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1、第4章 人体力学,4.1 肌肉收缩与肌力4.2 骨杠杆系统 4.3 静态肌肉施力 4.4 作业姿势 4.5 人的操纵力,.1 肌肉收缩与肌力,人体内有三种类型的肌肉。第一类为骨骼肌，通过腱与骨骼相连。骨骼肌的收缩能力强，但不能持久，其活动能随人的意志运动，也称随意肌。第二类为平滑肌，构成人体某些脏器的管壁，其活动不受意志支配，故称不随意肌。第三类为心肌，分布在心脏的房、室壁上，组成心肌层，也属不随意肌。人机工程学所讨论的仅限于骨骼肌，以下简称肌肉。,4.1.1 肌肉的组织结构 骨骼肌是人体内数量最多、分布极广的一种组织，对于成年男性约占体重的40%，女性约占35%。骨骼肌的形状一般可分为长肌、
2、短肌、阔肌、轮匝肌四种。,骨骼肌的中间部位称为肌腹，主要由骨骼肌纤维构成，有收缩性。骨骼肌的两端称为肌腱，由致密结缔组织构成，无收缩性。骨骼肌纤维是长圆柱状细胞，表面由肌膜包围，其长度一般约为340 mm，直径约为10100 m。许多肌纤维排列成束，构成肌束。肌肉则由许多聚集在一起的肌束构成。,4.1.2 肌肉收缩的机理和形式 1.肌肉收缩机理 肌肉的基本机能是将生物化学能转变为机械位能或动能。这种转变是靠骨骼肌所具有的生理特性收缩性实现的。人体的每一块骨骼肌都受一定的神经支配。当来自中枢神经系统的神经冲动，由分布于肌肉中的运动神经末梢通过运动终板传递给所支配的肌纤维并引起肌纤维兴奋时，肌纤维
3、的机械状态即发生变化。肌纤维在刺激作用下所发生的这种机械状态的变化称为肌肉收缩。,人体的任何一种运动，包括最简单的动作在内，都是众肌肉群共同收缩的结果。在肌肉共同活动中，作用相同者称为协同肌，作用相反者，则称为拮抗肌。如肱二头肌和肱肌、肱桡肌都有屈肘的作用，属于协同肌；而肱二头肌和肱三头肌，对肘关节是一屈一伸，故二者属于拮抗肌。屈肘时，既要有屈肌组的协同收缩，又要有伸肌组的舒张相配合，才能完成屈肘动作。协同肌与拮抗肌的收缩，都是在神经系统的调节下进行的，是高度协调的。,图4-1 肌微丝滑动示意图(a)静止状态；(b)收缩状态(c)弛张状态,2.肌肉收缩的形式 1)等长收缩。肌肉收缩所产生的拉力
4、等于外界阻力时，肌肉的长度不变，这种收缩形式称为等长收缩。2)非等长收缩。肌肉收缩所产生的拉力不等于外界阻力时，肌肉的长度发生改变，这种收缩形式称为非等长收缩。,4.1.3 肌肉收缩的力学特征 肌肉收缩时的力学特征的不同表现，主要取决于负荷(阻力、重量)的大小。1.潜伏期 负荷增大时，从肌肉受到刺激到肌肉开始缩短的时间间隔变长，即潜伏期延长，如图4-2所示。2.缩短程度 图4-3所示为人体右胸大肌负荷与肌肉缩短程度、速度的关系，当负荷较大时，肌肉的缩短程度较小。,图4-2 负荷与潜伏期的关系,图4-3 负荷与缩短程度以及缩短速度的关系,3.缩短速度 人体右胸大肌在负荷较大时，肌肉缩短速度慢(如
5、图4-3所示)。肌肉收缩速度与待收缩量成正比。在某一负荷下，肌肉收缩时，最初缩短速度较快，随着肌肉的缩短，缩短速度渐慢，到最大缩短值时，缩短速度为零。这一关系可用下式表示：,(4-1),4.1.4 肌肉收缩的机械效率 肌肉收缩所产生的能量，一部分用于克服外界阻力，完成外功，即将肌肉中的生物化学能转变为机械位能或身体运动的动能；另一部分则用于克服肌肉内部所特有的内阻力，做了内功，即将生物化学能转变为热能。因此，肌肉作功时所消耗的总能量E为,（-2）,式中：A完成外功消耗的能量；Q做内功所消耗的能量。,肌肉收缩的机械效率为,（-3）,4.1.5 肌力 肌肉收缩所产生的力通常以肌肉收缩时对外用力所测
