人体生物力学

2013-03-26 来源:腾博会手机版下载 编辑:腾博会官网    
 

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    体。有机整体,即由各种器官和组织以及其中的液体和气体组成的整体;有机体的联合体,即由生物体各部分,如人是由头、躯干、四肢及内脏等组成的有机联合体。

    生物系统的运动表现形式有两种:①整个生物系统对于其周围的介质、支撑物或其他物体发生位移,例如人的行走;②生物系统本身发生形变,即其中一部分相对于另一部分发生位移,例如弯腰、伸腿。生物体运动要消耗能量,生物体的能量消耗有两个方面,一是用以完成规定的动作称为有效消耗;二是以热量散失称为无用消耗。

    人体生物力学侧重研究人体各部分的力量、活动范围和速度,人体组织对于不同阻力所发挥出力量的数值、人体各部分的重量、重心变化以及做动作时的惯性等问题,其研究目的是为了使人在人机系统中更好地发挥其作用,尽量避免做无用功,使人能有效地工作,提高活动效率,减少疲劳,确保人身安全。

    在安全人机工程学的设计与分析、评价及“三同时”审查、事故分析等时,就要准确地确定操编辑和设备的最有利工作范围和界限,因此就得利用人体生物力学方法。为使操编辑安全舒适地工作,在设计操纵机构时必须考虑人体出力大小、动作轨迹、动作平稳程度以及人体各部分运动的方向等因素,均要运用人体生物力学的理论。

一、人体生物力学的一般常识

    人体完成各种活动动作的运动器官系统,由肌肉、关节、骨骼等组成。全身的关节将骨节连接成一体,形成可以活动的骨骼体系,肌肉跨越关节粘附于骨之上。肌肉、关节、骨三者在神经系统的支配和协调下,按照人的意志,共同准确地由肌肉的收缩与舒张牵动骨通过关节的作用而产生各种动作。

1、骨骼的功能

1)人体骨骼强度。在一定范围内,故的应力-应变关系是线性的,服从虎克定律,但当人体骨骼强度。在一定范围内,骨的应力超过一定应力数值后,这种关系就不再成立。

    人体胫骨强度实验结果与其他材料强度的比较见表3-29,人体骨骼的抗弯强度、抗压强度和抗扭强度见表3-30

2)骨的功能。人体全身约有206块骨,可分为头颅骨、上肢骨、下肢骨、躯干骨、脊椎骨等,由这些有生命而坚硬的骨支撑着人体,每块骨都有一定的形态、结构、功能、位置及其神经和血管。骨所承担的功能主要有:

  (1)骨构成体腔的壁,如头颅腔、胸腔、腹腔、盆腔等,以保护大脑、心、肺、肝、胆、脾胃、肾、肠及生殖器官等人体内脏重要器官。

  (2)骨之间由关节连接构成骨骼,形成人体支架,支撑人体全身的重量,支撑人体的肌肉、皮肤、内脏器官等软组织,骨骼与肌肉一块共同维持人体的外部形态。使人成为具有一定高度、宽度、厚度的实体。

  (3)骨骼的骨髓腔和松质的腔隙中充填着骨髓,骨髓是一种柔软而富有血液的组织,其中的黄骨髓可储藏脂肪,红骨髓具有造血功能,骨髓中的钙和磷参与体内钙、磷代谢而处于不断变化状态。所以,骨髓除具备造血功能外还是体内脂肪、钙、磷的储备仓库。

  (4)肌肉在神经系统支配下产生收缩时,牵动着骨围绕着关节活动,使人体产生各种动作。因此,骨是人体活动的杠杆。

3)骨杠杆。人体骨杠杆的原理与力学杠杆完全一样。在骨杠杆中,关节是支点,肌肉是力量源泉,肌肉与骨的附着点称为力点,而作用于骨上的阻力(如操纵力、体重等)的作用点称为重点(即阻力点)。人体活动主要由下列骨杠杆形式而定。

  (1)平衡骨杠杆。

  (2)速度骨杠杆。

  (3)省力骨杠杆。


2、关节的活动范围

1)关节的连结:

