运动生物力学学概述

运动生物力学学概述
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
第一章运动生物力学学科概述（李建设裘琴儿）
内容提要：
本章介绍了运动生物力学学科的演变历程；阐述了运动生物力学的学科特性；从当前运动生物力学亟待解决与发展的问题的角度对运动生物力学学科的未来进行展望。

教学目标：
使学生了解运动生物力学学科的发展历程，明确运动生物力学的学科特性、了解运动生物力学学科任务，了解运动生物力学学科中目前亟待解决的问题以及未来走向，使学生全面了解运动生物力学的学科概貌。

关键词：演变;特性;任务;展望
第一节运动生物力学学科演变
运动生物力学学科的形成时间并不长，但是人类注意、观察、分析、研究运动的历史却非常悠久。

从整个学科的演变历程来看，大致可分为如下几个时期：
一、运动生物力学学科的萌芽时期（二次大战前）
运动生物力学作为正式的一门学科还是近代的事情。

人们在很早以前就想知道活的有机体的运动。

古希腊被称为“运动学之父”的亚里士多德(Aristotles公元前384—322)早已关注人和动物运动的材料,第一次分析了走的全过程,并开始认识了重心的作用和杠杆原理等。

文艺复兴前,代表人物克·加仑(C.Galenus公元前131-200)是一名医生,他通过实验证实了由脑发出冲动,肌肉紧张收缩产生关节运动,区别了原动肌和对抗肌,使用了动关节与不动关节的术语。

文艺复兴时期自然科学得到较快的发展,意大利科学家达·芬奇(L.D.Vinci 1452-1519)是有名的画家,数学家和力学家,又是一名医生,他极大地注意到解剖学和力学基础上的人体姿势分析,对人体步行的研究和近代身体运动学的研究相仿。

他叙述了站立,上坡和下坡,坐姿起立和跳跃是身体的力学原理,并说“有运动能力的活体都按力学规律起作用”,在当时这是一个大胆的见解。

进一步研究人和动物运动是意大利数学家和天文学家阿·鲍里利(A.Borelli 1608-1679),他是伟大的力学家伽利略的学生。

他曾著《论动物的运动》一书,他曾探索各种肌肉发力的数值,利用杠杆原理测量人体重心的实验方案,指出了人体中心的位置,提出肌肉的作用符合数学、力学原理的论点,并将人体在空间的主动位移动作分为3种主要运动方式,即蹬离支点(走、跑、跳)、推离他体(划行,如游泳)、拉引(如攀登)。

后来，美国生物力学家斯坦特勒（A.Steindler 1879-1959）称他是“现代运动解剖学和生物力学之父”。

18世纪人们发现了电现象，不久“生物电”的概念便被用来解释人体运动的调节功能。

伽伐尼（Galvani）发现电刺激会引起肌肉收缩，完成了著名的论文《论肌肉运动中的电力》，
并得出了动物电与机器电完全一致的重要结论。

1841年莱芒德（Du Bois Reymond）在前人研究的基础上确立了肌电测量的方法。

生物电的研究导致肌电图仪的发明。

肌电图目前已经广泛用来研究运动员运动时的肌肉工作。

19世纪初法国生理学家维伯尔兄弟用1/60s的发条时钟计时法,在研究走的实验中测定了躯干的倾斜以及垂直运动,得出提高走速必须减少双支撑时间的结论。

缪勒是法国的生理学家,他利用空气压缩记录法研究了腿运动的支撑期和摆动期的时间关系,测定走时支撑时间和跑时双支撑时间的数据。

1871年美国摄影师伊·梅布里奇用24只固定照相机和2只轻便蓄电池,拍摄了一匹马的奔跑状态并测量出马的步长,四足腾空的现象，其后又拍摄了人的走,跑等动作的连续照片。

1901年,梅布里奇发表了《运动中的人体的图像集》,从而奠定了运动生物力学参数摄影分析测量的方法基础。

为了纪念他对生物力学的贡献,从1987年第11届生物力学大会开始设立了“梅布里奇杰出贡献奖”以表彰在生物力学基础理论,研究方法和应用研究领域做出突出贡献的学者。

20世纪初,德国学者威·布拉温和奥·菲舍尔用实验方法测定了人体各环节相对重量和人体重心等惯性参数,这些材料时至今日仍被生物力学理论和实践广泛采用。

1916年法国人阿玛尔(Amar)研制了第一台可以测定垂直、水平方向两维测力台，为动力学分析提供了测试手段。

俄国学者谢切诺夫除了对生理学方面出贡献外,在他所著《人体功能运动概论》一书中详尽阐述了“人体运动装置的结构是骨杠杆,产生杠杆运动的是肌肉张力及其神经支配”等问题。

