北体大运动生物力学讲义第1章概论

运动生物力学讲义第一章运动生物力学概论一、运动生物力学的概念

体育科学是一门新兴的边缘性科学，随着现代体育运动的迅速发展，体育科学本身也产生了一些新学科，运动生物力学就是其中之一。

生物力学是研究活体系统机械运动规律的科学。

生物力学研究的内容非常丰富，它涉及生物体与力学有关的所有问题。在生物力学体系中，由于研究的领域和具体对象不同，生物力学又分为研究生物体力学结构及其运动机能一般规律的普通生物力学，或称理论生物力学；有研究人体某种活动机能的局部生物力学，或称应用生物力学，如人类工程生物力学、劳动生物力学、整形生物力学、康复生物力学、运动生物力学等。运动生物力学是研究体育运动中人体机械运动规律的科学。

运动生物力学(sportBiomechanics)把体育运动中各项动作技术的研究课题，赋予生物学和力学的观点及方法，使复杂的体育动作技术奠基于最基本的生物学和力学的规律之上，并以数学、力学、生物学及运动技术原理的形式加以定量描述。教练员、运动员可依据所测定的生物力学参数来建立运动技术教学和训练的模式，不断完善动作技术。

运动生物力学要具体回答人体完成各项运动动作时是怎么样运动和为什么会运动的原因，同时也要研究影响人体运动的外界条件(如体育场地质量及各种训练和比赛的器材设备等)与运动技术的关系。根据人体的形态和机能的特点，结合对运动场地、器材的改进，研究最合理、最有效的运动技术，以求达到最好的运动成绩。

动作技术原理与最佳运动技术是两个不同的概念。动作技术原理是指完成某项动作技术的基本规律，它适用于任何人，不考虑运动员的性别、体型、运动素质的发展水平和心理素质等的个体差异，是具有共性特点的一般规律。而最佳动作技术是考虑了个人的身体形态、机能、心理素质和训练水平来应用一般技术原理，以达到最理想的运动成绩，即它既具有共性，也具有个性特征的运动技术。因此，最佳动作技术是因人而异的，对某运动员能获得最佳成绩的技术，对另一名运动员来说就不一定是最好的技术，各个运动员具有不同的身体条件、训练水平和技术特点。要善于扬长避短，发挥自己的优势，不能完全模仿别人的运动技术。

人体运动是自然界中最复杂的现象之一。它包括简单的机械运动和复杂的高级运动形式——思维活动。人体自身完成的一切动作都是大脑的活动通过肌肉收缩引起的外部表现形式，是一种有目的、有意识的运动行为。所以在研究人体的动作技术时，必须以力学和生物学的观点去探索运动的规律性，特别是完成复杂的高难动作时，运动员必须有意识地控制动作，才能保证在各种复杂多变的条件下取得最佳的运动效果。

人体的机械运动表现为两种形式：一是人体自身发生的形变，即人体各环节之间相对的位移运动；二是相对于其周围环境而发生的位移运动。牛顿力学定律适用于刚体运动，而生物体运动时会发生明显的形变(环节相对位置的改变和环节本身的形变)。因此，研究活体系统的运动时，必须注意到各种力对生物体所做的功，既消耗于整体的位移，又消耗于形变。所以总是有能量的损失和耗散。因此，研究生物体的运动要有整体的、相互联系和相互制约的观点，不能孤立地去评价某项生物力学参数。生物力学研究中，始终应注意生物必须与环境相统一，整体必须与部分相协调，结构必须与机能相一致，个体必须与系统相依存的观点。生物体虽然有它本身特殊的运动规律，但我们所研究的人体运动是属于宏观低速的位移运动。在体育运动中，跑、跳、投、游泳的位移运动正是人体运动行为的直接目的。我们完全可以用牛顿力学定律，结合生物学的规律来研究人体的运动。二、运动生物力学的任务和内容

