人體生物力學

成為亨特 2012-04-27

展開全文

老筋非常感謝garden608版主的鼓勵，再接再勵轉載一篇相關文章
　　在人體中，骨在肌拉力作用下圍繞關節(jié)軸轉動，它的作用和杠桿相同，稱為骨杠桿。人體的骨杠桿運動有三種形式：
　　1.平衡杠桿：支點在力點和重點之間。如顱進行的仰頭和俯首運動。
　　2.省力杠桿：重點在支點和力點之間。如行走時提起足跟的動作，這種杠桿可以克服較大的體重。
　　3.速度杠桿：力點在重點和支點之間。如肘關節(jié)的活動，這種活動必須以較大的力量才能克服較小的重量，但運動速度和范圍很大。

人體主要的骨骼肌

　　（1）頭肌
　　頭肌可分為面肌和咀嚼肌二部分。面肌分布于頭面部皮下。位于眼裂、口裂周圍，有環(huán)  形的輪匝肌和放射形安排的肌肉，可使眼裂、口裂張開或關閉，能示喜、怒、哀、樂各種表情。咀嚼肌是作用下頜關節(jié)的肌肉，如顳肌和咬肌。能有力的上提下頷骨。
　　（2）四肢肌
　　①上肢肌
　　上肢肌可分為肩肌、臂肌，前臂肌和手肌四部。
　　肩部肌肉可使肩關節(jié)運動，如三角肌，它從前、后、外三方包繞肩關節(jié)；構成圓隆的肩  部，作用主要是使臂外展。
　　臂肌分前、后兩群。在上臂前方跨過肩關節(jié)和肘關節(jié)的屈肌，如肱二頭肌，是強有力的屈肘肌肉。在肱骨后方的肱三頭肌為伸肘肌肉。
　　前臂肌也分前、后兩群。前臂肌數目多且大多是長肌，這些肌肉分別跨越肘、腕、掌、  指各部。肌肉位于前臂，于腕部形成腱。前肌群位于尺、橈骨前面，主要有屈腕、屈指和使前臂旋前的肌肉。后肌群位于尺、橈骨后面，主要有伸腕、伸指和使前臂旋后的肌肉。
　　手肌除有從前臂來的長肌腱外，還有很多短小的手肌均集中在手的掌側，可分外側、中間和內側三肌群。外側肌群在拇指根部形成一隆起稱魚際肌，能使拇指作屈、收、展和對掌等動作。中間肌群位于前臂來的屈指肌腱的深面，主要有骨間肌，收縮時能使各指向中指靠攏或分開。外側肌群稱小魚際，能使小指作屈、外展和對掌等作用。
　　②下肢肌
　　下肢肌可分為髖肌、大腿肌、小腿肌和足肌。
　　髖肌主要起始于骨盆的內面和外面，跨越髖關節(jié)，止于股骨上部。位于盆內的腰大肌是屈大腿肌、位于骨盆后外面的臂大肌是后伸大腿肌。
　　大腿肌分前、后、內三肌群。前肌群主要是股四頭肌。是膝關節(jié)強大的伸肌。內側肌群位于大腿內側，能內收大腿，又稱內收肌群。后肌群位于大腿后面如股二頭肌和半腱肌等能屈小腿和后伸大腿。
　　小腿肌亦分三肌群，前肌群在脛骨、腓骨之前，主要有伸趾肌并幫助足背屈。后肌群主要有小腿三頭?。枘c肌和比目魚肌）位于小腿上部形成膨隆的小腿肚，向下續(xù)為跟腱，收縮時提起足跟并能屬小腿；在三頭肌深面還有屈趾等肌肉。外側肌群有腓骨長肌、短肌，作用是使足外翻。
　　足肌可分足背肌和足底肌，足背肌為伸趾肌。足底肌的配布和作用與手掌肌近似，但足趾動作遠不如手指，其主要功能是維持足弓。
　　資料來源《人體解剖生理學》