6、定的数值表示。人的一条肌纤维所发挥的力量约为0.010.02 N，肌力为许多肌纤维的收缩力之和。肌肉的最大肌力为每平方厘米横截面上3040 N。可见一个人能产生多大的肌力取决于其肌肉横截面面积的大小。肌力还与收缩肌肉的长度有关，当肌肉长度为静息状态长度时，肌肉产生的力量最大，随着肌肉长度的缩短，肌肉产生力量的能力也逐渐下降。,4.2 骨杠杆系统,成人全身共有206块骨，通过骨连结组成的骨骼系统，约占体重的1/5。骨依其所在部位可分为颅骨、躯干骨、四肢骨三部分；依其形态则可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨四种。骨骼的主要功能是：骨骼构成人体的支架，有维持体型、支撑软组织、承担全身重量的作用；,骨骼
7、形成体腔壁，可保护大脑及内脏器官，并能帮助呼吸；骨是人体运动的杠杆，肌肉牵动骨绕关节转动，使人体产生各种运动；骨的红、黄骨髓有造血、储藏脂肪的功能，骨还是人体内矿物盐的储备仓库。,表4-1 身体主要部位肌肉所产生的力,骨与骨之间借纤维结缔组织、软骨或骨组织相连结，称骨连结。人体的骨连结可分为直接连结和间接连结两种形式。两骨之间通过结缔组织、软骨或骨相连接，其间无腔隙，活动范围很小或不活动的连结形式称为直接连结，如椎弓间的韧带联合、胸骨和第一肋骨的软骨结合以及骶椎间的骨性结合等。两骨之间借膜性囊互相连结，其间具有腔隙，活动性较大的连结形式称为间接连结，这种连接也称为关节。,4.2.1 关节的运动
8、 关节的运动是绕轴的转动，其运动形式与关节面的形态有密节关系。根据关节运动轴的方位，关节运动有以下四种形式。1.屈伸运动 关节绕冠状轴所进行的运动。同一关节的两骨之间，角度减小为屈，角度增大为伸。如肘关节连结的前臂骨与肱骨，肘关节绕冠状轴转动时，前臂骨与肱骨之间角度减小时为屈肘，反之则为伸肘。,2.内收外展 关节沿矢状轴所进行的运动。内收为关节转动时，骨向正中面靠拢的运动；外展则为骨离开正中面的运动。3.旋转运动 骨围绕垂直轴或绕骨本身的纵轴的旋转运动。骨的前面转向内侧称为旋内，而骨的前面转向外侧则称为旋外。,4.环转运动 骨的近侧端在原位转动，远侧端作圆周运动，全骨形式一圆锥形式运动轨迹。环
9、转运动实际上是屈、展、伸、收的依次连续运动。表4-2和图4-4为成年人各关节的活动范围及人体保持舒适姿势时的关节调节范围。,4-2 成年人肢体的主要活动范围和舒适姿势的调节范围,图4-4 成年人关节的活动范围(a)关节活动范围；(b)保持舒适姿势时的关节调节范围,4.2.2 关节的类型 根据关节面的形态和运动形式，关节可分为单轴关节、双轴关节和多轴关节，如图4-5所示。,图4-5 关节的类型,上述三种关节所包括的类型如下：,4.2.3 人体运动的杠杆原理 骨在肌肉拉力的作用下绕关节轴转动，其结构与功能如同机械杠杆，故称为骨杠杆。在图4-6所示的骨杠杆中，关节为支点(O)；肌肉的起止点为力点(A
10、)；负荷(或身体部位的重量)的作用点为阻力点(D)。支点至肌肉拉力线的垂直距离为力臂(OC)；支点至阻力作用线的垂直距离为阻力臂(OD)。肌肉起止点至关节轴的距离为杠杆臂(OA)。肌肉拉力(F)与力臂的乘积为肌肉拉力矩，阻力(P)与阻力臂的乘积为阻力矩。力臂和阻力臂之比值OC/OD为杠杆的机械效益。,图4-6 骨杠杆示意图,人体运动的骨杠杆形式基本有三种：一是平衡杠杆，如图4-7(a)所示的头和颈椎的连结，寰枕关节为支点，颈部背侧肌群的起点为力点，头的重心为阻力点，因此支点位于重心点和力点之间。二是省力杠杆，如图4-7(b)所示，跖趾关节为支点，体重通过小腿骨施加于踝关节处而成为阻力点，腓肠肌
