高等运动生物力学

**章绪论 学习目标： 熟悉运动生物力学的学科特征和学科任务，明确运动生物力学的学习要求和学习方法。 了解运动生物力学的学科演变与学科展望，明确运动生物力学的基础概念，掌握基础运动生物力学原理与力学特征。 掌握运动生物力学信息的收集途径、数据采集与分析方法，明确运动生物力学研究内容，了解人体生物力学参数，骨、关节、肌肉生物力学及其应用。 生物力学（biomechanics）是应用力学原理和方法来解释生物系统的结构和功能，本章主要讲授运动生物力学的基本概述，包括运动生物力学的学科发展历程，运动生物力学的概念及理论、研究方法与研究内容。通过本章 的学习，可以了解什么是运动生物力学、运动生物力学在体育运动中的应用，以及运动生物力学与其他学科之间的联系。 **节运动生物力学概述 一、 运动生物力学的学科特性 运动生物力学是一门较为年轻的交叉学科，其理论及方法借助于力学、机能解剖学和运动生理学等相关横向学科的理论与方法。在多学科相互交叉、融合之下逐步形成了运动生物力学这一独有的学科。从运动生物力学学科 的研究对象、方法、手段和内容考察，其具有以下四个明显特征。 （一） 研究对象的复杂性 运动生物力学的主要研究对象是人，人体运动是在一个不连续的多界面、多细胞结构、多功能的神经反馈作用下所进行的复杂的身体行为，同时也是具有情感意识的复杂生物材料系统。人体运动是由神经系统协调全身各器 官，并通过运动器官的活动直接完成运动动作的，与此同时，在人的意识控制下又进行了自觉的、有目的的、有意识的行为活动，通过人体神经系统的不断正、负反馈使动作达到准确精细的程度。 运动生物力学主要探究的是人体的内部运动行为和外部运动行为。人体的内部运动行为包括肌肉、骨骼、关节和韧带的力学特性及其对整体运动的约束，神经、体液控制的生物反馈系统对运动功能的影响及人体功能的代偿 等；人体的外部运动行为主要包括人体运动的空间关系、时间关系、时空关系，运动状态及其改变（Winter，1979）。运动生物力学研究的另一个重点是人体的内部运动行为与外部运动行为之间的因果关系。人体的本质是一个 开放的，具有自组织、自适应的巨系统，开放就意味着人体与所处环境存在物质和信息交流，而各个子系统的变化对整个巨系统的变化具有极其重大的影响。 （二） 研究方法的综合性 研究方法是指在科学发展和研究中发现新现象及新事物，或提出新理论、新观点，揭示事物内在规律的工具和手段。人们在从事科学研究的过程中不断总结、提炼出*有效的研究方法，学科发展亦是如此。运动生物力学是 机能解剖学、运动生理学和力学的交叉融合，这就决定了研究方法的综合性。运动生物力学的研究方法主要是牛顿力学所应用的方法体系，但由于研究对象复杂性所导致的人体的生物拒测性、人体动作的随机性和人体功能的代 偿性等生物学因素而受到制约。 牛顿力学是以牛顿运动定律和万有引力定律为基础，研究速度远小于光速的宏观物体的运动规律。其理论和方法基本适用于人体运动的外部力学规律的描述，但人体运动是一个极其复杂的系统集合，外部运动的力学行为是 由众多内部力学行为综合作用的体现。只运用力学的研究方法会面临相当的局限性。例如，生物材料的黏弹性特征会使人体运动器系本构方程的建立遇到边界条件缺乏可靠性的问题。又如，跳远技术中，助跑、踏跳、腾空、落 地各个要素均可以通过运动学或动力学特征量加以描述，但各个要素*佳未必就是整体*佳，需要的是四个要素的协调与匹配。因此，通常是把整个跳远技术看成一个系统，既单独分析各个要素的力学特征，又综合评价各个要 素之间的力学关系，目的是寻求整个动作系统的*佳化。人体运动器械的力学特性的深入研究必然涉及生物学领域，如肌肉的张力特性不仅与肌纤维结构和类型有关，而且与受神经系统控制的生物电特性有关，只运用生物学方 法会受到人体内部复杂性的限制，边界条件难以确定，完全的量化研究几乎无法实现，对结果进行正确性的检验也比较困难（Frontera et al.