人體內的杠桿

　　運動系統(tǒng)是許多個杠桿結構組成的，人體的許多動作都是通過杠桿作用而表現出來的。
　　在運動過程中，骨為運動的杠桿，關節(jié)為運動的支點，骨骼肌施加動力。當骨骼肌收縮時，牽動所附的骨圍繞關節(jié)轉動，就會產生各種動作。人體內有三種類型杠桿，即等臂杠桿、省力杠桿和費力杠桿。下圖示仰頭、蹺足、屈肘分別代表的三種杠桿，你能判斷出各屬哪一種嗎？

　　圖中O表示關節(jié)構成的支點，三圖分別表示寰枕關節(jié)、跖趾關節(jié)和肘關節(jié)。A點為肌肉在骨上的附著點，即力點，B則表示重點，由此可知，仰頭為等臂杠桿，蹺足為省力杠桿，而屈肘則為費力杠桿。在屈肘動作中，如果OB是OA的8倍，假如你要用手托起8千克的鐵球，請你算算看，肱二頭肌至少要施加多大的力？（答：627.2牛頓）

肌肉粗壯的原因

　　當我們在看健美比賽時，常常會被健美運動員那隆起的健壯肌肉而驚嘆，為那展示出的人體之美而稱羨。那么，他們的肌肉為什么會那樣發(fā)達呢？
　　原來，骨骼肌的肌細胞和人體其他細胞一樣，都要不斷地攝取營養(yǎng)物質以維持正常的生命活動。細胞需要的養(yǎng)料是通過血液循環(huán)運送來的。在日常生活中，只有很少量的肌肉纖維束參加工作，而大部分肌肉纖維束則處在“休息狀態(tài)”，這些肌肉中的毛細血管當然也是大部分關閉的，在每平方毫米肌肉里，只有80條左右的毛細血管開放。體育鍛煉時，大部分肌肉都要“上班”，毛細血管開放的數量大大增加，在每平方毫米的肌肉里，開放的毛細血管可以增加到2000至3 000條，給肌肉送來更多的血液和營養(yǎng)。長期下去，肌纖維就會變粗，整個骨骼肌就會變得粗壯，收縮有力。
　　健美運動員要經過艱苦認真的鍛煉，有計劃地通過專項訓練，而使某一部分的肌肉發(fā)達，顯示出明顯的輪廓。
人體生物力學

生物系統(tǒng)的運動表現形式有兩種：①整個生物系統(tǒng)對于其周圍的介質、支撐物或其他物體發(fā)生位移，例如人的行走；②生物系統(tǒng)本身發(fā)生形變，即其中一部分相對于另一部分發(fā)生位移，例如彎腰、伸腿。生物體運動要消耗能量，生物體的能量消耗有兩個方面，一是用以完成規(guī)定的動作稱為有效消耗；二是以熱量散失稱為無用消耗。

人體生物力學側重研究人體各部分的力量、活動范圍和速度，人體組織對于不同阻力所發(fā)揮出力量的數值、人體各部分的重量、重心變化以及做動作時的慣性等問題，其研究目的是為了使人在人機系統(tǒng)中更好地發(fā)揮其作用，盡量避免做無用功，使人能有效地工作，提高活動效率，減少疲勞，確保人身安全。

在安全人機工程學的設計與分析、評價及“三同時”審查、事故分析等時，就要準確地確定操作者和設備的最有利工作范圍和界限，因此就得利用人體生物力學方法。為使操作者安全舒適地工作，在設計操縱機構時必須考慮人體出力大小、動作軌跡、動作平穩(wěn)程度以及人體各部分運動的方向等因素，均要運用人體生物力學的理論。
一、人體生物力學的一般知識