11、的拉力作用于足跟骨上而成为力点，因此，重点位于支点与力点之间。,这种杠杆由于力臂大于阻力臂，故其机械效益大于1，因而省力。三是速度杠杆，如图4-7(c)所示，髋关节为支点，髂腰肌止点为力点，下肢重心为阻力点，因此，力点位于支点和重点之间。这种杠杆由于力臂小于阻力臂，故其机械效益小于1，因而费力，但阻力点的移动速度快，所以是以力的消耗来换取较快的运动速度。人体内特别是肢体内大多为速度杠杆。,图4-7 人体骨杠杆(a)平衡杠杆；(b)省力杠杆；(c)速度杠杆,4.3 静态肌肉施力,4.3.1 肌肉施力的类型 肌肉收缩所产生的力作用于骨，然后再通过人体结构(如手、脚等)作用于其他物体，这一过程称为肌
12、肉施力。肌肉施力可分为静态肌肉施力和动态肌肉施力两种方式。,1.静态肌肉施力 静态肌肉施力是依靠肌肉等长收缩所产生的静态性力量，较长时间地维持身体的某种姿势，致使肌肉相应地作较长时间的收缩。在静态肌肉施力情况下进行作业称为静态作业。如汽车行驶过程中，驾驶员的脚要长时间地踩在加速器上，此时脚跟的状态即为静态肌肉施力状态。,静态肌肉施力时，由于持续收缩的肌肉压迫血管，从而阻止了血液进入肌肉，肌肉无法通过血液得到充足的氧，容易引起肌肉疲劳，造成肌肉酸痛，静态作业的持续时间因此而受到了限制。,2.动态肌肉施力 动态肌肉施力是对物体交替进行施力与放松，使肌肉有节奏地收缩与舒张。在动态肌肉施力的情况下进行
13、作业，称为动态作业，如控制操纵轮时上肢的状态。,4.3.2 静态肌肉施力特征 静态肌肉施力时向肌肉供血受阻的程度，与肌肉收缩产生的力成正比，即静态肌肉施力越大，肌肉内压力越大，血液向肌肉流动所受的阻力也越大。,图4-8 施力大小与持续时间的关系,图4-8中的曲线称为Rohmert曲线，可将其用下列数学表达式给出,（-4),4.3.3 常见静态作业和对人体的影响 在日常生活与劳动中，不论采取何种人体姿势，都有一部分肌肉静态受力，所以一般作业中既有静态施力也有动态施力。由于静态施力的作业方式易于导致肌肉过早疲劳，因此当静态作业与动态作业两种作业方式同时存在时，首先应处理好静态作业。常见的静态作业方
14、式有：,1)长时间或反复地向前或向两侧弯腰，如车床设计过低或身材高大者操作低车床；2)长时间手持或抓握物体，如手持加工机件，抓握风钻、铆枪、焊枪等；3)长时间双手前伸或手臂悬空抬起，如在设计过高的工作台上操作小台钻等；4)一只脚支承体重，另一只脚控制机器，如使用像空气锤那样的单脚操作的脚踏板装置；,5)长时间站立在一个位置上，如操作各种机床；6)推拉重物；7)长时间、高频率地使用一组肌肉，如手指长时间高速敲击键盘等。静态肌肉施力一方面加速肌肉疲劳过程，引起难忍的肌肉酸痛，另一方面长期受静态肌肉施力的影响，酸痛还会由肌肉扩散到腱、关节和其他组织，并损伤这些组织，引起永久性疼痛。表4-3列举了一些
15、常见的静态作业姿势可能引起的疼痛部位。,表4-3 常见静态作业姿势可能引起人体疼痛的部位,4.3.4 避免静态肌肉施力 避免静态肌肉施力的关键在于协调人机关系，使操作者在作业过程中能够采取随意姿势并能自由改变体位，从而保持身体的舒适、自然状态，而不迫使操作者只能采取一种姿势和不良姿势。如图4-9所示，由于铣床和钻床工作台高度设计不合理，迫使操作者不得不采取不良作业姿势。,图4-9 不良的作业姿势(a)操作铣床；(b)操作台钻,1)长时间或反复弯腰，尤其是头和身体向两侧弯曲而造成的多块肌肉静态受力。弯腰使腰背部肌肉静态受力而造成能耗明显增加，坐姿、立姿的能耗大约只有弯腰能耗的2/3。2)长时间地
