14 |第一部分运动功能学概述 6pm 图14树枝显示了黏弹性物质和时间相关的蠕变特性 上午8：0在树枝上悬挂重物立即使树枝变形，到下午 6:O0的时候，重物已使树枝进一步变形（征得Panjabi MM和 White AA的同意，选自Biomeehanics in the Musculoskeletal System.New York.Churchill Livingstone.2001) 液体：晚上睡眼时，人处于不负重的状态，椎间 固的主要力分成两类：内力和外力。内力是由 盘又重新吸收了液体。 于身体内的结构产生，可以是主动收缩也可以 黏弹性物质的抵抗力一拉力曲线是随着组 是被动收缩。主动收缩内力由受刺激的肌肉言 织负重的变化而发生变化。 一般情况下，被拉 生，通常受意志控制，而被动收缩内力通常由关 伸或挤压物质的抵抗力一拉力曲线的坡度，在 节周围的连接组织在受到拉伸时产生的抵抗 物质的弹性限度内随着负重的增大而增大。有 力，这些连接组织包括肌肉连接组织，韧带和关 黏弹性的连接物质且备的这种负重敏感性，可 节囊。在所有内力中肌肉产生的主动收缩内力 以保护肌肉骨骼系统内周围的结构。比如，藤 占的比例最大。 关节的软骨组织随着挤压力的增大（如跑步时） 外力由身体外的力产生，通常来源于身体 会变得更硬，增大的硬度可以使关节承受的力 某部分受到的地球引力，行李等造成的负重或 达到最大时保护下面的骨骼 者是治疗专家对病人四肢进行的身体接触。图 总之，人类身体中的关节周结缔组织与钢 1-15A展示了一对相反的内力和外力：肌肉产 筋混凝土与玻璃纤维等建筑材料相似，当受到 生的内力拉前臂，同时重力产生的外力拉前臂 负重或被拉伸时，拥有独特的物理性质。在工 的重心。每个力由箭头表示，箭头代表矢量 程术语中，这些物理性质通常被称为材质属性。 根据定义，矢量是由量值和方向表示的一种数 关节周结缔组织的材质属性（如应力、应变、刚 量。质量、速度这些数量都不是矢量，而是标 性、塑性变形、使功能最终丧失的负载与蠕变) 量。标量是只由量值表示的数量，没有方向。 有着根深蒂固的文献基础。尽管与该研究相关 从总能量代谢效率上讲，相对于肌肉间的 的很多数据都源于动物或尸体研究，但它们提 能量转化和储存是非常有益的，这种现象经常 供了许多针对患者护理的理论，包括了解损伤 由跨关节肌肉（穿过几个关节的肌肉）以不同的 力学，改善矫形手术的设计，与判断某些形式的 方式实现。比如股直肌，能实现屈髓伸膝功能 物理治疗的潜在效果，如持久拉伸或使用热能 在跳跃的起跳阶段，股直肌收缩从而使膝关节 来增大组织延展性 伸展，同时，整关节伸展使情过撞关节前面的阳 (二)内力和外力 直肌伸展，结果，股直肌的整体收缩量被最小 为了便于阅读，将骨酪肌肉系统运动或稳 化，从而维持肌肉有益的被动张力
第1章绪论 15 内 内力 A 图1-15肘及相关骨骼的矢状面 A.内力（肌肉力）和外力（重力）上下方向起作用，但是各自的指向不同，两个矢量的大小和在 前臂的作用点也不同：B关节的反作用力阻止前臂向上运动。矢量箭杆的长短与力的大小成正比 米特别关注2 身体中被拉伸或拉长的组织通常会产生张力（即与拉力相反的对抗力） 在病理案例中，这种张力可以异常大，会干 生的能量以弹性能量的形式储存在肌肉b的被 扰到功能的灵活性。但是，本文中的几个例子 拉仲的起连接作用的组织内，肌肉b积极收缩 表明由被拉仲的结缔组织产生的相对较小的张 把钉子敲进下面的木板，同时，释放弹性能量 力可以发挥有用的功能。这种现象称为有益 (B图)，肌肉b产生的部分收缩能量被用来拉 杭，图1-16中简单模型展示了一对肌肉的有益 仲肌肉a。然后再重复这个循环过程。 对杭。中间的例子表明：肌肉a的积极收缩产 图6围绕关节周围的一对相对的肌肉 A.肌肉。收缩，提供敲击钉子举锤而需要的力：B肌肉b收缩，用锤酸击钉子，同时肌肉a伸展（对以下文献的重新 描绘：Brand PW:手的临床生物力学，莫斯比，圣路易斯，1985年)
