Measurement characteristic of skeleton system of Tursiops truncatus
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摘要:
文章将收藏于广州海洋馆的瓶鼻海豚(Tursiops truncatus)标本解剖并制取骨骼标本1副，对其骨骼系统作了较为全面的测量和相关的统计分析。结果表明，瓶鼻海豚V型骨最大高、最大宽和最大厚等尺度均呈现先逐渐变大、后逐渐变小的特点；腰椎质量与体长之间存在明显的线性关系(R2=0.930 6)；尾椎质量与椎体高之间、质量与椎体长之间均存在明显的幂函数关系(R2=0.976 7，R2=0.940 7)；幂函数能很好地拟合V型骨质量与最大高之间的数学关系(R2=0.932 0)；左、右肋骨完全对称；左、右胸肋完全对称。瓶鼻海豚骨骼各椎体质量与体长之间的函数关系可能反映了各椎体的某种生长规律，如线性生长或等速生长。
Abstract:In this study, a Tursiops truncatus sample from Guangzhou Aquarium was anatomized, and a set of skeleton was obtained, which was measured overall. The results show that the maximum height, the maximum width and the maximum thickness scales of V type skeleton of bottlenose dolphins gradually become larger at first, then become smaller; and the weight and length of lumbar spine are significantly linear correlated(R2=0.930 6).Besides, weight and height, as well as weight and length of coccygeal vertebra have significant power functions correlation (R2=0.976 7, R2=0.940 7). Moreover, power function could be well used to fit the correlation between the weight and maximum height of the V type bone (R2=0.932 0). The left rib and right rib are symmetrical. The functional relationship between the mass and body length may indicate the regularity of growth of vertebraes such as linear growth or constant growth.
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Keywords:
- Tursiops truncatus /
- skeleton /
- centrum /
- morphology
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拖网网板是单船拖网作业的主要属具，其水动力学性能的优劣是影响渔获量和捕捞效率的重要因素[1-4]。水流对拖网网板的水动力可分解为与网板运动方向相垂直的扩张力和与网板运动方向相平行的水阻力，其中扩张力起到扩张网具、增加扫海面积的作用，而扩张力与水阻力的比值则是衡量网板扩张效率的重要参数[1]。目前远洋单船拖网网板主要有立式曲面、立式曲面缝翼式、综合型(椭圆形曲面开缝式)、立式曲面V型、矩形曲面V型缝翼式等结构型式[2, 5]。国外发达渔业国家十分重视网板水动力学性能的改进研究，近年来又相继开发出水动力效率更高、稳定性更好的复翼式和喷射式等网板[5]。
