生物力學(xué)

生物力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問(wèn)題定量研究的生物物理學(xué)分支。其研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥(niǎo)飛、魚(yú)游、鞭毛和纖毛運(yùn)動(dòng)到植物體液的輸運(yùn)等。

　　生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、動(dòng)量定律、質(zhì)量守恒三定律并加上描寫(xiě)物性的本構(gòu)方程。生物力學(xué)研究的重點(diǎn)是與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問(wèn)題。依研究對(duì)象的不同可分為生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等。

　　在科學(xué)的發(fā)展過(guò)程工，生物學(xué)和力學(xué)相互促進(jìn)和發(fā)展著。哈維在1615年根據(jù)流體力學(xué)中的連續(xù)性原理，按邏輯推斷了血液循環(huán)的存在，并由馬爾皮基于1661年發(fā)現(xiàn)蛙肺微血管而得到證實(shí)；材料力學(xué)中著名的揚(yáng)氏模量是揚(yáng)為建立聲帶發(fā)音的彈性力學(xué)理論而提出的；流體力學(xué)中描述直圓管層流運(yùn)動(dòng)的泊松定理，其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是狗主動(dòng)脈血壓的測(cè)量；黑爾斯測(cè)量了馬的動(dòng)脈血壓，為尋求血壓和失血的關(guān)系，在血液流動(dòng)中引進(jìn)了外周阻力的概念，同時(shí)指出該阻力主要來(lái)自組織中的微血管；弗蘭克提出了心臟的流體力學(xué)理論；施塔林提出了物質(zhì)透過(guò)膜的傳輸定律；克羅格由于對(duì)微循環(huán)力學(xué)的貢獻(xiàn)，希爾由于肌肉力學(xué)的貢獻(xiàn)而先后(1920，1922)獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。到了20世紀(jì)60年代，生物力學(xué)成為一門(mén)完整、獨(dú)立的學(xué)科。

　　生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈塑性理論、斷裂力學(xué)的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問(wèn)題。在近似分析中，人與動(dòng)物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強(qiáng)度理論及其狀態(tài)參數(shù)都可應(yīng)用材料力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)公式。但是，無(wú)論在形態(tài)還是力學(xué)性質(zhì)上，骨頭都是各向異性的。

　　20世紀(jì)70年代以來(lái)，對(duì)骨骼的力學(xué)性質(zhì)已有許多理論與實(shí)踐研究，如組合桿假設(shè)，二相假設(shè)等，有限元法、斷裂力學(xué)以及應(yīng)力套方法和先測(cè)彈力法等檢測(cè)技術(shù)都已應(yīng)用于骨力學(xué)研究。骨是一種復(fù)合材料，它的強(qiáng)度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關(guān)。骨是骨膠原纖維和無(wú)機(jī)晶體的組合物，骨板由縱向纖維和環(huán)向纖維構(gòu)成，骨質(zhì)中的無(wú)機(jī)晶體使骨強(qiáng)度大大提高。體現(xiàn)了骨以最少的結(jié)構(gòu)材料來(lái)承受最大外力的功能適應(yīng)性。

　　木材和昆蟲(chóng)表皮都是纖維嵌入其他材料中構(gòu)成的復(fù)合材料，它與由很細(xì)的玻璃纖維嵌在合成樹(shù)脂中構(gòu)成的玻璃鋼的力學(xué)性質(zhì)類(lèi)似。動(dòng)物與植物是由多糖、蛋白質(zhì)類(lèi)脂等構(gòu)成的高聚物，應(yīng)用橡膠和塑料的高聚物理論可得出蛋白質(zhì)和多糖的力學(xué)性質(zhì)。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識(shí)不僅可用于由氨基酸組成的蛋白質(zhì)，也可用來(lái)分析有關(guān)細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)。如細(xì)胞分裂時(shí)微絲的作用力，肌絲的工作方式和工作原理及細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)等。

　　生物流體力學(xué)是研究生物心血管系統(tǒng)、消化呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、內(nèi)分泌以及游泳、飛行等與水動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、邊界層理論和流變學(xué)有關(guān)的力學(xué)問(wèn)題。

　　人和動(dòng)物體內(nèi)血液的流動(dòng)、植物體液的輸運(yùn)等與流體力學(xué)中的層流、端流、滲流和兩相流等流動(dòng)型式相近。在分析血液力學(xué)性質(zhì)時(shí)，血液在大血管流動(dòng)的情況下，可將血液看作均質(zhì)流體。由于微血管直徑與紅細(xì)胞直徑相當(dāng)在微循環(huán)分析時(shí)，則可將血液看作兩相流體。當(dāng)然，血管越細(xì)，血液的非牛頓特性越顯著。

