骨的生物力学特性
(一)骨骼的组成和结构特征:
人体共有206块骨头，其功能是支撑、锻炼和保护人体。按其形状可分为长骨、短骨、扁平骨和不规则骨。从力学的角度来看，骨是一种理想的最佳结构，具有同等的强度。其中，长骨结构最为典型。长骨又称管状骨，两端为松质骨(海绵状)，中间为密质骨。(骨密度孔隙度占5~30%，百特网松质骨占30~90%)。
2.骨骼的有机成分形成网络结构，无机物填充在有机物的网络结构中(像钢筋混凝土结构)。
(二)不同载荷下骨骼的力学特性(骨骼对外力的反应):
根据外力的不同，人体骨骼的应力形式可以分为几种:拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合加载。
1.拉伸:骨头的两端被拉向相反的方向。(拉伸载荷是从骨表面沿骨长轴向外施加的大小相等方向相反的载荷，在骨内部产生拉伸应力和应变。)当人体悬吊或搬运重物时，脊柱必须承受拉伸载荷。骨头在很大的拉力下会伸长。人股骨和肽骨的抗拉强度差不多，约为125，106 N/m2。
2.压缩:骨头的两端受到相反方向的挤压。(压缩载荷是沿骨的长轴方向施加在骨表面的向内、反向的载荷，在骨内部产生压缩应力和应变。)压缩载荷是骨骼承受的最常见的载荷形式，常见于身体处于垂直姿势时。一般一端是重力和外荷载，另一端是支撑反作用力。压缩负荷可以刺激新骨生长，促进骨折愈合。人体承受压缩载荷的能力最强，股骨最大抗压强度为170106N/m2，比抗拉强度高出36%。
3.弯曲:当骨头的两端受到侧向或侧面的压力或张力时，骨头弯曲。(使骨骼沿其轴线弯曲的载荷称为弯曲载荷。)
当骨受到弯曲载荷时，骨中不会同时产生拉应力(凸侧)和压应力(凹侧)。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小。在应力为零的接合处，会有一个不受力影响的“中性轴”。所以长骨一般都是中等空(节省材料减轻重量不影响负重)。
弯曲载荷通常发生在骨头作为杠杆的时候。比如负重弯腰(杠铃)时前臂所受的力。骨骼承受弯曲载荷的能力小，是造成骨骼损伤和骨折的主要原因，所以足球比赛的规则禁止踩踏板。摔倒时之所以用直臂支撑骨骼，是因为支撑反作用力和胸大肌的拉力对肽类骨骼施加了弯曲载荷。
4.剪切:载荷施加的方向平行或垂直于骨表面，在骨中产生剪切应力或剪切应变。(标准剪切载荷是一对大小相等、方向相反、作用线接近的力的作用，可能造成骨骼脱位)
例如，人体在运动和制动腿部时，胫骨平台上巴克斯特网的股骨和踝关节的滑动产生剪应力。骨承受剪切载荷的能力低于弯曲和拉伸，垂直于骨纤维方向的剪切强度明显高于沿纤维方向的剪切强度。(人骨很少承受剪切载荷)
5.扭转:骨头的两端都受到相反方向的扭矩。骨头会沿着它的轴扭曲。(外力偶施加在骨骼上的负荷在骨骼中产生剪切应力。)
扭转载荷在扭转动作中是常见的。比如掷铁饼时支撑腿的受力。骨骼承受扭转载荷的能力最少。比如掷标枪时，手肘太低，过肩外侧。这种错误的动作往往会导致肽骨的扭转骨折。此时三角肌前方的力使肽骨上端产生逆时针扭矩，而标枪的阻力(惯性力)使肱骨下端产生顺时针扭矩。(动作正确时，相对于肽骨的扭矩较小)
6.复合载荷:骨同时承受两种或两种以上的载荷。
如图，成人行走和小跑时胫骨前内侧的应力。正常行走时，是脚跟地时的压应力，支撑阶段的拉应力，脚离地时的压应力。在步态周期的后半部分，存在高剪切应力，这表明存在显著的扭转载荷，表明胫骨在支撑阶段向外旋转，脚趾离开地面阶段。
慢跑时的压力模式完全不同。脚趾着地时先压应力，离开地面后转为高拉应力，而整个支撑期剪应力始终很小，说明扭转载荷很小，如图所示。
(C)骨结构的生物力学特征:
1、弹性和牢固度:
骨骼的弹性是由骨骼中的有机物形成的。硬度又称硬度或刚性，是由无机物形成的。有人认为骨中胶原蛋白承受拉应力，钙盐承受压应力。c骨是人体理想的结构材料，重量轻，强度大。
2.应力强度的各向异性和方向性:各向异性是指骨骼在不同方向上力学性能的差异。
应力的方向性是指由于骨的各向异性，骨对应力的反应在不同方向是不同的。c骨是一种复合材料结构，其力学性能不仅与其材料组成有关，还与其结构有关。也就是说，其机械性能强烈依赖于组成和结构。(结构关系包括各部件的几何形状、纤维与基体的结合、纤维接触点的组合等。)
骨的各向异性和应力强度的方向性表现在骨的不同部位的差异和某一点各个方向的力学性能的差异。(比如不同部位的密度和强度不一样；不同于横向压缩模量)
根据仙贝斯特网的微观结构分析，针状无机盐晶体和胶原纤维主要沿纵向排列。它们中的一些布置在圆周方向上。其主要作用是接触和约束纵向纤维，使其在压缩和弯曲载荷作用下不会失去稳定性。
3.壳状(管状)结构:管状结构的主要特点是只在受力和传递力的路径上使用材料，其他地方都有空孔。(节省材料)
人体的长骨，如股骨、胫骨、肽类骨等，因其合理的截面和形状，成为优良的承重结构。它的圆柱形可以承受来自任何方向的力；其空芯梁具有与同结构实心梁相同的强度，并可节省1/4左右的材料，以最少的材料获得最大的强度，同时达到轻量化的效果。
人体的管状结构充分体现了其在弯曲载荷和扭转载荷下的结构优化。
当梁受到弯曲载荷时，会在梁的顶部产生压应力，在底部产生拉应力，应力会向中间减小。一般来说，任何形状的梁的中间部分所受的应力都很小。在弯曲载荷下，弯曲变形最大的部分往往在骨骼的中部。而高强度骨密度在长骨中间最厚，两端较薄，正好满足受力的需要。
4。均匀强度分布强度分布均匀是指在特定的载荷条件下，材料各部分的最大应力是相同的。骨骼的内部结构也说明骨骼是一个合理的承重结构。根据骨骼的综合受力分析，骨骼中所有应力高的区域都与强度高的区域相匹配。例如，下肢骨小梁的排列与应力分布非常相似。可以看出，骨可以用高密度高强度的材料排列在高应力区，说明虽然骨的形状很不规则，内部材料分布很不均匀，但却是理想的最优结构，强度相当。
骨小梁密集分布在长骨两端，这样做有两个好处:一是长骨受压时，在提供足够强度的情况下，骨小梁可以由密度小于骨的材料制成。第二，由于小梁相当柔软，在大力量参与时，如行走、奔跑和跳跃时，可以吸收更多的能量。
5.抗冲击性和持续强度差:骨骼的抗冲击性和持续强度比其他材料差。耐疲劳性也差。
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