脊椎上的力学

下面这幅图画的是人的“脊椎”（见图1），这是医学上的名词。有的书上管它叫“脊柱”，老百姓的口语中管它叫“脊梁”。到底是“脊柱”还是“脊梁”？一字之差，很是耐人寻味。从力学的角度来看，“柱”和“梁”虽然形状一样，都是一根柱体，由于它们所受的外力不同，就得到不同的名称。柱是承受轴向外力的，而梁是承受垂直于杆轴的外力的，亦即承受横向加载的外力的（见图2）。

由于人体是经常活动的，所以脊柱有时是作为柱来承受外力的，比方说在人直立或端坐的状态就是这种情况；有时脊柱又作为梁来承受外力的，例如，人在弯腰拾取重物时，这时上体的自重和重物的重力都是垂直于脊柱的轴线的。从前面的简单讨论我们知道，除了人在平躺的情况外，当脊柱作为立柱时在脊柱内引起的最大应力较小。脊柱最大负担，亦即引起局部最大应力，则是当人处于弯腰负重的情况。这时，脊柱大致上就表现为一根悬臂梁。因此，为了保护脊柱，这时需要多加小心。人类在很长的历史演进中，已经学会了在负重时尽量使脊柱作为支柱来承载。如图3、图4所示，许多人采用头顶负重或者用肩挑负重，都是使重物的重力大致是沿着脊柱的轴线方向作用，使脊柱作为支柱，只简单地承受压力。这种负重的办法是很科学的，它既能够承受更多的重量，又能够保护脊柱不受伤害。

我们前面从力学的角度来看脊柱，未免过于简单。人的脊柱毕竟不是一根僵直的棍棒，而是如图1所示，由一节一节的脊椎骨组成的，在每两节脊椎骨之间，又垫着一层椎间盘。它们是由中央部富于弹性的胶状物质的髓核，和周围是多层纤维环按同心圆排列易于变形的软骨构成的。只有这样，脊柱才能够自由弯曲，而不是僵直的。也正是脊柱构造的这一特点，它和严格的力学中的“梁”是很不同的。最大的不同，就是它能够很好地承受压应力，而不能承受拉应力。我们知道，严格力学意义上的梁在承受弯曲的时候，截面上有一部分承受压力而另一部分承受拉力。但是脊柱在承受弯曲时，例如弯腰负重时，有压力也会有拉力，压力就由脊柱本身承受，而拉力部分，只能由脊柱旁边的腰肌或背肌来承受了。脊柱和严格力学意义上的梁还有一个区别是，脊柱作为梁的组成材料是生物组织。它的行为与时间关系很大，在脊柱弯腰负重时，背肌承受拉力，时间稍长，肌肉就会疲劳不能继续支持。即使脊椎和椎间盘本身，承力的时间一长，也会产生显著变形和损伤。