同时代的俄国学者佛·列斯加夫特是一位机能解剖专家,他把人体形态结构功能与体育动作结合起来,开创了《身体运动的理论》,并于1877年讲授了他自己写的这部著作,而后更名为《体育练习生物力学教程》。

由于谢切诺夫和列斯加夫特的突出贡献,他们被称为原苏联现代生物力学的奠基人。

前苏联运动生物力学创始人伯恩斯坦从20世纪30年代开始注意用神经控制论的观点来研究人体运动,在所著的《论动作的结构》一书中就反映了系统论、控制论和信息论的观点。

伯恩斯坦关于人体动作系和运动行为结构的思想原则,以及运动感觉反馈修正的理论对运动生物力学的学科发展具有重要的意义。

20世纪30年代,英国生理学家希尔（A.V.Hill）取青蛙的缝匠肌为试样,通过测量肌肉在缩短过程中的肌张力,肌缩短速度,肌肉产生的热量及肌肉维持挛缩状态所需的热量,并按热力学第一定律建立了与实验结果相当一致的希尔方程。

他因为多肌肉力学的经典性工作成就获得了诺贝尔生理学奖。

运动生物力学在萌芽时期基本上没有和人体解剖学分开，多是应用尸体解剖材料分析人体运动，阐述运动动作的原理。

运动生物力学在萌芽时期的研究基本是零散的，缺乏系统性。

但这漫长的萌芽时期却为运动生物力学学科的形成奠定了基础。

二、运动生物力学学科的形成时期（二次大战到二十世纪八十年代）
第二次世界大战以后，随着体育运动的蓬勃发展，先进技术和军事科学的发展，运动解剖学和运动生物力学逐渐形成独立的学科。

特别是20世纪40年代开始的以信息技术为标志的现代科学技术革命是运动生物力学学科形成的加速剂。

20世纪60年代微型计算机的诞生为运动生物力学带来了革命性的变化，带来了运动生物力学测试仪器本质上的进步，促进了这一学科理论与实践的不断融合与发展。

这一时期的特征是较为先进技术的引进和应用，极大促进了运动生物力学的发展。

例如
采用高速摄影（像）机来记录动作的运动学参数；利用三位测力台和动态应变仪等来记录动作的动力学参数；利用肌电图研究肌肉活动；利用伽玛射线扫描技术和CT技术测定活体环节质量和质心位置等等。

新技术层出不穷，研究的领域也越来越深入，越来越广泛。

运动生物力学成为一门独立的学科。

一般认为，运动生物力学学科的形成是在二十世纪的中后期。

1967年由国际体育和教育理事会（ICSPE）在瑞士苏黎士召开了第一届国际生物力学讨论会，以后每二年召开一次这样的讨论会。

1973年在美国的宾夕法尼亚州立大学召开的第四次国际生物力学讨论会期间成立了国际生物力学学会（International Society of Biomechanics，简称ISB）,以后就脱离了ICSPE开展了独立的学术活动。

1981年在日本名古屋召开的第八届生物力学讨论会,我国第一次派代表参加了大会。

从七十年代开始，讨论各项运动技术的运动生物力学专业会议活跃起来。

如：1970年召开了第一届游泳运动生物力学讨论会，1973年召开了第一届田径运动生物力学讨论会，七十年代末还召开了体操、举重、滑雪、滑冰和冰球等运动生物力学讨论会，国际运动生物力学学会（International Society of Biomechanics in Sports，简称ISBS）应运而生。

ISBS的第一次全体会是1982年6月在美国加州的圣地亚哥召开的，123人参加，于1983年5月7日ISBS有了它的章程。

在我国，运动生物力学比较年轻，中华人民共和国成立之前体育教育工作者引用西方国家教材开设了《人体机动学》，讲授《运动学》，在学科建设上没有太大进展。

中华人民共和国成立之后，体育事业迅速发展，1956年曾邀请前苏联尼·米·贝柯夫在北京体育学院讲授《运动解剖学》和《动力解剖学》，其中包括计算人体重心和体育技术动作分析等内容。

