簡(jiǎn)介
運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)(sports biomechanics 或 Biomechanics in Sports)應(yīng)用力學(xué)原理和方法研究生物體的外在機(jī)械運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)分支。狹義的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究體育運(yùn)動(dòng)中人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。按照力學(xué)觀點(diǎn)，人體或一般生物體的運(yùn)動(dòng)是神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉系統(tǒng)和骨骼系統(tǒng)協(xié)同工作的結(jié)果。神經(jīng)系統(tǒng)控制肌肉系統(tǒng)，產(chǎn)生對(duì)骨骼系統(tǒng)的作用力以完成各種機(jī)械動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的任務(wù)是研究人體或一般生物體，在外界力和內(nèi)部受控的肌力作用下的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它不討論神經(jīng)、肌肉和骨骼系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制，后者屬于神經(jīng)生理學(xué)、軟組織力學(xué)和骨力學(xué)的研究范疇（生物固體力學(xué)）。在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中，神經(jīng)系統(tǒng)的控制和反饋的過(guò)程，以簡(jiǎn)明的控制規(guī)律代替肌肉活動(dòng)，簡(jiǎn)化為受控的力矩發(fā)生器，作為研究對(duì)象的人體模型可忽略肌肉變形對(duì)質(zhì)量分布的影響，簡(jiǎn)化為由多個(gè)剛性環(huán)節(jié)組成的多剛體系統(tǒng)。相鄰環(huán)節(jié)之間，以關(guān)節(jié)相連接，在受控的肌力作用下，產(chǎn)生圍繞關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并影響系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)。[1]
對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的研究，最早可追溯到15世紀(jì)達(dá)·芬奇在力學(xué)和解剖學(xué)基礎(chǔ)上，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)器官的形態(tài)和機(jī)能的解釋。18世紀(jì)已出現(xiàn)；對(duì)貓?jiān)诳罩修D(zhuǎn)體現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)和理論研究。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，作為一門(mén)學(xué)科是20世紀(jì)60年代在體育運(yùn)動(dòng)、計(jì)算技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)蓬勃發(fā)展的推動(dòng)下形成的。70年代中H.哈茲將人體的神經(jīng)、肌肉、骨骼三大系統(tǒng)作為研究對(duì)象，利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以解釋最基本的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。T.R.凱恩將描述人體運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)區(qū)分為：內(nèi)變量和外變量，前者描述肢體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為可控變量；后者描述人體的整體運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)力學(xué)方程確定。這種簡(jiǎn)化的研究方法有可能將力學(xué)原理直接用于人體實(shí)際運(yùn)動(dòng)的仿真和理論分析。由于生物體存在個(gè)體之間的差異性，實(shí)驗(yàn)研究在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中占有特殊重要地位。實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)利用高速攝影和計(jì)算機(jī)解析、光電計(jì)時(shí)器、加速度計(jì)、關(guān)節(jié)角變化、肌電儀和測(cè)力臺(tái)等，工具量測(cè)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，以及外力和內(nèi)力的變化規(guī)律。
在實(shí)踐中，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)主要用于確定各專項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)的技術(shù)原理，作為運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)診斷和改進(jìn)訓(xùn)練方法的理論依據(jù)。此外，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷的防治，運(yùn)動(dòng)和康復(fù)器械的改進(jìn)，仿生機(jī)械。如：步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)等方面，也有重要作用。同時(shí)還為運(yùn)動(dòng)員選材提供了依據(jù)。
分類
