人體生物力學

1、第三章 人體的生理、心理及生物力學特性,第一節(jié) 人的生理特性第二節(jié) 人的心理特性,第三節(jié) 人的生物力學特性 一、人體生物力學一般知識 二、人體各部分的操縱力 三、人體活動的速度與準確度 四、影響人體作用力的因素,第四節(jié) 疲勞與恢復,本節(jié)課,,第三節(jié) 人的生物力學特性 關于《人體生物力學》,定 義：生物力學是研究生物系統(tǒng)（人或動物）運動規(guī)律 的科學。研究內容：有機整體（整個人或動物）

2、的運動規(guī)律； 有機體的聯(lián)合體（部分零件）的運動規(guī)律。系統(tǒng)的運動形式：①整體位移（絕對位移）； ②本身形變（相對位移）生物體運動時要消耗能量：有效消耗——用以完成規(guī)定動作 無用消耗——熱量散失 研究重點：人體各部位的力量（F），活動范圍（R）,速度 （v），人體組織在不同情況下的發(fā)力值（F‘）等,第三節(jié) 人的生物力

3、學特性一、《人體生物力學》一般知識,分析人體結構可以發(fā)現(xiàn)，人體完成各種動作的運動器官，原來是由骨骼、關節(jié)、肌肉等組成的。它們巧妙地組成一個統(tǒng)一體，在大腦的指揮下、在神經系統(tǒng)的支配和協(xié)調下，按照人的意志，完美、準確地做出各種動作。,骨的作用： ①保護殼，保護重要器官如大腦、心臟、肺、肝、膽,美國一女子眉心中彈 堅硬頭蓋骨碰碎子彈片,美國佛羅里達州里弗維尤市42歲女子瑪麗4月12日驅車經過坦帕市時，遭到幾名暴徒的襲擊，一名暴徒拿起手槍

4、，朝她的眉心開了一槍。然而令人意想不到的是，瑪麗非但沒有當場身亡，反而奇跡般地大難不死，眉心有個子彈洞的她竟然還能神智清醒地和醫(yī)生說話，將救援醫(yī)生驚得目瞪口呆。原來射進瑪麗眉心的子彈撞上堅硬的頭蓋骨后裂成了三片，子彈碎片接著彈出頭骨，并從她的臉頰皮膚上穿了出來。醫(yī)生稱他們一輩子也沒見到過這種奇事。,美國一女子眉心中彈 堅硬頭蓋骨碰碎子彈片,一開始，瑪麗壓根沒有意識到自己中彈，直到她發(fā)現(xiàn)鮮血正從她的腦袋上噴涌而出時，她才知道自己的腦袋被子

5、彈擊中了。瑪麗回憶說：“我以為自己就要死了，但我仍然擁有清醒的意識?！?醫(yī)生為瑪麗進行檢查后發(fā)現(xiàn)，原來那枚子彈射中她的眉心后，撞到了堅硬的頭蓋骨，竟然裂成了三片，子彈碎片隨后彈出頭蓋骨，繼續(xù)在瑪麗的額部皮膚下穿行，一直穿過面頰皮膚從耳朵附近射出。醫(yī)生認為，他們唯一需要為瑪麗做的事，就是為她縫好臉上的傷口。當瑪麗臉部的傷口被縫好后，她就自己步行走出了醫(yī)院?，旣愓f：“我的男友對我說，我是世界上最幸運的人，我現(xiàn)在應該去購買彩票?！?第三節(jié) 人

6、的生物力學特性一、《人體生物力學》一般知識,分析人體結構可以發(fā)現(xiàn)，人體完成各種動作的運動器官，原來是由骨骼、關節(jié)、肌肉等組成的。它們巧妙地組成一個統(tǒng)一體，在大腦的指揮下、在神經系統(tǒng)的支配和協(xié)調下，按照人的意志，完美、準確地做出各種動作。,骨的作用： ①保護殼，保護重要器官如大腦、心臟、肺、肝、膽,第三節(jié) 人的生物力學特性一、《人體生物力學》一般知識,分析人體結構可以發(fā)現(xiàn)，人體完成各種動作的運動器官，原來是由骨骼、關節(jié)、肌肉等組成

