,后者是从局域固态-流态转变聚集和发展而成的,可谓“千丈之堤,以蝼蚁之穴溃”.颗粒介质力学性质的研究是2005年Science列出的本世纪最重要的125个科学问题之一[7];2009年,美国科学院院刊认为这是未来十年(2010～2020年)力学和物理学的重大挑战问题之一[8];2014年,李家春院士主编了《中国学科发展战略:流体动力学》,把“颗粒物质与颗粒流”确定为6个基础与前沿学科之一[9];每年Nature,Science,Phys Left和J Fluid Mech等重要期刊都有很多关于颗粒介质研究的最新进展报道,这反映了该领域在当前科学研究的前沿位置.目前,缺乏对颗粒介质结构特征的正确认识,缺乏宏观基础理论的指导,是颗粒介质力学性质研究困难的根本原因.

颗粒体系处于能量上的亚稳态,部分能量耗散,结构发生弛豫,整体发生变形,宏观力学性质也随之改变,这暗示着颗粒介质的变形、能量耗散、力学性质、热力学特性之间有内在的关联性.开展结构分析与热力学的联合研究,才能深入认识颗粒介质的力学特性,把颗粒介质的力学研究从唯象的、先验的研究中解脱出来.本文分别阐述了颗粒介质结构特征、力学性质及热力学理论,固态-流态转变机制等方面的研究进展,尝试分析变形、能量耗散、热力学特性之间内在的关联性,从而揭示颗粒介质力学性质的本质.

1 结构特征的分析

近代科学一些伟大的发现和成就是基于对研究对象的微观解剖.依据微观粒子排列是否具有长程平移对称性或旋转对称性,物质的微观结构大致分为有序排列结构(如晶体)和无序排列结构(如液体)两类.颗粒介质具有长程无序结构,随着结构分析实验手段的不断改进,人们还发现了微剪切带(micro shear bands)、漩涡(vortex)、力链(force chains)以及剪切带等短程有序结构,因此颗粒介质的结构是无序与有序的有机统一,不同于普通固体和流体.深入分析结构特征,特别是探测和表征颗粒介质的变形、能量耗散和固态-流态转变的结构起源,是目前具有挑战性的难题[10].近10年来,不断有新的跨尺度结构表征和性能研究的技术被发展出来,比如,颗粒光弹技术[11],μ-CT (μ-computed tomography)和核磁共振技术(nuclear magnetic resonance imaging,MRI)测量颗粒介质的结构和动力学特性[12],低频内耗技术(low frequency internal friction)揭示颗粒介质损耗模量、弱力链区激发过程和弛豫特征[13],离散元方法(discreet element method,DEM)揭示结构特征及复杂演化过程.这些先进技术在揭示颗粒结构特征、洞察内部物理过程方面将发挥强大作用,为认识其力学性质提供了前所未有的有利条件和可能性.

在结构描述方面,目前主要采用统计物理学的分布函数,比如径向分布函数(radial distribution function,RDF),给出最重要的短程序信息,比如RDF曲线有清晰的第1峰和第2峰,第2峰常出现分裂,在第3峰近邻以后几乎没有可分辨的峰[14].另外,还采用配位数来描写颗粒排列的紧密程度,采用Voronoi多面体来构建颗粒介质的密堆结构等.在结构演化方面,人们发展了若干类型的关联函数来刻画颗粒介质的不均匀性(heterogeneity),比如位置-位置关联和力-力关联[15].建立颗粒接触力-柯西应力、颗粒位移-应变的关系,从而掌握应力分布、变形机理,Rowe曾做出了开创性工作.柯西应力张量由接触力和接触矢量确定,应变张量由相对位移和互补面矢量确定,两者基本假设为点接触和均匀场.与应力张量相比,应变张量的定义更具多样性.Cosserat模型考虑了颗粒转动,应变张量包含了转动张量和曲率张量,应力张量也随即包含了转动力偶张量,成为不对称张量[16].

自2008年起,清华大学系统开展了二维颗粒光弹实验[17],能够基于应力条纹快速计算数千颗粒上所有接触点的法向力和切向力,提出了强力链区和弱力链区判据,如图2所示.此后开展的光弹和超声的联合实验,发现某一颗粒的振动可以沿着强力链区传递很远,振幅几乎不衰减,强力链区呈现弹性;当传递到弱力链区时振幅很快衰减为0,即颗粒振动只存在于体系局域的范围内;体系具有很明显的强、弱力链区分布不均匀性,这受局域的颗粒组成、配位数、密度等因素影响.孙其诚和王光谦提出把颗粒介质模型化为强力链区和弱力链区的设想,即把弱力链区看成是分布在强力链区之间的软区域.该模型化设想认为:(1)强力链区是瞬态弹性的,这是由于颗粒介质很“软”(soft),其常规的弹性模量在兆帕量级,远低于组成颗粒介质的颗粒的模量(GPa),并且颗粒体很“脆”(fragile),因此其弹性会发生弛豫(relaxation);(2)弱力链区内的颗粒在受力条件下更容易被激活,从而发生流动,很可能成为剪切带的核;(3)强力链区的弹性弛豫和弱力链区的流变同时发生,决定了颗粒介质的力学性质.

