2025年生物醫(yī)學工程考研生物力學試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項前的字母填在題后的括號內(nèi)）1.在生物力學中，描述質(zhì)點運動快慢和方向的物理量是（）。A.加速度B.速度C.角速度D.頻率2.表示材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變之間比例關(guān)系的材料常數(shù)是（）。A.楊氏模量B.泊松比C.粘度D.屈服強度3.血液在血管中流動時，由于粘性引起的內(nèi)摩擦力主要與（）有關(guān)。A.血壓B.血流速度梯度C.血管半徑D.血液密度4.在生物組織中，描述材料在應(yīng)力作用下變形能力（抵抗變形的程度）的物理量是（）。A.應(yīng)力B.應(yīng)變C.彈性模量D.硬度5.人體骨骼在承受重復(fù)載荷時發(fā)生疲勞破壞，其主要機制與（）有關(guān)。A.局部應(yīng)力集中B.蠕變C.突然超載D.環(huán)境腐蝕6.對于牛頓流體，其粘度（）。A.隨剪切速率增大而增大B.隨剪切速率增大而減小C.與剪切速率無關(guān)D.隨溫度升高而降低7.生物材料植入人體后，與周圍組織相互作用，發(fā)生一系列變化，其中評價其是否適宜在體內(nèi)長期留存的關(guān)鍵是（）。A.化學穩(wěn)定性B.降解速率C.生物相容性D.力學強度8.在血管系統(tǒng)中，動脈和毛細血管的管壁厚度與承受的壓力關(guān)系是（）。A.動脈厚，壓力高；毛細血管薄，壓力低B.動脈薄，壓力高；毛細血管厚，壓力低C.動脈和毛細血管厚度相同，壓力也相同D.動脈薄，壓力低；毛細血管厚，壓力高9.描述流體在管道中流動時，由于粘性效應(yīng)導(dǎo)致的速度分布不均勻的現(xiàn)象是（）。A.層流B.湍流C.湍流與層流的混合D.漸變流10.力學性能測試中，用于測定材料在拉伸載荷下斷裂所需能量的指標是（）。A.屈服強度B.斷裂韌性C.疲勞極限D(zhuǎn).斷裂能二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上）1.生物力學是力學原理與_________、_________等學科交叉的邊緣學科。2.應(yīng)力是指作用在物體內(nèi)部某一點上的_________與該點_________的比值。3.細胞的力學特性，如剛度、粘彈性，可以通過_________技術(shù)進行研究。4.血液流經(jīng)小動脈時，主要的阻力來自于血液的_________和血管壁的_________。5.生物相容性是指生物材料與人體組織和體液相互作用后，不引起_________和_________的能力。6.骨骼的力學性能與其微觀結(jié)構(gòu)中的_________和_________分布密切相關(guān)。7.根據(jù)雷諾數(shù)判斷流體流動狀態(tài)，雷諾數(shù)較低時通常為_________。8.人體心臟瓣膜的開閉，與血液壓力和_________的變化密切相關(guān)。9.粘彈性材料同時具有_________和_________的性質(zhì)。10.仿生學在生物力學領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用是模仿生物體的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計具有優(yōu)良_________和_________性能的醫(yī)療器械。三、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.生物力學2.泊松比3.血流動力學4.生物相容性5.粘彈性四、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述應(yīng)力與應(yīng)變的基本概念及其關(guān)系。2.簡述層流與湍流的主要區(qū)別。3.簡述骨組織的主要力學特性。4.簡述生物材料需要滿足的主要生物學要求和力學要求。五、計算題（每小題10分，共20分）1.