運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)從研究的形式上，可分為理論研究方法和實(shí)驗(yàn)研究方法兩大類，實(shí)驗(yàn)研究方法又分實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法和運(yùn)動(dòng)測(cè)量法。從研究的領(lǐng)域上，可分為物理學(xué)研究方法、生物學(xué)研究方法和系統(tǒng)研究方法。從研究材料的來(lái)源上可分為原始資料數(shù)據(jù)的采集整理和資料分析方法。研究運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目主要以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究方法為主，生物學(xué)的研究方法為輔，綜合運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)手段。美國(guó)的理查德·C.尼爾森把運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究方法大致概括為如下五種：
（1）研究特定的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目或其中的某一環(huán)節(jié)的生物力學(xué)，這種主要對(duì)于運(yùn)動(dòng)員、尤其是只對(duì)某一運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)感興趣的教練員非常有用。
（2）研究多個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中共同包含的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作（如著地、起跑等動(dòng)作）的生物力學(xué)。最大好處是建立一種一般性的理論，這個(gè)理論是建立在經(jīng)典力學(xué)定律之上，或是建立在共同的神經(jīng)控制模式之上。
（3）被稱為運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的評(píng)定方法，如從能耗觀點(diǎn)去評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)劣等。
（4）指對(duì)某一專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)所涉及的生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及專項(xiàng)特點(diǎn)等有關(guān)方面進(jìn)行綜合考慮。
（5）討論在運(yùn)動(dòng)中人體器官的生物力學(xué)。中國(guó)的周里將研究的方法分為高速攝影（二維與三維）、錄像、測(cè)力、肌電、肌力測(cè)試系統(tǒng)、同步測(cè)試、理論分析和CT、核磁共振其他方法。
發(fā)展
未來(lái)數(shù)年運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究方法發(fā)展趨勢(shì)可歸納為：
1.競(jìng)技體育技術(shù)測(cè)試研究方法的發(fā)展趨勢(shì)，是向著適合于各個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目需要的、能現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)反饋測(cè)試分析結(jié)果的儀器設(shè)備與方法和提供詳細(xì)測(cè)試分析報(bào)告的儀器設(shè)備與方法兩條并行的途徑發(fā)展。
（1）三維跟蹤攝像、攝影測(cè)量方法的推廣；
（2）攝像、攝影精度逐步提高；
（3）三維攝像、攝影測(cè)量逐步普及；
（4）影像測(cè)量點(diǎn)識(shí)別、采集的自動(dòng)化；
（5）足底壓力分布測(cè)試三維化；
（6）運(yùn)動(dòng)技術(shù)測(cè)試儀器專項(xiàng)化、反饋快速化；
（7）數(shù)學(xué)力學(xué)模型和人體運(yùn)動(dòng)仿真使用化等；以后主要是對(duì)經(jīng)典力學(xué)分析、力學(xué)模型研究、運(yùn)動(dòng)技術(shù)最佳化、人體運(yùn)動(dòng)仿真、肌肉力學(xué)模型等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，使研究方法和測(cè)量手段進(jìn)一步向科學(xué)化和合理化發(fā)展。
2.關(guān)于模型參數(shù)的選擇和確定，取決于參數(shù)的功能，即區(qū)分敏感參數(shù)和常規(guī)參數(shù)，并且使這些參數(shù)定量化和具有可比性。關(guān)于數(shù)據(jù)采集，首先是數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化，然后是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)分析和評(píng)價(jià)，更重要的是對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型模擬，因?yàn)槟Ｐ湍M可以產(chǎn)生有關(guān)自變量對(duì)應(yīng)變量影響的系列信息，并建立兩類變量之間的數(shù)—力關(guān)系，從而為技術(shù)分析、技術(shù)控制和技術(shù)最佳化提出預(yù)測(cè)，為運(yùn)動(dòng)損傷、康復(fù)手段的選擇提供方案。
3.運(yùn)動(dòng)器系的力學(xué)負(fù)荷、負(fù)荷分布和負(fù)荷能力以及運(yùn)動(dòng)器官、組織和系統(tǒng)的材料力學(xué)是預(yù)防生物力學(xué)的基礎(chǔ)。重力、支持力、相互作用力、介質(zhì)阻力以及摩擦力可作為對(duì)運(yùn)動(dòng)器系的負(fù)荷。通常使用但并未充分證明是否可靠的指標(biāo)有最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及沖量、角沖量和它們的持續(xù)時(shí)間。所謂“最大”值也只是相對(duì)極限值。人體機(jī)能代償能力的儲(chǔ)備性決定了絕對(duì)最大值是不可計(jì)測(cè)的。近年來(lái)關(guān)于運(yùn)動(dòng)器械，包括鞋、服裝方面的生物力學(xué)研究已引起人們的重視，這將是一個(gè)很有吸引力且富有商業(yè)價(jià)值的領(lǐng)域。
4.測(cè)量技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)和肌肉動(dòng)力學(xué)測(cè)量技術(shù)（包括離體或在體肌肉動(dòng)力學(xué)測(cè)量過(guò)程）將成為今后發(fā)展的重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)方法與理論模型相結(jié)合的綜合研究日趨增加，主要趨向是遙測(cè)無(wú)線部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)射與數(shù)據(jù)采集裝置的小型化和測(cè)量過(guò)程及結(jié)果分析的快速化。