强、弱力链区的概念为研究颗粒介质的变形、能量耗散和固态-流态转变,提供了重要的基础和切入点.例如,准静态循环压缩时存在应力-应变响应滞后环,这说明内部存在着依赖于时间的变形,是弱力链区演化的宏观表现.弱力链区概念还可以帮助理解颗粒介质中长期存在的问题,如宏观失稳,可以认为是弱力链区逐渐激发,通过自组织的方式导致了系统崩塌.在20世纪80年代,在研究非晶合金塑性变形时,Argon等[18]发展了以原子团簇协作剪切运动为基础的“剪切转变区”(shear transformation zone,STZ)模型,认为局域的剪切转变区会引发更多的剪切转变区,最终演化为宏观尺度的剪切带,STZ概念已经尝试用于颗粒介质变形和能耗的结构起源分析.

超声测量是分析强力链区颗粒间作用力类型和结构信息的合适手段,其测量时间(频率范围是5～20MHz)小于颗粒本征弛豫时间(频率范围是0.1～1kHz),测得的弹性模量即为强力链区瞬态模量.超声方法与其他测试技术联合,可能建立颗粒体系的弹性能模型(elastic energy expression),并研究其弛豫特性.弱力链区的弛豫可用低频内耗谱仪,通过在一定的频率范围内对样品施加交变的应力,观测其反馈的应变可以敏感探测到弱力链区多种运动和转变,此技术由中国科学院固体物理研究所朱震刚研究员和刘长松研究员基于葛庭燧先生发明的“葛摆”改进而成,近10年来始终处于国际领先地位[13].在弛豫随时间的变化规律方面,复杂流体通常表现为非指数型规律,φ=exp[-β(t/τR)],其中β是形状因子(shape parameter),0<β<1,一般而言β值越小,结构越不均匀;φ=[a(t)-a(∞)]/[a(0)-a(∞)],这里a(t)是测量的物性,如瞬时应力;弛豫时间τR～exp[-E/(βkBT)],这里E是体系的能量,kB是玻尔兹曼常数,T是热力学温度.这两个公式需要改进后应用于颗粒介质,至今未见相关文献报道.

综上可以看出,颗粒介质结构与普通固体和流体的不同,决定了颗粒介质独特的力学性质;深入分析结构特征,特别是探测和表征弱力链区结构及其演化规律,并建立其与变形和能量耗散的关联性,是目前具有挑战性的难题.

2 力学性质及热力学理论

颗粒介质的力学行为与体系的密度、应变率、加载方式密切相关,有时类似固体,有时类似流体,人们形象地称之为固态颗粒介质和流态颗粒介质.在工程实践中,人们得到了很多简单易用的应力表达式,发展了比较齐全的测试设备和技术.在准静态加载条件下,人们关心颗粒体系的变形和强度,发展了广泛使用的黏土弹塑性模型和应力-应变增量非线性的砂土亚塑性模型(hypo-plasticity).黏土弹塑性模型需要提供屈服准则和塑性流动法则,这是此类模型的难点;砂土亚塑性模型则采用增量形式的应力-应变关系,不涉及屈服问题.这些工程模型通常包含20个以上的参数,通过拟合,可以较为满意地描述某些力学现象,但是其中的参数往往缺乏明确的物理意义.对于流态的颗粒介质,人们关心有效摩擦系数的变化规律.引入结构的特征时间或特征长度来完善颗粒介质应力-应变(或应变增量)关系是当今的主流工作之一,向科学认识颗粒介质的力学性质走近了一步.比如,对于固态颗粒体系,Cosserat模型引入颗粒粒径这一特征长度,可以很好地描述变形局部化现象.在颗粒流领域,Jenkins调节力链长度可以描述准静态流和慢速流的流变关系[19];法国GDR MiDi课题组引入颗粒运动特征时间tp,定义了一个新的无量纲时间——惯性数I,I为tp与宏观特征时间1/的比值(是剪切速率),提出了类似Bingham流体的流变模型,可以较好地刻画从准静态流直至慢速流的力学性质[20].这些工作尝试定义了结构(或其演化强弱)特征量,其内在机理需要更深层次的研究,对特定类型的颗粒介质的某一力学状态,往往能给出合理的或保守的参数取值范围,解决了大量工程问题.但是先验性的、唯象的做法对于提高和深化对颗粒介质的物理本质认识并无大的裨益,而且在面对许多现代新型工程建设和近期频发的碎屑流灾害现象时,这类传统方法往往显得力不从心.

