運動生物力學

運動生物力學(sports biomechanics 或 Biomechanics in Sports)應用力學原理和方法研究生物體的外在機械運動的生物力學分支。狹義的運動生物力學研究體育運動中人體的運動規律。按照力學觀點，人體或一般生物體的運動是神經系統、肌肉系統和骨骼系統協同工作的結果。神經系統控制肌肉系統，產生對骨骼系統的作用力以完成各種機械動作。運動生物力學的任務是研究人體或一般生物體，在外界力和內部受控的肌力作用下的機械運動規律，它不討論神經、肌肉和骨骼系統的內部機制，後者屬於神經生理學、軟組織力學和骨力學的研究範疇（生物固體力學）。在運動生物力學中，神經系統的控制和反饋的過程，以簡明的控制規律代替肌肉活動，簡化為受控的力矩發生器，作為研究對象的人體模型可忽略肌肉變形對質量分佈的影響，簡化為由多個剛性環節組成的多剛體系統。相鄰環節之間，以關節相連接，在受控的肌力作用下，產生圍繞關節的相對轉動，並影響系統的整體運動。

對於人體運動的研究，最早可追溯到15世紀達·芬奇在力學和解剖學基礎上，對人體運動器官的形態和機能的解釋。18世紀已出現；對貓在空中轉體現象的實驗和理論研究。運動生物力學，作為一門學科是20世紀60年代在體育運動、計算技術和實驗技術蓬勃發展的推動下形成的。70年代中H.哈茲將人體的神經、肌肉、骨骼三大系統作為研究對象，利用複雜的數學模型進行數值計算，以解釋最基本的實驗現象。T.R.凱恩將描述人體運動的坐標區分為：內變數和外變數，前者描述肢體的相對運動，為可控變數；後者描述人體的整體運動，由動力學方程確定。這種簡化的研究方法有可能將力學原理直接用於人體實際運動的模擬和理論分析。由於生物體存在個體之間的差異性，實驗研究在運動生物力學中佔有特殊重要地位。實驗運動生物力學利用高速攝影和計算機解析、光電計時器、加速度計、關節角變化、肌電儀和測力台等，工具量測人體運動過程中，各環節的運動學參數，以及外力和內力的變化規律。

在實踐中，運動生物力學主要用於確定各專項體育運動的技術原理，作為運動員的技術診斷和改進訓練方法的理論依據。此外，運動生物力學在運動創傷的防治，運動和康復器械的改進，仿生機械。如：步行機器人的設計等方面，也有重要作用。同時還為運動員選材提供了依據。

運動生物力學從研究的形式上，可分為理論研究方法和實驗研究方法兩大類，實驗研究方法又分實驗室測量法和運動測量法。從研究的領域上，可分為物理學研究方法、生物學研究方法和系統研究方法。從研究材料的來源上可分為原始資料數據的採集整理和資料分析方法。研究運動項目主要以運動學和動力學研究方法為主，生物學的研究方法為輔，綜合運用多種實驗手段。美國的理查德·C.尼爾森把運動生物力學的研究方法大致概括為如下五種：

（1）研究特定的運動項目或其中的某一環節的生物力學，這種主要對於運動員、尤其是只對某一運動專項感興趣的教練員非常有用。

（2）研究多個運動項目中共同包含的運動動作（如著地、起跑等動作）的生物力學。最大好處是建立一種一般性的理論，這個理論是建立在經典力學定律之上，或是建立在共同的神經控制模式之上。

（3）被稱為運動生物力學的評定方法，如從能耗觀點去評價運動技術的優劣等。

（4）指對某一專項運動所涉及的生理學、運動學、動力學以及專項特點等有關方面進行綜合考慮。

（5）討論在運動中人體器官的生物力學。中國的周里將研究的方法分為高速攝影（二維與三維）、錄像、測力、肌電、肌力測試系統、同步測試、理論分析和CT、核磁共振其他方法。

未來數年運動生物力學的研究方法發展趨勢可歸納為：

1.競技體育技術測試研究方法的發展趨勢，是向著適合於各個運動項目需要的、能現場及時反饋測試分析結果的儀器設備與方法和提供詳細測試分析報告的儀器設備與方法兩條并行的途徑發展。

（1）三維跟蹤攝像、攝影測量方法的推廣；

（2）攝像、攝影精度逐步提高；

（3）三維攝像、攝影測量逐步普及；

（4）影像測量點識別、採集的自動化；

（5）足底壓力分佈測試三維化；

（6）運動技術測試儀器專項化、反饋快速化；

（7）數學力學模型和人體運動模擬使用化等；以後主要是對經典力學分析、力學模型研究、運動技術最佳化、人體運動模擬、肌肉力學模型等方面進行重點研究，使研究方法和測量手段進一步向科學化和合理化發展。

2.關於模型參數的選擇和確定，取決於參數的功能，即區分敏感參數和常規參數，並且使這些參數定量化和具有可比性。關於數據採集，首先是數據採集的標準化，然後是對數據進行力學分析和評價，更重要的是對所採集的數據進行模型模擬，因為模型模擬可以產生有關自變數對應變數影響的系列信息，並建立兩類變數之間的數—力關係，從而為技術分析、技術控制和技術最佳化提出預測，為運動損傷、康復手段的選擇提供方案。

3.運動器系的力學負荷、負荷分佈和負荷能力以及運動器官、組織和系統的材料力學是預防生物力學的基礎。重力、支持力、相互作用力、介質阻力以及摩擦力可作為對運動器系的負荷。通常使用但並未充分證明是否可靠的指標有最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及衝量、角衝量和它們的持續時間。所謂“最大”值也只是相對極限值。人體機能代償能力的儲備性決定了絕對最大值是不可計測的。近年來關於運動器械，包括鞋、服裝方面的生物力學研究已引起人們的重視，這將是一個很有吸引力且富有商業價值的領域。

4.測量技術、遙測技術和肌肉動力學測量技術（包括離體或在體肌肉動力學測量過程）將成為今後發展的重點，實驗方法與理論模型相結合的綜合研究日趨增加，主要趨向是遙測無線部分數據發射與數據採集裝置的小型化和測量過程及結果分析的快速化。