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中科院力學(xué)所
間盤(pán)突出癥和力學(xué)
力學(xué)園地
2016年01月04日間盤(pán)突出癥和力學(xué)
武際可
提要從梁和柱的受力分析，聯(lián)系到脊柱的受力。結(jié)論是，為了保護(hù)脊椎不受傷，要盡量使脊柱作為柱承受壓力。文章分析了椎間盤(pán)突出癥的病理和建議保護(hù)脊椎的負(fù)重姿勢(shì)。還建議平時(shí)應(yīng)當(dāng)注意保護(hù)脊柱，注意坐臥的姿勢(shì)。關(guān)鍵詞 梁；柱；脊椎；椎間盤(pán)突出癥；負(fù)重姿勢(shì)
著名劇作家沙葉新說(shuō)到他妻子有下面一段話:我妻子生病，我和她開(kāi)玩笑，我說(shuō)：“你呀，一輩子平平淡淡，啥也不突出；退休之后倒突出了，可你突出的不是地方，腰椎間盤(pán)突出!”妻子氣得呀直捶我。腰椎間盤(pán)突出很痛苦。醫(yī)生說(shuō)，如果躺著的時(shí)候，腰椎承受的壓力是0的話，站著則是1，坐著卻是8。所以這種病人是真正的坐立不安，只能靜臥；尤其是不能坐，每天只能在床上水平地橫著或在地上筆直地豎著，我說(shuō)她現(xiàn)在過(guò)的是“橫豎橫”日子。“橫豎橫，拆牛棚”，很厲害，所以如今遇事我都讓著她一點(diǎn)。
說(shuō)起來(lái)要了解椎間盤(pán)突出，還需要了解一點(diǎn)有關(guān)的力學(xué)知識(shí)。
下面這幅圖畫(huà)的是人的脊椎。有的書(shū)上管它叫脊柱，老百姓的口語(yǔ)中管它叫脊梁。到底是“脊柱”還是“脊梁”，一字之差，很是耐人尋味。
從力學(xué)的角度來(lái)看“柱”和“梁”雖然形狀一樣，都是一根柱體，由于它們所受的外力不同，就得到不同的名稱(chēng)。柱是承受軸向外力的，而梁是承受垂直于桿軸的外力的，亦即承受橫向加載的外力的。
圖1 脊柱
圖2 柱和梁
在圖2上，左邊是一個(gè)柱承受的壓力，而右邊是一根懸臂梁。外力F是一樣大。設(shè)這根柱和梁的橫截面都是矩形，其寬度是b高為h，并設(shè)它們都是有同一材料組成的。由材料力學(xué)我們知道，兩種情形，截面上的最大應(yīng)力[ ]可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得到。
對(duì)于柱的情況[ ] =F/(bh)，因?yàn)檫@時(shí)柱的橫截面上受力是均勻的，所以應(yīng)力是外力F簡(jiǎn)單地用截面積去除。應(yīng)力沿整個(gè)截面和桿長(zhǎng)都是均勻的。
對(duì)于梁的情況[ ]=6l/(h）F/(bh)，這種情形，截面上的應(yīng)力有拉力也有壓力，所以最大應(yīng)力比起柱的情況要增大6l/(h）倍。就是說(shuō)如果l比h大10 倍的情形，則這時(shí)受同樣大小的外力，梁的最大應(yīng)力應(yīng)當(dāng)是柱的60倍！而且最大應(yīng)力的位置是在梁的根部。
這就是說(shuō)，在相同的截面的梁與柱，一般情況下，柱的承載能力要大得多。所以俗話說(shuō)“立柱支千斤”。
這也就是說(shuō)，在給定橫截面的梁上，要降低梁的最大應(yīng)力，最重要的因素就是要降低承力點(diǎn)到梁根部的距離l。因?yàn)閘與最大應(yīng)力是線性相聯(lián)系的，最大應(yīng)力大了便會(huì)引起梁的破壞。