非平衡热力学(non-equilibrium thermodynamics)是认识物质世界的主要范式之一,用有限数量的态变量,通过逻辑演绎建立应力、能量通量与态变量的内在联系,简洁地描述系统的物理和力学性质.经典非平衡热力学(classical irreversible thermodynamics,CIT)和扩展的非平衡热力学(extended irreversible thermodynamics,EIT)采用平衡态变量,没有引入非平衡态变量,但是EIT把热力学流作为额外热力学力,分析外界高频扰动情况下的弛豫效应[21].Coleman等引入内变量(internal variable)概念,以反映内部结构及其动力学影响[22],Rice在研究金属塑性力学时,把内变量与沿晶体特定晶面的滑移剪切角面联系起来,使得内变量具有更明确的物理意义[23,24].把内变量作为态变量,沿用局域平衡假设,建立了内变量热力学(internal variable thermodynamics,IVT).当态变量(如温度和速度)空间分布不均匀时,体系内部产生相应的“流”,体系处于非平衡态,能量耗散为热能,熵增加,这是热力学第二定律.确定能量耗散是非平衡热力学的研究重点,比如IVT构建了耗散函数,CIT和EIT构建了熵产生率,其实,熵产生率乘以温度就是耗散函数.颗粒介质作为一种宏观体系必然遵循热力学定律,完善的颗粒介质力学理论应该建立在非平衡热力学框架之中.颗粒介质热力学是寥若晨星、举步维艰,难点在于如何选择态变量以及如何建立其演化方程.确立合理的态变量,探索颗粒运动与能量转化和熵产生机制,才能建立全面、合理的颗粒介质热力学.早期,Collins和Houlsby以塑性体应变为态变量,在内变量热力学基础上发展了岩土的超塑性本构关系(hyper-plasticity theory),定义了自由能和耗散函数,得到应力与弹性应变的关系和塑性流动法则,该理论仅适用于率不相关的固态颗粒体系[25,26].随着研究深入,人们发现颗粒运动以及结构演化具有一定程度的无序性,亦即当体系边界以恒定速度运动或处于恒定力作用时,颗粒运动速度和应力均存在稳定的涨落.对于颗粒速度涨落,1905年爱因斯坦认为颗粒无序运动与微观粒子热运动有相似性[27];直至1978年,Ogawa在《Multi-temperature theory of granular materials》一文中首次提出了颗粒温度(granular temperature)概念,Tg～<v'v'>表征颗粒运动的无序程度,V'是颗粒脉动速度,<>表示系综平均,发展了描述f(v')演化规律的颗粒动理学(granular kinetics)[28,29,30,31].对于应力涨落,至今没有明确的物理量与之对应.这两种涨落从不同层面反映了颗粒介质结构特征,其演化特性必然反映相应动力学过程的某些特征.孙其诚和王光谦把颗粒介质模型化为强力链区和弱力链区,提出了描述强力链区演化无序的“构型温度”新概念,以两个颗粒温度,亦即动理学温度和构型温度,为非平衡态变量,发展了双颗粒温度热力学(two-granular-temperature thermodynamics,TGT),系统的专著论述已完成初稿,框架见图3.

目前,准静态三轴压缩和颗粒流的TGT理论结果初步得到了实验的验证.但是,构型温度的内涵和颗粒材料的属性(如自由能和输运系数),需要结合实验测量和结构分析予以研究.EIT理论被认为是研究带有弛豫不可逆过程的最佳方法,能很好地描述应力与应变的非瞬时响应现象.最近,清华大学周培源应用数学中心雍稳安将EIT与IVT相结合很好地描述了内变量演化规律,可以预见,把EIT与TGT结合,可解释两个颗粒温度的内在含义,以及解释应力应变关系中的弛豫规律等.

3 固态-流态转变机制

固态-流态转变是指固态颗粒介质与流态颗粒介质之间的转化,是颗粒介质研究领域中最重要而且最深刻的核心问题.形象地来看:在固态,颗粒被束缚在完全确定的位置附近,而在流态,颗粒可以做大于颗粒尺度的平移运动,固态-流态转变就是这两类颗粒运动之间转变的反映.严谨地来讲,颗粒介质固态-流态转变涉及不同的时空尺度,既包括局域的、宏观上不易察觉的颗粒尺度的应力和位置重新分布,也包括大尺度、灾难性的整体失稳.碎屑堆积体失稳对应宏观的、整体的固态-流态转变行为,是从局域固态-流态转变聚集和发展而成的,可谓“千丈之堤,以蝼蚁之穴溃”.对局域转变发展成为宏观失稳过程的深入认识,是灾害防治需要解决的关键问题.目前颗粒尺度上局域化的形变在实验上还无法直接观察,由局域至宏观的失稳过程尚不清楚.