在新型网板的设计中，通常依靠模型试验的方法，计算相关的水动力学系数后分析其水动力学性能[1, 6-7]。随着计算机模拟仿真技术的发展，也有学者利用数学模型综合分析拖网系统主要组成部分曳纲、网板和网具的受力情况[8-10]。根据拖网网板的工作条件，进行水槽模型试验比较理想[6, 11-12]。日本学者主要通过水槽模型试验分析网板的水动力学性能[13-17]。福田賢吾等[13-15]通过水槽模型试验分析了展弦比和圆弧面曲率变化对复翼式网板水动力学性能参数的影响。山崎慎太郎等[17]通过水槽模型试验得出矩形曲面V型网板的水动力学性能优于矩形平面网板。中国网板模型试验主要在风洞设备中完成[18-21]。郭根喜等[1]研究了网板结构参数变化对不同类型网板水动力学性能的影响，得出椭圆形网板开缝数以双开缝为宜，导流翼相对高度、错位量和偏角的参数选取对单缝翼式和双缝翼式立式曲面网板水动力学性能影响极大。关长涛和潘生弟[18]对5种大展弦比立式曲面网板的水动力学性能进行分析，优选出具有扩张性能好、冲角范围大和曳行稳定等优点的立式曲面缝翼式网板。王明彦等[19]通过正交优选试验得出影响立式V型曲面网板水动力学性能的因素依次是网板板面折角、展弦比和后退角。张勋等[20]、王锦浩等[21]分别分析了矩形曲面V型网板开缝口导流板曲率、展弦比、缝口位置和缝口宽度等参数对网板水动力学性能的影响。李崇聪[22]针对近海小型单拖网渔船使用的V型网板进行水槽模型试验和数值模拟，提出设置开缝结构优化改进V型网板的性能。
通过在网板板面上设置开缝结构，网板背部涡流受到较大动能水流冲击，可以达到改善背部流态、减少阻力的作用[1, 22]。文章分别对单缝翼立式曲面网板和双缝翼立式曲面V型网板进行了水槽模型试验，比较不同导流翼偏角下拖网网板的水动力学性能，为优化拖网网板性能提供参考。
1. 材料与方法
1.1 试验模型
根据流体力学相似性原理，试验采用雷诺相似准则，即网板模型雷诺数等于实物雷诺数。网板模型见图 1，比例尺为1 : 20，采用不锈钢制作，厚度为2 mm。单缝翼立式曲面网板展弦比为2.7，翼弦长9.3 cm，模型面积为0.024 m2。双缝翼立式曲面V型网板展弦比为2.9，翼弦长9.1 cm，模型面积为0.024 m2(表 1)。迎流冲角α为网板翼弦与来流方向的夹角(图 2)。
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图 1 单缝翼立式曲面网板(a)和双缝翼立式曲面V型网板(b)模型示意图Figure 1. Sketch map of model single flow deflector vertical cambered otter board (a) and double flow deflector vertical cambered V type otter board (b)表 1 网板模型规格Table 1. Specification of model otter board型号
type编号
No.导流翼偏角
angle of flow deflector翼弦长/cm
wing chord length展弦比
aspect ratio面积/m2
sectional area单缝翼式single flow deflector D1 β=35° 9.3 2.7 0.024 D2 β=40° D3 β=45° 双缝翼式double flow deflector S1 θ=15°，γ=20° 9.1 2.9 0.024 S2 θ=20°，γ=20° S3 θ=20°，γ=25° 1.2 试验方法
试验在中国水产科学研究院东海水产研究所循环水槽中完成，水槽试验段尺度为180 cm×50 cm×50 cm，最大流速为2.5 m · s-1。试验模型位于水槽试验段中部，通过连接杆与三分力传感器相连，三分力传感器固定在旋转工作台下方。通过调节旋转工作台可以改变模型的不同迎流冲角，试验装置见图 3。测量仪器为日本共和电业制造的LSM-B-500NSA1-P型三分力传感器，量程为500 N，通过电脑连接记录测量数据。
试验中迎流冲角起始为0°，在0°~40°之间以5°为一档进行调节，在40°~60°之间，以10°为一档进行调节。试验流速分别为0.2 m · s-1、0.4 m ·s-1、0.6 m · s-1、0.8 m · s-1、1.0 m · s-1和1.2 m ·s-1。
1.3 数据处理
根据三分力天平记录的与水流方向相平行的水阻力Fx和与水流方向相垂直的扩张力Fy，经过支杆干扰修正，计算网板的阻力系数CD，升力系数CL和升阻比K。公式为：
$$ \begin{aligned} & C_{\mathrm{D}}=F_x / 0.5 \cdot \rho V^2 \mathrm{~S} \\ & C_{\mathrm{L}}=F_y / 0.5 \cdot \rho V^2 \mathrm{~S} \\ & K=C_{\mathrm{L}} / C_{\mathrm{D}} \\ & R e=V \cdot l / v \end{aligned} $$ 式中ρ为流体密度，V为来流速度(m · s-1)，S为网板模型面积(m2)，Re为雷诺数，υ为流体运动粘度(m2 · s-1)，l为特征长度(m)，此处取为翼弦长度。
