︶ㄣ青蟲CC
第1楼2008/07/03
人体内血液的流动大都属于层流,在血液流动很快或血管很粗的部位容易产生湍流。在主动脉中,以峰值速度运动的血液勉强处于层流状态,但在许多情况下会转变成湍流。尿道中的尿流往往是湍流。而通过毛细血管壁的物质交换则是一种渗流。对于血液流动这样的内流,因心脏的搏动血液流动具有波动性,又因血管富有弹性故流动边界呈不固定型。因此,体内血液的流动状态是比较复杂的。
对于外流,流体力学的知识也用于动物游泳的研究。如鱼的体型呈流线型,且易挠曲,可通过兴波自我推进。水洞实验表明,在鱼游动时的流体边界层内,速度梯度很大,因而克服流体的粘性阻力的功率也大。小生物和单细胞的游动,也是外流问题。鞭毛的波动和纤毛的拍打推动细胞表面的流体,使细胞向前运动。精子用鞭毛游动,水的惯性可以忽略,其水动力正比于精子的相对游动速度。原生动物在液体中运动,其所受阻力可以根据计算流场中小颗粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。
此外,空气动力学的原理与方法常用来研究动物的飞行。飞机和飞行动物飞行功率由两部分组成:零升力功率和诱导功率。前者用来克服边界层内的空气粘性阻力;后者用来向下加速空气,以提供大小等于飞机或飞行动物重量的升力。鸟在空中可以通过前后拍翅来调节滑翔角度,这与滑翔机襟翼调节的作用一样。风洞已用于研究飞行动物的飞行特性,如秃鹫、蝙蝠的滑行性能与模型滑翔机非常相似。
运动生物力学是用 静力学 、 运动学 和 动力学 的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深入的领域。
在人体运动中,应用层动学和动力学的基本原理、方程去分析计算运动员跑、跳、投掷等多种运动项目的极限能力,其结果与奥林匹克运动会的记录非常相近。在创伤生物力学方面,以动力学的观点应用有限元法,计算头部和颈部受冲击时的频率响应并建立创伤模型,从而改进头部和颈部的防护并可加快创伤的治疗。
人体各器官、系统,特别是心脏—循环系统和肺脏—呼吸系统的动力学问题、生物系统和环境之间的热力学平衡问题、特异功能问题等也是当前研究的热点。生物力学的研究,不仅涉及医学、体育运动方面,而且已深入交通安全、宇航、军事科学的有关方面。
中国的生物力学研究,有相当一部分与中国传统医学结合。因而在骨骼力学、脉搏波、无损检测、 推拿 、 气��
� 、生物软组织等项目的研究中已形成自己的特色。
进行生物力学的研究首先要了解生物材料的几何特点,进而测定组织或材料的力学性质,确定本构方程、导出主要微分方程和积分方程、确定边界条件并求解。对于上述边界问题的解,需用生理实验去验证。若有必要,还需另立数学模型求解,以期理论与实验相一致。
其次作为实验对象的生物材料,有在体和离体之分。在体生物材料一般处于受力状态(如血管、肌肉),一旦游离出来,则处于自由状态,即非生理状态(如血管、肌肉一旦游离,当即明显收缩变短)。两种状态材料的实验结果差异较大。
生物力学的研究要同时从力学和 组织学 、生理学、医学等两大方面进行研究,即将宏观力学性质和微观组织结构联系起来,因而要求多学科的联合研究或研究人员具有多学科的知识