第三节　关节力学

人体的各个关节是各种活动中杠杆的支点。根据其发育过程，可将关节分为不动关节（颅骨骨缝）、微动关节（耻骨联合）和可动关节；按其形状（图1-3-3-1），可分为平面关节（腕骨间关节）、屈戌关节（肘关节）、枢轴关节（上尺桡关节）、椭圆关节（掌指关节）、鞍状关节（拇指腕掌关节）、球臼关节（肩关节）等。对人体运动来讲，可动关节极为重要。

图1-3-3-1　可动关节类型

一、关节内的应力分布

通过关节的负荷是向量的总和，一般包括两个方面：

1.体重加上该段肢体的加速和减速力。

2.稳定关节和移动关节的肌力，肌力占通过关节合力的大部分。关节软骨是负重面，把承受的压力传递给下面的骨床（图1-3-3-2）。软骨下松质骨有两个作用：①负重面大时由于骨骼变形，关节获得最大的接触面，负重面积也增大；②骨松质的排列呈放射状，把大部分的应力又传递给骨干，因此软骨下骨对关节适应负重有重要作用。软骨下骨若失去顺应性，关节应力就增加，导致关节软骨的应力局部高度集中（图1-3-3-3）。

二、关节的稳定性

多数关节的稳定性依靠三种因素来维持，即骨骼、韧带和肌肉。关节在运动状态始终是不平衡、不稳定的，但人体总是在不平衡、不稳定中求得相对的平衡和稳定。骨骼的因素对于这种稳定是明显的，而关节内与关节周围韧带使关节活动在一定方向上受到制约，保持关节在正常的生理范围以内活动。肌肉既是运动关节的动力，又是在运动中维持关节稳定的重要因素，其主要作用是通过抵抗、协同与抗重来完成的（图1-3-3-4）。

图1-3-3-2　软骨断面结构

图1-3-3-3　受力时关节软骨的变形情况

三、关节的力和力矩

关节的作用有两个：节段活动和力的传导。力可来自多方面，如髋关节借助压力支持下肢重量，最基本的则是压力。正常站立时，体重施力于下肢各关节，而上肢的力却是负的。身体各种位置都不能借关节面自身组合来取得平衡，而需要韧带、肌肉或两者的力量。关节部肌肉仅具有小的杠杆臂，有时却需要大的平衡力矩，故肌肉施加于关节的力可以是很大的。例如，髋关节在双足站立时，假如重心偏移，体重为50kg的人在力矩平衡下，关节受力约为165kg，约为体重的3.3倍（图1-3-3-5）。

图1-3-3-4　人体各关节稳定如同工程上的张拉整体结构

A.非受力状态依靠张力维持结构稳定；B.受力状态下依靠张力的重新分布重新建立平衡

图1-3-3-5　髋关节受力简单计算

A.躯体和左腿的重量约5/6W（W为人的总体重），髋外展肌力的大小为FAB（假定其作用点和力的方向已知）可以通过对O点的合力矩为零计算得到；B.通过构建力三角形计算关节受力Fj