运 动 生 物 力 学

运动生物力学(Biomechanics in Sports)是应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。按照力学观点,人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。神经系统控制肌肉系统,产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体,在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律,它不讨论神经、肌肉和骨骼系统的内部机制,后者属于神经生理学、软组织力学和骨力学的研究范畴(生物固体力学)。在运动生物力学中,神经系统的控制和反馈的过程,以简明的控制规律代替肌肉活动,简化为受控的力矩发生器,作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响,简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。相邻环节之间,以关节相连接,在受控的肌力作用下,产生围绕关节的相对转动,并影响系统的整体运动。


运动生物力学,作为一门学科是20世纪60年代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的推动下形成的。70年代中H.哈兹将人体的神经、肌肉、骨骼三大系统作为研究对象,利用复杂的数学模型进行数值计算,以解释最基本的实验现象。T.R.凯恩将描述人体运动的坐标区分为:内变量和外变量,前者描述肢体的相对运动,为可控变量;后者描述人体的整体运动,由动力学方程确定。这种简化的研究方法有可能将力学原理直接用于人体实际运动的仿真和理论分析。由于生物体存在个体之间的差异性,实验研究在运动生物力学中占有特殊重要地位。实验运动生物力学利用高速摄影和计算机解析、光电计时器、加速度计、关节角变化、肌电仪和测力台等,工具量测人体运动过程中,各环节的运动学参数,以及外力和内力的变化规律。


在实践中,运动生物力学主要用于确定各专项体育运动的技术原理,作为运动员的技术诊断和改进训练方法的理论依据。此外,运动生物力学在运动创伤的防治,运动和康复器械的改进,仿生机械等方面,也有重要作用。同时还为运动员选材提供了依据。运动生物力学从研究的形式上,可分为理论研究方法和实验研究方法两大类,实验研究方法又分实验室测量法和运动测量法。从研究的领域上,可分为物理学研究方法、生物学研究方法和系统研究方法。从研究材料的来源上可分为原始资料数据的采集整理和资料分析方法。研究运动项目主要以运动学和动力学研究方法为主,生物学的研究方法为辅,综合运用多种实验手段。


未来数年运动生物力学的研究方法发展趋势可归纳为:

1.竞技体育技术测试研究方法的发展趋势,是向着适合于各个运动项目需要的、能现场及时反馈测试分析结果的仪器设备与方法和提供详细测试分析报告的仪器设备与方法两条并行的途径发展。

2.关于模型参数的选择和确定,取决于参数的功能,即区分敏感参数和常规参数,并且使这些参数定量化和具有可比性。关于数据采集,首先是数据采集的标准化,然后是对数据进行力学分析和评价,更重要的是对所采集的数据进行模型模拟,因为模型模拟可以产生有关自变量对应变量影响的系列信息,并建立两类变量之间的数—力关系,从而为技术分析、技术控制和技术最佳化提出预测,为运动损伤、康复手段的选择提供方案。

3.运动器系的力学负荷、负荷分布和负荷能力以及运动器官、组织和系统的材料力学是预防生物力学的基础。重力、支持力、相互作用力、介质阻力以及摩擦力可作为对运动器系的负荷。通常使用但并未充分证明是否可靠的指标有最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及冲量、角冲量和它们的持续时间。所谓“最大”值也只是相对极限值。人体机能代偿能力的储备性决定了绝对最大值是不可计测的。近年来关于运动器械,包括鞋、服装方面的生物力学研究已引起人们的重视,这将是一个很有吸引力且富有商业价值的领域。

4.测量技术、遥测技术和肌肉动力学测量技术(包括离体或在体肌肉动力学测量过程)将成为今后发展的重点,实验方法与理论模型相结合的综

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