114年:物治基礎(2)

下列那種形狀的骨頭,在相同外力下,較能抵抗彎矩(bending)負載?

A骨骼長度較長,骨骼組織分布較接近中性軸(neutral axis)
B骨骼長度較短,骨骼組織分布較接近中性軸(neutral axis)
C骨骼長度較長,骨骼組織分布較遠離中性軸(neutral axis)
D骨骼長度較短,骨骼組織分布較遠離中性軸(neutral axis)

詳細解析

本題觀念:

本題主要測驗生物力學(Biomechanics)中關於骨骼抗彎曲能力的兩個核心物理概念:彎矩(Bending Moment)面積慣性矩(Area Moment of Inertia, II

  1. 彎矩(Bending Moment, MM

    • 公式:M=F×LM = F \times L(力 ×\times 力臂長度)。
    • 當施加相同的外部力量(FF)時,骨骼的長度(LL)越長,所產生的彎矩(MM)就越大。彎矩越大,骨骼內部承受的應力(Stress)就越大,越容易發生彎曲變形或斷裂。
    • 反之,骨骼長度越短,產生的彎矩越小,骨骼承受的力學負擔較輕,因此較能抵抗外力造成的破壞。
  2. 面積慣性矩(Area Moment of Inertia, II

    • 定義:描述截面抵抗彎曲變形能力的幾何性質。其值與質量(骨組織)分布相對於中性軸(Neutral Axis)的距離平方成正比(I=y2dAI = \int y^2 dA)。
    • 中性軸是彎曲時應力為零的軸線。
    • 為了抵抗彎矩,骨骼組織若分布在遠離中性軸的位置(例如長骨的中空管狀結構),其 II 值會顯著增加。II 值越大,骨骼越硬挺(Stiffn

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