【科普文章】椎間盤突出症和力學

摘要：從梁和柱的受力分析，聯繫到脊柱的受力。結論是，為了保護脊椎不受傷，要儘量使脊柱作為柱承受壓力。文章分析了椎間盤突出症的病理和建議保護脊椎的負重姿勢。還建議平時應當注意保護脊柱，注意坐臥的姿勢。

關鍵詞：梁，柱，脊椎，椎間盤突出症，負重姿勢

著名劇作家沙葉新說到他妻子有下面一段話:我妻子生病，我和她開玩笑，我說：「你呀，一輩子平平淡淡，啥也不突出；退休之後倒突出了，可你突出的不是地方，腰椎間盤突出!」妻子氣得呀直捶我。腰椎間盤突出很痛苦。醫生說，如果躺著的時候，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，我說她現在過的是「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。

說起來要了解椎間盤突出，還需要了解一點有關的力學知識。

下面這幅圖畫的是人的脊椎。有的書上管它叫脊柱，老百姓的口語中管它叫脊梁。到底是「脊柱」還是「脊梁」，一字之差，很是耐人尋味。

從力學的角度來看「柱」和「梁」雖然形狀一樣，都是一根柱體，由於它們所受的外力不同，就得到不同的名稱。柱是承受軸向外力的，而梁是承受垂直於杆軸的外力的，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，左邊是一個柱承受的壓力，而右邊是一根懸臂梁。外力F是一樣大。設這根柱和梁的橫截面都是矩形，其寬度是b高為h，並設它們都是有同一材料組成的。由材料力學我們知道，兩種情形，截面上的最大應力[σ]可以經過簡單的計算得到。

對於柱的情況[σ]= F/(bh)，因為這時柱的橫截面上受力是均勻的，所以應力是外力F簡單地用截面積去除. 應力沿整個截面和杆長都是均勻的.

對於梁的情況[σ] = (6l/h) *[F/(bh)]，這種情形，截面上的應力有拉力也有壓力，所以最大應力比起柱的情況要增大6l=h 倍. 就是說如果l 比h 大10 倍的情形，則這時受同樣大小的外力，梁的最大應力應當是柱的60 倍！而且最大應力的位置是在梁的根部.

就是說，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「立柱支千斤」。

這也就是說，在給定橫截面的梁上，要降低梁的最大應力，最重要的因素就是要降低承力點到梁根部的距l. 因為l與最大應力是線性相聯繫的，最大應力大了便會引起梁的破壞.

現在回過頭來看脊柱，由於人體是經常活動的，所以脊柱有時是作為柱來承受外力的，比方說在人直立、或端坐的狀態就是這種情況；有時脊柱又作為梁來承受外力的，例如，人在彎腰拾取重物時，這時上體的自重和重物的重力都是垂直於脊柱的軸線的。從前面的簡單討論，我們知道，除了人在平躺的情況外，脊柱還是作為立柱時在脊柱內引起的最大應力較小。脊柱最大負擔，亦即引起局部最大應力，還是當人處於彎腰負重的情況。這時，脊柱大致上就表現為一根懸臂梁，為了保護脊柱，這時需要多加小心。

因此，人類在很長的歷史演進中，已經學會了在負重時儘量使脊柱作為支柱來承載。如圖許多人採用頭頂負重，或者用肩挑負重，都是使重物的重力大致是沿著脊柱作用，使脊柱作為支柱，只簡單地承受壓力。這種負重的辦法是很科學的，它既能夠承受更多的重量，又能夠保護脊柱不受傷害。

圖3 頭頂重物

圖4 肩挑擔子

然而，我們前面從力學的角度來看脊柱，未免過於簡單。人的脊柱畢竟不是一根僵直的棍棒，而是如圖1 所示由一節一節的脊椎骨組成的，在每兩節脊椎骨之間，又墊著一層椎間盤。它們是由中央部富於彈性的膠狀物質的髓核，和周圍是多層纖維環按同心圓排列易於變形的軟骨構成的。只有這樣，脊柱才能夠自由彎曲，而不是僵直的。

