人体的哪条骨头能承受最多的力
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发布时间：2022-05-04 18:17
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时间：2022-06-24 14:42
不同的力的承受程度是不同的。
一般密质骨能承受较大的剪切力
顶骨能承受较大的扭转力，但是对压力的承受能力有限。
单个脊椎骨能承受较大的拉伸力，等等。
关于骨骼力学的知识，可以参看这里
http://physics.tmmu.com.cn/jxzl/kcjs/swwl/chapter01.htm
骨骼的生物力学
骨骼是人体的重要力学支柱，承受着各种载荷的作用。人体骨骼分为躯干骨、四肢骨和颅骨三大部分，每一部分都由许多不同形状的骨相互联结而成，组成了人体整个骨骼系统。为了保证人体的正常生活、运动和劳动，每一块骨都必须有足够的承载能力。它由两方面来衡量：①强度：在载荷作用下具有足够抵抗破坏的能力；②刚度：在载荷作用下具有足够抵抗变形的能力。强度和刚度是骨的重要的力学性能，这是由于骨具有一定的硬度和弹性，骨的这两种最基本的物理性能取决于它的成分和结构。
一、骨组织的结构
骨组织由骨细胞、有机质和无机盐晶体组成。有机质占质量的1/3，主要是骨胶原纤维和少量的粘蛋白，骨胶原纤维平行排列成束、借助粘蛋白粘合在一起，它们形成网状结构，使骨具有很大的弹性和韧性。骨胶原纤维具有良好的塑性，拉长时的延伸率可达20%以上。无机盐占重量的2/3，主要成分为羟磷灰石，分子式是3Ca(PO4)2Ca(OH)2，它们是一些极微小的颗粒（长约20nm，横截面积约为25nm2），是骨质坚硬的主要因素。无机盐晶体牢固地贴附在纵向平行排列的片状骨胶原纤维上，就形成一片片的骨板；若贴附在互相交错的胶原纤维上，则形成棒状骨小梁。由于骨胶原纤维中存在有大量的无机盐晶体，使骨组织既有较好的弹性和韧性，又有较大的强度和刚度，成为抗压的支往。这与工业上的充填橡胶结构类似，充填橡胶是在橡胶中充杂微粒碳黑，碳黑不仅加固了橡胶，也大大提高了强度，成为工业上的一种优良材料。骨骼组织也是一种优化材料，其力学性能达到了理想化，这不仅决定于它的成分，而且也决定于它的结构。
骨骼是一种优化结构，骨表面有骨膜，它具有缓和受力状态、使受力均匀的作用。骨内部的骨髓腔，从受力构件来说，也是合理的结构。人体全身的206块骨头，不论其形态和类型（分长、短、扁和不规则骨四种类型），都是由密质骨和松质骨构成。密质骨由整齐排列的板状骨板构成，致密坚硬，强度、刚度大；松质骨由棒状骨小梁互相交错、不规则排列而成，类似于工程上的桁架结构，能承受较大的弹性变形能力。这两种类型的骨的不同分布，使骨骼的力学性质更趋于完美。
以分布于四肢的长管骨来说，它是人体上重要的受力和传力构件，分为一体和两端，中间部分的体叫骨干，两端叫骨骺。中间的骨干部分密质骨厚，松质骨少，其机械性质接近于脆性材料，延伸率小于2%，而弹性模量高，强度大。骨骺的密质骨较薄，松质骨发达，其机械性质接近于塑性材料，延伸率高于骨干部，达16%，而抗压强度低，仅为骨干部的22%。但两端骨骺端粗大，承载面积大，压强小，负重承载后的变形大，使关节面受力平稳，减少了局部集中应力的发生，有利于关节的负重活动。
骨的功能和结构的适应性是长期进化的结果。骨实现用最小的材料获得最大的功能的原则。骨骼在外载荷作用下要发生变形，其内部会产生应力，一般在受到不同形式的载荷后的变形可分为拉伸与压缩、剪切、扭转和弯曲等几种基本变形形式或这几种基本变形的复合，称复合变形。
二、骨的力学性能
下面仅介绍骨在几种基本变形下的力学性能：
1．轴向拉或压截面上的应力 骨骼在一对大小相等、方向相反的轴向外力作用下，发生沿骨的轴线方向的伸长或缩短的变形。如人用双手拉单杠时，上肢长管状骨因受体重而被拉伸；人体站立地面时，下肢长管状骨受体重被压缩，此时的上肢骨与下肢骨因受力而发生的变形分别被称为轴向拉伸与压缩。
