人体的机械性质

二、人体的机械性质

外力加于人体时，可产生形变及内部应力。由于反复的形变发生疲劳和热，从而使人体受到损害。和安全问题有关的人体的机械性质主要是弹性和黏性。

一般说来，外力加于物体时，物体可发生形变，外力除去后物体就恢复原形。这种性质叫做弹性。如下所述：在形变不太大的范围内，外力与形变成正比，而超过某界限时，则发生显著的形变。

为简单起见，考虑一维的形变，加于柱形物体单位面积上的力为p，原长为L，伸长ΔL，在比例关系成立的范围内如式（2-2）所示：

ｐ＝Ｅε，ε＝ΔＬ/Ｌ　　　　　（２-２）

式中，ε为伸长与原长的比值，称为应变。E为依物质而定的比例常数，称为杨氏模量。杨氏模量越大的材料，加力时越难发生形变。几种人体组织的杨氏模量如表2-2所示。

对大多数材料来说，从任何方向切下测定其杨氏模量时，所得值都相同。但对人体组织来说，在某些特定方向上有纤维状结构和层状结构，则它们多是随方向不同，性质也不同，称这种材料具有各向异性。

表2-2　人体组织的杨氏模量

例如，人体中有像血液这样的流体材料，也有呈胶状的准流体材料，当给它们加上压力后，可随意移动。移动速度在材料内部不一样，由于流体间的摩擦，相互之间有力的作用。像这样在材料上加外力，相应的可随意移动的性质叫做黏性，移动速度不同时，作用于两侧材料上的力和该受力面上速度分布梯度成比例，即

式中，f为x方向上的力，v为x方向上的速度，μ为常数，称为黏滞系数。多数物质的黏滞系数是和速度梯度无关的常数，但有些物质如血液等非均匀结构的流体，其黏滞系数有的不是常数。

人体组织由高分子材料组成，黏性和弹性都存在，叫做黏弹性。具有黏弹性的材料，其形变的情况如图2-5所示，可以用弹性元件例如弹簧和黏性元件（如制动器，它产生和速度成比例的力）两者的组合来表示。实际的生物组织和高分子材料中，力与形变的关系更为复杂，需要用多个弹性元件和黏性元件来表示。具有黏性的材料内部发生机械振动时，则有能量损耗而产生热量。

弹性材料受外力作用时，材料要发生按照弹性系数所确定的形变。所以形变与外力成比例，当形变非常大时偏离了比例关系，发生了所谓屈服现象，如图2-6所示，材料的屈服界限用屈服点处的应变表示。

图2-5　黏弹性的材料的形变

图2-6　材料的屈服现象

若材料中发生声振动时，弹性系数和黏滞系数在频率比较低的范围内，可以认为是常量，例如在音频范围内，这些常量几乎和频率无关，是一定值。