(一)运动生物力学的任务

运动生物力学具体研究体育运动中各项动作技术的生物力学原理。它是理论性和实践性很强的一门应用科学，其主要任务是：

1．研究运动员身体结构和机能的生物力学特征，以生物力学观点来研究运动器官系统、呼吸系统、循环系统和神经系统的结构及身体运动素质的力学特性，并考虑不同年龄、性别、训练水平和心理特点来评价其运动能力。在研究不同运动员的身体形态、机能和运动素质条件的同时，可以预测其运动的潜力。它不仅为运动员寻求最佳运动技术方案提供依据，也为早期选拔各专项运动员提供必要的生物力学参数。

2．研究各项动作技术确立，动作技术原理，建立动作技术模式来指导教学和训练，在体育教学中，讲清楚动作技术

原理是非常重要的，要使学生懂得怎样做和为什么这样做，即不仅要知其然，还要知其所以然。对优秀运动员的动作技术进行生物力学研究，是以生物学和力学理论为基础，通过对高水平的运动实践的检验来总结先进的动作技术原理，建立运动技术模式。这样，有利于推广先进技术，提高专项运动技术水平和教学效果。

3．结合运动员个人的身体形态、机能和运动素质等的特点，研究适合个人的最佳动作技术方案和进行动作技术诊断对高水平运动员的动作技术进行生物力学分析，可以总结出共性的一般技术原理，对各个运动员的动作技术进行诊断，发现其个人的技术特点和存在问题，提出改进技术的措施。有定量数值的分析，才能做到扬长避短，寻求最佳技术方案，提高教学和训练的科学性。

4．探索预防运动创伤和康复手段的力学依据通过对人体结构和机能的力学研究和对动作技术的生物力学分析，能揭示运动器官的形态结构与机能相一致的关系。使人们知道什么样的动作对健康无害，什么样的动作易引起机体损伤，为制定运动技术方案和选择训练手段提供依据。通过研究不同的动作对人体局部力量负荷的特点，可以找出产生运动外伤的受力原因和规律。从而采取相应的预防措施，同时也有助于选择伤后的康复手段。

5．设计和改进运动器械运动实践中，人体位移或器械的飞行，都是人体与运动场地或器械两物体相互作用的结果。因此，运动场地的质量和器材的力学性能与运动成绩有直接的关系。如田径跑道的质量，铁饼、标枪的空气动力学性能，体操器械和各种球拍的弹性等，在竞赛规则允许的范围内，从生物力学的观点出发，提出运动场地、器材的最佳化标准，为设计新的和改进旧的运动器材提供生物力学参数，能更有效地增进人体健康和提高运动成绩。(二)运动生物力学的内容

运动生物力学是生物力学的一个分支。它的研究内容相当广泛。目前，国际上运动生物力学已在应用研究、基础研究和理论研究三个不同方面展开研究工作。运动生物力学作为体育学院的专业基础理论课程，由于受教学时数的限制，本课程教学的基本要求包括下列内容：

1．运动生物力学概论

它将阐明什么是运动生物力学及其研究的主要任务和教学的基本内容。使学生了解运动生物力学对运动理论与实践的重要意义，明确学习的目的、任务。介绍运动生物力学的发展简史，使学生了解本学科发展的过去、现在和未来的前景，激发学生为发展我国的运动生物力学而贡献力量。

2．人体运动实用力学基础

运动生物力学以力学理论为基础去研究人体机械运动的规律。体育运动中，人体的位移是属于宏观低速的运动，研究各种动作技术原理，主要是从实用出发，应用牛顿力学基本定律来解释人体相对运动和静止的现象。因此，人体运动的运动学、动力学、静力学、转动力学和流体力学的基本定律是运动生物力学的基础知识。结合各种动作实例来解释和应用力学知识是本课程的主要内容。

3．骨、肌肉及人体基本活动的生物力学人体形态结构与机能的一致性是研究人体运动的基本观点。体育运动中的动作技术主要是宏观的描述整体和环节的相对运动。这里主要讲授骨、骨杠杆原理、肌肉结构的力学模型，肌肉收缩的力学特性和功能关系；人体及各环节运动的基本形式和力学原理，使学生了解人体结构和机能本身的生物力学特征。