轴向拉、压时，在垂直于轴线方向的横截面上的应力为?=P/A，P为轴向外力，A为横截面积。对于轴向拉、压，横截面上只有正应力?，没有切应力。
现再来分析在不垂直于轴线的斜截面上的应力状态，以受拉股骨为例，如图1-9所示。设斜截面K-K的垂线方向与P的交角为?，斜截面积比横截面增大，应力减少，但这时既有正应力，又有切应力。?=0?时的截面为横截面，正应力?为最大值；?=45?时的斜截面上，切应力为最大，切应力和正应力的值，都等于横断面上正应力的一半。应力的分析对于骨折的临床治疗具有实际意义，压应力使断面接触，有利于愈合，而拉应力把断面拉离，切应力使断面错位，后两者都使断面难以愈合，因此应当用外力把应力纠正为正压力，有时还需要改造断面，才能促进断面的愈合。
图1-9 斜截面上的应力
2．拉伸时的应力-应变曲线 长管状骨做拉伸实验时，载荷由零缓缓增加（加力速度很慢），试件慢慢伸长，直至断裂，在拉伸过程中的载荷P和对应的伸长量?l之间关系可画出P-?l曲线。为了消除尺寸的影响，可改用应力?和应变?为坐标轴，则拉伸曲线可改画成小?-?曲线，称为应力-应变曲线，图1-10所示为三种材料的?-?曲线。由图可知，湿润骨（骨干）的?-?曲线有近似直线部分，说明应力与应变近似成正比，直线的斜率K=?/?表示了这种材料的刚度，即材料的弹性模量E的?-?曲线的线性段（图示中的OA段），就是适合胡克定律的弹性阶段，若在该阶段卸载，材料将恢复原来形状，不产生永久变形。若继续加载，超过了材料的屈服点（图示中的A点），则到达了材料的非弹性（塑性）阶段，必现永久变形。骨骼的塑性区很短，若再继续加载，骨骼将在极小的永久变形下发生断裂，断口截面在横截面上。图示中的B点表示材料的断裂点，对应的纵坐标为材料的极限应力（亦称为强度极限），横坐标0B'为断裂时的应变（称为延伸率），湿润骨（骨干部）的延伸率很小，?=1.4%，干骨更小，?<0.4%。
图1-10 软钢、玻璃、密质骨的?-?曲线
(a)软钢 (b)玻璃 (c)密质骨
湿润骨的力学性能介于塑性材料与脆性材料之间。如软钢这类塑性材料〔图中曲线(a)〕，不仅有明显的弹性阶段，而且有明显的屈服点和屈服阶段。所谓屈服就是应力几乎不再增加而应变却大量增长，好象材料暂时失去了对变形的抵抗能力。像软钢这样的塑性材料，在屈服阶段，就开始出现了明显的塑性变形，在试件的表面也可看到与轴线成45?的滑移线。如果继续加载，直到拉断，断裂面亦发生在45?方向的滑移面上（在45?方向的斜截面上，切应力最大）。塑性材料的屈服点所对应的纵坐标，称为屈服应力（或称屈服极限），是衡量塑性材料的一项强度指标。塑性材料在断裂时的应变（延伸率）很大，一般大于5%，对于软钢，可达20%以上。又如玻璃这类典型的脆性材料，在曲线上几乎没有屈服点〔图示上的曲线(b)〕，不存在塑性区，或者说断裂前几乎不产生永久变形，延伸率很小，而断口在横截面上。衡量脆性材料强度的唯一指标是极限应力，脆性材料宜作受压构件，其压缩时的极限应力比拉伸时的极限应力大很多，压缩率也比延伸率大。骨骼的骨干部近干脆性材料，其力学性质见表1-1。骨压缩时?-?曲线与拉伸时基本相似。由图1-11可知，压缩极限应力大于拉伸的，压缩率也大于拉伸率。但压缩刚性模量小于拉伸的，压缩破坏的断裂线发生在轴线呈45?的方向上，而拉伸发生在横截面上。这些差异的原因在于骨结构的非均匀性。骨是一种非均匀的各向异性材料。
表1-1 青年湿润骨中部骨干拉伸与压缩时的力学性质比较
极限应力(MN/m2)延伸率(%)刚性模量(MN/m2) 破坏断口
拉伸 133.9 1.4 (15～19)xl03 横截面
压缩 170 1.85 9x103 45?斜截面
图1-11 拉伸与压缩时的曲线
(a)拉伸 (b)压缩
