TITLE: 人體生物力學 AUTHOR: QUENCY DATE: 12/07/2013 08:39:21 AM CATEGORY: 人因工程設計 STATUS: publish ---- BODY:
人體生物力學
文章来自：肌肉网 http://www.jirou.org/jiroulilun/ydsl/2013/0326/6674.html
體。有機整體，即由各種器官和組織以及其中的液體和氣體組成的整體；有機體的聯合體，即由生物體各部分，如人是由頭、軀幹、四肢及內臟等組成的有機聯合體。
生物系統的運動表現形式有兩種：(1)整個生物系統對於其周圍的介質、支撐物或其他物體發生位移，例如人的行走；(2)生物系統本身發生形變，即其中一部分相對於另一部分發生位移，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、活動範圍和速度，人體組織對於不同阻力所發揮出力量的數值、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中更好地發揮其作用，盡量避免做無用功，使人能有效的工作，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，就要準確的確定操作者和設備的最有利工作範圍和界限，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，由肌肉、關節、骨骼等組成。全身的關節將骨節連接成一體，形成可以活動的骨骼體系，肌肉跨越關節粘附於骨之上。肌肉、關節、骨三者在神經系統的支配和協調下，按照人的意志，共同準確的由肌肉的收縮與舒張牽動骨通過關節的作用而產生各種動作。
1、骨骼的功能
1）人體骨骼強度。在一定範圍內，骨的應力-應變關係是線性的，服從虎克定律。在一定範圍內，骨的應力超過一定應力數值後，這種關係就不再成立。
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、軀幹骨、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、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。 使人成為具有一定高度、寬度、厚度的實體。
（3）骨骼的骨髓腔和鬆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、磷代謝而處於不斷變化狀態。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）肌肉在神經系統支配下產生收縮時，牽動著骨圍繞著關節活動，使人體產生各種動作。因此，骨是人體活動的槓桿。
3）骨槓桿。人體骨槓桿的原理與力學槓桿完全一樣。在骨槓桿中，關節是支點，肌肉是力量源泉，肌肉與骨的附著點稱為力點，而作用於骨上的阻力（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槓桿形式而定。
（1）平衡骨槓桿。
（2）速度骨槓桿。
（3）省力骨槓桿
2、關節的活動範圍
1）關節的連結：
（1）直接連結；
（2）間接連結。
2）關節的作用
（1）關節的損傷。關節除了有將骨與骨相連的功能之外，並與肌肉和韌帶連結在一起，因韌帶既可有連結兩骨、增加關節的穩定性的作用，還有限制關節運動的作用。這樣一來，人體各關節的活動就要受到限制，若超過其限制範圍，則會受到損傷。
（2）關節的舒適。當人體處在最大活動範圍以內的活動，即處在各種舒適姿勢時，相應的關節亦會處在舒適範圍之中，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於肌肉。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徵。
人體的肌肉依其形狀構造、功能、分佈等可分為平滑肌、心肌、橫紋肌等三種。 橫紋肌大都跨越骨關節，附著於骨骼，故稱為骨骼肌；由於骨骼肌的運動要受人的意志支配，故又稱隨意肌。少數橫紋肌附著於皮膚，稱為皮肌，由於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於橫紋肌（簡稱肌肉）。
肌肉的收縮和放鬆均是由神經系統支配而產生的，兩者都是因肌纖維接受刺激後所發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、人體運動的特徵
人體是一個有機的物質系統，身體各個部分的運動都是轉動，轉動狀態的改變則不是取決於力，而是取決於力矩。
5 、人體活動範圍
人體的肢體、軀幹、頭、頸、手掌、手指、腳掌、腳趾等均有各自的活動範圍。人體活動範圍可分為：最有利範圍、正常範圍和最大可及範圍三種。
（1）最有利範圍；
（2）正常範圍；
（3）最大可及範圍。
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、軀幹、肩膀、四肢、手掌、手指、腳掌、腳趾均可發揮出一定的操縱力。故此在設計人機系統時，為了使操縱者既發揮最大的主觀能動性，而又不感到疲勞，既耗費能量最少，同時感到輕鬆愉快，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。 肌力的大小取決於以下幾個生理因素：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；中樞神經系統的機能狀態；肌肉對骨骼發生作用的機械條件。
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作者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作者的准确性，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作者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
操作者的体位（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。
操作者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，应综合考虑操作者的工作体位、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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