7、的。它們巧妙地組成一個統(tǒng)一體，在大腦的指揮下、在神經系統(tǒng)的支配和協(xié)調下，按照人的意志，完美、準確地做出各種動作。,骨的作用： ①保護殼，保護重要器官如大腦、心臟、肺、肝、膽 ②搭起人體的架子，沒有骨，人就是一堆稀泥,第三節(jié) 人的生物力學特性一、《人體生物力學》一般知識,分析人體結構可以發(fā)現(xiàn)，人體完成各種動作的運動器官，原來是由骨骼、關節(jié)、肌肉等組成的。它們巧妙地組成一個統(tǒng)一體，在大腦的指揮下、在神經系統(tǒng)的支配和協(xié)調下，按照

8、人的意志，完美、準確地做出各種動作。,骨的作用： ①構成體腔的壁，保護殼，保護重要器官如大腦、心臟、肺、肝、膽 ②搭起人體的架子，沒有骨，人就是一堆稀泥 ③骨髓腔和松質的腔隙中充填著骨髓，它有造血功能以及是脂肪、鈣、磷的儲備庫 ④ 人體活動的杠桿,一、人體生物力學的一般知識1、骨骼的功能⑴ 人體骨骼強度（應力—應變成正比）⑵ 骨的功能 ⑶ 骨杠桿（圖3-18 ）① 平衡骨杠桿② 速度骨杠桿③ 省

9、力骨杠桿,,圖3-18 人體骨杠桿,第三節(jié) 人的生物力學特性一、《人體生物力學》一般知識,分析人體結構可以發(fā)現(xiàn)，人體完成各種動作的運動器官，原來是由骨骼、關節(jié)、肌肉等組成的。它們巧妙地組成一個統(tǒng)一體，在大腦的指揮下、在神經系統(tǒng)的支配和協(xié)調下，按照人的意志，完美、準確地做出各種動作。,骨的作用： ①保護殼，保護重要器官如大腦、心臟、肺、肝、膽 ②搭起人體的架子，沒有骨，人就是一堆稀泥 ③造血功能以及脂肪、鈣、磷的

10、儲備庫關節(jié)的作用：韌性絕佳的聯(lián)接器，將堅硬的骨頭連接在一起 組成人的骨架結構，并且允許適度的轉動肌肉的作用：在放松與收縮中產生力量，帶動其他部位運動,人體肌肉力學特性不論人體骨骼與關節(jié)機構怎么完善，如果沒有肌肉，就不能做功。所以，人體活動的能量取決于肌肉。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或力，肌肉收縮時所產生的力及其長度改變與改變的速度，反映了肌肉活動的主要生物力學特性。,,人

11、體肌肉力學特性肌肉運動的基本特征是收縮與放松，故此肌肉具有展長性和彈性、興奮性、收縮性的特性。肌肉收縮是產生人的體力的根源。肌肉收縮時其長度縮短，橫斷面增大，放松時則成相反變化。其機理是因為肌原纖維是由眾多肌微絲構成，肌微絲又因其形態(tài)和化學成分不同分為肌球蛋白微絲和肌動蛋白微絲；肌球蛋白微絲粗而短，肌動蛋白微絲細而長。肌肉的收縮就是由這兩種肌微絲的蛋白之間不斷地結合或離解，從而使肌動蛋白微絲在相鄰的肌球蛋白微絲之間滑動而向肌節(jié)中心靠攏

12、，使肌節(jié)縮短；放松時則與此相反。,,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。,,圖3－20 屈前臂時形成的力矩圖示,第三節(jié) 人的生物力學特性一、《人體生物力學》一般知識,人體的活動范圍 人的肢體、軀干、頭、頸、手掌、腳掌、肢趾等均有各自的活動范圍。 按方便的程度，人體的活動范圍可分為3種： ①最有利范圍：操縱力不大的、重要的、