1959年引进前苏联顿斯柯依的《运动生物力学》一书，同年暑假在北京体育学院举办了第一期运动生物力学教师进修班，此后我国大多数体育院系都相继开设了运动生物力学课程。

十年动乱我国运动生物力学的发展同其它学科一样，落后于国际发展，直到1976年才重新焕发生机，我国先后邀请了美、日、德等国运动生物力学专家来华讲座，我国根据需要派遣专业人员去国外学习、考察、研究，同时引进大量的运动生物力学书刊，促进了学科的发展。

1980年我国成立了中国体育科学学会，同时也成立了中国运动生物力学学会，使体育科学研究包括运动生物力学科研从此开始有组织、有计划地交流与学习。

中国体育科学学会每4年举办全国综合性的体育科学大会进行学术交流；运动生物力学学会每年举行一次专业性的研讨会和报告会，大大的推动了运动生物力学学科的发展。

1984年和1985年中国运动生物力学学会以集体会员名义分别加入国际生物力学学会和国际运动生物力学学会，使我国运动生物力学工作者和国际学术机构建立了经常性的学术联系与交流。

三、运动生物力学学科的发展时期（二十世纪九十年代以来）
自20世纪90年代，随着科技的飞速发展，现代的运动生物力学也进入了快速发展时期，运动生物力学开始朝着研究系统综合化、研究仪器、设备微型微观化等方向发展。

首先，研究领域不断得到拓展，例如对人体的研究，既可以从微观上研究细胞力学，为生命体的各个层次建立本构关系或力学模型奠定基础，也可以在组织和流体研究基础上，建立骨、关节、肌肉等各器官系统的力学模型；还可以从宏观上研究人体肢体或整体的运动规律；其次研究仪器不断得到完善，例如检测技术目前正朝着微型、微观、微量、微创或无创、快速、实时、遥测、动态、智能化和综合性等方向发展；第三，研究队伍的规模不断提高，如许多教练员、
从事生理、解剖的研究工作者、从事理工科研究工作者也加入到运动生物力学的研究领域之中，其它学科的介入对运动生物力学知识体系有了进一步的补充，为运动所生物力学研究提出了新的课题，为运动生物力学的发展倾注了新的血液。

总之，90年代以来，运动生物力学发展速度极快，几乎是日新月异。

无论是人体结构的研究，还是运动技术的诊断和优化模式的建立及研究方法和测试手段都取得了非凡成绩。

在世界范围内运动生物力学飞速发展的同时，国内运动生物力学的发展也在快速发展，学术活动极为频繁，一大批研究成果层出不穷，极大推动了国内运动生物力学的发展。

1997年，第五届全国体育科学大会胜利召开，这是我国20世纪末最后一次全国最大规模的体育科学盛会，运动生物力学水平高于以往任何一届，有多篇论文被评选为大会优秀论文。

1998年11月举行了第九届全国运动生物力学学术研讨会，除了专题报告还进行了学术论文交流。

2002年10月13日-18日第十届全国运动生物力学学术交流大会在河北师范大学胜利召开。

2005年8月22日至27日第23届国际运动生物力学学术年会在北京召开。

这是中国大陆第一次举办国际运动生物力学学术会议，是亚洲举办的第二次国际运动生物力学学术会议（另一次是2000年6月在中国香港举办）。

这次会议也是中国体育科学学会运动生物力学分会首次举办的大型国际会议。

2006年11月12日至16日第十一届全国运动生物力学学术年会在成都召开。

会议邀请12名不同研究领域内的专家做了大会主题报告。

会议还邀请国际运动生物力学学会专家分别作了关于国际和美国运动生物力学发展现状情况的大会报告。

本届会议交流论文与上届会议比较，数量和质量都有了新的提高，研究领域也有了新的扩展，表明近年来我国运动生物力学有了新的发展。

自90年代中期至今，广大运动生物力学工作者已普遍认识到运动生物力学就是要把各相关学科的理论，融合到人体运动本质的研究上来，特别是对人体本身结构机能力学特征的研究，如肌肉、骨骼、关节系统的力学特性，及其对应的人体外部运动行为间的因果关系等。

