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生物力学是研究生物体的力学问题，运用物理定律及工程学概念，来描述正常和异常活动时身体不同阶段进行的活动和作用在该部位的力，以及运动与力的相互关系，是制订合理治疗方案的基础之一。
1.骨的强度和刚度
骨的强度和刚度是骨的重要力学特性，受以下几个因素的影响。
（1）肌肉收缩可改变骨骼的应力分布。肌肉收缩产生的压应力，可以减少或抵消骨骼的上拉应力，从而使骨骼免受拉伸骨折，加强了骨骼的强度。
（2）载荷速度的影响。骨骼的能量储存，随加速度的增加而增加，刚度也增加。
（3）骨骼的尺寸和形状。骨骼的横截面积及骨组织在中性轴周围的形状，均影响骨骼的强度。
2.骨损伤时强度和刚度的影响因素
（1）骨折愈合。初期形成骨痂袖，增大了横截面积，使骨组织的中轴分布增多，增加了骨的强度。
（2）骨的手术处理。骨缺损会使骨强度大大降低。而通常采用的DCP钢板内固定，实际上是骨卸载，日久必出现骨萎缩。骨直径减少20%，骨扭转强度减少60%。
（3）骨重建。骨重建是骨的一种适应，由于活动减少或制动，骨不承受通常的机械应力而出现骨膜下的吸收，从而降低了骨的强度和刚度。
（4）老年化的退行性变。正常老年化的结果是松质骨骨小梁逐渐变薄，甚至有很多被吸收；皮质骨直径和厚度减少，使强度减低。
3.重复负荷下的骨疲劳
与3个因素有关：负荷大小、重复次数及负荷速度。低负荷高重复次数和高负荷低重复次数都可能引起疲劳骨折。但是由于骨有自我修复能力，因此只有疲劳进程超过了重建进程，才出现疲劳骨折。
关节软骨的主要功能是：负荷扩散，以减少接触应力；使对应的关节面以最小摩擦力和磨损进行相应运动。这些功能的完成与关节软骨的生物力学性能有密切关系。
1.关节软骨的生物力学特性
关节软骨是多孔介质，是具有固体有机基质和水。承受负荷时，影响软骨性能的因素是固体基质的材料性能及其渗透压。软骨压缩变形，使糖蛋白分子溶解度降低，随之产生局部压力的增高迫使液体从组织内渗出。这两种机制在正常关节软骨同时起作用。
2.润滑
滑液关节的承载情况复杂，有轻负荷高速的运动、短时间冲击大负荷和固定的稳定负荷。任何单一的润滑机制都不可能同时满足这样复杂的要求。关节的润滑机制分为以下几种。
（1）界面润滑
在重负荷下，滑液可作为界面润滑剂起作用。而吸附在软骨表面上的单层大分子，可能是透明质酸蛋白复合体。
（2）液膜润滑
在负荷不重、上下波动或速度很快的时候，这种为主要作用。由液膜内的压力支撑负荷。
① 如果承载面作切线运动，则承载面的形状能够使液体聚集成楔形，那么液体可借粘度被拉入承载面的间隙，从而产生一种上举的力量。这就是液动润滑。
② 如果两个承载面作垂直的运动时，液体就从二者之间的间隙中被挤出来。由于液体具有粘性和惯性，因此需要在液膜中产生足够的压力，才能将润滑剂挤出。这就是挤压润滑机制，这种机制能够在短期内承受很高的负荷。
③ 在挤压膜和液动润滑时，液膜的厚度、范围和承载能力只取决于润滑剂的粘度、液膜的几何形状，以及承载面的相对速度。但是关节软骨会因为液膜给与的压力而使接触面明显变形，有利于改变液膜的几何形状和接触范围，使润滑剂的排出有更大的限制，因而形成一个更坚固、更持久的膜。这就是弹性液动润滑或弹性挤压膜机制。