16 第一部分运动功能学概述 为了从生物力学分析的角度更完整地描述 力的大小和肌肉力与外力的差值相等，前臂在 矢量（注：向量、矢量都可以，矢量更常见），必须 上下方向的合力是零，因此，肘关节系统处于线 明确它的大小、空间位置、方向和作用点。图1 性静止状态。 15描述的力体现了这四个因素. 二、骨骼肌肉力矩 (1)每个力向量的大小由箭杆的长度表示 (2)两个力向量的空间定向由箭杆的位置 施加在身体上的力产生两种结果。①如图 表示。两个力都是垂直的，通常称作Y方向 1-15A所示，力会使身体的某部分平移：②如果 (在第4章中进一步描述)。力的方向也可用箭 力和关节的旋转轴有一定距离，它就会使关节 杆和某基准线所形成的角度来表示 旋转。旋转轴和力之间的垂直距离称作力臂， (3)每个力矢量的方向由箭头的方向表示。 力乘以力臂等于力矩。力矩可看作使物体旋转 图1-15A所示例子中，内力向上，通常朝着正Y 的力。没有力臂的力以线性方式推拉物体，而 方向：外力向下，通常朝着负Y方向。在本书 力矩使物体绕着旋转轴旋转。该特征是运动功 中，肌肉力的方向和重力的方向通常分别被称 能学研究中的一个基础概念 为力线和重力线 力矩出现在与特定旋转轴垂直平面内的关 (4)矢量的作用点指矢量箭头的基础部位 节周围。图117展示了图1-15中提及的内力 接触到身体的位置。肌肉力的作用点是肌肉和 和外力在矢状面内产生的力矩。内力矩等于内 骨路相连的部位。连接角度指肌健和与之相连 力（肌肉力）和内力臂的乘积。内力臂（图1-17 的骨骼的长轴形成的角度。在图1-15A中，连 D)指旋转轴和内力之间的垂直距离。正如图 接角度是90°，当肘做屈曲或伸展旋转时，连接 117所示，内力矩有可能使前臂按照逆时针方 角度也随着变化，外力的作用点要看外力来 向或弯曲的方向旋转（第4章中探时了用于描 源，重力的作用点在身体部分的重心上（见图1 述旋转方向的其他惯例) 15A前臂的点)，身体接触的抵抗力的作用点可 外力矩等于外力（地球引力）和外力臂的乘 在身体的任何位置 积。外力臂指旋转轴和外力之间的垂直距离 外力矩有可能使前臂按照顾时针方向成伸展的 在大多数生物力学分析中充分描述矢量所需 方向旋转。图1-17中的内力矩和外力矩正好 要的因素。 相等，所以关节处没有旋转。这种情况称为静 态旋转平衡。 ·大小 人体通常重复地产生或接受各种不同形式 ·空间位置 ·方向 的力矩。肌肉一整天都在持续地产生内力矩， 实现旋开罐子的塞子、转动扳钳或挥动棒球棒 ·作用点 等功能动作，除了重力之外，人受到各种环境 中接触力不断被转化为关节处的外力矩。内力 与推或拉动作一样，作用在身体上的所有 矩与外力矩争相控制关节一更多的支配性力 的力都有可能造成韧带平移，平移的方向取决 矩是由身体在任何的既定时间内以某方向运动 于所有作用力的合力。由于图-15A中肌肉力 或关节姿势反映出来。 是前摩重力的3倍，所以这两种力的合力将使 在涉及身体锻炼、评价损伤病人力量的场 前臂垂直向上运动。然而，关节面之间产生的 合都常涉及力矩。人的力量等于肌肉的力乘以 关节反作用力阻止了前臂向上运动。如图1 肌肉的作用点与旋转轴之间的距离，这个距离 15B所示，肱部的末梢部位用一种反作用力（以 也是同样重要的因素。杠杆效率描述了某个力 蓝色表示)向下推前臂的基础部位，关节反作用 拥有的相对力臂长度。正如在第4章中进一步