  (1)直接连结。

  (2)间接连结。

2)关节的作用

  (1)关节的损伤。关节除了有将骨与骨相连的功能之外,并与肌肉和韧带连结在一起,因韧带既可有连结两骨、增加关节的稳定性的作用,还有限制关节运动的作用。这样一来,人体各关节的活动就要受到限制,若超过其限制范围,则会受到损伤。

  (2)关节的舒适。当人体处在最大活动范围以内的活动,即处在各种舒适姿势时,相应的关节亦会处在舒适范围之中,此时人的活动时间即可持久,而且其活动质量与效率亦会高,可靠性与安全性均会高。

3、人体肌肉力学特性

  论人体骨骼与关节机构怎样完善,如果没有肌肉,就不能做功。所以,人体活动的能量决定于肌肉。肌肉的基本机能是将摄入的化学能转变成机械能或热能再转变成机械功反映了肌肉活动的主要生物力或力,肌肉收缩时所产生的力及其长度改变与改变的速度学特征。

    人体的肌肉依其形状构造、功能、分布等可分为平滑肌、心肌、横纹肌等三种。横纹肌大都跨越骨关节,附着于骨骼,故称为骨骼肌;由于骨骼肌的运动要受人的意志支配,故又称随意肌。少数横纹肌附着于皮肤,称为皮肌,由于人体运动主要与横纹肌有关,所以安全人机工程学所讨论的肌肉仅限于横纹肌(简称肌肉)。

    肌肉的收缩和放松均是由神经系统支配而产生的,两者都是因肌纤维接受刺激后所发另一种是肌纤
生的机械性反应。这种机械性反应有两种表现,一种是肌纤维的长度缩短维张力增加。

    肌肉在没有负荷而自由缩短的情况下,肌肉的长度缩短而张力不变的收缩,称为等张收缩。当肌肉在两端被固定或负有不能克服的负荷情况下,肌肉的长度不可能缩短,只能产生张力,这种长度没有改变而张力增加的收缩,称为等长收缩。

4、人体运动的特征

    人体是一个有机的物质系统,身体各个部分的运动都是转动,转动状态的改变则不是取决于力,而是取决于力矩。

5、人体活动范围

    人体的肢体、躯干、头、颈、手掌、手指、脚掌、脚趾等均有各自的活动范围。人体活动范围可分为:最有利范围、正常范围和最大可及范围三种。

(1)最有利范围。

(2)正常范围。

(3)最大可及范围。

二、人体各部分的操纵力

    纵力是指操编辑在操作时为达到操作目的所付出的一定数量的力。人的头、躯干、肩膀、四肢、手掌、手指、脚掌、脚趾均可发挥出一定的操纵力。故此在设计人机系统时,为了使操纵者既发挥最大的主观能动性,而又不感到疲劳,既耗费能量最少,同时感到轻松愉快,就必须很好地考虑操纵力的数值以及操编辑的生理状况是否能够付出所需要的操纵力。

    肢体的力量来自肌肉收缩,肌肉收缩时所产生的力称为肌力。肌力的大小取决于以下几个生理因素:单个肌纤维的收缩力;肌肉中肌纤维的数量与体积;肌肉收缩前的初长度;中枢神经系统的机
能状态;肌肉对骨骼发生作用的机械条件。

1、手的操纵力

(1)坐姿操纵力。

(2)立姿操纵力。

(3)握力。


(4)拉力与推力。

(5)扭力和提力。

2、脚的操纵力

    在生产中,用脚操作的情况很多。最常见的是汽车的离合器踏板和刹车踏板,缝纫机踏板,加工机械(如冲床、蒸汽锤等)的脚踏控制装置等。

三、人体活动的速度与准确度

1、肢体的动作速度

    肢体动作速度的大小,基本上取决于肢体肌肉收缩的速度。不同的肌肉,收缩速度也不同,如慢肌纤维收缩速度慢些,快肌纤维收缩速度快些。通常一块肌肉中既有慢肌纤维也含快肌纤维。中枢神经系统根据需要时而使慢肌纤维收缩,时而使快肌纤维收缩,从而改变肌肉的收缩速度。收缩速度还取决于肌肉收缩时所发挥的力量和阻力的大小。发挥的力量愈大,外部阻力愈小,则收缩速度愈快。