2. 结果与分析
2.1 网板自动模型区
在试验中，当0.18×105 < Re < 0.54×105时，随着Re增加CL和CD数值出现紊乱变动现象，可能是由于随着流速加快，尾流发生紊动尚未达到稳定所致。当Re≥0.72×105时，升力系数(或阻力系数)基本保持不变即进入自动模型区，将自模区内测得的升力系数(或阻力系数)取平均值，即得该模型在该冲角下的升力系数(或阻力系数)。文章所讨论升力系数和阻力系数均为进入自模区后的升力系数和阻力系数的平均值。随着Re的增加，双缝翼立式曲面V型网板比单缝翼立式曲面网板更快进入自动模型区。
2.2 单缝翼式网板导流翼偏角变化时的水动力学性能
冲角范围为15°~35°时，D1网板升力系数>D2网板升力系数>D3网板升力系数；α≤5°或α≥50°时，D3网板升力系数>D2网板升力系数>D1网板升力系数；α=10°时，D3网板升力系数>D1网板升力系数>D2网板升力系数；α=40°时，D2网板升力系数>D3网板升力系数>D1网板升力系数(图 4)。网板最大升力系数、最大升阻比和相应的临界冲角见表 2。升力系数最大值(CLmax)分别出现在α=35°(D1)和α=40°(D2，D3)。
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图 4 单缝翼式网板升力系数、阻力系数(a)和升阻比(b)比较Figure 4. Comparison of lift coefficient, drag coefficient (a) and lift to drag ratio (b) of otter boards D1, D2 and D3表 2 网板最大升力系数和最大升阻比Table 2. Max lift coefficient and max lift to drag ratio of otter board型号type 编号No. 最大升力系数CLmax 最大升阻比Kmax 单缝翼式single flow deflector D1 1.983 (α=35°) 2.389 (α=20°) D2 1.877 (α=40°) 2.262 (α=20°) D3 1.841 (α=40°) 2.530 (α=5°) 双缝翼式double flow deflector S1 1.369 (α=30°) 3.906 (α=15°) S2 1.398 (α=30°) 2.658 (α=20°) S3 1.630 (α=35°) 3.756 (α=25°) α≥20°时，D1网板阻力系数>D2网板阻力系数>D3网板阻力系数；冲角范围为0°~15°时，D2网板阻力系数>D1网板阻力系数>D3网板阻力系数(其中α=5°，D2网板阻力系数>D3网板阻力系数>D1网板阻力系数)。
升阻比最大值(Kmax)分别出现在α=5°(D3)和α=20°(D1，D2)。冲角范围为10°~35°时，D3网板升阻比>D1网板升阻比>D2网板升阻比；α≥40°时，D3网板升阻比>D2网板升阻比>D1网板升阻比。冲角范围为10°~35°时，D1网板和D3网板升阻比K均大于2.0；冲角范围为15°~30°时，D2网板升阻比K均大于2.0。
综上可以看出，工作冲角范围为10°~30°时，D1网板和D3网板升力系数CL>0.8，且升阻比K>2.0；工作冲角范围为15°~30°时，D2网板升力系数CL>1.0，且升阻比K>2.0。
冲角为20°~35°时，随着导流翼偏角的增大，升力系数和阻力系数均呈下降趋势。该冲角范围内D1网板升力系数大于D2和D3网板，且升阻比略低于D3网板，可见在单缝翼立式曲面网板中D1网板具有较佳的水动力学性能。
2.3 双缝翼式网板前导流翼偏角变化时的水动力学性能
S1网板和S2网板的升力系数值及变化幅度相近。当冲角范围为25°~35°时，S2网板升力系数>S1网板升力系数(图 5)。S1网板和S2网板的升力系数最大值出现在α=30°时。S2网板阻力系数>S1网板阻力系数。
