骨骼肌冲击能量吸收特性及其力学机理

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骨骼肌受神经系统的支配,表现出独特的力学性质和主动吸能特性,在人体运动冲击过程中起良好的缓冲保护作用。研究资料表明,国内外学者对离体肌肉的动静态拉伸压缩力学性质的研究和电击针刺研究做了比较多的工作,但是对在体肌肉的研究比较少,对神经控制下在体肌肉的主动吸能行为研究几乎没有。因此,研究肌肉的主动吸能特性及其力学机理,具有很高的价值。离体肌肉和在体肌肉的力学性质差异性很大,并且在体肌肉的收缩力和拉伸变形量等力学参数难以测量。为避免上述问题,本文结合理论分析和实验研究对人体跳跃冲击过程中的骨骼肌吸能特性进行研究。首先,通过建立人体跳跃多刚体动力学模型,对人体跳跃冲击行为进行理论分析,获得了计算肌肉力、肌肉吸能以及关节受力的方法。然后,自主设计了跳跃冲击测试系统,通过对测量线路设计和优化得到了准确测量地面反作用力的设备,以及非接触测量人体关节角度的方法。采用该试验测试系统对两名实验人员进行了不同高度的跳跃冲击缓冲实验,得到了跳跃高度和人体质量两个因素对肌肉吸能特性的影响规律。在以上实验分析的基础上,对主要骨骼肌、肌腱和骨骼的相互作用进行了深入的分析,得到了不同骨骼肌在人体冲击吸能中的作用和分配,得到了不同肌肉的动态载荷和能量吸收特性。结果表明:跳跃高度增大,会使下肢的压缩变形增大,且臀大肌、股二头肌和腓肠肌吸收能量的比例越来越大,起主要吸能作用;跳跃高度越大,人体质量对肌肉力学性质的影响越明显,质量越大肌肉吸收的机械能越多,同时造成肌肉力和关节受力增大,增加了下肢受伤的风险。论文对神经控制下在体肌肉的主动吸能行为进行了深入研究,研究结果对人体运动保护、单兵登陆作战和仿生吸能结构设计有指导意义。
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