人体的静力学和动力学：重心

人体的垂直位置、其在空间中的运动、各种类型的运动（行走、跑步、跳跃）都是在漫长的进化过程中随着人类物种的形成而发展起来的。在人类起源的过程中，随着人类祖先过渡到陆地生存条件，再到用两肢（下肢）运动，整个生物体的解剖结构、其各个部分、器官，包括肌肉骨骼系统，都发生了显著变化。双足行走将上肢从肌肉骨骼功能中解放出来。上肢变成了一个劳动器官——手，并且可以进一步提高动作的灵活性。这些由于质的新功能而发生的变化反映在肩带所有组成部分和上肢自由部分的结构中。肩带不仅为自由上肢提供支撑，还显著提高了其活动能力。由于肩胛骨主要通过肌肉与骨骼连接，因此其活动自由度更高。肩胛骨参与锁骨的所有运动。此外，肩胛骨可以独立于锁骨自由活动。肩关节为多轴球窝关节，几乎四面都被肌肉包围，其解剖学特征使其能够在所有平面上进行大弧度运动。手部结构的特化功能尤为明显。由于手指（主要是拇指）的发育，手部形成了能够执行精细、分化动作的复杂器官。

下肢承担了全身的重量，其功能完全依赖于肌肉骨骼。身体的垂直姿势和直立姿势反映在带状物（骨盆）和下肢自由段的结构和功能上。下肢带状物（骨盆带）是一个坚固的拱形结构，能够将躯干、头部和上肢的重量转移到股骨头上。在人类进化过程中形成的45-65°骨盆倾斜有助于在最有利于身体垂直姿势的生物力学条件下将身体重量转移到自由的下肢。足部获得了拱形结构，这增强了其承受身体重量的能力，并在移动身体时充当灵活的杠杆。下肢肌肉发达，能够承受静态和动态负荷。与上肢肌肉相比，下肢肌肉的质量更大。

下肢肌肉拥有广泛的支撑面和肌肉力量的施加。下肢肌肉比上肢肌肉更大、更强壮。下肢伸肌比屈肌更发达。这是因为伸肌在维持身体直立和运动（行走、跑步）中起着重要作用。

在手臂中，肩部、前臂和手部的屈肌集中在前侧，因为手部所做的功是在身体前方完成的。抓握动作由手部完成，而手部受屈肌数量的影响比伸肌更多。上肢的旋转肌（旋前肌、旋后肌）也比下肢的多。上肢的旋转肌比下肢发达得多。手臂的旋前肌和旋后肌的质量与上肢其他肌肉的质量比为1:4.8。下肢的旋转肌与其他肌肉的质量比为1:29.3。

由于下肢在静态和动态负荷下表现出更大的力量，因此下肢的筋膜和腱膜比上肢发达得多。下肢具有额外的机制，有助于保持身体处于垂直位置并确保其在空间中运动。下肢带几乎不动地连接到骶骨，是躯干的天然支撑。髋关节高度发达的髂股韧带和强健的肌肉可以防止骨盆向后倾斜到股骨头上的趋势。此外，身体重力的垂直线通过膝关节横轴的前方，在机械上有助于将膝关节保持在伸展位置。

在踝关节水平，站立时，胫骨和距骨关节面之间的接触面积增加。这是因为内外踝关节包围着距骨块前部较宽的部分。此外，左右踝关节的额轴彼此呈向后倾斜的角度。身体的垂直重力相对于踝关节向前传递。这导致距骨块前部较宽的部分被内外踝关节夹住。上肢关节（肩、肘、腕）没有这样的制动机制。

躯干的骨骼和肌肉，尤其是支撑头部、上肢以及胸腔和腹腔器官的中轴骨骼——脊柱，在人类进化过程中经历了深刻的变化。随着直立姿势的形成，脊柱形成了弯曲，强健的背部肌肉也得到了发展。此外，脊柱与下肢带（以及骨盆带）形成一对强健的骶髂关节，几乎无法活动。从生物力学的角度来说，骶髂关节负责将躯干的重量分配到股骨头（下肢）。

除了解剖因素——人类进化过程中发展起来的下肢和躯干的结构特征，以保持身体直立，确保稳定的平衡和动力之外，还应特别注意身体重心的位置。

人体的重心（GC）是身体各部位所有重力合力的作用点。根据MF Ivanitsky的说法，GC位于IV骶椎水平，投射到耻骨联合上方的身体前表面。GC相对于身体纵轴和脊柱的位置取决于年龄、性别、骨骼、肌肉和脂肪沉积。此外，由于白天和夜间身体活动不均匀导致脊柱缩短或伸长，GC的位置也会每天波动。对于老年人来说，GC的位置还取决于姿势。男性的胃底位于腰椎III至骶椎V的水平，女性的胃底比男性低4-5厘米，相当于腰椎V至尾椎I的水平。这尤其取决于女性骨盆和臀部区域的皮下脂肪沉积量高于男性。新生儿的重心位于胸椎V-VI的水平，然后逐渐（到16-18岁）向下并略微向后移动。

