001周+第一章+生物力学简介.doc

《生物力学与人类健康》 前言 开课目的 职业经历 前车之鉴 各种不良力学现象与健康问题 坐立姿、睡姿、运动、学习、工作、甚至饮食均会存在不良力学现象，产生健康问题。 课程主要内容： 介绍人类生物体内各种与力学有关的现象及相关健康问题，如：心血管、呼吸过程、骨骼、肌肉、运动等相关细胞、组织和系统。 医疗器官组织移植置换、康复器械、仿生机械的力学与健康关系。 中医的力学与健康关系：针灸、推拿、气功与人体健康。 数学公式及数学运算？ 课程网站地址：/portal,《生物力学与人类健康》模块，进入网页后可进行：讲义资料下载、问题提问、议题讨论、作业布置和收看通知等。 第一章 生物力学简介 一、什么是生物力学 1. 定义 1）力学——研究运动的科学。 2）生物学——研究生命的科学。 3）生物力学(biomechanics)——解释生命及其活动的力学，是力学与医学、生物学等学科相互结合、相互渗透、相互融合而形成的一门新兴交叉学科。 2. 研究目的：生命科学的原理和方法与力学的原理和方法相结合，定量认识生命过程及其规律，并用以维持、改善人的健康。 二、生物力学的方法 生物力学是工程方法，它包括观察、实验、理论、论证及应用。 为了理解任一物体，我们必须知道它的结构、尺寸和材料、材料的力学性能及其服从的自然规律，特定问题的数学表达及其数学解，以及验证确实的结果。 具体包括： 1）形态学与组织学——几何特点； 2）反映物质宏观性质的物理学、数学模型； 3）边界条件； 4）用生理学实验验证； 5）应用。 但必须注意，生物力学并不等同于一般物理意义里的力学。这是因为： 进行生物力学的研究首先要了解生物材料的几何特点，进而测定组织或材料的力学性质。对于边界问题的解，需用生理实验去验证。若有必要，还需另立数学模型求解，以期理论与实验相一致。 其次作为实验对象的生物材料，有在体和离体之分。两种状态材料的实验结果差异较大。 生物体具有极其复杂的生命结构，许多生命现象往往是多器官、多组织共同作用的结果，因而单纯依靠力学基本理论和方法构建生物力学模型是十分困难的。 “黑箱”模型：又称经验模型，指一些其内部规律还很少为人们所知的现象。如生命科学、社会科学等方面的问题。但由于因素众多、关系复杂，也可简化为黑箱模型来研究（仅考虑输入和输出，忽略中间过程）。 Windkessel的“风箱”模型和Hill肌肉力学模型从本质上来讲都属于“黑箱”模型。 1）优点：可以不管对象的实际构造和复杂的内部过程，只考虑所关心对象的宏观行为，并掌握这种宏观行为的规律。对于像生命运动这样的复杂过程来说是十分有用的。 2）缺陷： ① 对于同一对象、同一功能目标，“黑箱”模型不是唯一的； ② 借助于“模型”所得到的“规律”，不可避免地带有建模者的主观色彩，因而具有主观任意性。 三、生物力学研究内容 生物力学的基础是能量守恒 生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。 依研究对象的不同可分：为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。 1. 生物流体力学 研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌系统以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论和流变学有关的力学问题。 人和动物体内血液的流动、植物体液的运输等与流体力学中的层流、湍流、渗流和两相流等流动形式相近。人体内血液的流动大都属于层流，在血液流动很快或血管很粗的部位容易产生湍流。尿道中的尿流往往是湍流。通过毛细血管壁的物质交换则是一种渗流。 流体力学的知识也用于动物游泳的研究。 流体力学中，常用空气动力学的原理与方法来研究动物的飞行。 2. 生物固体力学 利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。 在近似分析中，人与动物骨头的压缩、拉伸、断裂的强度理论及其状态参数都可应用材料力学的标准公式。 木材和昆虫表皮都是纤维嵌入其他材料中构成的复合材料，它与由很细的玻璃纤维嵌在合成树脂中构成的玻璃钢的力学性质类似。 动物与植物是由多糖、蛋白质、类脂等构成的高聚物，应用橡胶和塑料的高聚物理论可得出蛋白质和多糖的力学性质。 粘弹性及弹性变形、弹性模量等知识不仅可用于由氨基酸组成的蛋白质，也可用来分析有关细胞的力学性质。如细胞分裂时微丝的作用力，肌肉（肌丝）的工作方式和工作原理及细胞膜的力学性质等。 3. 运动生物力学 是用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。 肌肉在人体运动中所表现出来的力学特性：是指可以测量的肌肉力学参数：力、长度、速度、功和功率等等。在许多运动项目中，运动成绩很大程度上取决于这些参数的大小。了解这些参数在实际运动过程中的变化特征，对于解释肌肉收缩与运动表现两者之间的内在关系有着至关重要的意