对于准静态加载条件下的固态-流态转变,临界状态土力学做出了开创性的理论工作.经历了剪切大变形后,土体失稳并逐渐达到稳定流动,此时土颗粒体系的体积和总应力不变,称为临界状态(critical state),其中广义剪应力q与平均主应力p成正比,q～p,且孔隙比e～lnp,进而建立了p-q-e临界状态边界面.从热力学角度来看,土体的力学临界状态就是热力学稳恒态.对于稳恒流动的颗粒介质,在不同的剪切速率下,其流变性质也发生很大变化,因此区分流态是颗粒流的主要研究内容.Campbell建议采用弹性应力与Bagnold应力的比值来区分流态[32],Babic和Ji建立了以体积分数Φ和剪切速率为基本参量的流态图[33,34],季顺迎和孙其诚等人采用三维离散元方法模拟颗粒系统的简单剪切流动过程,研究颗粒物质发生流态转化的条件,以及在转变过程中配位数、接触时间、有效摩擦系数、惯性数等宏观参量的分布特性;在此基础上以孔隙率e、无量纲剪切应力τ和无量纲剪切速率B为基本参量,建立流态转化的e--τ-B流态图,有助于深入理解并解决实际工程中的颗粒力学问题[35].

近期研究表明,固态-流态转变可通过增大颗粒体积分数和减小应力等方式实现,转变发生在一个比较窄的参数区间,力学特征发生很大的变化,比如转变为固态后的颗粒介质体积弹性模量按照指数增加,比如K～(Φ-Φc)a,Φc是转变相图中的临界体积分数,a取决于颗粒间作用势.从热力学角度来看,该转变过程中结构并没有发生明显改变,和传统意义的相变有本质的差别,物理学家在转变点前后的标度律、结构和能量输运等方面取得了丰硕的成果[36].固态-流态转变是一种类似临界现象的复杂物理过程,和结构、力学性质和热力学性质密切相关,开展结构分析与热力学的联合研究,有可能对颗粒介质固态-流态转变机理做深入探讨.王光谦和孙其诚课题组认为:固态-流态转变的结构起源可归结于弱力链区,剪切带是应力造成的弱力链在颗粒尺度的自组织,是发生在局域中的固态-流态转变;整体固态-流态转变(亦即宏观失稳)是在外力作用下,大量弱力链区在整个颗粒介质体系中的自组织.因此,需要研究局域固态-流态转变的表征(包括振动模式、结构、热力学和力学特征),外场下从局域固态-流态转变发展成宏观失稳的过程和规律以及能量耗散机制.

4 结论

本文综述了颗粒介质的结构表征、力学性质与热力学理论的最新进展,主要有以下认识:

(1)颗粒介质结构可模型化为强力链区和弱力链区,强力链区是颗粒介质传力的主要媒介,弱力链区易发生蠕变,是变形局部化和固态-流体转变的结构根源;

(2)基于非平衡热力学,发展颗粒介质的双颗粒温度理论,分析动能和势能的涨落特性,可为全面描述颗粒介质的力学性质提供新思路;

运动生物力学研究方法综述 篇6

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.

[3]刘海斌.从三维体育观看运动生物力学研究[J].吉林体育学院学报, 2004, (2) :74-75.

[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.

不同间歇时间骨骼肌力学特征分析 篇7

力量素质是各项体育运动的基础，特别对于力量性项目，起着至关重要的作用。而骨骼肌的力学性能是决定力量素质的基础。近年来，骨骼肌的力量训练方案、运动量、运动强度的研究已相当广泛，但训练界大多从生理、生化角度探讨对整体运动能力影响，而对力量性项目中的主要器官──肌肉的研究相对较少。本文从骨骼肌的力学特性出发，采用不同的间歇时间，观察骨骼肌的力量变化。此种方法的研究将给该领域的研究开辟新的途径，注入新的活力。

1 研究对象

成年Sprague-Dawley雄性大鼠40只，体重为200-220g，两月龄，标准饲料分笼喂养，自由饮食。室内温度18～20°C，相对湿度50%±10%。

2 研究方案

2.1 训练方案

2.1.1 动物分组

将40只大鼠按体重分层，随机分为2组，正常对照组（NC)20只，力量训练组（PT—Power training)20只，练6周，每周测量大鼠体重、体长。

2.1.2 训练安排

根据本实验的特点──力量训练采用电鼠笼（生理刺激器：波形—方波，频率—50Hz，电压—20-50V）刺激大鼠进行跳跃训练[1]。PT组（20只）动物均先进行1周的预训练，学习跳跃运动。以后隔天训练1次，共进行6周。运动量和运动强度具体安排见表1。