（3）由于关节是一种多孔的充满液体的可渗透的特殊结构，使关节软骨有一种能使基质的液体强迫性循环的机制。当关节旋转，负荷越过关节面的时候，液体从接触区域软骨的前下方挤出，一旦峰值应力区通过某一点后，液体又重新被吸收回去，这种方式同时有助于软骨的营养。
（4）还有的学者提出增压润滑机制，认为在两个软骨面相互接近时，水和溶质分子可以通过软骨面之间的间隙，而组织间液中的大分子透明质酸聚合物从中排出越来越困难。通过这种超滤过程，可以提供厚约1微米的高粘度的浓缩凝胶。
3.磨损
磨损指通过机械作用将材料从固体表面磨掉。磨损分为两种：由两承载面相互作用引起的界面磨损；由接触体变形引起的疲劳磨损。界面磨损包括粘合与研磨，如两面的固体接触结合大于下面的材料，则发生粘合磨损，碎片会一面磨掉粘到另一面。老年或骨关节病的软骨中，一旦出现软骨面超微结构的损伤和物质消耗，则软骨表层变得更软，渗透性更大，从而导致润滑机制减弱，及软骨面凹凸不平点的固体接触，进而加剧研磨过程。疲劳磨损即使在润滑面良好的情况下，因为周期性重复变形，也可能发生。主要机制有两种：一是胶原或糖蛋白基质因为反复受压力而被破坏，最普遍的一个假设是：软骨疲劳起因于胶原纤维支架的拉伸衰竭。二是正常关节反复承载，将使固体基质的液体反复地渗出和吸入，可引起糖蛋白从邻近关节面的软骨基质中减少。
骨骼系统周围的胶原组织是韧带、肌腱和皮肤。由3种纤维组成：胶原纤维（提供强度和刚度）、弹力纤维（提供延展性）、网织纤维（提供容积）。
1.胶原的力学特性
负荷条件下，胶原的特性受3种因素影响。
（1）胶原的结构取向。
（2）胶原纤维和弹力纤维的特性。
（3）胶原纤维和弹力纤维之间的比例。
2.韧带
韧带具有稳定关节、支配关节的运动并防止运动过量的作用。决定韧带强度的因素有以下几个。
（1）韧带的尺寸和形状。
（2）胶原纤维和弹力纤维的比例。
（3）载荷速度。韧带的横截面积影响其速度，与载荷方向取向一致的纤维数越多越宽越厚，韧带的强度越大。
韧带组织大多数由胶原纤维组成。应变超过6%～8%（屈服点）之后，胶原纤维出现进行性破坏。但是如脊柱中的两个韧带：项韧带和黄韧带，由2/3的弹力纤维组成，几乎完全表现弹性。而且韧带同骨一样，其刚度和强度随着载荷速度的增加而增大。
在人体内，必须把韧带看作是骨—韧带—骨复合体中的一环来分析。载荷速度和持续时间对它的影响，在估计关节损伤和治疗各种关节疾病方面有很大的临床意义。
（1）关节长时期内承受恒定的低负荷时，软组织发生缓慢变形，即蠕变。利用这种现象，可以有效地治疗某些畸形。
（2）载荷速度的影响。在拉伸破坏时呈现复杂的力学特性。实验证实：慢速下，韧带的骨性止点是最薄弱的环节；而快速载荷下，最薄弱的部位是韧带。
（3）韧带重塑。运动的影响，使正常的韧带同骨一样，能够根据力学需要进行重建。
3.肌腱
肌腱使肌肉附着到骨或筋膜上，并把拉伸载荷从肌肉传递到骨或筋膜，从而引起关节运动。负重时，肌腱的性能几乎与韧带相同，也应把肌腱考虑为肌肉—肌腱—骨骼系统的一个环节。活动时肌腱承受的应力值，受到两个因素的影响：与肌腱连接的肌肉收缩量；肌腱尺寸对其肌肉尺寸的比值。肌肉收缩，肌腱上的应力值增加，应力过大时，容易引起肌腱断裂。肌肉产生的力量取决于它的生理横截面积，同样，肌腱的横截面积越大，能承受的负荷也就越大。一般来说，健康肌腱的拉伸强度是其肌肉强度的2倍，因此肌肉损伤比肌腱损伤更为常见。但是，由于肌腱血液循环差，易于变形，而使其强度明显下降。所以，在运动员中，所有的跟腱断裂病例都伴有腱组织的变性。