1、1,生物力學,2,第一章 概論,第一節(jié) 生物力學概貌,一.生物力學概念及學習的重要性,力學-研究力及物體機械運動與其應用的科學.,生物學-研究生命結構、功能、發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的科學.,生物力學-力學、生物學、醫(yī)學結合的一門邊緣學科，是力學原理在生物學中的應用，以此來研究生物與力學有關的問題.,人的整體,各個器官,生命的過程,運動生物力學,工程生物力學,醫(yī)學生物力學,流體生物力學,固體生物力學,3,重視：,1.力學是其他科學的基礎,2.生物力學是力學發(fā)展的動力,3.生物力學將自然界的啟示應用于工程技術-仿生學,鳥、響尾蛇、蝙蝠、海豚、鴨子、鋸草 ,4,二.生物力學的發(fā)展淵源,* 英國 Willia

2、n Harvey 1615年,血液循環(huán),1小時心輸出量：,* Galileo 1638年,* Boreli 1680年,論動物的運動,* Poiseuille,水銀壓強計,* 德國 Von Helmboltz,眼底鏡，神經傳播速度30m/s,5,Galileo 發(fā)現加載與骨形態(tài)的關系 1834 Bell 骨可以使盡可能少的材料承擔載荷 Ward 增加壓縮載荷，可增加骨形成 Ludwig 重力、肌力對維持骨質量的必要性 1867 瑞士學者 骨的結構形態(tài)于承載大小、方向有關 Wollf 骨轉化定律,在骨力學研究方面：,1967 第一屆國際生物力學討論會 1978 我國將生物力學納入力學發(fā)展規(guī)劃,6

3、,第二節(jié) 骨力學及其研究中的幾個問題,1.骨結構研究,3.骨的應力適應性,2.應力-應變研究,4.骨折治療研究,5.脊柱生物力學,6.關節(jié)生物力學,7.骨骼肌力學,8.顱腦損傷力學,7,第三節(jié) 骨傷生物力學在我國的發(fā)展,骨傷生物力學-根據人體構件的解剖特征和力學性質，用力學原理和方法研究骨折、脫位、矯形、移植及各種急慢性軟組織損傷等病因、病理、治療及愈合機理的科學。,骨傷生物力學研究內容,骨的力學性質 肌肉、肌腱、韌帶、腱鞘、滑囊力學性質 尋找環(huán)境效應對生物組織的影響 骨折的病因、病理、治療 骨矯形、延長、移植的手術療法 骨重建的反饋機理及骨生長的人為控制 傷筋與骨錯縫的研究 骨缺血壞死問題、

4、骨性關節(jié)炎問題 現行骨傷療法的改進和完善,8,第四節(jié) 力效應與骨傷科疾病的關系,1.骨傷科疾病的發(fā)生是力作用的結果,外力,內力,直接暴力,間接暴力,肌力,慢性勞損,2.骨傷科疾病的病理變化也是力作用的表現,力的三要素,大小,方向,作用點,9,3.骨傷科疾病的治療是力學原理的應用,4.生物力學的發(fā)展促進骨傷科臨床治療的提高,石膏固定、夾板固定、手術內固定,10,第二章 力學、材料力學基礎知識 骨力學性質,剛體-運動規(guī)律-力的外效應-力學,彈性體-形變規(guī)律-力的內效應-材料力學,第一節(jié) 力的概念,力的性質 常見力,肌肉力,生理橫截面積,11,力的分量,肌肉力的穩(wěn)固分量和轉動分量,力矩,力偶,12,

5、第二節(jié) 靜力平衡,1.頸椎關節(jié),13,2.踝關節(jié),14,3.肩關節(jié),G=10N,T,15,4.髖關節(jié),16,17,5.髕骨受力,18,6.夾板治療骨折時受力,19,第三節(jié) 骨的載荷、內力和變形,彈性體-形變規(guī)律-力的內效應-材料力學,外力作用,形變,一、物體的應力和應變,屈服,斷裂,1.外力、內力、應力,II,內力,外力,20,內力-外力作用物體使物體發(fā)生形變，其內部各部分之間因相對位置發(fā)生變化，而引起的相互作用力稱附加內力，簡稱內力。,截面中任一點P的內力,-應力,-應力,單位：Pa,21,2.形變與應變,形變:u、v,應變：,正應變（線應變）：,形變:x,應變：,切應變（角應變）：,22,