同时认识到力学方法应用于人体运动的局限性，生物学方法应用于人体运动的结果的不确定性(因为边界条件难以确定)。

人体作为一个高度有序，并具有自组织能力的开放系统，系统研究的方法逐渐受到重视，并且开始做了一些较有意义的工作。

第二节运动生物力学学科特性
运动生物力学作为一门新兴的交叉学科，它的理论和方法需要借助于相关学科的理论和方法以弥补、修正、充实、完善。

力学、机能解剖学、生理学作为运动生物力学的相关基础学科，对运动生物力学的学科形成和理论构建都有着重要的作用和密切的联系。

由于运动生物力学形成于多学科的渗透性过程中，因此运动生物力学学科形成了其独立、鲜明的学科特性。

从运动生物力学学科的研究对象、研究方法、研究手段和研究内容出发可归纳为如下四个方面的特性。

一、运动生物力学学科的复杂性
运动生物力学学科的复杂性是指其研究对象的复杂性。

运动生物力学是研究人体运动力学规律的一门学科。

探究人体的运动规律要从两方面着手，首先，研究人体运动的内部、外
部运动行为。

人体内部运动行为包括肌肉、骨骼、关节、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，人体功能的代偿等；人体的外部行为主要包括人体运动的空间位移、运动状态及其改变。

其次，是人体内部运动行为与外部运动行为之间因果关系的研究。

人体系统是一个开放的、具有自组织、自适应的生命系统。

每一个子系统的变化必然影响着整个系统变化，但各个系统的变化并不等于整个系统最后的结果。

例如，在分析某一个人体动作时，仅仅分析某一动作环节几个因素，即得出人体动作正确与否的结论是有所偏颇的，各个因素必然影响着整体动作，但条件并不是充分的。

人体作为一个有意识的生物体决定了人体的运动是一个在人体意识支配下的复杂大系统，运动生物力学正是数理概念及力学理论向生物科学渗透、融合的结果，其研究的重点是活体系统的力学规律，因此，研究对象的复杂性就成了运动生物力学学科的主要特性之一。

人体的拒测性、人体动作的不可重复性、随机性、功能代偿性等就决定了人体运动生物力学参数特征的非线性、相对性和复杂性。

二、运动生物力学学科的综合性
运动生物力学学科的综合性是指其研究方法的综合性。

运动生物力学是机能解剖学、力学、生理学相互交叉、融合的边缘性学科，这就决定了运动生物力学研究方法的综合性。

运动生物力学研究的方法论，一方面是物理学特别是力学等数理逻辑观点、概念和理论的深入体现，另一方面又受到研究对象、生物体的有序结构与信息特征所制约。

人体的运动行为受到力学、生理学、心理学规律的制约，运动生物力学研究的着眼点在于人体运动力学规律。

对于人体运动的外部力学规律，牛顿力学理论基本适用，而人体外部行为是内部行为综合作用的结果。

尽管运动生物力学研究的着眼点在于人体运动的力学规律，但仅采用物理学的研究方法具有很大局限性，牛顿力学理论应用于活体有其机械局限性，生物材料的粘弹性理论对于人体运动器系建立本构方程缺乏边界条件的可靠性。

人体运动器械的力学特性的深入研究必然涉及到生物学领域，如肌肉的张力特性不仅与肌纤维结构、类型有关，而且还与受神经系统控制的生物电特性有关，而单纯运用生物学研究方法也会受到人体内部复杂性的限制，边界条件难以确定，完全的定量化研究目前还无法实现，对结果正确性的检验比较困难，因此对人体运动行为的研究，必然要使物理学研究方法与生物学研究方法相互渗透、融合，在研究方法上不断突破创新，才有可能使人体运动系统从“黑箱”变为“灰箱”，直至“白箱”。

人体整体运动（大系统）由各个局部运动（子系统）合成，各局部的运动又是人体内部各运动系统综合作用的结果。

因此这种内部各运动之间的配合、协调，以及内部运动行为对整体结果的影响，对于人体运动的研究就显得更为重要，因此系统的研究方法就必须纳入运动生物力学的研究方法中。

所谓系统方法，就是把对象放在系统的形式中，从系统观点出发，从系统和要素、要素和要素、系统和环境之间的相互联系和相互作用的关系中综合的、精确的考察对象，以达到最佳的处理问题的一种方法。