13、經常性的動作 ②正常范圍：常用的、重要的操作 ③最大可及范圍：不常用的、費力較大的動作,人體活動范圍最有利范圍：是指可使人在既達到動作目的同時又保證了人的工作輕松、舒適、不疲勞的最佳效果的人體活動范圍，亦稱順手可及活動范圍。施加的操縱力不大的、使用頻率很高的、極重要的操作裝置應安裝在此范圍內。正常范圍：是指人體一般活動均在此活動范圍內進行，如上肢相對于不動的肩膀在肘關節(jié)彎曲時外切弧的范圍。一般常用的又重要的操作裝置應

14、安裝在此范圍內。 最大可及范圍：是指肢體長時間處于最大限度伸直狀態(tài)的活動范圍。不常用的費力很大的操作裝置應安裝在此范圍內。,第三章 人體的生理、心理及生物力學特性,第三節(jié) 人的生物力學特性 一、人體生物力學一般知識 二、人體各部分的操縱力 三、人體活動的速度與準確度 四、影響人體作用力的因素,人體各部分的操縱力,操縱力是指操作者為完成某一動作所需付出的力量（N）。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。在操作

15、活動中，肢體所能發(fā)揮的力量大小除了取決人體肌肉的生理特征外，還與施力姿勢、施力部位、施力方式和施力方向有密切關系（見圖3-21 ）,,圖3-21 立姿彎臂時的力量分布,第三節(jié) 人的生物力學特性二、人體各部分的操縱力,人的頭、軀干、肩、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)出一定的力量（N）。力量的大小與肌肉的質量與數(shù)量有重要關系，還與施力姿勢（坐、站、臥）、施力部位（手、肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、向上）等有密切

16、關系。,1、手的操縱力 ①坐姿：圖3-22，表3-32,1、手的操縱力(1) 坐姿操縱力 坐姿時不同角度上臂力測試如圖3-22所示，其測量結果見表3-32。 表明：人的左手弱于右手；拉力略大于推力；向下的力略大于向上的力；向內的力大于向外的力；手臂處于側面下方時，推拉力都較弱，但向上和向下的力較大。(2) 立姿操縱力 立姿操作時，手臂在不同角度上的拉力和推力分布，如圖3-23所示 表明：最大拉力

17、產生在肩的下方180°方向上，手臂的最大推力則產生在臂的上方0°方向上。(3) 握力 男女不同年齡段握力，見表3-33 (4) 拉力與推力(5) 扭力和提力 應用手柄操縱時最合適的力，見表3-34,表3-32 坐姿時手臂在不同方向上的操縱力,第三節(jié) 人的生物力學特性二、人體各部分的操縱力,操縱力是指人為完成某一動作所需付出的力量（N） 人的頭、軀干、肩、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)

18、出一定的力量（N）。力量的大小與肌肉的質量與數(shù)量有重要關系，還與施力姿勢（坐、站、臥）、施力部位（手、肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、向上）等有密切關系。,1、手的操縱力 ①坐姿：圖3-22，表3-22 ②立姿：圖3-23,第三節(jié) 人的生物力學特性二、人體各部分的操縱力,操縱力是指人為完成某一動作所需付出的力量（N） 人的頭、軀干、肩、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)出一定的力量（N）。

19、力量的大小與肌肉的質量與數(shù)量有重要關系，還與施力姿勢（坐、站、臥）、施力部位（手、肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、向上）等有密切關系。,1、手的操縱力 ①坐姿：圖3-22，表3-22 ②立姿：圖3-23 ③握力：表3-33,第三節(jié) 人的生物力學特性二、人體各部分的操縱力,操縱力是指人為完成某一動作所需付出的力量（N） 人的頭、軀干、肩、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)出一定的力量（N）。力