現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看脊柱，由于人體是經(jīng)?；顒?dòng)的，所以脊柱有時(shí)是作為柱來(lái)承受外力的，比方說(shuō)在人直立、或端坐的狀態(tài)就是這種情況；有時(shí)脊柱又作為梁來(lái)承受外力的，例如，人在彎腰拾取重物時(shí)，這時(shí)上體的自重和重物的重力都是垂直于脊柱的軸線的。從前面的簡(jiǎn)單討論，我們知道，除了人在平躺的情況外，脊柱還是作為立柱時(shí)在脊柱內(nèi)引起的最大應(yīng)力較小。脊柱最大負(fù)擔(dān)，亦即引起局部最大應(yīng)力，還是當(dāng)人處于彎腰負(fù)重的情況。這時(shí)，脊柱大致上就表現(xiàn)為一根懸臂梁，為了保護(hù)脊柱，這時(shí)需要多加小心。
因此，人類(lèi)在很長(zhǎng)的歷史演進(jìn)中，已經(jīng)學(xué)會(huì)了在負(fù)重時(shí)盡量使脊柱作為支柱來(lái)承載。如圖許多人采用頭頂負(fù)重，或者用肩挑負(fù)重，都是使重物的重力大致是沿著脊柱作用，使脊柱作為支柱，只簡(jiǎn)單地承受壓力。這種負(fù)重的辦法是很科學(xué)的，它既能夠承受更多的重量，又能夠保護(hù)脊柱不受傷害。
圖3 頭頂重物
圖4 肩挑擔(dān)子
然而，我們前面從力學(xué)的角度來(lái)看脊柱，未免過(guò)于簡(jiǎn)單。人的脊柱畢竟不是一根僵直的棍棒，而是如圖1 所示由一節(jié)一節(jié)的脊椎骨組成的，在每?jī)晒?jié)脊椎骨之間，又墊著一層椎間盤(pán)。它們是由中央部富于彈性的膠狀物質(zhì)的髓核，和周?chē)嵌鄬?a target="_blank">纖維環(huán)按同心圓排列易于變形的軟骨構(gòu)成的。只有這樣，脊柱才能夠自由彎曲，而不是僵直的。也正是脊柱構(gòu)造的這一特點(diǎn)，它和嚴(yán)格的力學(xué)中的“梁”是很不同的。最大的不同，就是它能夠很好地承受壓應(yīng)力，而不能承受拉應(yīng)力。我們知道，嚴(yán)格力學(xué)上的梁在承受彎曲的時(shí)候，截面上有一部分承受壓力而另一部分承受拉力。但是脊柱在承受彎曲時(shí)，例如彎腰負(fù)重時(shí)，有壓力也會(huì)有拉力，壓力就由脊柱本身承受，而拉力部分，只能由脊柱旁邊的腰肌來(lái)承受了。
脊柱和嚴(yán)格力學(xué)上的梁還有一個(gè)區(qū)別是，脊柱作為梁的組成材料是生物組織。它的行為與時(shí)間關(guān)系很大，在脊柱彎腰負(fù)重時(shí)，背肌承受拉力，時(shí)間稍長(zhǎng)，肌肉就會(huì)疲勞不能繼續(xù)支持。即使脊椎和椎間盤(pán)本身，承力的時(shí)間一長(zhǎng)，也會(huì)產(chǎn)生顯著變形和損傷。
注意到脊柱的這兩點(diǎn)特點(diǎn)，我們會(huì)有脊柱的兩種常見(jiàn)的損害。