4．人体运动数据采集和处理

生物力学研究涉及多学科的理论和方法，采集各种生物力学参数和变量的手段，已广泛应用物理学的先进测试手段和电脑技术。因此，生物力学研究方法和测量手段本身已成为一门学科，它随着现代科学技术的进步而不断发展。在本课程教学中，主要讲述从事运动生物力学研究的基本过程和收集、整理材料的基本方法；介绍常规的运动学和动力学测试手段，如拍摄力学分析影片的基本要求，影片的解析原理，三维测力系统的应用演示等；要求学生掌握人体重心测定方法，利用连续电影图片绘制动作单线图、速度和加速度曲线图的操作方法，人体转动惯量的测量和计算等。

5．动作技术的生物力学分析运动生物力学是一门应用科学，它主要是研究完成动作的力学原理，为各项动作技术提供生物力学参数。因此，阐述如何分析动作技术和动作技术的一般原理，具体对田径运动中的跑、跳、投项目，体操的基本动作和游泳动作等的力学分析，通过分析各类型的动作实例来巩固和加深理论知识，成为运动生物力学的重要内容。

三、运动生物力学的发展简史

早在公元前古希腊的哲学家和自然科学家阿里斯多德(公元前384～322年)就对生物体的运动发生了兴趣，他注意在日常生活中观察人和动物运动的力学问题。意大利的著名医生加伦(公元131～201年)通过对动物解剖的实验证明：来自大脑的运动冲动沿神经传导至肌肉，使肌肉产生收缩而引起关节运动的理论。但因处于中世纪的黑暗时期，教会反动势力对任何涉及肉体的兴趣都加以压制，根本就谈不上研究人体的构造和运动。

15世纪末，伟大的意大利科学家列奥纳尔德·达·芬奇(LeonardoDaVinci1452～1519年)对人体运动发生了浓厚的兴趣。他用人的尸体研究解剖学，非常重视从解剖学和力学的基础上来研究人体的各种姿势和运动，并提出人体的运动必须服从于力学定律的观点。他认为：“力学之所以比其他科学更为重要和实用，那是因为所有一切能够运动的生物体都遵循力学的定律而运动。”但当时解剖尸体是违背教义的，为了避免教会的迫害，他不得不把自己的著作收藏起来，直至过了几百年，这些著作才被后人所发现。

17世纪，意大利的医生、解剖学家阿·鲍列里(AlfonsoBorelli1608～1679年)进一步把力学和解剖学结合起来研究人体运动，他在1679年完成的《论动物的运动》一书，可谓是第一部生物力学著作。在这部著作中发表了他利用杠杆原理来测定人体重心的实验材料，并把人和动物在空间的主动位移运动分为三种基本形式：蹬离地面(走、跑、跳等)、蹬离周围介质(如游泳、飞翔)和拉引(攀登、爬竿等)的运动形式。

19世纪初，由于军事训练的需要以及工业生产的发展，研究方法有了改进，德国生理学家维伯尔兄弟(W·Weber)采用实验的方法对人体运动进行了研究。他们除用肉眼观察以外，开始用最基本的带尺和秒表来测量人体运动的空间和时间特性，积累了许多有关人体位移运动的定量数值资料。但当时还不能客观地描记运动的外形。直到19世纪中叶，随着照相技术的出现，法国生理学家马勒对客观描记人体运动的方法进行了大量的研究，为生物力学研究提供了许多新的测试手段。1877年美国摄影师麦布里奇(1830～1904年)第一次用24部照相机排成一列，按顺序拍摄了骑马奔跑的连续动作照片，这是影片分析的萌芽。为纪念他对生物力学的贡献，从1987年第11届国际生物力学大会开始设立了“麦布里奇”杰出贡献奖，以表彰那些在生物力学基础理论、研究方法及应用研究方面做出突出贡献的科研工作者。1882年马勒还拍摄了鸽子、蜜蜂以及子弹的飞行情况，后来又和他的学生德美尼一起发明了定片运动轨迹照相法和运动轨迹连续光点照相法等，这种照相方法直到现在仍可用于研究人体运动的运动学特征。

20世纪初，德国学者布拉温(Braune)和菲舍尔(Fisher)的突出贡献是用解剖尸体的实验方法测定了人体笤部分的相对重量和重心位置，并采用测量速度、加速度和人体各环节重量来推算引起加速度的力，开始从动力学方面研究人体运动。菲舍尔关于人体各环节相对重量和重心位置的资料，至今仍被用于计算人体重心。