人體完成各種活動動作的運動器官系統(tǒng)，由肌肉、關節(jié)、骨骼等組成。全身的關節(jié)將骨節(jié)連接成一體，形成可以活動的骨骼體系，肌肉跨越關節(jié)粘附于骨之上。肌肉、關節(jié)、骨三者在神經系統(tǒng)的支配和協(xié)調下，按照人的意志，共同準確地由肌肉的收縮與舒張牽動骨通過關節(jié)的作用而產生各種動作。
1、骨骼的功能
1）人體骨骼強度。在一定范圍內，故的應力-應變關系是線性的，服從虎克定律，但當人體骨骼強度。在一定范圍內，骨的應力超過一定應力數值后，這種關系就不再成立。

人體脛骨強度實驗結果與其他材料強度的比較見表3-29，人體骨骼的抗彎強度、抗壓強度和抗扭強度見表3-30

2）骨的功能。人體全身約有206塊骨，可分為頭顱骨、上肢骨、下肢骨、軀干骨、脊椎骨等，由這些有生命而堅硬的骨支撐著人體，每塊骨都有一定的形態(tài)、結構、功能、位置及其神經和血管。骨所承擔的功能主要有：

（1）骨構成體腔的壁，如頭顱腔、胸腔、腹腔、盆腔等，以保護大腦、心、肺、肝、膽、脾胃、腎、腸及生殖器官等人體內臟重要器官。

（2）骨之間由關節(jié)連接構成骨骼，形成人體支架，支撐人體全身的重量，支撐人體的肌肉、皮膚、內臟器官等軟組織，骨骼與肌肉一塊共同維持人體的外部形態(tài)。使人成為具有一定高度、寬度、厚度的實體。

（3）骨骼的骨髓腔和松質的腔隙中充填著骨髓，骨髓是一種柔軟而富有血液的組織，其中的黃骨髓可儲藏脂肪，紅骨髓具有造血功能，骨髓中的鈣和磷參與體內鈣、磷代謝而處于不斷變化狀態(tài)。所以，骨髓除具備造血功能外還是體內脂肪、鈣、磷的儲備倉庫。

（4）肌肉在神經系統(tǒng)支配下產生收縮時，牽動著骨圍繞著關節(jié)活動，使人體產生各種動作。因此，骨是人體活動的杠桿。
3）骨杠桿。人體骨杠桿的原理與力學杠桿完全一樣。在骨杠桿中，關節(jié)是支點，肌肉是力量源泉，肌肉與骨的附著點稱為力點，而作用于骨上的阻力（如操縱力、體重等）的作用點稱為重點（即阻力點）。人體活動主要由下列骨杠桿形式而定。

（1）平衡骨杠桿。

（2）速度骨杠桿。

（3）省力骨杠桿。

2、關節(jié)的活動范圍
1）關節(jié)的連結：

（1）直接連結。

（2）間接連結。
2）關節(jié)的作用

（1）關節(jié)的損傷。關節(jié)除了有將骨與骨相連的功能之外，并與肌肉和韌帶連結在一起，因韌帶既可有連結兩骨、增加關節(jié)的穩(wěn)定性的作用，還有限制關節(jié)運動的作用。這樣一來，人體各關節(jié)的活動就要受到限制，若超過其限制范圍，則會受到損傷。

（2）關節(jié)的舒適。當人體處在最大活動范圍以內的活動，即處在各種舒適姿勢時，相應的關節(jié)亦會處在舒適范圍之中，此時人的活動時間即可持久，而且其活動質量與效率亦會高，可靠性與安全性均會高。
3、人體肌肉力學特性

論人體骨骼與關節(jié)機構怎樣完善，如果沒有肌肉，就不能做功。所以，人體活動的能量決定于肌肉。肌肉的基本機能是將攝入的化學能轉變成機械能或熱能再轉變成機械功反映了肌肉活動的主要生物力或力，肌肉收縮時所產生的力及其長度改變與改變的速度學特征。