20、量的大小與肌肉的質量與數(shù)量有重要關系，還與施力姿勢（坐、站、臥）、施力部位（手、肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、向上）等有密切關系。,1、手的操縱力 ①坐姿：圖3-22，表3-22 ②立姿：圖3-23 ③握力：表3-33 操縱力，表3-34,第三節(jié) 人的生物力學特性二、人體各部分的操縱力,操縱力是指人為完成某一動作所需付出的力量（N） 人的頭、軀干、肩、四肢、手掌、手指、腳掌、腳

21、趾均可發(fā)出一定的力量（N）。力量的大小與肌肉的質量與數(shù)量有重要關系，還與施力姿勢（坐、站、臥）、施力部位（手、肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、向上）等有密切關系。,1、手的操縱力 ①坐姿：圖3-22，表3-22 ②立姿：圖3-23 ③握力：表3-33 操縱力，表3-34 ④拉力、推力 ⑤扭力與提力,第三節(jié) 人的生物力學特性二、人體各部分的操縱力,操縱力是指人為完成某一動作所需付出的力

22、量（N）人的頭、軀干、肩、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)出一定的力量（N）。力量的大小與肌肉有重要關系，還與施力姿勢（坐、站、臥）、施力部位（手、肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、向上）等有密切關系。,2、腳的操縱力 圖3-24,2、腳的操縱力腳產生力的大小與下肢的位置、姿勢和方向有關。腳產生的操縱力一般都是以壓力的形式出現(xiàn)，壓力的大小隨著腳離開人體中心對稱線向外偏轉的程度有關。（見圖3-24）一般地

23、說，在坐姿的情況下，腳的伸展力大于屈曲力；右腳的操縱力大于左腳的操縱力；男的腳力大于女的腳力。 （見表3-35 ）,第三節(jié) 人的生物力學特性二、人體各部分的操縱力,操縱力是指人為完成某一動作所需付出的力量（N）人的頭、軀干、肩、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)出一定的力量（N）。力量的大小與肌肉有重要關系，還與施力姿勢（坐、站、臥）、施力部位（手、肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、向上）等有密切關系。,2、腳的

24、操縱力 圖3-24 表3-35,第三節(jié) 人的生物力學特性二、人體各部分的操縱力,操縱力是指人為完成某一動作所需付出的力量（N）人的頭、軀干、肩、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發(fā)出一定的力量（N）。力量的大小與肌肉有重要關系，還與施力姿勢（坐、站、臥）、施力部位（手、肘、背）、施力方式（握、抱、提、推）、施力方向（向前、向上）等有密切關系。,注意： 肢體所有力量的大小都與持續(xù)時間有關。隨著時間的延續(xù)，人的力量很快地衰

25、減。,力量衰減,第三章 人體的生理、心理及生物力學特性,第三節(jié) 人的生物力學特性 一、人體生物力學一般知識 二、人體各部分的操縱力 三、人體活動的速度與準確度 四、影響人體作用力的因素,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，基本上決定于肢體肌肉收縮的速度 對于操作動作速度，還取決于動作方向和動作軌跡等特征 人的無條件反應時間為0.1～0.15s,聽覺反應為0.1～0.2s,手指叩擊速度1.5～

26、5次／s，判斷時間為1～5s。,第三節(jié) 人的生物力學特性三、人體活動的速度與準確度,1、肢體的動作速度 單位時間內移動的距離。取決于肌肉的收縮速度。表3-36,2、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(shù)。肢體的動作頻率也取決于動作部位和動作方式 (見表3-36 )在操作系統(tǒng)設計時，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。(見表3-37，表3-38),第三節(jié) 人的生物力學特性三、人體活動