第1章绪论17 内力5 内力矩=外力矩 。 。1 图117肘旋转轴（小圆图）周围矢状平面内内力矩和外力 矩相等 内力矩等于内力乘以内力臂(D),内力矩有可能使前臂按照 逆时针方向旋转：外力矩等于外力（重力）乘以外力臂(D,),外力 D 矩有可能使前臂按照顺时针的方向旋转：内力矩和外力矩相等 展示了静态旋转平衡（矢量相等） 外力EF 阐述的那样，肌肉的力臂长度（杠杆效率）在整 的骨骼肌肉系统受到的外力矩。临床医师可以 个动作过程中是不断变化的，这部分解释了人 这样诊断肌肉状态：用较小的力作用在离关节较 为什么在关节运动的某个阶段力量最强。 远的位置，或把较大的力作用在离关节较近的位 临床医师经常通过按摩手法向患者施加力 置。无论那种方法都能对病人产生相同的外于 来评价或诊断某肌肉活动水平或减轻困难的活 矩。医师可根据自己的力量或技巧调整力或外 动问题。作用在患者四肢上的力通常看作患者 力臂，虽然策略不同，但是最后的效果都一样。 米特别关注3 肌肉在关节处产生的力矩：一个重要的运动功能学概念 肌肉如何在关节处产生力矩是了解运动 力矩，因为力E有着更长的力臂（或更大的杠 功能学的重要（且通常是较难的）概念之 杆效率)。尽管如此，力C与E都满足在水平 如果考虑肌肉产生力矩（即旋转）的潜力与用 面中产生力矩的要求。 力开门的动作进行简单类比，有助于理解这 但是，力D与下无法在水平面中产生力 个概念。在两种情景中主要力学特征非常相 矩，因此，它们无法使门旋转，无论它们的大小 似。图1-18A,B为我们显示两种情况的共 是多少。尽管根据每个人开门或关门的经历 同点 这可能在直观上很明显，但真正的力学原因可 图118A展示了安装在垂直较链（以蓝色 能不会那么清楚。力D与F的方向通过了旋 表示)上的门的上面观与侧面观。在水平方向 转轴（例子中的校链），因此，它们的力臂距离为 上施加的力(C一F)代表着拉开门的各种努力 零。任何力乘以大小为零的力臂都会产生零力 尽管假设所有力的大小都相同。只有（被地加在 矩或零旋转。或然这些力可能会压紧或扰动较 门把手上的)力C与E可以使门旋转。原因是 链，但它们将无法使门旋转。 只有这些力满足产生力矩的基本要求：①每个 图1-18中展示的力G与H也无法使门旋 力被施加在与特定旋转轴（例子中的铰链）垂直 转。任何与旋转轴平行的力都无法产生相关的 的平面中：②每个力与力雅距离（始于较链的深 力矩。只有当一个力以与既定旋转轴垂直的方 黑色线)相关。在该例子中，力矩是拉力与其力 式被范加时，才会产生力矩。因此，力G与H 臂的乘积。力E将产生比力C的力矩更大的 无法在水平而中产生力矩
|第一部分运动功能学概述 米特别关注3铁 肌肉在关节处产生的力矩：一个重要的运动功能学概念 面观 上面观 凭面观 闭孔外 （中推 图【-18一个力如何被转化为一个力矩的基本力学的机械模拟 A6个由人施加的力（彩色箭头），每个力都试图能开水平面的门.门的垂直铰链以蓝色表 示。（左侧）两个力的力臂是以深黑色线表示的，它们始于饺链，B.3个力（彩色箭头），每个力都 试图旋转水平面中的股骨（）。旋转轴以蓝色表示，力臂以深黑色线表示，正如正文中描述的那 样，由于筒单的原因，只有少数的一些力可以产生使门或髋装转的力矩。出于本类比的考虑，假设 所有力的大小都是相等的