    对于操作动作速度,还取决于动作方向和动作轨迹等特征。另外,不同的动作特点对动作速度影响十分显著,因此,合理地设计操作动作可明显提高工效。

    有的操作常常不需要用眼睛观察而迅速准确地操纵控制器,如司机加大油门的操作,这就需要控制设计得使操编辑能准确迅速安全地连续操作,如果把控制器安排在便于精确和快速调节的位置上就可以提高操编辑的准确性,避免一些事故的发生。

    对于那些要求身体做较大范围动作的操纵工作,重要的问题就是如何合理地选择使操编辑具有灵活动作的轨迹,动作灵活性包括动作速度和频率。

    动作速度取决于工作的动作方向和动作轨迹的特征。在操纵工作时,连续和突然改变的曲线式动作,它们的速度是不相同的,故要分别考虑。

2、人体动作的频率

    动作频率是指在一定时间内动作所重复的次数。同理,肢体的动作频率也取决于动作部位和动作方式。表3-36为人体各部位动作速度与频率的限度。在设计操作系统时,对操作速度和频率的要求不得超出肢体动作速度和频率的能力限度。

3、人体动作的灵活性

    在操纵时产生突然或平稳的改变方向时,圆形轨迹比直线轨迹灵活。

    手向着身体动作比离开身体的动作灵活而准确,向前后往复动作比向左右往复动作的速度大。

    最大动作速度与被移的负载的重量 成正比,而达到最大速度所需要的时间与被移动的负载成正比,动作的方向和轨迹应当满足工作动作准确性的要求人体较短部位的动作比较长部位的动作灵活:人体较轻部位的动作比较重部位的动作灵活;人体体积较小部位的动作比较大部位的动作灵活。

    因此,在考虑动作灵活性时,应按生物力学特征进行人体惯性特点的比较和估算,利用这些特点,可以研究和模拟人体各部位的运动状态。

四、影响人体作用力的因素

1、体重

    体重对人体作用力的发挥存在着有利和不利的两个方面例如,在提取地上重物时,身体及头部随重物的被提起而向上移动(抗重力),体重提高了力的使用效率,将物体放置在地面上(向下用力),站姿比坐姿更好,因为站姿可使头及躯干的重量协助腕、肘、肩关节来运用力,还有体育活动中的拳击、足球射门、投掷等,除了有关肢体的关节、肌肉活动得知,即冲力是质量与速度起作用外,躯体的重量也起作用,这可从物理中的冲力E=mv的乘积,也就是说力与运动部分的质量及肢体和力的作用对象之间的相对速度成正比。

    控制器应能承受静止肢体的重量,这一点对防止意外启动,保证安全和消除肢体静态作业非常重要。例如,汽车的足控蹬板应能承受驾驶员下肢的静止重量,不同人群(包括体格和性别)的身体各部分的重量是不同的,其中以躯干和大腿的重量差别最大

2、体位

    操编辑的体位(立位、坐位、躺位)、躯干的稳定性对人体的作用力也有一定的影响。人体的作用力对人体体位的依赖关系,由以下两个原因决定:

(1)随着关节姿势的改变,肌肉的长度发生变化,而肌肉表现出来的最大力同它的长度的减少量的二次方成正比下降,肌肉收缩最大时张力值最小。

(2)肌张力随转轴的力矩发生变化。力学中把转轴到力的作用线的最短距离(垂直距离)叫做力臂。人体运动的特点是肌肉附丽点到转轴的距离很近,因而在大多数运动中赢得速度和路程,但却费力。

    操编辑立位作业可以经常改变姿势,活动范围也大,站立时易用力,但单调作业会引起生理性和心理性疲劳,立位可适当地走动,有助于维持工作能力,但立位又不易进行精确而细致的工作,不易转换操作,而且肌肉要做更多的功来维持体重,易引起疲劳。

    坐位则可以进行较长时间的精确而细致的工作,可以手足并用,但是坐位作业则不易改变姿势,用力受限制,工作范围受局限,久坐会导致生理性疲劳。

    躺位操作易疲劳,汽车修理工修理汽车时就有时必须仰躺着工作。

    在设计人机系统时,应综合考虑操编辑的工作体位、姿势的改变等。体位正确可减少静态疲劳,有利于身体健康和保证工作质量,提高劳动生产效率和保证安全。

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