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图 5 双缝翼式网板升力系数、阻力系数(a)和升阻比(b)比较Figure 5. Comparison of lift coefficient, drag coefficient (a) and lift to drag ratio (b) of otter boards S1, S2 and S3α≥10°时，S1网板升阻比>S2网板升阻比；α≤5°时，S2网板升阻比>S1网板升阻比。升阻比最大值分别出现在α=15°(S1)和α=20°(S2)时。冲角范围为10°~25°时，S1网板升阻比K均大于2.5；冲角范围为15°~25°时，S2网板升阻比K均大于2.5，且变化幅度不大。
综上可以看出，工作冲角范围为20°~30°时，S1网板和S2网板升力系数CL>1.0且升阻比K>2.0。随着前导流板翼片偏角的增加，升力系数数值相近呈波动变化趋势，阻力系数呈上升趋势，升阻比分别呈下降(α≥10°)和上升(α≤5°)趋势。
2.4 双缝翼式网板中导流翼偏角变化时的水动力学性能
α≥25°时，S3网板升力系数>S2网板升力系数；α≤20°时，S2网板升力系数>S3网板升力系数(图 5)。升力系数最大值分别出现在冲角α=30°(S2)和α=35°(S3)时。S2网板阻力系数>S3网板阻力系数。
α≥15°时，S3网板升阻比>S2网板升阻比。α≤10°时，S2网板升阻比>S3网板升阻比。升阻比最大值分别出现在冲角α=20°(S2)和α=25°(S3)时。冲角范围为15°~25°时，S2网板升阻比K均大于2.5，且变化幅度不大；冲角范围为15°~30°时，S3网板升阻比K均大于2.5。
综上可以看出，工作冲角范围为20°~30°时，S2网板升力系数CL>1.0且升阻比K>2.0，S3网板升力系数CL>0.9且升阻比K>2.5。随着中导流板翼片偏角的增加，升力系数分别呈上升(α≥25°)和下降(α≤20°)趋势，阻力系数呈下降趋势，升阻比分别呈上升(α≥15°)和下降(α≤10°)趋势。冲角为25°~35°时，S3网板升力系数和升阻比均大于S1和S2网板，可见在双缝翼立式曲面网板中S3网板具有较佳的水动力学性能。
3. 讨论
比较D1网板和S3网板的水动力学性能，D1网板的优点是冲角α≤40°时升力系数大于S3网板，具有较佳的扩张性能(图 6、表 3)。D1网板升力系数最大值CLmax=1.983(α=35°)，此时CD=0.965，K=2.055。15°~35°冲角之间升阻比变化幅度很小，趋于平缓。工作冲角范围为15°~30°时，D1网板升力系数CL>1.2且升阻比K>2.0。S3网板优点是阻力系数小于D1网板，冲角α≥15°时升阻比大于D1网板，具有较高的扩张效率。S3网板升阻比最大值Kmax=3.756(α=25°)，此时CL=1.321，CD=0.352。工作冲角范围为20°~30°时，S3网板升力系数CL>0.8且升阻比K>3.0。
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图 6 D1网板和S3网板升力系数、阻力系数(a)和升阻比(b)比较Figure 6. Comparison of lift coefficient, drag coefficient (a) and lift to drag ratio (b) of otter boards D1 and S3表 3 不同工作冲角下水动力学性能比较Table 3. Comparison of hydrodynamic performance at different angles of attack工作冲角α
angle of attack编号
No.升力系数CL
lift coefficient阻力系数CD
drag coefficient升阻比K
lift to drag ratio15° D1 1.294 0.543 2.385 S3 0.660 0.231 2.854 20° D1 1.603 0.671 2.389 S3 0.954 0.310 3.081 25° D1 1.801 0.778 2.316 S3 1.321 0.352 3.756 30° D1 1.926 0.886 2.173 S3 1.568 0.498 3.149 35° D1 1.983 0.965 2.055 S3 1.630 0.663 2.457 注： 下划线表示本系列最大值
Note： The underline indicates the maximum of this type.与常用的矩形曲面V型网板[20](α=35°时，CL=1.31，CD=0.75，K=1.75)相比，文章讨论的D1网板和S3网板具有更好的扩张性能。对于中层拖网作业，选用大展弦比网板可以获得更好的扩张性能。但S3网板升力系数略低于无导流翼的立式曲面V型网板[19](α=25°时，CL=1.68，CD=0.72，K=2.33)。立式曲面V型网板开缝后设置导流翼结构，CD呈下降趋势，但CL也有下降的趋势[6]。