2.2 实验仪器与测量方法

2.2.1 主要仪器

电鼠龙、MULTI TELEMETER511(日本)4导记录仪、张力换能器、生理电刺激仪、ACS-ZJ型双面电子计重秤。

2.2.2 测量方法

2.2.2. 1 肌肉试件的制备

实验前先测量大鼠的体重，然后用2%巴比妥钠（100ml/kg），腹腔皮下注射醉麻大鼠。在生活状态下，分离出完整的腓肠肌，用断骨钳距腓肠肌近侧附着点2cm处剪断股骨，从小腿的中部剪断胫腓骨[2]，将其放入乐氏液中（温度30℃）。整个过程在5分钟内完成。

2.2.2. 2 腓肠肌最大等长收缩力的测试

测试前对记录仪进行标定，然后将制备好的腓肠肌试件固定好。标本放置在内有30℃的乐氏液肌槽内；标本的一端固定，另一端用细线和张力换能器相接；张力换能器与四导生理记录仪相连；用生理电刺激仪刺激（频率60c/s，波宽0.3ms，振幅60v，波型方波，复刺激）腓肠肌，使之发生强直收缩[3]，记录仪在记录纸上描记出收缩力曲线，根据曲线读出力值大小；每个间歇时间段选用5个样本。

2.3 数据处理

本研究数理统计采用国际通用的统计软件SPSS中的单因素方差分析,组间相互比较采用LSD法检验。

3 实验结果

3.1 大鼠训练过程中体重变化

NC组的体重前5周呈直线上升，第6周后上升速度趋缓但始终是上升的趋势；PT组在训练2周后体重增加趋缓，训练6周后体重有所下降。

3.2 力量训练对骨骼肌的影响结果

3.2.1 训练6周后大鼠腓肠肌最大等长收缩力变化

大鼠训练6周后最大等长收缩力/体重值增加22.64%，经LSD检验差异非常显著。具体情况见表2。

注：※表示P<0.05；※※表示P<0.01.

3.2.2 不同间歇时间大鼠腓肠肌最大等长收缩力变化

3.2.2.1 正常对照组不同间歇时间大鼠腓肠肌最大等长收缩力变化

注：※表示P<0.05；※※表示P<0.01.

3.2.2.2 训练组不同间歇时间大鼠腓肠肌最大等长收缩力变化

注：※表示P<0.05；※※表示P<0.01.

4 分析与讨论

4.1 决定肌肉力量的生物学因素

影响力量素质的因素是多方面的，概括起来主要包括：肌肉因素，神经调节因素（大脑的兴奋性；突触的传递速度；神经肌肉兴奋传递；运动单位的募集等），骨杠杆的机械效率（肌肉的协同作用；关节的角度等）等[4]，其中最关键的是肌肉因素。关于肌肉的收缩机理，肌肉收缩的微丝滑动学说已得到广泛的承认和应用。ATP是肌肉活动的直接能量来源：首先神经活动需要ATP,Ga2+泵、Na+、K+泵离不开ATP,ATP水解释放能量是促使肌丝滑行的直接动力。而人体骨骼肌细胞中ATP储量少（4.7～7.8mmol/kg湿肌），运动训练也不能明显增加ATP储量，肌细胞也不能直接吸收血液或临近细胞的ATP。ATP消耗后的恢复速度是影响运动能力的最重要因素，而骨骼肌细胞内可以提供能量合成ATP的分解代谢途径主要有三条：(1)磷酸肌酸（CP）分解释放能量合成ATP，由ATP和CP分解反应共同构成磷酸原供能系统；(2)肌糖原和葡萄糖分解生成乳酸的过程中，释放能量合成ATP，构成不需要氧的糖酵解系统；(3)在有氧条件下，糖、脂肪和蛋白质氧化分解生成CO2和H2O的过程中，释放能量合成ATP，构成有氧代谢供能系统。这三种供能系统最大功率输出的次序是磷酸原>糖酵解>糖有氧氧化>脂肪酸氧化，其下降速率接近50%。在运动中供能系统的最大功率输出与人体运动的最大输出功率基本一致[5]。快速力量要求人体有较大的输出功率，这就决定了其供能形式只能是以磷酸原和糖酵解供能为主。