一根長1米、直徑0.01米的圓柱形動脈，在血壓作用下產(chǎn)生0.01米的伸長。假設(shè)動脈材料可視為線性彈性體，楊氏模量為1.0×10^9帕斯卡。求該動脈承受的軸向應(yīng)力（假設(shè)橫截面積均勻）和應(yīng)變。2.血液在半徑為0.005米的水平圓管中做層流流動，血液粘度為0.003帕斯卡·秒，測得管中心的最大速度為0.1米/秒。根據(jù)泊肅葉定律，計算血液流經(jīng)該血管1米長度時的壓降。六、論述題（10分）結(jié)合具體實例，論述生物力學在醫(yī)療器械設(shè)計中的重要性。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.B4.C5.A6.C7.C8.A9.A10.D二、填空題1.生物學，醫(yī)學2.內(nèi)部力，面積3.細胞力學4.粘性，粘彈性5.免疫原性，毒性6.骨單元，骨基質(zhì)7.層流8.靜水壓力9.彈性，粘性10.力學性能，生物學性能三、名詞解釋1.生物力學：是力學原理與生物學、醫(yī)學等學科交叉的邊緣學科，研究生物系統(tǒng)的力學現(xiàn)象、規(guī)律及其應(yīng)用。2.泊松比：材料在單軸拉伸時，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比的絕對值，是描述材料橫向變形程度的無量綱系數(shù)。3.血流動力學：研究血液在血管系統(tǒng)中流動的力學規(guī)律，包括血流速度、壓力、粘度、血管幾何形狀等因素對血液流動的影響。4.生物相容性：生物材料與人體組織和體液相互作用后，不引起免疫原性和毒性的能力，是評價生物材料是否適合在體內(nèi)應(yīng)用的關(guān)鍵指標。5.粘彈性：材料同時具有彈性和粘性的性質(zhì)，其變形既包括可恢復(fù)的彈性變形，也包括不可恢復(fù)的粘性變形。四、簡答題1.應(yīng)力是指作用在物體內(nèi)部某一點上的內(nèi)部力與該點面積之比值，表示物體在該點的受力程度。應(yīng)變是指物體受力后變形量與原尺寸之比值，表示物體變形的相對程度。對于線性彈性材料，應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系，遵循胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例系數(shù)為材料的彈性模量。2.層流是指流體分層流動，各層之間只有平行于層面的剪切應(yīng)力，層內(nèi)流體之間沒有混合。湍流是指流體流動狀態(tài)混亂，存在不規(guī)則的渦旋和脈動，各流層之間發(fā)生混合。層流與湍流的主要區(qū)別在于流體的有序性，層流有序、平穩(wěn)，湍流無序、混亂。此外，層流的粘性耗散較小，湍流則較大。3.骨組織的主要力學特性包括：①彈性：骨組織具有可恢復(fù)的變形能力，能夠在載荷作用下發(fā)生彈性變形，載荷去除后能夠恢復(fù)原狀。②粘彈性：骨組織同時具有彈性和粘性，其變形既包括可恢復(fù)的彈性變形，也包括不可恢復(fù)的粘性變形。③強度：骨組織具有很高的強度，能夠承受較大的載荷，保證人體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。④韌性：骨組織具有一定的韌性，能夠在斷裂前吸收一定的能量，減少對周圍組織的損傷。4.生物材料需要滿足的主要生物學要求包括：①生物相容性：生物材料與人體組織和體液相互作用后，不引起免疫原性和毒性。②植入安全性：生物材料在植入人體后，不會引起嚴重的局部或全身不良反應(yīng)。③植入可行性：生物材料具有良好的加工性能，能夠制成所需的形狀和尺寸。生物材料需要滿足的主要力學要求包括：①適當?shù)牧W性能：生物材料應(yīng)具有與宿主組織相匹配的力學性能，以保證植入后的穩(wěn)定性和功能性。②良好的耐磨性：對于承受摩擦的植入物，如人工關(guān)節(jié)，生物材料應(yīng)具有良好的耐磨性。③良好的耐腐蝕性：生物材料應(yīng)具有良好的耐腐蝕性，能夠在生理環(huán)境中保持穩(wěn)定。五、計算題1.