一種是，當(dāng)你彎腰負(fù)重時(shí)，所要搬動(dòng)的物體比較重，超過(guò)了你的能力。實(shí)際上是你的背肌不夠強(qiáng)，被拉長(zhǎng)了，這時(shí)脊柱所受的壓力是脊柱的前邊應(yīng)力大后部應(yīng)力小，椎間盤(pán)被擠到后邊去，而后邊的纖維組織會(huì)被壓裂而使髓核從脊椎的后方突出。我們知道在彎腰負(fù)重時(shí)，人脊柱類(lèi)似于懸臂梁承重，而懸臂梁的應(yīng)力是它的根部最大，所以這種突出大多發(fā)生在脊椎的最后一節(jié)上，即第五腰椎上。我們又知道脊柱后面的椎管里有神經(jīng)，而第五腰椎出發(fā)的左右兩條坐骨神經(jīng)分別延伸到左右兩條腿上。突出的椎間盤(pán)會(huì)和某一條坐骨神經(jīng)相摩擦，使這條神經(jīng)慢性發(fā)炎，這就構(gòu)成坐骨神經(jīng)痛。這是一種很常見(jiàn)的勞動(dòng)損傷。俗稱(chēng)腰腿疼。嚴(yán)重時(shí)受傷者只能臥床休息而失去勞動(dòng)力。前面說(shuō)的沙葉新的夫人大概就是這種情況。下圖示意椎間盤(pán)突出的病變。
圖5 椎間盤(pán)突出示意
為了避免這種損傷，首先是對(duì)于所要搬動(dòng)的重物要衡量一下，是不是一個(gè)人搬得動(dòng)。不做超過(guò)自己能力的事。其次在搬動(dòng)時(shí)要姿勢(shì)正確，要使重力對(duì)脊柱所形成的力矩盡量小。也就是說(shuō)讓重力作用線與脊柱的軸線距離盡量小，這相當(dāng)于減小圖2中的l。下面四幅圖中左邊兩幅的姿勢(shì)是正確的，而右邊的兩幅是不正確的，因?yàn)楹笳叩膌相對(duì)要大許多。注意左下邊的那幅，那個(gè)人讓重物靠在腹部，重物對(duì)脊柱的力矩就會(huì)減小到最小的程度。在文革中許多知識(shí)分子被下放到農(nóng)村做體力勞動(dòng)，由于不熟悉這些勞動(dòng)中的竅門(mén)，所以很多人用力不當(dāng)，得了這種腰腿疼的病。
圖6 搬動(dòng)重物的姿勢(shì)
其次，即使我們并沒(méi)有負(fù)重，但是由于姿勢(shì)不正確。這時(shí)雖然脊柱所擔(dān)負(fù)的力矩很小，但是由于我們的脊柱和肌肉組織是不能承受很長(zhǎng)時(shí)間的，所以即使負(fù)重很小但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)造成脊柱的病變。例如由于躺著的姿勢(shì)不正確或長(zhǎng)時(shí)間在電腦前工作，或者長(zhǎng)時(shí)間蹲著，會(huì)造成頸椎和腰椎病變。還例如，長(zhǎng)期小學(xué)生曾經(jīng)用單側(cè)背的書(shū)包，后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致脊柱歪曲，才普遍改用如現(xiàn)今用的雙肩背書(shū)包。下面這兩幅圖，他們的姿勢(shì)就不正確，會(huì)造成頸椎或腰椎病變。因?yàn)闀r(shí)間長(zhǎng)了，他們的肌肉會(huì)松弛，脊柱長(zhǎng)時(shí)間維持一個(gè)姿勢(shì)就會(huì)產(chǎn)生“流變”，是一種不可恢復(fù)的變形。有時(shí)肌肉長(zhǎng)時(shí)間緊張還會(huì)產(chǎn)生肌肉勞損。在需要較長(zhǎng)時(shí)間彎腰時(shí)，最好把一支胳膊支撐在膝蓋上；在需要較長(zhǎng)時(shí)間做蹲位勞動(dòng)時(shí)，例如人們?cè)诓恋匕鍟r(shí)的情形，這時(shí)最好采取爬行在地板上的姿勢(shì)，它會(huì)使脊柱的負(fù)擔(dān)減小許多。
圖7 長(zhǎng)期這樣的姿勢(shì)有可能導(dǎo)致脊柱病變
可見(jiàn)，懂一點(diǎn)力學(xué)，對(duì)于保護(hù)你的脊柱的健康是很有好處的。
注：文中的插圖大多來(lái)自網(wǎng)上。