俄国运动生物力学的奠基人谢琴诺夫(Ц．M．Ceren061829～1905年)最早提出对人体运动活动要从生理学和生物力学角度进行分析，他说：“大脑活动多式多样的外部表现，最终只能归结于一种现象——肌肉的运动。”他在《人体功能运动概论》一书中阐述了人体运动器官的功能结构、骨骼杠杆装置。在运动中骨杠杆和肌肉拉力作用及神经支配等问题。列斯加夫特(ч．Φ．лeckaвт，1837～1909年)被誉为苏联运动生物力学的奠基人，1877年他所著《身体运动理论》以人体形态、生理机能和生物力学观点阐述学生身体练习的任务。苏联现代运动生物力学创始人之一，伯恩斯坦(H．A．bepнЩTeйн)从30年代开始强调从神经控制论观点来研究人体运动，他1947年所著《论动作的结构》一书就反映了系统论、控制论和信息论的观点。他认为对动作的控制可通过两个途径来实现，一是由大脑神经中枢发出指令去指挥完成各种动作任务；二是通过运动感觉神经的反馈作用来修正完成动作过程中的偏差。伯恩斯坦关于动作系统和运动行为结构的思想原则，以及运动感觉修正(信息系统)的理论对于今后运动生物力学研究的发展具有重要的意义。

本世纪30年代，著名的英国生理学家Hill对肌肉力学的研究而获得诺贝尔奖金，他取青蛙的离体缝匠肌进行实验得出建名的Hill方程，即肌肉收缩的力速方程。他对肌肉力学研究的贡献，为生物力学研究奠定了基础。他还对人体运动时的空气阻力进行过研究，并提出估算空气阻力的经验公式。

运动生物力学发展过程中形成的所谓力学流派，机能解剖学流派和生理学流派并不是对立的流派。它们在生物力学研究中起到互相补充和互相促进的作用。人们从某个方面去研究人体运动的特点，揭示某一方面的规律，并不排斥各方面的因素对人体运动的影响。在研究人体运动的定量分析中，虽然用了许多力学指标(如速度、力量、功率等)，但要达到最佳运动成绩，往往不是力学指标的总和(力学规律)所决定的，活体系统的运动最终受生物学因素的控制。

近20年来，运动生物力学的国际学术交流日益频繁，从1967年在瑞士的苏黎士召开第1届国际生物力学讨论会开始，后来每两年举行一次，到1987年共召开了11届国际生物力学大会。1973年第4届国际生物力学大会上正式成立了国际生物力学学会(InternationalSocietyofBiomechanics)，简称ISB。它的成员包括解剖、生理、医学、力学、仪器制造和运动生物力学等许多方面的专家。由于大多数人对运动生物力学发生浓厚的兴趣，为学术交流方便，1982年又成立了国际运动生物力学学会(InternationalSocietyForBiomechanicsInSport)，简称为ISBS。它每年召开一次学术会议。到1988年已召开了6届国际运动生物力学大会(1984年未开会)。目前，世界上有40多个国家积极参加生物力学学术交流活动。美国、苏联、民主德国等体育强国各项运动成绩大幅度的提高，是与他们重视运动生物力学研究分不开的。

在我国，中华人民共和国成立之前，有些师范院校体育系、科开设过《人体机动学》，如吴蕴瑞教授就讲授过《运动学》课程。由于当时体育事业落后、体育科研工作得不到正常的发展。中华人民共和国成立之后，1956～1958年间苏联专家贝柯夫在北京体育学院解剖研究班曾讲授过有关人体重心的计算及有关运动技术分析的机能解剖学内容。1952年开始引进苏联顿斯柯依的《运动生物力学》教材，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，来自全国体育学院和师院体育系、科的学员将近50人。此后，我国大多数体育院、系相继开设了《运动生物力学》课程。国家体委体育科研所也建立了运动生物力学研究组。60年代初期，我国的运动生物力学得到迅速发展，形成了一支受过专业训练的教学科研队伍，对各项运动技术的研究方面也积累了不少有价值的生物力学资料。但十年动乱使我国的运动生物力学研