27、的速度與準確度,1、肢體的動作速度 單位時間內移動的距離。取決于肌肉的收縮速度。表3-362、人體的動作頻率 在一定時間內重復動作的次數(shù)。表3-36，3-37，3-38,第三節(jié) 人的生物力學特性三、人體活動的速度與準確度,1、肢體的動作速度 單位時間內移動的距離。取決于肌肉的收縮速度。表3-362、人體的動作頻率 在一定時間內重復動作的次數(shù)。表3-36，3-37，3-383、人體動作的靈活性,3、人體動作

28、的靈活性改變操縱方向時，圓形軌跡比直線軌跡靈活。手向著身體比離開身體的動作靈活而準確前后往復比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。人體較短部位（胳膊）的動作比較長部位（大腿）的動作靈活。人體較輕部位（手）的動作比較重部位（頭）的動作靈活。人體體積較小部位（手指）的動作比較大部位（手掌）的動作靈活。,進行安全人機系統(tǒng)設計時，為使動作速度、頻率和準確性、靈

29、活性很好地結合，須遵循的規(guī)律： ⑴ 勞動時，不論連續(xù)動作時間長短，都應在最有利的位置開始和結束。 ⑵ 沿曲線的、直線的或不規(guī)則軌跡的動作，都應該讓操作者的動作從容不迫。 ⑶ 具有急劇改變方向的動作，應盡量采用流暢而連續(xù)的動作。 ⑷ 手在水平內動作比在垂直面內的動作要準確。 ⑸ 工作時的動作次數(shù)應盡量減少，頻率應降低。,三、人體活動的速度與準確度,⑹ 重要作業(yè)盡可能由一個人的動作完成。⑺ 最重要和常用的裝置或工具應當放在最有利

30、范圍之內。⑻ 操縱者的操縱動作，按適宜的半徑作圓周運動比沿直線運動好。⑼ 從一個操縱位置到另一個操縱位置的動作應當平穩(wěn)，不允許有跳躍式動作。⑽ 如果操作者不可避免地按不正確的軌跡動作時，應當考慮改變手的動作，這時采用直線形式的軌跡要靈活些。,第三章 人體的生理、心理及生物力學特性,第三節(jié) 人的生物力學特性 一、人體生物力學一般知識 二、人體各部分的操縱力 三、人體活動的速度與準確度 四、影響人體作用力的因素,四、影響人體作

31、用力的因素,1、體 重體重既有利于操縱，又有不利于操縱的，操作時應盡量避免將力耗費在不合理的動作和身體的運動上。體重對操作既有好處也有壞處，應該取其有利的一面，采取相應姿勢盡量使體重發(fā)揮作用。 （見圖3-25）,第三節(jié) 人的生物力學特性四、影響人體作用力的因素,人發(fā)力的大?。疲絝（體重，體位，……），Ｎ,１、體重　　一般說來，體重大的人，所發(fā)出的操縱力也大。 工作中，應合理用力。圖3-25。,2、 體 位 操作者的體位

32、（立位、坐位、躺位）、軀干的穩(wěn)定性對人的作用力也有一定的影響。立位作業(yè)可以經常改變操作的姿勢，活動范圍大，易于用力，但單調作業(yè)會引起疲勞立位可適當?shù)刈邉?，有助于維持工作能力，但立位不易進行精確而細致的工作，不易轉換操作，而且肌肉要作更多的功用以維持體重，易引起疲勞。坐位則可以進行較長時間地精確而細致的工作，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

33、時就有時必須仰躺著工作。,第三節(jié) 人的生物力學特性四、影響人體作用力的因素,人發(fā)力的大小Ｆ＝f（體重，體位，……），Ｎ,１、體重　　一般說來，體重大的人，所發(fā)出的操縱力也大。 工作中，應合理用力。圖3-25。２、體位（立位、坐位、躺位）　　不同姿勢下的肌肉活動量，圖3－26，表3－40,第三節(jié) 人的生物力學特性四、影響人體作用力的因素,人發(fā)力的大小Ｆ＝f（體重，體位，……），Ｎ,１、體重　　一般說來，體重大的人，所發(fā)