4.2 骨骼肌最大等长收缩力变化规律

为了研究骨骼肌力量的变化规律，我们测试了大鼠离体腓肠肌的最大等长收缩力，用其相对值（最大等长收缩力/体重）间接反映骨骼肌快速力量的变化。实验表明：肌肉的相对力量在训练6周后与对照组相比增长22.64%间歇10秒后，肌肉的相对力量下降了28.24%，这可能由于离体肌肉在经过强直收缩后，能源物质消耗过多，恢复时间短的原因所制间歇15秒后，肌肉的相对力量下降了17.99%。间歇20秒后，肌肉的相对力量下降了7.78%，已恢复到所选间歇时间段的最高水平这可能是由于间歇时间合理，能源物质得到了充分恢复。随着间歇时间的延长，肌肉的相对力量不在增加而是出现下降趋势。间歇25秒后，肌肉的相对力量下降了8.44%。本实验中的肌肉相对力量无论间歇时间多长，均没有恢复到原有水平，亦未表现出运动生理学中提及的超量恢复现象。原因首先可能由于所选样本是离体肌肉，尽管将离体肌肉放在30℃的乐氏液肌槽内也不能和在体肌的生理条件相匹配，致使肌肉工作的环境条件发生变化，导致肌力下降。其次由于间歇时间长，肌肉的活性以及神经系统的兴奋性亦受到影响。第三由于肌肉工作生理条件从机体到乐氏液肌槽内，导致能源物质的恢复受到很大程度的局限。由于动物实验的局限性我们只能以肌肉的最大等长收缩力的变化来间接的反映不同间歇时间肌肉力量的变化。建议对此应进一步进行人体实验，以便训练中合理的安排间歇时间。

5 结论

5.1 根据本实验训练方案大鼠训练6周后，肌肉的相对力量（最大等长收缩力/体重值）与对照组相比增加了22.64%。

5.2 依据所选间歇时间段，间歇20秒后肌肉的相对力量与训练6 周后相比下降了7.78%，已恢复到所选时间段的最高水平，恢复效果最为理想。

摘要：骨骼肌的力学性能是决定力量素质的基础。本文从骨骼肌的力学特性出发,采用不同的间歇时间,观察离体骨骼肌的力量变化。结果表明,训练6周后,骨骼肌的相对力量比对照组增加22.64%;间歇20秒后骨骼肌的相对力量下降7.78%,恢复效果最好。

关键词：间歇时间,骨骼肌,力学特性

参考文献

[1]李俊平,徐玉明等.常用动物运动模型的方式与发展[J].北京体育大学学报,2006,29(12):1669-1671.

[2]周里.大鼠骨骼肌急性拉伤的生物力学及组织学研究[D].上海体育学院95级博士毕业论文.1998,12.

[3]侯曼.大白鼠腓肠肌—骨标本被动拉伸时弹性刚度测定[J].体育科学.1997,17(3):67.

[4]周思红.运用生物力学特性和组织学手段建立动物训练模型的研究[J].西安体育学院学报,2002,19(04):35-37.

骨盆环损伤的生物力学研究 篇8

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。

生物力学特征 篇9

关键词推拿手法柔和性生物力学机理相关性

推拿属于中医外治法的范畴，它是通过手法作用于机体以达到预防、治疗和保健功效的一门学科。推拿手法作为这一学科的核心内容，治疗疾病的基本手段，其优秀与否直接关系到临床治疗效果。因此，手法的理论研究和临床应用，也成为推拿学发展中的一个研究主体。基于此点，本文就手法柔和原则的生物力学基础作一探讨，不当之处望同道指正。

1推拿手法的柔和原则在推拿学中的重要意义

1.1历代医家对柔和的阐述推拿学的发展已有二千多年的历史，早在《内经》中就已经确立了按摩在中医治疗学中的地位，并且记载了按、摩、推、拿、揉、切、弹、踩跷8种手法。至明代，推拿手法更加丰富多彩，对小儿推拿手法也作出了详尽的阐述。前辈们不断研究和总结，发展至今，已有了二百多种手法记载，并且归纳了手法操作的基本要求--持久、有力、均匀、柔和、深透。这就指出，推拿手法绝不是简单的技术，它是一种高级的运动形态。正如《医宗金鉴·正骨心法要旨》云："法之所施，使患者不知疾苦也。"对手法操作提出了客观的要求。而长期以来，似乎形成了一种倾向，认为推拿治病靠的是力气，甚至认为力气越大越好，明代的张介宾就曾对此作出了严肃批评，他说："今见按摩之流，不知利害，专用刚强手法，极力困人，开人关节，走人元气，莫此为甚……，多见强者致弱，弱者不起，非惟不能去病，而适以增害……。"而近代推拿名家更是注重手法的柔刚有度。杜自明、刘寿山先生皆认为手法以柔和为贵，并提出了"筋喜柔，不喜刚"的观点，已故著名推拿学家朱春*=老先生也经常提出："手法以柔和为贵，要柔中透刚"，他认为：" 人虚证虚，用柔和手法处理不待言，人虚证实，也应以柔和的手法为主，即使人实证实，也不能多用刚强的手法取快一时，如果一味蛮用刚强的手法对付实证，反而会造成气动而成的病证，甚至无形中转为痼疾，实证变为虚证。"前辈们的这些精辟论述，无论在推拿的理论研究上，还是在推拿的临床应用中都成为后人立法之总纲。