16、抬手作业或上臂举着的作业姿势。这种姿势不仅使手臂和肩部肌肉静态受力，而且也影响作业的精确性。为避免这种状态，作业面应与肘关节高度相当或在肘关节以下。,3)负荷不平衡，单侧肢体承重或单手操作。4)头部和眼睛的不自然姿态，造成头部和颈部肌肉的静态施力。为避免这种状态，操作时手最好距离眼睛25 cm，视线在水平线以下15的方向。5)长时间的双手或单手前伸。最频繁的作业动作，应该在肘关节弯曲的情况下即可以完成。6)静止不动，特别是长时间地站立于一个位置上。这种作业姿势，不仅造成静态肌肉施力，而且引起腿部静脉血压的增高。所以，通常坐姿作业比立姿作业省力。,4.4 作业姿势,4.4.1 作业姿势的类型及影
17、响因素 人在日常生活和生产中，一般有四大基本姿势，即立姿、端坐姿、靠椅坐姿和卧姿。根据支持躯体的方式可将上述4种基本姿势划分为34种姿势，其中立姿7种、端坐姿14种，靠椅坐姿10种，卧姿3种。,随着宇航技术的迅速发展，失重姿态也将作为一种作业姿势而成为研究、分类的对象。影响作业姿势的因素很多，主要有以下几个方面：1)作业空间的大小及照明条件，变换姿势的可能性；2)体力负荷的大小及用力方向，作业所要求的准确度和速度；,3)工作场所的布置，工具设备与材料的位置以及取用、操作的方法；4)作业的方式、方法以及操作时的起坐频率；5)工作台面与座椅的高度，有无足够的容膝空间；6)操作者随意采取的体位。,4
18、.4.2 确定作业姿势的一般原则 不同的人体姿势所造成的肌肉负荷一般可用伴随肌肉收缩所产生的生物电位的变化即肌电图来显示。人机工程学学者曾选择了人体的13种姿势、具有代表性的21处肌肉群，通过肌电图得出如图4-10所示的结果。,图4-10 姿势对肌肉的影响,姿势对心血管系统的影响如表4-4所示。为保障操作者的身体健康、提高作业效率，在确定作业姿势时，一般应遵循如下原则：1)操作者的作业姿势一般以坐姿为好，其次是坐立姿，当工作过程非立姿不可时，才选择立姿；2)应尽可能地使操作者采取平衡姿势，避免因作业姿势不当而给肌肉、关节和心血管系统造成不必要的负担；,表4-4 立姿与坐姿对心血管系统的影响,3
19、)作业过程中，应使操作者能自由地变换多种体位，尽可能地使操作者身体处于舒适状态，当强制保持的姿势无法避免时，应设置适当的支撑物；4)确定作业姿势应与肌力的使用以及作业动作相联系，三者应相互协调。,4.4.3 作业中常用的姿势 1.立姿 正确的立姿是身体各个部分，如头、颈、胸、腹等均垂直于水平面，且身体保持平衡和稳定。此时，人体的重量主要由骨骼承担，肌肉和韧带的负荷最小，人体内各系统如呼吸、消化、血液循环等活动的机械阻力最小。舒适的立姿是身体自然直立或躯干稍向前倾15左右。,在下列情况下宜采取立姿作业：1)常用的控制器分布在较大区域，远远超出坐姿的最大可及范围时；2)需要用较大肌力的作业，而坐姿
20、不可能达到时；3)没有容膝空间的机器旁作业，坐着反而不如站着舒适时；4)需要频繁地坐、立的作业，因为频繁起坐所消耗的能量比立姿的耗能量还大；5)单调的易引起心理性疲劳的作业。,2.坐姿在下列情况下应采用坐姿作业：1)持续时间长的静态作业；2)精密度较高而又要求细致的作业；3)需要手足并用的作业；4)要求操作准确性高的作业。,4.5 人的操纵力,4.5.1 手臂的操纵力 1.坐姿手臂的操纵力 图4-11所示为坐姿手臂操纵力的测试图，由测试得出的在各种不同角度时臂力的数据，如表4-5所示。根据表中的数据设计的控制器，95%以上的健康成年人操作时不会感到困难。,手臂操纵力的一般规律是，右手臂的力量比
