生物力學

生物力學

生物力學:是套用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支。其研究範圍從生物整體到系統、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等),從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。

淵源

生物力學一詞雖然在20世紀60年代才出現,但它所涉及的一些內容,卻是古老的課題。例如,1582年前後伽利略得出擺長與周期的定量關係,並利用擺來測定人的脈搏率,用與脈搏合拍的擺長來表達脈搏率。1616年,英國生理學家W.哈維根據流體力學中的連續性原理,從理論上論證了血液循環的存在。到1661年,M.馬爾皮基在解剖青蛙時,在蛙肺中看到了微循環的存在,證實了咕維的論斷.G.A.博雷利在《論動物的運動》一書中討論了烏飛、魚游和心臟以及腸的運動。L.歐拉在1775年寫了一篇關於波在動脈中傳播的論文。H.蘭姆在1898年預言動脈中存在高頻波,現已得到證實。英國生理學家S.黑爾斯測量了馬的動脈血壓,並尋求血壓與失血的關係。他解釋了心臟泵出的同歇流如何轉化成血管中的連續流。他在血液流動中引進了外周阻力概念,並正確指出:產生這種阻力的主要部位在細血管處。J.-L.-M.泊肅葉確立了血液流動過程中壓降,流量和阻力的關係。O.夫蘭克解釋了心臟的力學問題。E.H.斯塔林提出了透過膜的傳質定律,並解釋了人體中水的平衡問題。A.克羅格由於在微循環力學方面的貢獻獲得1920年諾貝爾獎金,A.V.希爾因肌肉力學的工作獲得1922年諾貝爾獎金,他們的工作為60年代開始的生物力學的系統研究打下基礎。

分類

生物固體力學

生物固體力學是利用 材料力學、 彈塑性理論、 斷裂力學的基本理論和方法,研究 生物組織和 器官中與之相關的力學問題。在近似分析中,人與 動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態參數都可套用材料力學的標準公式。但是,無論在形態還是力學性質上,骨頭都是 各向異性的。

20世紀70年代以來,對骨骼的力學性質已有許多理論與實踐研究,如組合桿假設,二相假設等,有限元法、斷裂力學以及應力套方法和先測彈力法等檢測技術都已套用於骨力學研究。骨是一種複合材料,它的強度不僅與骨的構造也與材料本身相關。骨是骨膠原纖維和無機晶體的組合物,骨板由縱向纖維和環向纖維構成,骨質中的無機晶體使骨強度大大提高。體現了骨以最少的結構材料來承受最大外力的功能適應性。

木材和 昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構成的複合材料,它與由很細的玻璃纖維嵌在合成樹脂中構成的玻璃鋼的力學性質類似。動物與植物是由 多糖、蛋白質類脂等構成的 高聚物,套用橡膠和塑膠的高聚物理論可得出蛋白質和多糖的力學性質。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識不僅可用於由 胺基酸組成的蛋白質,也可用來分析有關細胞的力學性質。如細胞分裂時 微絲的作用力,肌絲的工作方式和工作原理及細胞膜的力學性質等。

生物固體力學中關於骨的研究,可以追溯到19世紀,大量的研究者對骨組織進行了研究,直到19世紀末,Wollf提出了著名的Wollf's Law. 他認為骨組織是一種自最佳化的組織,其結構會隨著外載的變化而逐漸變化,從而達到最優的狀態。以後,研究者進行了大量研究,基於此定律提出了不少的理論及數學模型。其中較為著名教授有S.C Cowin ,D. R Carter , Husikes。在國內, 吉林大學的 朱興華教授也做了大量工作。

生物流體力學

生物流體力學是研究生物 心血管系統、消化呼吸系統、 泌尿系統、 內分泌以及游泳、飛行等與 水動力學、 空氣動力學、 邊界層理論和 流變學有關的力學問題。

人和動物體內血液的流動、植物體液的輸運等與流體力學中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動型式相近。在分析血液力學性質時,血液在 大血管流動的情況下,可將血液看作均質流體。由於 微血管直徑與 紅細胞直徑相當在微循環分析時,則可將血液看作兩相流體。當然,血管越細,血液的非牛頓特性越顯著。

人體內血液的流動大都屬於層流,在血液流動很快或血管很粗的部位容易產生湍流。在主動脈中,以 峰值速度運動的血液勉強處於層流狀態,但在許多情況下會轉變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通過毛細血管壁的 物質交換則是一種滲流。對於血液流動這樣的內流,因心臟的搏動血液流動具有波動性,又因血管富有彈性故流動邊界呈不固定型。因此,體內血液的流動狀態是比較複雜的。