1.2柔和原则在推拿手法学中的具体应用柔和是指手法动作的稳柔灵活及力量的缓和，以使手法"轻而不浮，重而不滞"，在推拿手法学中，柔和原则对于归纳手法的性能分类，阐述手法技能的基本原则，概括手法操作的阶段和规程均有重要的指导意义。《类经》十二卷第八注云："形证有柔刚，脉象有柔刚，气味有柔刚，柔者属阴，刚者属阳，知柔刚之化者，知阴阳之妙用也，故必审而别之。"任何事物的内部都有柔刚相对属性的相互作用和发展变化，这对于归纳手法的性能类属有着具体的指导作用，曹锡珍先生就曾在《中医按摩学》一书中把古代按摩八法分为阴型柔术四法和阳型刚术四法，但推拿手法的分类不单据手法动作形态及接触面，手法作用力的性质的分解，而应在找出手法作用的共性基础上加以研究，这里不作一一阐述。《易经·上》云："柔刚相推，而生变化。"在推拿手法的具体操作中，同样也存在着柔刚的相互转变，而特别注重"柔和为贵"、"柔刚相济，柔中透刚"、"柔和当先，刚透其中"。这都是对手法力量调节的恰当概括，而"轻而不浮，重而不滞"更是阐明了单个手法具体操作时柔刚辨证运用。在使用柔和的手法时，并非用轻浮不实之力，即使施以刚强的手法，也绝非粗暴、死板之力。手法的运力应该是轻柔而扎实，刚强而灵巧。所以通俗言之，手法的柔和与否并非想当然的归纳为手法的用力大小，力量小的手法并非全是轻柔的手法，而力量大的手法也并非全是刚强、粗暴的手法，关键在于手法应用时的柔刚变化，即"柔中透刚，刚法柔使"。推拿科手法操作过程是手法基本技能的临床应用，也是手法柔刚交替、结合、转化和演变过程，在长期临床手法应用中，由于因人、因病、因部位及流派手法的不同而复杂多端，但仍有其一定的规律性，即"柔-刚-柔"三个阶段的操作规范，在手法操作的开始运用轻柔的手法，使患者之肌肤尽快适应手法的良性刺激，进而用较大刺激的手法，避免或减轻手法操作过程中产生的痛楚反应，给患者以舒适的感受，充分发挥手法的治疗效果。

2推拿手法柔和性的生物力学机制

2.1关于"柔和"的现代物理学概念《辞海》上曰："柔者，柔软，软弱；和者，和顺之意。"在现代物理学概念中，"柔和"可理解为"弹性模量"，它是指材料和物体在外力作用下产生变形的能力，若除去外力后，变形亦随即消失，恢复原有的形状和尺寸"(《辞海·物理学分册》)。变形的能力越大，柔性也越高，反之则相反。物体在受到的力的作用后，在物体的内部也产生了相应的内力，物理学上把这种物体内部单位面积上产生的力称为应力。手法的柔和性正与这种应力有关，因为手法归根到底是以力的形式作用于机体，在机体内部产生相应的内力，即应力。应力的分布以及应力的速度变化快慢，直接影响手法的柔和性。当然，手法的柔和性还与手法力的大小有关，下文中我们具体探讨。

2.2柔和性与弹性变形机体在遭受暴力和扭转力的作用，或者由于长期积累性的劳损而导致了软组织的损伤，软组织是由胶原组织(包括胶原纤维、弹性纤维和网状纤维)构成的高粘弹性体，它们能抵抗变形，亦能产生形变。软组织在损伤性外力的作用下，必定要发生形变，其内部亦相应的产生弹力，这是软组织形变所产生的一种反抗力，软组织产生形变后，由于机械力的作用，必然会导致组织液的渗出，继而粘连，产生无菌性炎症，笔者认为，这就是损伤的生物力学机制，而推拿手法的治疗正是恢复这种形变，也即消除无菌性炎症。软组织遭受不同程度的损伤性外力作用，而产生不同程度的形变，软组织内部也相应具备了方向与恢复软组织原状趋向一致的弹力，手法操作的力的大小正与这种弹力的大小有关。临床上，我们会观察到一些损伤轻微的病例，不经过任何的手法处理，或者经过1～2次的治疗，就能痊愈，正是因为这种弹力的自行恢复趋势。所以手法的柔和并不取决于刺激量的大小，前文中我们已经提出，轻浮无力并不是柔和，而刺激量大的手法也并非全是粗暴的手法，它是以获取疗效为前提的据症而施法。上述我们只从力量的大小论述手法的柔和性原则，手法作用于机体后，患者必然会产生酸、胀、麻、痛等反应，但手法的柔和原则要求手法"轻而不浮，重而不滞"，在手法取得临床疗效的前提下既能达到恢复形变所需的作用力，又能尽量减少病人的痛楚，同样力量的手法施于机体到底怎么样才能使患者更舒适呢?我们从生物力学的角度来分析其机理：