6、3.應力與應變關系,彈性模量,彈性模量,4.桿件變形的基本形式,（1）拉伸或壓縮形變,受大小相等、方向相反、作用線與軸線重合的一對力的作用而發(fā)生的形變，表現為長度拉伸或縮短。,23,（2）剪切形變,受大小相等、方向相反、作用線垂直于軸線且相距很近的一對力的作用而發(fā)生的形變，表現為兩個面發(fā)生錯動。,（3）扭轉形變,受大小相等、轉動方向相反、作用面垂直于軸線的一對力偶的作用而發(fā)生的形變，表現為兩個截面饒軸相對轉動。,（4）彎曲形變,受垂直于軸的橫向力作用而產生的形變，表現為桿件由直線變?yōu)榍€。,24,二、拉伸及壓縮,1、橫截面上的應力,f,平面假設,截面各處的應力相等,25,3、應變,4、應力集中

7、概念,2、斜截面上的應力,26,三、剪切形變,27,四、扭轉形變,實驗中看出：1.各圓周線大小、形狀、間距不變，只是繞軸轉過了不同角度。,說明：橫截面仍為平面（平面假設）。圓周線相距不變，無正應力；,2.各縱線都傾斜了一角度，矩形變成平行四邊形。,截面上任一點，半徑為,有切應變，且發(fā)生在垂直于半徑的圓周面上。,28,五、彎曲形變,實驗中看出：1.橫線仍為直線，只轉過一角度，但仍垂直于縱線。,說明：橫截面仍為平面（平面假設）。,2.縱線為曲線，靠近底部變長，靠近頂部變短。,根據變形連續(xù)性可知，中間必有一層中性層、中性軸。,靠近底部被拉伸，靠近頂部被壓縮，同一高度處伸長或縮短相等。,29,第四節(jié)

8、骨的基本力學性質,30,第四節(jié) 骨的基本力學性質,一、 拉壓力學性質,兩個范圍,彈性范圍OB,塑性范圍BE,五個階段,正比階段OA,彈性階段OB,屈服階段BC,強化階段CD,頸縮階段DE,五個極限,正比極限A,彈性極限B,屈服極限C,強度極限D,斷裂極限E,一塊面積,S表吸收能量,OA的斜率表剛度,BE的長度：延伸率 截面收縮率,兩條直線OA BE,31,OA的斜率表剛度,E,E,B,BE的長度表示脆、韌性,32,骨的力學性質及各種因素的影響,1.性別、年齡的影響,2.骨的各向異性及解剖部位的差異,3.骨干濕度的影響,4.加載速率的影響,加載速率-單位時間內載荷的增長量。,應變速率-單位時間內

9、應變的改變量。,33,5.應力集中的影響,二.剪切力學特性 三.扭轉力學特性 四.彎曲力學特性,34,設計實驗：骨的力學性質及各種因素的影響,1.骨的各向異性及解剖部位的差異,2.性別、年齡的影響,3.骨的脆性與年齡的關系,35,作業(yè)：設計實驗,1.說明骨的力學性質是各向異性的,2. 藥物對骨質疏松癥的治療作用,3. 推薦兩套康復計劃，試評價其效果,取材：,分組：,方法：測量哪些物理量、怎么測量,實驗結果的表達：,實驗目的：,36,骨的力學性質及各種因素的影響,1.骨骼為各向異性材料，載荷方向不同其力學性質不同；局部解剖部位不同其力學性質也存在差異。 2.成熟的密質骨壓縮強度最大，拉伸次之；松質骨強度遠小于密質骨。 3.應力集中使骨骼強度降低。 4.加載速度增加，骨的強度、剛度也增加，且吸收更多能量。,37,一. 應力狀態(tài),第五節(jié) 不同載荷下的骨折類型,受力桿件內一點的所有截面上應力的集合，稱該點的應力狀態(tài)。,剪應力互等定理：,38,二. 軸向拉壓時，斜面應力及骨折類