　　人體內(nèi)血液的流動(dòng)大都屬于層流，在血液流動(dòng)很快或血管很粗的部位容易產(chǎn)生湍流。在主動(dòng)脈中，以峰值速度運(yùn)動(dòng)的血液勉強(qiáng)處于層流狀態(tài)，但在許多情況下會(huì)轉(zhuǎn)變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通過(guò)毛細(xì)血管壁的物質(zhì)交換則是一種滲流。對(duì)于血液流動(dòng)這樣的內(nèi)流，因心臟的搏動(dòng)血液流動(dòng)具有波動(dòng)性，又因血管富有彈性故流動(dòng)邊界呈不固定型。因此，體內(nèi)血液的流動(dòng)狀態(tài)是比較復(fù)雜的。

　　對(duì)于外流，流體力學(xué)的知識(shí)也用于動(dòng)物游泳的研究。如魚(yú)的體型呈流線型，且易撓曲，可通過(guò)興波自我推進(jìn)。水洞實(shí)驗(yàn)表明，在魚(yú)游動(dòng)時(shí)的流體邊界層內(nèi)，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(xì)胞的游動(dòng)，也是外流問(wèn)題。鞭毛的波動(dòng)和纖毛的拍打推動(dòng)細(xì)胞表面的流體，使細(xì)胞向前運(yùn)動(dòng)。精子用鞭毛游動(dòng)，水的慣性可以忽略，其水動(dòng)力正比于精子的相對(duì)游動(dòng)速度。原生動(dòng)物在液體中運(yùn)動(dòng)，其所受阻力可以根據(jù)計(jì)算流場(chǎng)中小顆粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。

　　此外，空氣動(dòng)力學(xué)的原理與方法常用來(lái)研究動(dòng)物的飛行。飛機(jī)和飛行動(dòng)物飛行功率由兩部分組成：零升力功率和誘導(dǎo)功率。前者用來(lái)克服邊界層內(nèi)的空氣粘性阻力；后者用來(lái)向下加速空氣，以提供大小等于飛機(jī)或飛行動(dòng)物重量的升力。鳥(niǎo)在空中可以通過(guò)前后拍翅來(lái)調(diào)節(jié)滑翔角度，這與滑翔機(jī)襟翼調(diào)節(jié)的作用一樣。風(fēng)洞已用于研究飛行動(dòng)物的飛行特性，如禿鷲、蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機(jī)非常相似。

　　運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是用靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)研究人體運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。用理論力學(xué)的原理和方法研究生物是個(gè)開(kāi)展得比較早、比較深入的領(lǐng)域。

　　在人體運(yùn)動(dòng)中，應(yīng)用層動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本原理、方程去分析計(jì)算運(yùn)動(dòng)員跑、跳、投擲等多種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的極限能力，其結(jié)果與奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)的記錄非常相近。在創(chuàng)傷生物力學(xué)方面，以動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)應(yīng)用有限元法，計(jì)算頭部和頸部受沖擊時(shí)的頻率響應(yīng)并建立創(chuàng)傷模型，從而改進(jìn)頭部和頸部的防護(hù)并可加快創(chuàng)傷的治療。

　　人體各器官、系統(tǒng)，特別是心臟—循環(huán)系統(tǒng)和肺臟—呼吸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、生物系統(tǒng)和環(huán)境之間的熱力學(xué)平衡問(wèn)題、特異功能問(wèn)題等也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。生物力學(xué)的研究，不僅涉及醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)方面，而且已深入交通安全、宇航、軍事科學(xué)的有關(guān)方面。

　　中國(guó)的生物力學(xué)研究，有相當(dāng)一部分與中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)結(jié)合。因而在骨骼力學(xué)、脈搏波、無(wú)損檢測(cè)、推拿、氣功、生物軟組織等項(xiàng)目的研究中已形成自己的特色。

　　進(jìn)行生物力學(xué)的研究首先要了解生物材料的幾何特點(diǎn)，進(jìn)而測(cè)定組織或材料的力學(xué)性質(zhì)，確定本構(gòu)方程、導(dǎo)出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件并求解。對(duì)于上述邊界問(wèn)題的解，需用生理實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。若有必要，還需另立數(shù)學(xué)模型求解，以期理論與實(shí)驗(yàn)相一致。

　　其次作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的生物材料，有在體和離體之分。在體生物材料一般處于受力狀態(tài)(如血管、肌肉)，一旦游離出來(lái)，則處于自由狀態(tài)，即非生理狀態(tài)(如血管、肌肉一旦游離，當(dāng)即明顯收縮變短)。兩種狀態(tài)材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大。

　　生物力學(xué)的研究要同時(shí)從力學(xué)和組織學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)等兩大方面進(jìn)行研究，即將宏觀力學(xué)性質(zhì)和微觀組織結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，因而要求多學(xué)科的聯(lián)合研究或研究人員具有多學(xué)科的知識(shí)。