21、左手臂大；手臂处于内、外下方时，推力、拉力均较小，但其向上、向下的力量较大；拉力略大于推力；向下的力略大于向上的力；向内的力大于向外的力。,图4-11 坐姿手臂操纵力(a)侧视图；(b)俯视图,表4-5 坐姿手臂在不同角度和方向上的操纵力,2.立姿手臂的操纵力 图4-12所示为立姿作业时，手臂位于不同方位和角度时的最大拉力和推力。由图可知，手臂最大拉力在肩的下方180的方向上；最大推力在肩的上方0的方向上。伸直前臂时，向前推的力略大于向侧面推的力。推拉形式的控制装置应尽量布置在有利于发挥最大操纵力的位置上。,图4-12 立姿手臂伸直时的最大操纵力,3.握力 一般男性青年右手平均瞬时最大握力可达
22、556 N，左手可达421 N。握力与手的姿势和持续时间有关，如持续1 min后，右手平均握力下降为275 N，左手为244 N。表4-6所示为日本人的右手握力数据。,表4-6 握力(右手),当紧握手柄时，需要考虑操作者的握紧强度。握紧强度是指手能够施加在手柄上的最大握力，一般可用测力计测量。在设计手工工具、夹具、控制器时，需应用握紧强度数值。年龄在30岁以上时，其握紧强度可用下列公式计算：,（-5）,式中：GS手的握紧强度(N)；A年龄(岁)。,利用手柄操纵时，操纵力的大小与手柄距离地面的高度，操纵方向，哪只手操作等因素有关，表4-7所示为使用手柄操纵时最适宜的力的数据。,表4-7 应用手柄
23、操纵时最适宜的力,4.拉力和推力 在立姿手臂水平向前自然伸直的情况下，男性平均瞬时拉力可达689 N，女性可达378 N。当手作前后方向运动时，如图4-13(a)所示，拉力大于推力，瞬时拉力可达1078 N，连续操作的拉力约为294 N。当手作左右方向运动时，如图4-13(b)所示，则推力大于拉力，最大推力约为392 N。由图4-13(c)可知，最大操纵力产生在被控制的手柄离座位靠背为570660 mm范围内。,图4-13 推拉力(a)前后推拉；(b)左右推拉；(c)手操纵力与位置的关系,5.双臂的扭力 双臂作扭转用力时，有三种不同的操作姿势，其平均扭力标准差如下：1)立姿操作。如图4-14(
24、a)所示：男性为381127 N；女性为20078 N。,图4-14 双臂作扭转用力时的三种姿势(a)立姿操作；(b)弯腰操作；(c)蹲姿操作,2)弯腰操作。如图4-14(b)所示：男性为943335 N；女性为416196 N。3)蹲姿操作。如图4-14(c)所示,男性为544244 N，女性为267138 N。6.提力 当手臂水平前伸，手掌向下，然后向上提物体时，平均提力为214 N，但如手掌向上，则提力可达267 N。,4.5.2 脚的操纵力 在很多场合，控制装置是用脚来操纵的，如汽车离合器踏板、刹车踏板、x光机踏钮、冲床和蒸气锤的脚踏控制装置等。,脚产生的力的大小与下肢的位置、姿势和方向有关。下肢伸直时脚所产生的力大于下肢弯曲时所产生的力。坐姿有靠背支持时，两脚蹬踩可产生最大的力。一般坐姿时，右腿最大蹬力平均可达2568 N，左腿可达2362 N(标准差为445 N)。一般用力可保持3.5 min，2225 N的力平均可保持40 s。膝关节角在150之间时，腿的出力最大。脚产生的操纵力通常是以压力的形式出现的，压力的大小与脚离开人体中心对称线向外偏转的程度有关，如图4-15所示。,图4-15 脚的操纵力分布,
