运动生物力学

武汉体育学院研究生课程论文

论文题目

任课教师柏开祥

完成时间2011-12-22

课程名称运动生物力学

专业运动训练

年级2011级

运动生物力学的基础理论

1运动生物力学的定义

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。

2运动生物力学的起源

现代生物力学大约起源于20世纪60年代末，生物力学和运动生物力学发展进入了形成和发展时期。在这一时期专家们对于人和动物运动的生物力学特性进行了积极的研究，下面一些学者的科学研究广为人知：亚历山大1970年的《生物力学》；1974年武科布罗多维奇对于动物运动进行了数学模拟，并因此促进了机器人制造技术的发展；1968年希利杰博兰德创建了有关动物以均匀步法进行运动的理论；1968年苏霍诺夫创建了陆地脊椎动物运动的一般体系；哈顿有关人支撑运动体系调控机制的研究；米勒有关人运动生物力学问题的研究。1967年召开了第一次国际生物力学学术讨论会。1973年正式成立了国际生物力学学会（International Society of Biomechanics,ISB）,这标志着生物力学学科的正式建立。这一时期在苏联运动训练学作为一门独立学科形成了，而在此之前它只是在体育教育学的范畴内发展的。下面一些教科书成为阐述有关运动训练学知识体系的第一批著作：苏联奥佐林的《运动训练的现代体系》（1970年）、德国哈列主编的《训练学》（1971年）、波兰乌利多夫斯基的《运动训练理论及方法》。这促进了运动生物力学在运动训练学范畴内新的科学方向的发展。

随着对于运动训练问题研究范围的不断扩大，有关运动员完成比赛动作技术分析方面不同角度生物力学的研究得到了积极发展。当今研究运动生物力学的主要机构大部分在东欧国家，如波兰、俄罗斯（主要在莫斯科、圣彼得堡、伏尔加格勒、克拉斯诺达尔、新西伯利亚等城市进行生物力学的研究）、乌克兰（基辅国立体育大学和哈尔科夫国立体育科学院）。现代运动生物力学研究的现实意义是由以下二方面原因决定的：一方面，体育运动的社会意义不断提高，体育运动项目的数量不断增加，这些决定了进行运动生物力学研究的必要性和具有前途；另一方面，随着科学技术的飞速发展，出现了许多新的科研方法，这为全方位研究运动员完成比赛动作技术提供了可能，随之而来的是可以提高他们训练和比赛的成绩。

在现代生物力学的发展中很清楚地存在几个方向即工程生物力学、医学生物力学和教育生物力学（东斯科伊，1997年）。工程生物力学和医学生物力学得到了很好的理论研究，并且有大家熟知和使用的仪器设备，这就决定了它们的研究建立在一个相对较高的科学方法水平之上，而在教育生物力学的研究中却存在着另外一种情况，它主要用于解决教学任务。

教育生物力学是生物力学研究中较新的一个分支，尚处于基础材料积累和理解阶段，正在形成自己的理论学说。现阶段教育生物力学的一个重要任务就是创建以解释和预示所研究现象发展主要方向概念体系为基础的理论。

3运动生物力学的发展与现状

有关体育教育和运动问题生物力学研究范围的扩大以及体育教育和运动理论的进一步发展，促使了教育生物力学中一个相对较新的科研方向—进化生物力学的形成。进化生物力学的主要任务在于通过研究人的自然发展规律揭示其动作演化规律，这的确是一个重要的任务，因为如果不能认识人运动机能随年龄发生变化的规律性，那么就不可能正确制定训练计划。巴利谢维奇、苏杜拉教授和杨金田院士所进行的科学研究结果指明：（1）个体发育中人运动机能成分和构造（用于保障形态、功能机制）的发展存在不均衡性；（2）个体发育中人的动作的发展带有多层次及节律性；（3）个体发育中人的动作表现带有很高的个性化程度；（4）人运动机能发展的绝对结果取决于身体活动的特点及强度。

如果评价西欧国家和美国所进行科学研究的主要方向，那么应该注意一点，在这些国家，尤其是在美国，从六十年代中期在体育教育系开始开设机动学课程，在一些大学例如华盛顿大学甚至有机动学系（在俄罗斯第一个机动学研究室1998年成立于乌拉尔体育科学院，而生物力学课从1958年起，就开始在许多体育类院校开设）。这也注定了在西方学者的科研工作中有关决定动作的内部机制（肌肉、骨的结构，它们的生物力学特性、电活性，运动器官的特性和功能等）的研究占多数，并且表现出了极高的科研水平以及出色的仪器设备保障。近些年来有关这方面的科学著作比较多，其中埃诺科的《机动学原理》（1997年）是最好的专著之一。

对于人体运动的研究最早可追溯到15世纪达·芬奇在力学和解剖学基础上对人体运动器官的形态和机能的解释。18世纪已出现对猫在空中转体现象的实验和理论研究。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，仿生机械如步行机器人的设计等方面也有重要作用。同时还为运动员选材提供了依据。

运动生物力学是用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深入的领域。

在人体运动中，应用层动学和动力学的基本原理、方程去分析计算运动员跑、跳、投掷等多种运动项目的极限能力，其结果与奥林匹克运动会的记录非常相近。在创伤生物力学方面，以动力学的观点应用有限元法，计算头部和颈部受冲击时的频率响应并建立创伤模型，从而改进头部和颈部的防护并可加快创伤的治疗。

4运动生物力学研究的新变化

4.1人体结构的生物力学研究水平得到大幅度的提高

4.1.1在人体结构模型研究方面,传统的研究是利用解剖刀对尸体各部分的尺寸进行测量和称重，建立人体结构模型；20世纪80年代γ射线（造影）测量十分盛行，利用造影的方法可以测量人体各部分的惯量参数，建立实体人体结构模型。但由于这种方法不能确定人体结构各部分尺度，而无法确定每一个横断面的密度，因此这种方法在测量人体的惯量参数方面