系统研究方法是一种“由上而下”、“由总而细”，即从整体出发，先综合，后分析，最后又回到综合的方法，是可以把定性方法和定量方法有机统一，即它不仅可以定性的揭示系统的性质和功能，而且可以借助数学语言定量地、准确地描述系统的运动状态和规律。

例如跳远技术中，助跑、踏跳、腾空、落地各个要素均可通过测量用运动学、动力学特征量来定量描述。

亦可把整个跳远技术看成一个系统行
为，即可定量分析各个要素，又可定性分析各个要素之间的关系，以使整个动作系统达到最佳状态。

因此，系统分析方法应用于人体运动具有物理学法与生物学法所不具有的新特点、新功能。

运动生物力学学科是多学科交叉、渗透形成的边缘性学科，受到力学、生理学、解剖学、心理学等学科条件的制约，这就决定了运动生物力学研究方法上的综合性，综合性的研究方法可以使得多学科间相互弥补、修正，使得研究结果更加完善。

三、运动生物力学学科的先进性
运动生物力学学科的先进性是指其研究手段的先进性。

每一个发展完善的学科，必须具备两个条件，既要有自身的学科理论体系，还必须有自身独特的研究方法。

一门科学的发展依赖于研究方法，而研究方法的发展便促进了该学科的发展。

研究方法是总体的指导思想，测试手段是在研究方法指导下的具体操作，是完成研究方法所规定的检测任务的工具，是一种硬设备。

依据新的研究方法，采用新的测试手段往往是进行新理论探索的有效途径。

运动生物力学发展史表明，方法上的进展与测试手段的进步极大地推进了运动生物力学学科的发展。

如1982年，迈布里奇第一个用按顺序排列的24台照相机拍摄了马奔腾情况的连续照片，开始了运动学的定量测试阶段；多台高速摄像机同步系统、三维测力系统以及摄像机、测力台同步系统的问世，使得对人体运动的外部运动行为，能在三维空间上建立起比较清晰的图像；雷达测速仪、激光测速仪、光纤测速仪的产生，使人们可以迅速、方便地测定人体或运动器械的运动速度；X光片、肌电图、荧光透视技术的应用则打开了研究人体内部结构以及运动行为的大门，将研究的触角伸向人体运动自控体系的领域；伽玛射线扫描技术和CT技术可以实现活体环节质量和质心位置的测定；德国Novel公司研制的Pedar测试鞋垫最多有1024个传感器组成，可以精确测量脚底多个区域的受力情况等。

高科技测试系统在运动生物力学中的应用已经比比皆是。

运动生物力学理论体系大都建立在实验之上，随着科学技术的高速发展，大量高科技仪器设备已经广泛应用于运动生物力学的测量领域，相信随着科技与社会的发展，许多高端的测试设备会更加广泛的应用于运动生物力学的测量领域。

四、运动生物力学学科的实践性
运动生物力学学科的实践性是指其研究内容的实践性。

运动生物力学是一门理论和实践紧密结合的应用性学科，它坚持三个面向：面向竞技体育、面向大众健康、面向特殊群体（航天员、残疾人等），直接为提高运动技术水平和增强人类体质服务，体现了很强的实践性，主要表现在以下几个方面：首先在体育动作技术诊断和分析上表现尤为突出，在竞技体育方面，不仅对优秀运动员动作做出诊断，提出修改意见，而且要把运动员训练和比赛中技术完成的信息及时反馈给教练员，以促进训练和提高成绩。

同时还要总结和提炼出具有普遍意义的体育动作技术规律，指导训练和比赛。

在全民健身方面，不仅要对普通人的基本活动（如步态、提、拉、推等）进行诊断和分析，提出指导意见，而且还要对一些需要康复的人的动作进行诊断和分析；其次是设计和改进运动器械，在竞技体育方面可以设计和改进训练/锻炼、测试/监控、比赛/防护用器材，提高运动训练的效率和安全性，如比赛器具（自行车、球拍、球等）、衣服（游泳衣、自行车服等）、鞋（短跑跑鞋等）等运动设备。

在全民健身方面，可以对健身器材、学生背包、鞋帽等日常用品进行设计，为全民健身的发展做出贡献；。