圆盘压缩力平行作用的力
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圆盘压缩力平行作用的力
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尽管已经发布了一般安全指南[17]，但与青少年背包问题相关的研究仍然非常有限，部分原因是下背部问题的复杂性和多因素性，以及不同背包的人体测量和形状/重量的很大程度的可变性。沉重的背包主要通过在躯干上施加外力和扭矩，与内部因素和个人特征相互作用，从而对个人产生更大的内部负荷，改变姿势甚至步态，变得不自然。准确的腰痛模拟应考虑到外部负荷和内部负荷的影响，包括个体人体特征、脊柱结构、脊柱负荷模型、躯干运动学如身体姿势，同时考虑人体人体测量数据(身高、体重分布、节段尺寸、年龄、生理性别等)[18]。

另一方面，直接和经验性地测量施加在下背部，特别是纤维软骨腰椎椎间盘上的压力几乎是不可能的。这种物理措施可能是手术侵入性的，不可行的，并且对参与者构成风险和危险。作为替代方案，生物力学模型和模拟提供了一种准确、安全、有效的方法来研究各种外力对人体肌肉骨骼系统的影响。生物力学模拟将物理科学和工程科学的发现和知识与人类生理学、生物学和行为科学的原理相结合，以建议保护免受这些负荷造成的伤害和失调[19]。生物力学模型先前已被用于建模和预测下背部疼痛[18]。

青少年作为一个独特的人群，对负重背包对青少年的影响的认识仍然有限，而且大多数的分析都集中在对现有的商业背包的评价上。很少有研究采取进一步措施，利用生物力学建模来模拟提出的新型设计的有效性，以积极帮助减轻施加在椎间盘上的力，从而缓解慢性腰痛。为了早期预防腰痛，需要基于生物力学模型的综合分析，并根据这些模型得出的结果改进目前的背包设计。

2方法
2.1问题描述
本研究的目的是利用生物力学模拟模型来研究脊柱上的应力/应变，特别是腰椎椎间盘L4-L5和L5-S1，以及学生背包重量和不同站立姿势引起的肌肉骨骼系统。比较和分析椎体背部外部支撑如何减轻可能的损伤和过度的应力，以提出和建模适用于当前功能学生背包的概念性外部结构，提供足够的支撑，加强健康，正常的站立姿势，减少和预防可能的肌肉骨骼疾病，脊柱损伤，变形等。

据推测，如果用数学方法分析沉重的背包磨损对腰椎间盘造成的与人体体重不成比例的压力，以及可能减轻压力的外部结构，那么根据先前分析得出的元素所提出的结构，它提供了额外的背部支撑，将能够维持健康的站立姿势，并大大减少腰椎间盘的压力。这将有效地防止突出，肿胀，压缩，以及沉重背包对脊柱区域和附近组织造成的伤害，因为概念模型将强制直线，垂直对齐，而不是在躯干上向前倾，并推动腰部向前以保持最佳姿势。此外，一个由手操作的枢轴，从把手往下推延伸到前面，以减少背部的重量，也可以减轻沉重的背包压缩脊柱造成的压力。

因此，该项目的最终目标是开发和测试一个理论生物力学模型，以模拟背包佩戴过程中的受力，以比较新提出的原型设计的效率，该设计旨在减轻脊柱受力，与之前现有的传统学生背包(第一阶段)。达到效率的设计标准需要大幅度减少作用在L4-L5和L5-S1腰椎间盘上的压缩和剪切力。然后，对人体受试者进行概念验证试验，将物理构建的原型与传统背包设计进行对比，验证动态环境下的工程设计原理2.2生物力学模型
为了开始创建一个精确到一定程度的模型，代表了对站立的人体和马车负载作为一个系统的完整理解，该模型将在人体的矢状面(将身体分为对称的左右组件的解剖边界)中作为参考点来研究所涉及的力。

图1显示了背包水平的生物力学模型。

图1所示。生物力学模型开发的模拟在背包水平。H1:背包长度，h2:背包深度;W:背包重量;H3:背包顶部到肩部的距离;T1、T2:背包背带受力;TB:作用于背包接触点到躯干的力;θ1， θ2， α:背带和背包与参考轴的角度。

根据牛顿定律，在背包水平，平衡条件要求

（1)
所以我们有

（2)
和

（3）
给定背包重量和尺寸的值，我们可以推导出肩膀上的力的值。

肩关节处的生物力学模型如图2所示。

图2所示。肩关节处的生物力学模型。𝑇S:肩对背包背带的反作用力;𝑇SY，𝑇SZ: y轴和z轴上的力分量;𝜃1，𝜃2:皮带与参考轴的角度。

在肩膀的高度，根据牛顿定律，

（4）
图3显示了背包水平的生物力学模型

图3所示。下背部L5/ s1水平的生物力学模型。𝐹m:下背部的肌肉力量;𝐹c:压缩力;𝐹s:纯粹的力量;𝑏，:重心和外力到下背部的距离;β:剪切力与水平轴的夹角;:肌肉力到脊柱的距离。

（5)
或

（6）
与圆盘压缩力平行作用的力可以描述为

（7）
或

（8）
通过L5/S1圆盘的反力可以用类似的平衡条件求解。

(9）
或

（10）
2.3生物力学模拟