3．剪切 骨骼在大小相等、方向相反、相距很近、与轴线垂直的一对外力作用下，在受力处的横截面上产生切应力，这两剪切面分别沿外力方向发生剪切变形（两受剪面发生相对滑动）。骨骼的剪切模量约等于3.2x103MN/m2左右。
剪切骨折常见于松质骨，如股骨髁和腔骨平台，受到过大剪切力时，要发生骨折，人体骨骼能承受的剪切极限应力比拉伸、压缩时都要小得多，如骨骼（骨干部）的剪切破坏应力约为54MN/m2。
4．弯曲 长构件中部受到与轴垂直的集中力或分布力作用时，它与两端支持力组成力矩，使构件发生弯曲变形，这种构件在工程上称为梁。骨骼受弯曲作用十分普遍，股骨颈既受压，又受弯，腔骨受弯也较明显。长构件受到沿轴向正压力过大时也能发生弯曲，并且迅速从中部断裂。
梁受横向压力的作用而弯曲时，受力侧内凹，其纵向纤维缩短，这里有与轴平行的压应力作用。对侧外凸，其纵向纤维伸长，这里有与轴平行的拉应力作用。中间有一层，纵向纤维既不伸长，又不缩短，这一层称为中性层〔图1-12(a)中的阴影部分表示为中性层〕，在中性层上既无拉应力又无压应力，离中性层最远的边缘层，拉、压应力值最大。如果梁的中性层是对称平面，而且抗拉与抗压的弹性模量相同，那么两边缘层的拉应力和压应力的值相等。图1-12(b)表示弯曲正应力在横截面上的分布规律。对骨铬来说；中性层并非对称平面，而且抗拉与抗压的弹性模量不同，故两边缘的拉应力和压应力并不相等。
图1-12 弯曲 (a)侧面 (b)横截面上的应力 (c)三点弯曲试验
骨骼作弯曲强度试验时，常采用三点弯曲试验方法，如图1-12(c)所示。图中A、B两点为支点，中间P点为力作用点，图中Y形表示断裂纹。骨骼将在中间受力点处破坏，因为中间的弯矩最大。破坏形状呈Y形斜断面裂纹形状。当材料的抗拉强度小于抗压强度时，破裂是先从拉伸一侧开始，裂口呈横型拉断，然后在压缩一侧开始斜型剪断，此种为典型的脆性材料的破坏方式。这是由于在梁横截面有切应力，当外侧被拉断后，受力面积减少，切应力相应增大，因此最后被剪断。三点弯曲骨折是滑雪运动员滑雪时容易发生的靴顶骨折，滑雪者向前跌倒，抵住滑雪靴之顶部，弯曲力矩作用在腔骨上部，当腔骨的上部向前弯曲时，拉应力作用在骨的后侧，由于骨的拉伸强度低于压缩强度，故骨折先在拉伸一侧开始。外侧在拉应力下的屈服有助于提高骨骼的抗弯折强度。衡量骨骼抵抗弯曲变形能力的刚度指标常用刚性系数和韧性系数来表示。表1-2示人体长管骨的弯曲刚性系数(EJ)和弯曲韧性系数(K)在不同骨中的表现，这些表现行为与骨的结构和形态相关。
表1-2 人体长管骨（湿润）的弯曲刚性系数和韧性系数
股骨 胫骨 肱骨 尺骨 腓骨 挠骨
刚性系数=EJ=??? 3107 2189 832 191 159 140
韧性系数：K= 0.07 0.05 0.09 0.23 0.62 0.27
?为断裂前的极限弯曲挠度；?P为弹性极限的弯曲挠度；PB为断裂前的极限弯曲荷重；Pp为弹性极限的弯曲荷重。
图1-13 圆杆扭转时横截
面上的切应力分布规律
5．扭转 当杆件两端的横截面上作用着一对与横截面平行、大小相等、方向相反的力偶时，杆件会引起扭转变形，即杆的任意两横截面会绕轴线发生相对转动。圆杆扭转变形时，杆横截面上的任一点处都存在着切应力，横截面上的切应力分布与中性轴的距离成正比，如图1-13所示。最大切应力发生在圆截面的边缘上。在包含*轴线的纵剖面上也发生切应力，其两侧的切应力方向相反，其数值与各处到*轴线的距离成正比，边缘处的切应力最大，与横截面上的最大切应力相同。最大切应变发生在圆杆的外表面上，而最大拉应力和最大压应力发生在与中性轴成45?方向的斜截面上。因此，骨骼的受扭断裂，首先出现与中性轴平行的短裂纹，表示剪切破坏，随后沿着最大拉应力的平面发生断裂骨折，断口都为45?螺旋型。
三、骨骼在损伤治疗和愈合中的生物力学问题
骨是人体活组织，是有生命的器官，在不断的发育、成长。骨的形态、结构以及力学性质也不断地随外界环境、条件而改变。其中有循环血液向骨输送养料，同时带走无用的东西。一定范围内，经常性、间歇性的应力刺激，能助长骨的生长，使骨组织的成分、密度、结构、形态等都会有所改善，从而提高其力学性能。