人体重心的位置也取决于体型。长体型（乏力型）的人，重心位置相对较低，短体型（高位型）的人则相对较低。

研究结果表明，人体重心通常位于第二骶椎水平。重心铅垂线位于髋关节横轴后方5厘米处，大转子连线后方约2.6厘米处，踝关节横轴前方3厘米处。头部重心位于寰枕关节横轴略前方。头部和躯干的共同重心位于第十胸椎前缘中点水平。

为了在平面上保持人体的稳定平衡，从重心落下的垂线必须落在双脚所占的面积上。身体站立得越稳，支撑面积就越大，重心就越低。对于人体的垂直姿势来说，保持平衡是主要任务。然而，通过收紧相应的肌肉，即使重心的投影超出支撑面积（例如身体强烈前倾、向两侧倾斜等），人也可以在一定范围内保持身体的各种姿势。同时，站立和移动人体并不能被认为是稳定的。由于腿相对较长，人的支撑面积相对较小。由于人体的整体重心位置相对较高（在第二骶椎水平），而支撑面积（两个脚底及其之间的空间）较小，因此身体的稳定性非常小。在平衡状态下，身体依靠肌肉收缩的力量保持平衡，从而防止跌倒。身体的各个部位（头部、躯干、四肢）都占据着与其自身相对应的位置。然而，如果身体部位的比例被打乱（例如，手臂向前伸展、站立时脊柱弯曲等），其他部位的位置和平衡也会随之改变。肌肉动作的静态和动态力矩与身体重心的位置直接相关。由于整个身体的重心位于连接髋关节中心的横线后方，即第二骶椎的位置，因此，发达的肌肉和韧带能够增强髋关节的力量，从而抵抗躯干（以及骨盆）向后倾斜的趋势。这确保了整个上半身的平衡，而上半身则依靠双腿保持直立。

站立时身体容易向前倾倒，是因为重心垂直线从踝关节横轴向前移动了3-4厘米。腿部后侧肌肉的作用是阻止身体向前倾倒。如果重心垂直线进一步向前移动，到达脚趾，那么通过收缩腿部后侧肌肉，脚跟就会抬起，离开支撑面，重心垂直线向前移动，脚趾就能提供支撑。

除了支撑之外，下肢还发挥运动功能，使身体在空间中移动。例如，在行走时，人体会向前移动，交替地依靠一条腿和另一条腿。在这种情况下，双腿会交替进行类似钟摆的运动。行走时，在某一时刻，一条下肢处于支撑状态（后），另一条下肢处于自由状态（前）。每迈出一步，自由腿就成为支撑腿，而支撑腿则向前移动并处于自由状态。

行走时下肢肌肉收缩会显著增加足底曲度，包括其横弓和纵弓的曲度。同时，此时躯干略微向前倾斜，骨盆也随之向股骨头方向倾斜。如果第一步从右脚开始，那么右脚跟、脚底中部和脚趾会抬高到支撑面以上，右腿髋关节和膝关节会弯曲并向前移动。与此同时，这一侧的髋关节和躯干也会跟随自由腿向前移动。这条（右）腿在大腿股四头肌的有力收缩下，膝关节伸直，接触到支撑面，成为支撑点。此时，另一条左腿（在此之前是后侧支撑腿）脱离支撑面，向前移动，成为前侧自由腿。此时，右腿仍留在后侧作为支撑腿。身体与下肢一起向前并略微向上移动。因此，双肢按照严格规定的顺序交替进行相同的动作，先用一侧支撑身体，然后用另一侧支撑身体，并将其向前推。然而，在行走过程中，双腿不会同时离开地面（支撑面）。前肢（自由）总是能够在后肢（支撑）完全离开支撑面之前用脚后跟触到支撑面。这就是行走与跑步和跳跃的不同之处。同时，在行走时，双腿会同时接触地面，支撑腿接触整个脚底，自由腿接触脚趾。行走速度越快，双腿同时接触支撑面的时间越短。

追踪行走过程中重心位置的变化，可以观察到整个身体在水平面、额状面和矢状面上向前、向上和向侧面的运动。最大的位移发生在水平面上向前。上下位移为3-4厘米，向侧面（侧向摆动）位移为1-2厘米。这些位移的性质和程度会有很大波动，取决于年龄、性别和个体特征。这些因素的结合决定了步态的个体性，而步态会受到训练的影响而改变。平均而言，正常的平静步长为66厘米，耗时0.6秒。

当步行加速时，步伐就变成了跑步。跑步与步行不同，跑步需要交替支撑，先用一只脚接触支撑面，然后再用另一只脚接触支撑面。

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