，2015）。因此，对人体运动力学行为进行研究时，力学研究方法结合生物学研究 方法就成为了运动生物力学必然的研究方法。 人体整体运动是由各个局部运动组合而成的，各个局部运动又是人体内部各运动系统综合作用的结果。因此这种内部各局部运动之间的配合、协调乃至自动化，以及内部运动行为对人体整体运动结果的影响就显得更为重要 。因此，系统研究方法也成了必然。系统研究方法是一种由“综合”到“细分”再到“综合”的研究方法，即从整体出发，先综合，后分析，*后又回归到综合的方法，是可以把定性和定量有机统一的研究方法，不仅可以定性 地揭示系统的性质和功能，而且可以借助数学语言定量准确及可视化地描述整个系统的运动状态和规律。 （三） 测量技术的先进性 任何一门发展相对完善的学科，必须具备两个条件： **是要有自身比较完整的学科理论体系；第二是要有自身系统的研究方法，自然科学的学科尤其如此。但研究方法只是总体的指导思想，测量技术则是在研究方法指导 下的具体操作，是完成研究方法所确定的测量、分析和评价工作的工具，是一种硬设备。现代科学技术日新月异，尤其是电子学、机械学、材料学、光学、激光技术、传感器技术、计算机技术等相关学科的飞速发展，为现代体 育仪器器材领域的研究提供了有力的技术支撑，并且该领域也正朝着一个新兴的边缘学科——体育工程学发展。1996年在英国谢菲尔德召开了**届国际体育工程学术讨论会，此后每两年召开一次。在第二届（1998年）讨论会 上，成立了国际体育工程协会（International Spors Engineering Asociation， ISEA），在全球范围内吸引了广泛学者的参与。 现代测量技术通常都配套强大的分析技术，这在很大程度上依赖于计算机技术的进步，新的测量技术和分析技术的进步是进行新理论探索的有效途径，运动生物力学学科的发展史表明，方法上的进展与测量技术的进步极大 地推进了运动生物力学学科的发展。通过体育仪器器材的研制，不仅可以提高运动训练的效率和安全性，而且可以加速实现竞技体育“更快、更高、更强”的目标。体育仪器器材主要包括比赛和防护器材、训练与锻炼设备、测 试及监控仪器。例如，1871年，伊 梅布里奇（E.May Bridge，1830—1904）使用按顺序排列的24台照相机拍摄了马在奔跑时的连续照片，开始了运动学参数的连续测量；此后多台高速摄像机同步系统、三维测力系统，以及摄 像机、测力台同步系统的运用，人体运动能在三维空间上可视化呈现并获得数字化反馈；雷达测速仪、激光测速仪和光纤测速仪的引入及应用，使人们可以迅速而方便地测量人体或运动器械的运动速度；X线片、肌电图、荧光透 视等医学影像技术的应用则打开了研究人体内部结构及运动行为内部机制的大门，将研究的“触角”伸向人体运动自控体系领域；γ射线扫描技术和计算机断层扫描（computed tomography， CT)技术的应用实现了活体环节质量 和质心位置的准确测量；国外公司研制的测力板具有4096个传感器，可以精确测量人体步态运动中足底各个区域的受力及其变化（Karlsson et al.，2000）。随着大量高端测试设备的广泛应用，运动生物力学已成为体育科学 学科体系中科技含量较高的学科，运动生物力学的测量技术和分析技术将不断进步。 （四） 研究内容的实践性 运动生物力学是一门理论与实践结合较为紧密的应用性学科，对竞技体育、大众健康和特殊群体等领域具有极强的实践指导意义。**，在运动技术诊断、分析和评价领域的作用十分突出。不仅可以对优秀运动员的动作技 术做出生物力学诊断，从而帮助和指导运动员改进和完善运动技术，实现运动技术的*佳化，而且可以总结和提炼出符合运动技术力学原理的一般规律，以指导常规的运动训练和体育教学。第二，在健康促进和特殊人群健身指 导领域的作用十分重要。