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圓盤壓縮力平行作用的力
來源:華體會(hth)網頁版 - 登錄入口 | 發布時間:2023/12/21 18:24:50 | 瀏覽次數：6
圓盤壓縮力平行作用的力
來源:薄膜壓力傳感器壓力分布 | 發布時間:2023/7/11 10:58:49 | 瀏覽次數：9
盡管已經發布了一般安全指南[17]，但與青少年背包問題相關的研究仍然非常有限，部分原因是下背部問題的復雜性和多因素性，以及不同背包的人體測量和形狀/重量的很大程度的可變性。沉重的背包主要通過在軀干上施加外力和扭矩，與內部因素和個人特征相互作用，從而對個人產生更大的內部負荷，改變姿勢甚至步態，變得不自然。準確的腰痛模擬應考慮到外部負荷和內部負荷的影響，包括個體人體特征、脊柱結構、脊柱負荷模型、軀干運動學如身體姿勢，同時考慮人體人體測量數據(身高、體重分布、節段尺寸、年齡、生理性別等)[18]。
另一方面，直接和經驗性地測量施加在下背部，特別是纖維軟骨腰椎椎間盤上的壓力幾乎是不可能的。這種物理措施可能是手術侵入性的，不可行的，并且對參與者構成風險和危險。作為替代方案，生物力學模型和模擬提供了一種準確、安全、有效的方法來研究各種外力對人體肌肉骨骼系統的影響。生物力學模擬將物理科學和工程科學的發現和知識與人類生理學、生物學和行為科學的原理相結合，以建議保護免受這些負荷造成的傷害和失調[19]。生物力學模型先前已被用于建模和預測下背部疼痛[18]。
青少年作為一個獨特的人群，對負重背包對青少年的影響的認識仍然有限，而且大多數的分析都集中在對現有的商業背包的評價上。很少有研究采取進一步措施，利用生物力學建模來模擬提出的新型設計的有效性，以積極幫助減輕施加在椎間盤上的力，從而緩解慢性腰痛。為了早期預防腰痛，需要基于生物力學模型的綜合分析，并根據這些模型得出的結果改進目前的背包設計。
2方法
2.1問題描述
本研究的目的是利用生物力學模擬模型來研究脊柱上的應力/應變，特別是腰椎椎間盤L4-L5和L5-S1，以及學生背包重量和不同站立姿勢引起的肌肉骨骼系統。比較和分析椎體背部外部支撐如何減輕可能的損傷和過度的應力，以提出和建模適用于當前功能學生背包的概念性外部結構，提供足夠的支撐，加強健康，正常的站立姿勢，減少和預防可能的肌肉骨骼疾病，脊柱損傷，變形等。
據推測，如果用數學方法分析沉重的背包磨損對腰椎間盤造成的與人體體重不成比例的壓力，以及可能減輕壓力的外部結構，那么根據先前分析得出的元素所提出的結構，它提供了額外的背部支撐，將能夠維持健康的站立姿勢，并大大減少腰椎間盤的壓力。這將有效地防止突出，腫脹，壓縮，以及沉重背包對脊柱區域和附近組織造成的傷害，因為概念模型將強制直線，垂直對齊，而不是在軀干上向前傾，并推動腰部向前以保持最佳姿勢。此外，一個由手操作的樞軸，從把手往下推延伸到前面，以減少背部的重量，也可以減輕沉重的背包壓縮脊柱造成的壓力。
因此，該項目的最終目標是開發和測試一個理論生物力學模型，以模擬背包佩戴過程中的受力，以比較新提出的原型設計的效率，該設計旨在減輕脊柱受力，與之前現有的傳統學生背包(第一階段)。達到效率的設計標準需要大幅度減少作用在L4-L5和L5-S1腰椎間盤上的壓縮和剪切力。然后，對人體受試者進行概念驗證試驗，將物理構建的原型與傳統背包設計進行對比，驗證動態環境下的工程設計原理2.2生物力學模型
為了開始創建一個精確到一定程度的模型，代表了對站立的人體和馬車負載作為一個系統的完整理解，該模型將在人體的矢狀面(將身體分為對稱的左右組件的解剖邊界)中作為參考點來研究所涉及的力。
圖1顯示了背包水平的生物力學模型。
圖1所示。生物力學模型開發的模擬在背包水平。H1:背包長度，h2:背包深度;W:背包重量;H3:背包頂部到肩部的距離;T1、T2:背包背帶受力;TB:作用于背包接觸點到軀干的力;θ1， θ2， α:背帶和背包與參考軸的角度。
根據牛頓定律，在背包水平，平衡條件要求
（1)
所以我們有
（2)
和
（3）
給定背包重量和尺寸的值，我們可以推導出肩膀上的力的值。
肩關節處的生物力學模型如圖2所示。
圖2所示。肩關節處的生物力學模型。𝑇S:肩對背包背帶的反作用力;𝑇SY，𝑇SZ: y軸和z軸上的力分量;𝜃1，𝜃2:皮帶與參考軸的角度。
在肩膀的高度，根據牛頓定律，
（4）
圖3顯示了背包水平的生物力學模型
圖3所示。下背部L5/ s1水平的生物力學模型。𝐹m:下背部的肌肉力量;𝐹c:壓縮力;𝐹s:純粹的力量;𝑏，:重心和外力到下背部的距離;β:剪切力與水平軸的夾角;:肌肉力到脊柱的距離。
（5)
或
（6）
與圓盤壓縮力平行作用的力可以描述為
（7）
或
（8）
通過L5/S1圓盤的反力可以用類似的平衡條件求解。
(9）
或
（10）
2.3生物力學模擬 |