解：(1)軸向應(yīng)力計算：應(yīng)力(σ)=軸向力(F)/橫截面積(A)在此題中，我們不需要直接計算軸向力，因為應(yīng)力也可以通過應(yīng)變和楊氏模量的關(guān)系間接得到：σ=E*ε首先，我們需要計算應(yīng)變。(2)應(yīng)變計算：應(yīng)變(ε)=變形量(ΔL)/原長度(L)ε=0.01m/1m=0.01(3)應(yīng)力計算：σ=E*ε=(1.0×10^9Pa)*0.01=1.0×10^7Pa答：該動脈承受的軸向應(yīng)力為1.0×10^7帕斯卡。(4)橫截面積計算（雖然題目沒有直接要求，但為了完整性）：A=π*(r^2)=π*(0.005m/2)^2=π*(0.0025m)^2≈1.9635×10^-5m^2驗證應(yīng)力：σ=F/AF=σ*A=(1.0×10^7Pa)*(1.9635×10^-5m^2)≈196.35N驗證應(yīng)變：ε=ΔL/L=0.01m/1m=0.012.解：(1)根據(jù)泊肅葉定律，層流中管道內(nèi)任意半徑r處的速度v為：v(r)=(Q*R^2)/(8*π*η*L*r)其中，Q為體積流量，R為管道半徑，η為血液粘度，L為管道長度，r為管道內(nèi)某點到中心的距離。(2)管道中心（r=0）的速度最大，即v(R)=0.1m/s。我們可以用這個信息來推導(dǎo)流量Q：v(R)=(Q*R^2)/(8*π*η*L*R)v(R)=Q/(8*π*η*L)Q=v(R)*8*π*η*LQ=0.1m/s*8*π*(0.003Pa·s)*L(3)計算壓降ΔP：根據(jù)泊肅葉定律，壓降與長度的關(guān)系為：ΔP=(8*η*L*Q)/(π*R^4)將Q的表達式代入：ΔP=(8*η*L*(v(R)*8*π*η*L))/(π*R^4)ΔP=(64*η^2*L^2*v(R))/(π*R^3)代入已知數(shù)值（L=1m,R=0.005m,η=0.003Pa·s,v(R)=0.1m/s）：ΔP=(64*(0.003Pa·s)^2*(1m)^2*0.1m/s)/(π*(0.005m)^3)ΔP=(64*9×10^-6Pa^2·s^2*0.1m/s)/(π*1.25×10^-7m^3)ΔP=(5.76×10^-5Pa^2·s^2*m/s)/(3.927×10^-7m^3)ΔP≈146.06Pa答：血液流經(jīng)該血管1米長度時的壓降約為146.06帕斯卡。六、論述題生物力學在醫(yī)療器械設(shè)計中的重要性體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)提高醫(yī)療器械的性能和功能：生物力學原理指導(dǎo)醫(yī)療器械的設(shè)計，使其能夠更好地適應(yīng)人體的解剖結(jié)構(gòu)和生理功能。例如，人工關(guān)節(jié)的設(shè)計需要考慮關(guān)節(jié)的力學特性，使其能夠承受人體的運動負荷，并具有較低的磨損率。心臟瓣膜的設(shè)計需要考慮血流動力學，使其能夠有效地控制血液流動，防止反流。(2)降低醫(yī)療器械的失敗率：醫(yī)療器械在人體內(nèi)工作，需要承受復(fù)雜的力學環(huán)境。生物力學分析可以幫助設(shè)計者預(yù)測醫(yī)療器械在體內(nèi)可能遇到的力學問題，并采取相應(yīng)的措施進行改進，從而降低醫(yī)療器械的失敗率。例如，通過有限元分析，可以預(yù)測植入物在體內(nèi)可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)域，并采取加固措施，提高植入物的安全性。(3)促進新醫(yī)療器械的研發(fā)：生物力學的發(fā)展，為醫(yī)療器械的研發(fā)提供了新的思路和方法。例如，仿生學在生物力學領(lǐng)域的應(yīng)用，可以模仿生物體的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計具有優(yōu)良性能的新型醫(yī)療器械。此外，生物力學與材料科學的結(jié)合，可以開發(fā)出具有特殊力學性能的生物材料，用于制造高性能的醫(yī)療器械。(4)指導(dǎo)