人體的肌肉依其形狀構造、功能、分布等可分為平滑肌、心肌、橫紋肌等三種。橫紋肌大都跨越骨關節(jié)，附著于骨骼，故稱為骨骼?。挥捎诠趋兰〉倪\動要受人的意志支配，故又稱隨意肌。少數橫紋肌附著于皮膚，稱為皮肌，由于人體運動主要與橫紋肌有關，所以安全人機工程學所討論的肌肉僅限于橫紋?。ê喎Q肌肉）。

肌肉的收縮和放松均是由神經系統(tǒng)支配而產生的，兩者都是因肌纖維接受刺激后所發(fā)另一種是肌纖
生的機械性反應。這種機械性反應有兩種表現，一種是肌纖維的長度縮短維張力增加。

肌肉在沒有負荷而自由縮短的情況下，肌肉的長度縮短而張力不變的收縮，稱為等張收縮。當肌肉在兩端被固定或負有不能克服的負荷情況下，肌肉的長度不可能縮短，只能產生張力，這種長度沒有改變而張力增加的收縮，稱為等長收縮。
4、人體運動的特征

人體是一個有機的物質系統(tǒng)，身體各個部分的運動都是轉動，轉動狀態(tài)的改變則不是取決于力，而是取決于力矩。

5、人體活動范圍

人體的肢體、軀干、頭、頸、手掌、手指、腳掌、腳趾等均有各自的活動范圍。人體活動范圍可分為：最有利范圍、正常范圍和最大可及范圍三種。
（1）最有利范圍。
（2）正常范圍。
（3）最大可及范圍。
二、人體各部分的操縱力

縱力是指操作者在操作時為達到操作目的所付出的一定數量的力。人的頭、軀干、肩膀、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)揮出一定的操縱力。故此在設計人機系統(tǒng)時，為了使操縱者既發(fā)揮最大的主觀能動性，而又不感到疲勞，既耗費能量最少，同時感到輕松愉快，就必須很好地考慮操縱力的數值以及操作者的生理狀況是否能夠付出所需要的操縱力。

肢體的力量來自肌肉收縮，肌肉收縮時所產生的力稱為肌力。肌力的大小取決于以下幾個生理因素：單個肌纖維的收縮力；肌肉中肌纖維的數量與體積；肌肉收縮前的初長度；中樞神經系統(tǒng)的機
能狀態(tài)；肌肉對骨骼發(fā)生作用的機械條件。

1、手的操縱力
（1）坐姿操縱力。
（2）立姿操縱力。
（3）握力。

（4）拉力與推力。
（5）扭力和提力。
2、腳的操縱力

在生產中，用腳操作的情況很多。最常見的是汽車的離合器踏板和剎車踏板，縫紉機踏板，加工機械（如沖床、蒸汽錘等）的腳踏控制裝置等。

三、人體活動的速度與準確度
1、肢體的動作速度

肢體動作速度的大小，基本上取決于肢體肌肉收縮的速度。不同的肌肉，收縮速度也不同，如慢肌纖維收縮速度慢些，快肌纖維收縮速度快些。通常一塊肌肉中既有慢肌纖維也含快肌纖維。中樞神經系統(tǒng)根據需要時而使慢肌纖維收縮，時而使快肌纖維收縮，從而改變肌肉的收縮速度。收縮速度還取決于肌肉收縮時所發(fā)揮的力量和阻力的大小。發(fā)揮的力量愈大，外部阻力愈小，則收縮速度愈快。

對于操作動作速度，還取決于動作方向和動作軌跡等特征。另外，不同的動作特點對動作速度影響十分顯著，因此，合理地設計操作動作可明顯提高工效。

有的操作常常不需要用眼睛觀察而迅速準確地操縱控制器，如司機加大油門的操作，這就需要控制設計得使操作者能準確迅速安全地連續(xù)操作，如果把控制器安排在便于精確和快速調節(jié)的位置上就可以提高操作者的準確性，避免一些事故的發(fā)生。