导流翼偏角增加时网板升力系数的临界冲角有增加的趋势，这是因为网板主翼达到临界冲角时导流翼尚未达到临界冲角仍具有一部分升力[1]。导流翼偏角的变化改变了进出水口“漏斗形”结构的比例，水流经过时使网板背部涡流漂移，减小网板的阻力。对于同类型网板其他结构参数不变时，调节导流翼偏角可以起到优化网板水动力学性能的目的。除导流翼偏角外，导流翼位置的配置也是影响网板水动力学性能的重要因素[1]。该研究仅对单缝翼立式曲面网板和双缝翼立式曲面V型网板的3种导流翼偏角变化情况进行了升力和阻力测定，今后可增加导流翼偏角变化梯度，并可通过计算机模拟的方法从流场效应的角度分析导流翼结构参数对网板水动力学性能的影响。
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图 2 瓶鼻海豚头骨背面、侧面观和无下颌腹面
1. 颅长；2. 吻长；3. 吻基部宽；4. 吻1/4处宽；5. 吻中部宽；6. 吻前3/4处宽；7. 吻中部前颌骨宽；8. 前颌骨最大宽；9. 前颌骨超出上颌骨；10. 吻端至外鼻孔；11. 外鼻孔宽；12. 眶前突间最大宽；13. 眶后突间最大宽；14. 眶间最小宽；15. 颧宽；16. 吻端至内鼻孔；17. 内鼻孔宽；18. 鼻骨前至枕骨前；19. 顶骨间最大宽；20. 枕骨大孔至枕骨顶端；21. 眶长；22. 泪骨眶前突长；23. 颞窝高；24. 颞窝宽；25. 翼骨长；26上齿列长
Figure 2. Dorsal, lateral and ventral without mandible view of skull of T.truncatus
1. skull length; 2. lip length; 3. lip base width; 4. 1/4 lip width; 5. 1/2 lip width; 6. 3/4 lip width; 7. premaxilla width for 1/2 lip; 8. max premaxilla width; 9. anterior maxilla length beyond the upper jaw; 10. tip of the snout to the nostrils; 11. external naris width; 12. maximum width between orbital protrusion; 13. maximum width after orbital facet; 14. minimum orbital width; 15. zygomatic width; 16. tip of the snout to the nostrils; 17. nostril width; 18. nasal bone anterior to occipital anterior; 19. maximum width between os parietals; 20. foramen magnum to occipital apex; 21. orbit length; 22. preorbital length of lacrimal; 23. temporal fossa high; 24. temporal fossa width; 25. pterygoid bone length; 32. left upper tooth row length
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图 3 瓶鼻海豚的下颌骨、舌骨和牙齿
Ⅰ. 下颌骨；27. 左下颌骨高；28. 左下颌窝长；Ⅱ. 牙齿；ST. 下颌齿；MT. 上颌齿；Ⅲ. 岩鼓骨；Ⅳ. 舌骨；HyB. 舌骨体；PoCo. 舌骨后角；AntCo. 舌骨前角
Figure 3. Submaxilary, os hyoideum and dens of T.truncatus
Ⅰ. submaxilary; 27. left mandible height; 28. left mandibular fossa length; Ⅱ. dens; ST. submaxill teeth; MT. maxillary teeth; Ⅲ. petrotympanic bone; Ⅳ. hyoid bone; HyB. hyoid bone body; PoCo. postcornu os hyoideum; AntCo. Anterior corner os hyoideum.
