運動對骨的力學(xué)性能的影響

1、適宜應(yīng)力原則

骨骼對體育運動的生物力學(xué)適應(yīng)性本質(zhì)上是骨骼系統(tǒng)對機械力信號（應(yīng)力）的應(yīng)變。有利的運動負(fù)荷及強度導(dǎo)致的骨應(yīng)變會誘導(dǎo)骨量增加和骨的結(jié)構(gòu)改善；應(yīng)變過大則造成骨組織微損傷和出現(xiàn)疲勞性骨折，應(yīng)變過小或出現(xiàn)廢用則導(dǎo)致骨質(zhì)流失過快。因此對骨存在一個最佳的合適應(yīng)力范圍。

(1) 研究揭示，力學(xué)信號激活骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)通路而成骨。尤其在達到峰值骨量之前，除增加骨密度外，更能有效地改善骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)。在分子水平上，借助對力學(xué)易感基因的調(diào)控，調(diào)節(jié)細(xì)胞與基質(zhì)局部力學(xué)生物學(xué)通路，經(jīng)基因轉(zhuǎn)錄、翻譯與翻譯后修飾—力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號網(wǎng)絡(luò)，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的分化和成骨。

(2)力學(xué)信號（人體從出生后骨骼所受的外力）可概括為內(nèi)源性肌肉收縮力與外源性反作用力。這些力對骨生長發(fā)育的調(diào)控主要通過調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)生長與骨化、關(guān)節(jié)軟骨的發(fā)育以及軟骨周緣、骨膜的骨化和軟骨內(nèi)成骨。

(3)兒童少年時期的骨新陳代謝旺盛。這個時期進行合理的體育鍛煉，更能促進骨的生長。相反，鍛煉不足或長時間的錯誤姿勢會使骨朝不正常的方向發(fā)展。而且研究表明，骨骼廢用使骨密度下降和骨結(jié)構(gòu)受損的速度遠(yuǎn)比體育鍛煉對骨的有益影響快得多，而且恢復(fù)時間長且困難。

(4)骨對運動（特定環(huán)境下力的變化）的功能適應(yīng)性的表現(xiàn)除了外部形態(tài)之外，還有截面形狀、材料沿各方向的分布規(guī)律、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。（例如硬氣功）

2、體育鍛煉對骨的力學(xué)性能的良好影響：

（1）體育運動可促進兒童少年峰值骨量的增加，使成年人骨骼的骨量增加或保持骨量，降低老年人骨量的丟失速度。

（2）長期堅持體育鍛煉，使骨的血液循環(huán)得到改善，使骨密質(zhì)部分增厚，骨變粗，骨面肌肉附著處突起明顯。

（3）骨小梁的排列根據(jù)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的方向排列更加整齊密集。使骨的堅固性增強，抗彎曲、抗壓縮和抗扭轉(zhuǎn)載荷的能力均有提高。

◆注意：當(dāng)體育鍛煉停止后，骨所獲得的變化就會慢慢消失。因此，體育鍛煉應(yīng)經(jīng)常化，鍛煉的項目要多樣化。專項訓(xùn)練與全面訓(xùn)練相結(jié)合。

（4)不同運動項目對骨的力學(xué)性能具有不同的影響

不同運動項目對骨的力學(xué)性能的影響表現(xiàn)在對人體不同部位骨的影響不同和不同運動形式對同一塊骨的力學(xué)性質(zhì)的影響不同。

例如①經(jīng)常從事下肢活動的跑、跳項目的運動員，對下肢骨影響較大，對上肢骨影響較小。而經(jīng)常練習(xí)舉重的運動員，對上肢和下肢的影響都較大。

②負(fù)重和沖擊性體育運動項目（如跑、跳、投、田徑項目、網(wǎng)球和壘球等球類項目）均有助于增加峰值骨量。

③網(wǎng)球運動員擊球臂骨的結(jié)構(gòu)與密度的改善與提高，跳遠(yuǎn)運動員踏跳腳的第二跖骨直徑增大；拳擊運動員橈骨骨密質(zhì)部分明顯增厚等。