也正是脊柱構造的這一特點，它和嚴格的力學中的「梁」是很不同的。最大的不同，就是它能夠很好地承受壓應力，而不能承受拉應力。我們知道，嚴格力學上的梁在承受彎曲的時候，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，例如彎腰負重時，有壓力也會有拉力，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承受了。

脊柱和嚴格力學上的梁還有一個區別是，脊柱作為梁的組成材料是生物組織。它的行為與時間關係很大，在脊柱彎腰負重時，背肌承受拉力，時間稍長，肌肉就會疲勞不能繼續支持。即使脊椎和椎間盤本身，承力的時間一長，也會產生顯著變形和損傷。

注意到脊柱的這兩點特點，我們會有脊柱的兩種常見的損害。

一種是，當你彎腰負重時，所要搬動的物體比較重，超過了你的能力。實際上是你的背肌不夠強，被拉長了，這時脊柱所受的壓力是脊柱的前邊應力大後部應力小，椎間盤被擠到後邊去，而後邊的纖維組織會被壓裂而使髓核從脊椎的後方突出。我們知道在彎腰負重時，人脊柱類似於懸臂梁承重，而懸臂梁的應力是它的根部最大，所以這種突出大多發生在脊椎的最後一節上，即第五腰椎上。我們又知道脊柱後面的椎管裡有神經，而第五腰椎出發的左右兩條坐骨神經分別延伸到左右兩條腿上。突出的椎間盤會和某一條坐骨神經相摩擦，使這條神經慢性發炎，這就構成坐骨神經痛。這是一種很常見的勞動損傷。俗稱腰腿疼。嚴重時受傷者只能臥床休息而失去勞動力。前面說的沙葉新的夫人大概就是這種情況。下圖示意椎間盤突出的病變。

圖5 椎間盤突出示意

為了避免這種損傷，首先是對於所要搬動的重物要衡量一下，是不是一個人搬得動。不做超過自己能力的事。其次在搬動時要姿勢正確，要使重力對脊柱所形成的力矩儘量小。也就是說讓重力作用線與脊柱的軸線距離儘量小，這相當於減小圖2中的l。下面四幅圖中左邊兩幅的姿勢是正確的，而右邊的兩幅是不正確的，因為後者的l相對要大許多。注意左下邊的那幅，那個人讓重物靠在腹部，重物對脊柱的力矩就會減小到最小的程度。在文革中許多知識分子被下放到農村做體力勞動，由於不熟悉這些勞動中的竅門，所以很多人用力不當，得了這種腰腿疼的病。

圖6 搬動重物的姿勢

其次，即使我們並沒有負重，但是由於姿勢不正確。這時雖然脊柱所擔負的力矩很小，但是由於我們的脊柱和肌肉組織是不能承受很長時間的，所以即使負重很小但時間過長也會造成脊柱的病變。例如由於躺著的姿勢不正確或長時間在電腦前工作，或者長時間蹲著，會造成頸椎和腰椎病變。還例如，長期小學生曾經用單側背的書包，後來研究發現會導致脊柱歪曲，才普遍改用如現今用的雙肩背書包。下面這兩幅圖，他們的姿勢就不正確，會造成頸椎或腰椎病變。因為時間長了，他們的肌肉會鬆弛，脊柱長時間維持一個姿勢就會產生「流變」，是一種不可恢復的變形。有時肌肉長時間緊張還會產生肌肉勞損。在需要較長時間彎腰時，最好把一支胳膊支撐在膝蓋上；在需要較長時間做蹲位勞動時，例如人們在擦地板時的情形，這時最好採取爬行在地板上的姿勢，它會使脊柱的負擔減小許多。

圖7 長期這樣的姿勢有可能導致脊柱病變

可見，懂一點力學，對於保護你的脊柱的健康是很有好處的。

註：文中的插圖大多來自網上。

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