不仅可以对普通人和特殊群体的基本活动进行生物力学评估和分析，以提出符合人体活动力学原理的标准动作规范，而且可以对一些肢体损伤或功能损失并需要康复的特殊人群（如残疾人）的动作进行 生物力学诊断和分析，以制订符合力学原理的康复及预防训练手段（Gibson，2016）。第三，在设计和改进运动装备领域的作用日益重要。关于竞技体育运动器材，可以设计符合运动生物力学原理的训练、测试、监控、比赛和 防护器材，以提高运动训练的有效性和安全性，并有利于挖掘个体运动潜能，帮助运动员个体提升表现。关于全民健身器材，可以对健身器材，以及运动鞋、帽、包等日常健身用品进行符合生物力学原理的功能设计，使人与运 动器械之间的耦合程度达到*高。第四，在预防损伤与功能康复领域的作用日益突出。运动生物力学与骨伤科、矫治外科等学科的关系密切，可以通过人体环节参数，肌肉、骨骼、关节生物力学参数的测量与分析，帮助解决骨 伤科的临床问题，为损伤预防与康复手段的选择提供理论依据。除此之外，运动生物力学所研究领域的实践性还体现在可以为运动选材提供有关身体形态和运动功能的测试指标与测试方法、特殊群体（如残疾人）分级等，为运 动技术的动作创新和技术优化提供计算机模拟和运动仿真。 二、 运动生物力学的学科任务 （一） 运动技术改善 提高运动成绩常用的方法是改进运动员的技术动作。运动成绩可以通过多种途径进行提高。高效的运动涉及神经肌肉的解剖学、生理学，以及心理学相关的多种能力。由于运动生物力学不仅要研究人体运动的表现形式和产 生运动的原理，同时也要研究影响人体运动的外界条件与运动技术的相互关系。运动生物力学根据人体的形态功能特点结合对运动场地、器材的改进，研究*合理、*有效的运动技术，以求达到*好的运动成绩。动作技术改进 *常见的一种表现形式是教练员或体育教师利用生物力学的定性分析方法来改进运动技术的过程。另外，研究人员发现用新的或更先进的技术来提高运动水平时，需要使用生物力学定量分析方法来评定新技术，并与教练员或体 育教师沟通，指导他们在教学或训练上推广使用。 运动技术分析是竞技运动的生物力学主要研究任务之一，对运动技术进行分析主要以以下4个步骤为主： **，确定所要分析的动作目标。第二，确定影响这一目标的生物力学因素。第三，确定这些因素与技术动作目标之 间的关系及影响程度。例如，标枪投掷项目的目标是投得远，通过对该项运动特征的分析，了解到影响标枪投掷成绩的直接因素包括标枪飞行的初始条件、标枪的参数和天气因素；深层间接影响因素包括身体素质、形态学、技 术、心理等多重因素（Morriss et al.，1996）。第四，通过实验手段测定影响运动技术分析目标的因素，以寻求改善动作技术的*佳方法及手段。 （二） 运动装备设计 当今体育成绩的提高与运动器材的发展密切相关。历届奥运会金牌之争，在某种意义上也是高科技之战，而运动生物力学理论与方法的运用在这一方面同样起着举足轻重的作用，它可以通过改良各项运动器材来帮助运动员 实现运动成绩的提高。近年来，随着“科技助力残奥”理念的提出及残疾人竞技体育的快速发展，国内外聚焦残疾运动员竞技表现提升的运动生物力学研究不断涌现。 科技助力表现受到了广泛的关注。一个经典的例证就是撑竿跳高的变迁。当竹竿、金属竿取代坚硬沉重、没有弹性的木杆后，撑竿跳高的纪录曾节节攀升。待到轻巧而富有弹性的玻璃纤维、碳纤维杆问世后，由于助跑速度 的增加和动能、势能转换效率的大幅度提高，撑竿跳高成绩飞越性突破了乌克兰选手布勃卡创造的6.14m纪录（Linthorne et al.，2012）。Langelier 等（2013）设计了一款新型坐式滑雪器，加拿大越野滑雪队在2010年冬残 奥会的比赛中成功应用。该滑雪器能够帮助运动员有效调整前后质心以避免向两侧偏移，这是滑雪动作控制和运动表现提升的关键因素，该坐式滑雪器设计同时能够有效调