第一章生物体运动系 5 素都在很大程度上影响着骨的力学性能。骨的极限强度很高。如 果引人比强度(极限强度除以比重)和比刚度(弹性模量除以比重) 两个概念,则可见骨的比强度接近于工程上常用的低碳钢比强度, 骨的比刚度约为低碳钢的1/3。 另外,同一块骨的不同部分的力学性能是有差别的。如各种 长骨在其管状部分的强度最高。即便是在骨的某一点上,各个方 向上的力学性能也不相同,即具有明显的各向异性。骨中主要受 力成分为无机盐和骨胶原纤维。骨的弹性模量介于它们两者的弹 性模量之间。但是骨的抗拉和抗压强度既高于骨胶原,又高于磷 酸盐。因为用来取得极限应力数据的磷酸盐试件是块状脆性休, 其内部具有很大的初应力,所以在较低的外力下会发生破坏。但 是骨骼中的磷酸盐是较细的针状结晶体,其内应力大大降低。就 好像工程上釆用的玻璃钢材料,其玻璃纤维的强度远高于块状玻 璃那样。以针状无机盐结晶为核心,与骨胶原共同组成的复合材 料结构是一种高强度承载物体。这种复合材料要求无机盐和骨胶 原之间具有合适的比例。通常是7:3。 骨的受力分析是固体力学研究的内容之一。分析时将骨看成 弹性固体(有时还要考虑其粘弹性影响)。根据骨的几何特性,通 常将长骨简化为柱(或梁柱)以研究其压缩、弯曲和稳定性。将锁 骨看成受弯曲的梁,将颅骨看成壳体,将髋骨看成浅壳(或粗略地 看成板),至于块状骨如跟骨、脊椎骨等则应按三维固体处理。由 于骨在应力下变形较小,所以在许多情况下允许用柯西( Cauchy) 应变公式来描述。 (1-1) 式中,x:和x(i,j=1,2,3)为三个方向的坐标分量,u4和u为 x;和x;方向的位移。 骨作为运动器官的一部分,在动物运动和维持姿态时都要承 受外力。分析表明,骨以其合理的截面和外形而成为一个优良的