2.2.1应力的均匀分布：在日常生活中，也许我们都有这样一种体验；当我们长时间坐在硬板凳上时，臀部会产生酸胀感，而坐在沙发上时则这种感觉相应会减轻，这是因为当人坐在板凳上时臀部与板凳只是左右坐骨结节为支点接触，而人坐在沙发上时则会大大的增加接触面积，使重力作用所产生的内应力均匀的分布，故而会减少痛楚。同样，手法的作用也一样，我们以滚法为例，当我们以指掌关节为支点进行滚动时，病人就会酸楚，甚至会产生疼痛，这是因为这种方法操作时，医者的手与患者接触的面积小，应力集中于某一点(或某一条线)上，这样如果手法刺激量大，其相应的应力会更大，但人体各部分组织的塑变性是有一定限度的，所以应力再大，它使局部组织产生的形变也是有一定限度的，相反只会损伤局部组织，并且由于应力过大，患者会产生保护性的肌肉痉挛，更不利于手法的深透、形变的恢复。而当我们以小指指间关节为支点，进行腕关节的屈曲和前臂旋转运动时，并用紧滚慢移，相应的会增加手法的接触面积，而减少应力大小，并且使应力在患部均匀的分布，这样不仅有利于患部形变的恢复，还会使患者有舒适感。

2.2.2应力的变化速度快慢：我们知道，手法操作时，任何顶压和跳动的动作都是错误的操作方法，患者也会产生生硬、不适宜的感觉，其自然称不上为手法，更谈不上柔和。为什么顶压和跳动的手法会使患者产生不舒适的感觉呢?我们可以从应力的变化快慢来考虑，我们知道，软组织的强度随着载荷变化的速率增快而增强(这与骨组织相同)，当手法作用时，如应力(即载荷)变化的速度快，则软组织会产生较强的强度，这样容易使局部的软组织紧张、痉挛，不利于形变的恢复，顶压和跳动的动作都会使应力的变化速度加快，必定会产生上述情况。事实上，在临床上我们也会常常发现用这种手法或用大刺激量但作用周期短的手法，患者会有疼痛的感觉，且有保护性痉挛出现，但是应力的变化速度也是相对的，它是相对于某一种手法的频率而言，在这里我们不再阐述。

3小结推拿手法是推拿治病的关键之一，中医推拿历来重视手法在治疗中的作用。《内经》曾云："手毒者，可使试按龟于器下，而按其上，五十日死。手甘者，复生如故也。"在二千多年中医推拿的发展史中，古代医家早就认识到推拿手法的二重性--柔和性和深透性，提出了推拿手法的五个基本要求。手法的柔和性原则在推拿手法学中具有重要的地位，它对于指导手法学的理论研究和临床应用上都有重要的指导作用，对于归纳手法的性能属性，阐述手法技能的基本准则，概括手法操作的阶段和规程均有具体的指导作用。运用生物力学的理论研究手法，早在五十年代就有人对此作了大量的工作，并且对一些经典的手法作了专题研究，但是还少有对于手法普遍性原则的研究报道，本文从这个角度探讨了柔和性原则的内在机制。我认为：手法的柔和性与软组织的形变有密切的关系，它取决于手法的应力分布均匀性及应力变化的速度快慢。当然，本文只能运用生物力学的一些基本的原理和概念，但是运用生物力学的原理研究推拿手法及具推拿作用的基本原理等方面，以指导推拿学的发展，将存在着美好的前景。例如本文关于柔和与弹性形变，能否客观化地表述损伤后的形变程度及状况，以便更省力而又能提高手法运用的疗效，这些都将需作进一步的研究。本文也是以此点出发，旨在使更多的推拿医生从多种途径研究、探讨手法，使推拿学的研究出现新的局面。

参 考 文 献

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网球发球技术的生物力学分析 篇10

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

[1]杨沛, 滑勇.浅谈网球发球技术动作[J].成功 (教育) , 2009, (06) .[1]杨沛, 滑勇.浅谈网球发球技术动作[J].成功 (教育) , 2009, (06) .

[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) .