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图 4 瓶鼻海豚的颈椎(a)、胸椎(b)、腰椎(c)和尾椎(d)
Figure 4. Cervical vertebra (a), thoracic vertebra (b), lumbar vertebra (c) and coccygeal vertebra (d) of T.truncatus
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图 6 腰椎质量(a)、尾椎质量(b)与体长的关系
Figure 6. Relationsaip between lumbar vertebra mass (a) & coccygeal vertebra mass (b) and body length
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图 7 瓶鼻海豚的V型骨、肋骨、胸骨、胸肋、肩胛骨和鳍肢骨
Ⅰ. V型骨；Ⅱ. 胸肋骨结构；Co. 肋骨；St. 胸骨；StCo. 胸肋；Ⅲ. 肩胛骨；CoP. 喙突；AcP. 肩峰突；Ⅳ. 鳍肢骨；H. 肱骨；R. 桡骨；U. 尺骨；CarP. 腕骨
Figure 7. V type skeleton, costa, sternum, sternal rib, scapula and flipper bones of T.truncatus
Ⅰ. V type bone; Ⅱ. costa and sternum bone structure; Co. costa; St. sternum; StCo. sternum costa; Ⅲ. scapula; CoP. coronoid process; AcP. acromion process; Ⅳ. flipper bones; H. humerus; R. radius; U. ulna; CarP. carpus
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图 8 V型骨测量和V型骨质量与最大高之间的数学关系
Figure 8. type bone measurement and the mathematical relationship between V type bone mass and the maximum height
表 1 颈椎测量
Table 1 Cervical vertebra measurement
颈椎cervical vertebra C1~2 C3 C4 C5 C6 C7 高/mm height 51 37 38 36 36 33 宽/mm width 112 39 40 40 42 43 长/mm length 38 6 7 6 6 8 带棘突高/mm height with spine 120 76 79 80 74 82 带棘突宽/mm width with spine 163 69 63 60 64 87 高/长ratio of heigh to length 1.34 6.17 5.43 6 6 4.13 带棘突高/长ratio of heigh to length with spine 3.16 12.67 11.29 13.33 12.33 10.25 宽/长ratio of width to length 2.95 6.5 5.71 6.67 7 5.38 带棘突宽/长ratio of width to length with spine 4.29 11.5 9 10 10.67 10.88 
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表 2 左、右肋骨配对样本t检验(99%置信水平)
Table 2 Paired-samples t test of left rib and right rib (99% confidence level)
检验变量
test variable成对样本相关系数
paired samples correlations成对样本t检验
paired-samples t testn correlation Sig. mean t Sig. 左、右外曲线缘长the left and right outer curve edge length 15 0.990 0 6.73 1.572 0.138 左、右内曲线缘长the left and right inner curve edge length 15 0.995 0 3.73 1.209 0.247 左、右直线长the left and right straight line length 15 0.992 0 6.00 1.972 0.069 左、右质量the left and right mass 15 0.997 0 0.18 0.621 0.545
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表 3 左、右胸肋配对样本t检验(99%置信水平)
Table 3 Paired-samples t test of left sternal rib and right sternal rib (99% confidence level)
检验变量
test variable成对样本相关系数
paired samples correlations成对样本t检验
paired-samples t testn correlation Sig. mean t Sig. 左、右最大长度the left and right maximum length 7 0.997 0 0.29 0.383 0.715 左、右最大宽度the left and right maximum width 7 0.993 0 -0.57 -1.922 0.103 左、右中间宽度the left and right middle width 7 0.990 0 -0.29 -1.000 0.356 左、右中间厚度the left and right middle thickness 7 0.983 0 -0.14 -1.000 0.356 7 0.994 0 -0.34 -1.867 0.111 左、右质量the left and right mass 7 0.997 0 0.29 0.383 0.715
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表 4 第1~第3胸骨测量
Table 4 No.1~No.3 Sternum measurement
第1胸骨
No.1 sternum第2胸骨
No.2 sternum第3胸骨
No.3 sternum均值
mean最大宽/mm maximum width 107 42 37 62 长度/mm length 82 63 60 68.3 骨板最厚/mm maximum thickness 14 12 14 13.3 骨板最薄/mm the thinnest 4 10 9 7.7 最大宽/长度ratio of maximum width to length 1.3 0.67 0.62 0.91 最厚/最薄ratio of maximum thickness to the thinnest 3.5 1.2 1.56 1.74
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表 5 鳍肢骨测量
Table 5 Flipper measurement
测量内容
measurement左肢骨left flipper 右肢骨right flipper 肱骨
humerus尺骨
ulna桡骨
radius肱骨
humerus尺骨
ulna桡骨
radius中长/mm middle length 77 84 103 76 84 104 近端宽、厚/mm proximal width and thickness 41、58 41、22 35、23 41、59 40、22 35、23 中端宽、厚/mm middle width and thickness 36、32 27、15 42、18 37、33 26、15 41、18 远端宽、厚/mm far-end width and thickness 50、30 38、17 48、19 50、30 37、16 49、19 质量/g mass 55.8 28.0 45.2 55.2 27.6 44.5
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