對於外流,流體力學的知識也用於動物游泳的研究。如魚的體型呈流線型,且易撓曲,可通過興波自我推進。 水洞實驗表明,在魚遊動時的流體 邊界層內, 速度梯度很大,因而克服流體的粘性 阻力的功率也大。小生物和單細胞的遊動,也是外流問題。 鞭毛的波動和 纖毛的拍打推動細胞表面的流體,使細胞向前運動。 精子用鞭毛遊動,水的慣性可以忽略,其水動力正比於精子的相對遊動速度。原生動物在液體中運動,其所受 阻力可以根據計算 流場中小顆粒的阻力 公式( 斯托克斯定律)得出。

此外,空氣動力學的原理與方法常用來研究動物的飛行。飛機和飛行動物飛行功率由兩部分組成:零 升力功率和誘導功率。前者用來克服 邊界層內的空氣粘性阻力;後者用來向下加速空氣,以提供大小等於飛機或飛行動物重量的升力。鳥在空中可以通過前後拍翅來調節滑翔角度,這與滑翔機襟翼調節的作用一樣。風洞已用於研究飛行動物的飛行特性,如禿鷲、蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機非常相似。

運動生物力學

運動生物力學是用 靜力學、 運動學和 動力學的基本原理結合 解剖學、生理學研究人體運動的學科。用理論力學的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領域。

在人體運動中,套用層動學和動力學的基本原理、方程去分析計算 運動員跑、跳、投擲等多種運動項目的極限能力,其結果與 奧林匹克運動會的記錄非常相近。在創傷生物力學方面,以動力學的觀點套用有限元法,計算頭部和頸部受衝擊時的頻率回響並建立創傷模型,從而改進頭部和頸部的防護並可加快創傷的治療。

人體各器官、系統,特別是心臟—循環系統和肺臟—呼吸系統的動力學問題、生物系統和環境之間的熱力學平衡問題、特異功能問題等也是當前研究的熱點。生物力學的研究,不僅涉及醫學、體育運動方面,而且已深入交通安全、宇航、軍事科學的有關方面。

說明

生物力學的研究要同時從力學和組織學、生理學、醫學等兩大方面進行研究,即將巨觀力學性質和微觀組織結構聯繫起來,因而要求多學科的聯合研究或研究人員具有多學科的知識。

生物學主要子域

▪ 解剖學 ▪ 天體生物學 ▪ 生物化學 ▪ 生物地理學
生物力學 ▪ 生物物理學 ▪ 生物統計學 ▪ 植物學
▪ 細胞生物學 ▪ 細胞微生物學 ▪ 時間生物學 ▪ 保護生物學
▪ 發育生物學 ▪ 生態學 ▪ 流行病學 ▪ 表觀遺傳學
▪ 進化生物學 ▪ 遺傳學 ▪ 基因組學 ▪ 組織學
▪ 人體生物學 ▪ 免疫學 ▪ 海洋生物學 ▪ 生物數學
▪ 微生物學 ▪ 分子生物學 ▪ 真菌學 ▪ 神經科學
▪ 營養學 ▪ 生命起源 ▪ 古生物學 ▪ 寄生蟲學
▪ 病理學 ▪ 藥理學 ▪ 生理學 ▪ 量子生物學
▪ 系統生物學 ▪ 生物分類學 ▪ 毒理學 ▪ 動物學