◆關(guān)于應(yīng)力對成人骨和生長發(fā)育中骨的影響：外加機械力改變骨結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。而應(yīng)力通常與骨組織之間存在著一種生理平衡。

①對成人骨而言，骨組織的量與應(yīng)力值成正比。②對生長發(fā)育中的骨，應(yīng)力增加（外傷和過度訓(xùn)練)會引起骺軟骨過早愈合，骨化提前。

（二）骨的運動損傷：

1、骨折的斷裂形式及載荷方式

如果作用于骨骼上的載荷超過骨所能承受的強度極限，就會引起骨折。實際情況中的骨折絕大部分是由復(fù)合載荷引起的。

（1)拉伸載荷引起的骨折常見于跟骨。第五跖骨基底靠近腓骨短肌附著處的骨折以及跟腱靠近附著處的跟骨骨折都是由于拉力產(chǎn)生的骨折。

(2)壓縮載荷引起的骨折常見于椎體。有時由于肌肉異常強烈的收縮，也可產(chǎn)生關(guān)節(jié)內(nèi)壓縮型骨折。

（3）彎曲載荷常見的是側(cè)力彎曲載荷（純彎曲載荷造成的骨折不多見），如三點彎曲。從側(cè)面和后面對小腿胖骨擊打極易造成這種骨折。因此，足球比賽規(guī)則嚴(yán)禁從側(cè)面和后面鏟擊小腿。

（4)剪切載荷引起的骨折常見于跟骨、股骨跟與脛骨平臺的剪切破壞，變形后產(chǎn)生相對位置變動。

（5）純扭轉(zhuǎn)載荷引起的骨折比較少見，一般是和其他的載荷形式組合在一起而引起的。如投擲標(biāo)槍。

2、疲勞骨折（骨疲勞）

（1）骨疲勞的概念：反復(fù)作用的循環(huán)載荷超過某一生理限度時會使骨組織受到損傷，稱為骨疲勞。

周期性超強度運動訓(xùn)練可能導(dǎo)致骨微細(xì)結(jié)構(gòu)的破壞。這些骨的微損傷隨時間不斷累積（常見于軍事野營訓(xùn)練軍人和長跑運動員），如得不到改建修復(fù)可導(dǎo)致骨強度下降，甚至發(fā)生疲勞性骨折。

（2）骨疲勞的特征：

①疲勞性骨折或永久性彎曲。

②周期性載荷引起的骨折，開始于應(yīng)力集中點，形成蚌殼式裂紋。

③重復(fù)載荷的骨疲勞，引起的骨折往往是低載荷的情況。

④疲勞壽命隨載荷增加而減小，隨溫度升高而減小，隨密度的增加而增加。

⑤骨的疲勞極限為3.45KN/cm2。

疲勞骨折是一種在運動中常見的低應(yīng)力性骨折。例如行軍骨折。當(dāng)骨受低重復(fù)載荷作用時，?？捎^察到疲勞細(xì)微骨折。疲勞骨折的產(chǎn)生不僅與載荷的大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)，而且還與載荷的頻率有關(guān)。因為骨具有一定的修復(fù)重建功能（功能適應(yīng)性），所以只有當(dāng)疲勞斷裂過程超過骨重建過程時疲勞骨折才會發(fā)生。

◆肌肉疲勞是下肢骨疲勞的一個原因（如圖）。

一般，持續(xù)性的運動或活動先是引起肌肉疲勞。當(dāng)肌肉疲勞后，肌肉收縮力降低，從而改變了骨的應(yīng)力分布，使高載荷出現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，可導(dǎo)致疲勞骨折。骨折既可能出現(xiàn)在受拉側(cè)，也可能出現(xiàn)在受壓側(cè)，或者兩側(cè)都出現(xiàn)。拉力側(cè)骨折產(chǎn)生橫向裂縫，且很快擴展為完全骨折；壓力側(cè)骨折發(fā)生比較緩慢，骨重建過程不太容易被疲勞過程超過，而且可能不擴展為完全骨折。肌肉收縮能克服一部分作用于骨骼上的應(yīng)力，起到保護骨骼的作用。