骨的力学

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骨的基本生物力学概念即人体的任何活动，都会对骨骼系统的骨产生复杂的力。一般来说，这些力可分为三种类型，作用于骨的外力、肌肉收缩力和韧带张力引起的内力及骨之间的内反应力，力也称为负荷，作用于骨可引起骨的轻微变形，特殊骨的力反应可用定量分析方法叙述承受力和引起变形之间的关系。

力和变形之间的关系，反映了完整骨的结构行为，在中等量的负荷情况下，承受负荷的骨会出现变形，当负荷去除时，骨的原有形状和几何学结构便恢复，如果骨骼系统遭受严重的创伤，超过了其所能承受的负荷，则会引起严重变形，并可能发生骨断裂，决定骨断裂抵抗力和变形特征的主要因素是骨所承受力的大小、方向、面积和几何学结构，以及组成骨组织的材料特性等。

骨所承受的力越大，引起骨的变形就越严重，且易引起长骨的断裂，骨承受轴向力与承受弯曲或扭转力，有很大的差异。在骨骼系统中骨的解剖学上的差异，反映出作用于每一单骨力的类型。大骨抵抗力的能力优于小骨。骨的几何学结构对抵抗特殊方向的力具有一定的特殊性。

在决定骨的变形和断裂特性中，组成骨组织的物质特性很重要，例如：松变的骨与正常骨具有同样的几何学结构，但在负荷情况下会发生较大变形，且在较小的力作用下都会发生骨断裂。

骨的重量比铸铁轻3倍，柔性比铸铁大10倍，并具有可塑性。在承受外力时，可吸收6倍能量。骨的力学性质取决于其物质成分与构造关系，两者均对生化与物理刺激作出反映。

骨具有形状、强度与弹性等特点。当力作用于骨时，产生外在与内在效应。前者导致在关节骨的运动；后者使骨产生应力与应变。应力有两种：正常应力与剪应力，正常应力是指垂直作用于截面的每个单位面积的力。表面正常应力称为压力。剪力指作用于与截面平行的每个单位面积的力。

应变是由力所产生的平面变化，有纵向应变与剪力。纵向应变是和原有长度有关的长度变化；剪力是和平面成直角时成角变形的力。应变可以测量，应力存在于物质内部，只能间接测量。

弹性是指消除负载后物质恢复到原有形状的能力。当应变和应力成比例时，则该物质符合Hooke定律，当应变划分应力，形成直线时，以应变除应力，可测出弹性系数。弹性系数随硬度增加而增加，坚硬的物质具有较高弹性系数。当应力超过弹性极限时，骨表现可塑性。负载消除后，如不能恢复到原有形状，形成永久性变形，继续增加负载时，可发生骨折，强度系指对骨折的抗力，屈从强度系指应力处于弹性极限；最大强度系指应力处于骨折水平。

韧性是指对骨折的抵抗力，并表示当负载时物质形成的应变能，韧性取决于应力与应变，两者与等同破裂强度可吸收不等量的能量。

测量骨的力学性质时，必须控制负载率。因骨有粘弹力性能其性质随所施加的应力而变化。负载时，弹性物质立即变形，除非负载有所改变，否则不再继续变形。反之，粘性物质继续变形，直到不再负载。

在测量参数时，主要测量强度、弹性系数、可塑性能力(永久变形)与疲劳性质。因为骨是粘弹性具有多向导性物质，可因受塑性变形，影响测量。物质成分的影响对骨的力学性质很是重要，骨是合成物质，约有2/3是矿物质(重量)，而1/3是胶原。矿物质可抵抗压力而胶原抵抗张力，骨的特殊性质就是强力强度高于压力强度。

骨的建筑设计对骨的力学性质有重要影响。坚质骨和小梁骨具有不同力学性质。两者的密度不同。而骨单位在完全钙化时，比部分钙化时的强力强度大70%，比压力强度大20%。编织骨缺乏定向结构，没有方向选择性，一般将编织骨看作是多向导性。此外，如果是密度低、含水量高，且有较大柔性、弹性系数较低、强度较低，此种构造不利于抵抗外力，但适合迅速生长，有利于再塑。