力學

經典力學 分支學科 ▪ 靜力學 ▪ 動力學 ▪ 運動學 ▪ 工程力學 ▪ 天體力學 ▪ 連續介質力學 ▪ 統計力學 ▪ 牛頓力學 ▪ 分析力學 ▪ 結構力學 ▪ 生物力學 ▪ 材料力學 ▪ 地質力學 ▪ 土力學 ▪ 靜力學 ▪ 動力學 ▪ 運動學 ▪ 工程力學 ▪ 天體力學 ▪ 連續介質力學 ▪ 統計力學 ▪ 牛頓力學 ▪ 分析力學 ▪ 結構力學 ▪ 生物力學 ▪ 材料力學 ▪ 地質力學 ▪ 土力學 ▪ 靜力學 ▪ 動力學 ▪ 運動學 ▪ 工程力學 ▪ 天體力學 ▪ 連續介質力學 ▪ 統計力學 ▪ 牛頓力學 ▪ 分析力學 ▪ 結構力學 ▪ 生物力學 ▪ 材料力學 ▪ 地質力學 ▪ 土力學 分支學科 ▪ 靜力學 ▪ 動力學 ▪ 運動學 ▪ 工程力學 ▪ 天體力學 ▪ 連續介質力學 ▪ 統計力學 ▪ 牛頓力學 ▪ 分析力學 ▪ 結構力學 ▪ 生物力學 ▪ 材料力學 ▪ 地質力學 ▪ 土力學 ▪ 靜力學 ▪ 動力學 ▪ 運動學 ▪ 工程力學 ▪ 天體力學 ▪ 連續介質力學 ▪ 統計力學 ▪ 牛頓力學 ▪ 分析力學 ▪ 結構力學 ▪ 生物力學 ▪ 材料力學 ▪ 地質力學 ▪ 土力學 ▪ 靜力學 ▪ 動力學 ▪ 運動學 ▪ 工程力學 ▪ 天體力學 ▪ 連續介質力學 ▪ 統計力學 ▪ 牛頓力學 ▪ 分析力學 ▪ 結構力學 ▪ 生物力學 ▪ 材料力學 ▪ 地質力學 ▪ 土力學 重要理論 ▪ 牛頓運動定律 ▪ 虎克定律 ▪ 萬有引力定律 ▪ 簡諧振動 ▪ 達朗伯原理 ▪ 歐拉方程 ▪ 哈密頓原理 ▪ 拉格朗日方程 ▪ 最小作用量原理 ▪ 牛頓運動定律 ▪ 虎克定律 ▪ 萬有引力定律 ▪ 簡諧振動 ▪ 達朗伯原理 ▪ 歐拉方程 ▪ 哈密頓原理 ▪ 拉格朗日方程 ▪ 最小作用量原理 ▪ 牛頓運動定律 ▪ 虎克定律 ▪ 萬有引力定律 ▪ 簡諧振動 ▪ 達朗伯原理 ▪ 歐拉方程 ▪ 哈密頓原理 ▪ 拉格朗日方程 ▪ 最小作用量原理 重要理論 ▪ 牛頓運動定律 ▪ 虎克定律 ▪ 萬有引力定律 ▪ 簡諧振動 ▪ 達朗伯原理 ▪ 歐拉方程 ▪ 哈密頓原理 ▪ 拉格朗日方程 ▪ 最小作用量原理 ▪ 牛頓運動定律 ▪ 虎克定律 ▪ 萬有引力定律 ▪ 簡諧振動 ▪ 達朗伯原理 ▪ 歐拉方程 ▪ 哈密頓原理 ▪ 拉格朗日方程 ▪ 最小作用量原理 ▪ 牛頓運動定律 ▪ 虎克定律 ▪ 萬有引力定律 ▪ 簡諧振動 ▪ 達朗伯原理 ▪ 歐拉方程 ▪ 哈密頓原理 ▪ 拉格朗日方程 ▪ 最小作用量原理
量子力學 衍生學科 ▪ 原子物理學 ▪ 固體物理學 ▪ 核物理學 ▪ 粒子物理學 ▪ 原子物理學 ▪ 固體物理學 ▪ 核物理學 ▪ 粒子物理學 ▪ 原子物理學 ▪ 固體物理學 ▪ 核物理學 ▪ 粒子物理學 衍生學科 ▪ 原子物理學 ▪ 固體物理學 ▪ 核物理學 ▪ 粒子物理學 ▪ 原子物理學 ▪ 固體物理學 ▪ 核物理學 ▪ 粒子物理學 ▪ 原子物理學 ▪ 固體物理學 ▪ 核物理學 ▪ 粒子物理學 重要理論 ▪ 泡利不相容原理 ▪ 埃倫費斯特定理 ▪ 態疊加原理 ▪ 不確定性原理 ▪ 量子隧穿效應 ▪ 黑體輻射 ▪ 原子結構 ▪ 光電效應 ▪ 波粒二象性 ▪ 泡利不相容原理 ▪ 埃倫費斯特定理 ▪ 態疊加原理 ▪ 不確定性原理 ▪ 量子隧穿效應 ▪ 黑體輻射 ▪ 原子結構 ▪ 光電效應 ▪ 波粒二象性 ▪ 泡利不相容原理 ▪ 埃倫費斯特定理 ▪ 態疊加原理 ▪ 不確定性原理 ▪ 量子隧穿效應 ▪ 黑體輻射 ▪ 原子結構 ▪ 光電效應 ▪ 波粒二象性 重要理論 ▪ 泡利不相容原理 ▪ 埃倫費斯特定理 ▪ 態疊加原理 ▪ 不確定性原理 ▪ 量子隧穿效應 ▪ 黑體輻射 ▪ 原子結構 ▪ 光電效應 ▪ 波粒二象性 ▪ 泡利不相容原理 ▪ 埃倫費斯特定理 ▪ 態疊加原理 ▪ 不確定性原理 ▪ 量子隧穿效應 ▪ 黑體輻射 ▪ 原子結構 ▪ 光電效應 ▪ 波粒二象性 ▪ 泡利不相容原理 ▪ 埃倫費斯特定理 ▪ 態疊加原理 ▪ 不確定性原理 ▪ 量子隧穿效應 ▪ 黑體輻射 ▪ 原子結構 ▪ 光電效應 ▪ 波粒二象性

參考書目

馮元楨著:《生物力學》,科學出版社,北京,1983。

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