對于那些要求身體做較大范圍動作的操縱工作，重要的問題就是如何合理地選擇使操作者具有靈活動作的軌跡，動作靈活性包括動作速度和頻率。

動作速度取決于工作的動作方向和動作軌跡的特征。在操縱工作時，連續(xù)和突然改變的曲線式動作，它們的速度是不相同的，故要分別考慮。
2、人體動作的頻率

動作頻率是指在一定時間內動作所重復的次數。同理，肢體的動作頻率也取決于動作部位和動作方式。表3-36為人體各部位動作速度與頻率的限度。在設計操作系統(tǒng)時，對操作速度和頻率的要求不得超出肢體動作速度和頻率的能力限度。

3、人體動作的靈活性

在操縱時產生突然或平穩(wěn)的改變方向時，圓形軌跡比直線軌跡靈活。

手向著身體動作比離開身體的動作靈活而準確，向前后往復動作比向左右往復動作的速度大。

最大動作速度與被移的負載的重量成正比，而達到最大速度所需要的時間與被移動的負載成正比，動作的方向和軌跡應當滿足工作動作準確性的要求人體較短部位的動作比較長部位的動作靈活：人體較輕部位的動作比較重部位的動作靈活；人體體積較小部位的動作比較大部位的動作靈活。

因此，在考慮動作靈活性時，應按生物力學特征進行人體慣性特點的比較和估算，利用這些特點，可以研究和模擬人體各部位的運動狀態(tài)。
四、影響人體作用力的因素
1、體重

體重對人體作用力的發(fā)揮存在著有利和不利的兩個方面例如，在提取地上重物時，身體及頭部隨重物的被提起而向上移動（抗重力），體重提高了力的使用效率，將物體放置在地面上（向下用力），站姿比坐姿更好，因為站姿可使頭及軀干的重量協(xié)助腕、肘、肩關節(jié)來運用力，還有體育活動中的拳擊、足球射門、投擲等，除了有關肢體的關節(jié)、肌肉活動得知，即沖力是質量與速度起作用外，軀體的重量也起作用，這可從物理中的沖力E=mv的乘積，也就是說力與運動部分的質量及肢體和力的作用對象之間的相對速度成正比。

控制器應能承受靜止肢體的重量，這一點對防止意外啟動，保證安全和消除肢體靜態(tài)作業(yè)非常重要。例如，汽車的足控蹬板應能承受駕駛員下肢的靜止重量，不同人群（包括體格和性別）的身體各部分的重量是不同的，其中以軀干和大腿的重量差別最大
2、體位

操作者的體位（立位、坐位、躺位）、軀干的穩(wěn)定性對人體的作用力也有一定的影響。人體的作用力對人體體位的依賴關系，由以下兩個原因決定：
（1）隨著關節(jié)姿勢的改變，肌肉的長度發(fā)生變化，而肌肉表現出來的最大力同它的長度的減少量的二次方成正比下降，肌肉收縮最大時張力值最小。
（2）肌張力隨轉軸的力矩發(fā)生變化。力學中把轉軸到力的作用線的最短距離（垂直距離）叫做力臂。人體運動的特點是肌肉附麗點到轉軸的距離很近，因而在大多數運動中贏得速度和路程，但卻費力。

操作者立位作業(yè)可以經常改變姿勢，活動范圍也大，站立時易用力，但單調作業(yè)會引起生理性和心理性疲勞，立位可適當地走動，有助于維持工作能力，但立位又不易進行精確而細致的工作，不易轉換操作，而且肌肉要做更多的功來維持體重，易引起疲勞。

坐位則可以進行較長時間的精確而細致的工作，可以手足并用，但是坐位作業(yè)則不易改變姿勢，用力受限制，工作范圍受局限，久坐會導致生理性疲勞。

躺位操作易疲勞，汽車修理工修理汽車時就有時必須仰躺著工作。

在設計人機系統(tǒng)時，應綜合考慮操作者的工作體位、姿勢的改變等。體位正確可減少靜態(tài)疲勞，有利于身體健康和保證工作質量，提高勞動生產效率和保證安全。