1?应力是骨增生的主要因素 人们早就知道，应力对骨的改变、生长和吸收起着重要的调节作用，每一个骨要有一个合适的应力作用范围。在机体生长阶段，骨增生多于再吸收；老年阶段，再吸收多于骨增生；成年阶段，骨增生和再吸收基本上处于一种动态平衡状态。这种骨增生或再吸收除了受内分泌激素的影响外，也受应力的影响。应力是骨增生的主要因素。如将大鼠的前两肢截肢，变为两后肢行走的动物，因后肢所受应力增加，后肢的骨骼有明显的增粗，密度增大，强度增加，这是由于应力的增加引起骨增生所致。相反，若加于骨上面的应力减少，会使再吸收多于骨增生，骨骼就萎缩，骨质疏松。如因颈部脊髓损伤引起四肢瘫痪的病人，机体绝大部分骨骼除受重力外，无肌肉收缩引起的应力，就会发生明显的骨的再吸收，并伴有大量高尿钙排出体外，使骨骼萎缩，产生骨质疏松症。这些都说明应力对骨的增生或再吸收有重要影响，Dietrick将志愿者从腰部以下用石膏固定6～8周，结果表明固定期骨含钙、磷量下降，拆除石膏后6周才会复原。Mack对宇航员作失重实验，发现宇航员骨失钙，并且X光片黑度下降，他指出要作特殊体操，可使钙恢复。
2．应力刺激对骨折的再生和修复起重要作用 骨是机体唯一能再生和修复的组织，使修复组织的化学成分和物理性质与原骨组织相同，但必须在骨折部位施加一定的压应力，使之产生形变，骨组织在形变情况下产生骨痂。一般说，应力大，骨痂丰富，促使再生和愈合。骨折再接手术，经3～4周，骨痂形成，并大量析出矿物质后，此时的骨胳已有了一定的强度，应开始一定的功能训练，增加应力，促使钙质的形成，增加强度；经过15～20周能全部愈合，达到原来强度。
3．应力遮挡保护作用 骨折再接手术所使用的加压内固定接骨板太坚硬或螺钉固定拧得大紧时，反会因应力遮挡保护作用而使断骨四周的骨外膜受不到应力，也不发生形变，骨痂不能形成；又因断端部位缺少应受的压应力，使骨增生和再吸收不再处于平衡状态，再吸收超过了骨增生，引起了骨质疏松，强度明显减弱，所以这种加压坚硬内固定接骨器的应力遮挡作用，在手术治疗中应充分注意。应力遮挡保护作用是在两种不同弹性模量（骨骼和接骨板）之间，高弹性模量的接骨板（是骨的10倍）承担了更多的负载，保护了较低弹性模量的骨骼，使其少承载，甚至不承载。有些学者认为，手术中，机械固定中的螺栓拧得太紧而造成断端局部应力集中，长时间的局部应力过大，反会引起骨的再吸收而萎缩，最终使固定变松了。所以，机械固定时的机械力应在一定适宜的应力范围，过大、过小都不适宜。
4．压电效应 一般认为压电效应是应力引起骨再生修复的机制。深田荣一第一个发现骨的压电效应，并认为是由胶原纤维引起的，Becker和Marray指出电场能激活蛙骨细胞中的蛋白质络合物形成，使胶原纤维定向排列，并且排成与力线相垂直。Bassett和Pawlick把金属板植入骨中，通以负电，结果新生的骨材料沉积于电极金属板上，说明骨的再生和修复与压电效应有关。
5．骨中钙质的沉积和溶解还与内分泌物质有关，如生长素STH，肾上腺皮质激素ACTH、甲状腺素T4、雌激素、维生素A、C、D有关。
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时间：2022-06-24 14:42
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不同的力的承受程度是不同的。
一般密质骨能承受较大的剪切力
顶骨能承受较大的扭转力，但是对压力的承受能力有限。
单个脊椎骨能承受较大的拉伸力，等等。
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时间：2022-06-24 14:43
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