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运动生物力学
sport biomechanics
研究体育运动中人体机械规律的科学，在中国也叫做“人体运动力学”。
运动生物力学的任务 ①研究运动员身体结构和机能的力学特性：运动生物力学从生物力学的观点研究运动器官、呼吸、血液循环、神经诸系统的结构及运动素质的力学特征，并考虑到性别、年龄的特点及训练水平的影响等。②确立运动技术原理：通过对各项运动技术的生物力学研究，提出必要的参数，将各种各样完成动作的实践上升为理论，塑造出标准运动技术的模式，使教练员和运动员明确什么样的动作是正确的，然后通过一定手段对运动员的动作进行技术诊断，提高训练的科学性。③改进和设计运动器械：人体本身的运动效果和人体对器械的作用效果如何，同运动器械是否具备良好的运动性能有关。从运动生物力学观点出发，把人体运动技术和运动器械的力学性能结合起来考虑，提出运动器械最佳的标准，改进旧的或设计新的运动器械。④防治运动创伤：对人体结构材料的力学研究和对运动技术的生物力学分析，能揭示人体各器官系统的形态结构与机能之间的具体联系，使人们知道什么运动对健康无妨，什么运动容易损伤,从而正确地编制和选择训练手段⑤为运动员的选材提供有关参数：研究各项运动技术的生物力学特征，提出有关参数，以便从运动生物力学方面了解各专项运动员应具备的形态、机能和素质条件，供选拔运动员时参考。
运动生物力学的内容 ①人体结构材料力学：运动生物力学把人体骨骼看作支撑器官，研究它的力学性能及安全强度；把两骨通过关节的连接看作是运动偶，把依次连接起来的运动偶看作是运动链；把骨骼、关节和肌肉构成的整体视为骨杠杆系统；分析在肌肉的拉力下骨骼围绕关节所进行的转动；探讨肌肉在运动链中的各种作用。同时也涉及呼吸、血液循环等器官的力学特性。②人体静力学：主要是研究人体从事体育活动时的平衡问题。运动生物力学把人体看作是组合物体，分别由头、躯干、上臂、前臂、手、大腿、小腿和足这些环节组成。用一定的方法确定人体各环节重心,并求得人体重心一般来说，人体重心的水平位置在两臂下垂的对称站立姿势中位于第 1至第 5椎之间，略高于髋关节的额状轴；它的左右位置，在接近人体正中面内，稍偏向右；它的前后位置，在骨和耻骨之间。由于每个人的身体各部分质量大小不一，人体重心位置也因人而异。各项运动员的体型不同，重心位置也不一样。人体重心位置不是固定的，在呼吸和血液循环的影响下，在身体姿势发生变化的情况下，重心位置也随着发生变化。人体从事平衡运动时，根据重心和支点的关系，分为支点在重心上方的上支撑平衡和支点在重心下方的下支撑平衡；根据人体在外力作用下，失去原来平衡位置以后继续保持平衡的情况，分为随意平衡、稳定平衡和不稳定平衡。对下支撑平衡稳度的大小，用稳定角及稳定力矩表述。③人体运动学：人体除平衡运动外，还有位移运动、旋转运动和复杂的空间运动。这是以人的整体运动的主要特征进行的分类，是相对的。在这相对的分类中，多见的是复杂的空间运动。人体运动学是从空间和时间的观点描述人体的运动,探讨人体位置的变化和时间的关系,求得平动和转动中的位移、时间、速度和加速度，也研究跳跃和投掷的合理角度等问题，它抓住运动的外形，分析运动的现象和过程（见）。④人体动力学:以力学定律为基础,探讨力和人体运动的关系。当把人体当做一个力学对象研究其受力情况时，将影响人体运动的力分为外力和内力两类。外力是人体以外别的物体的作用，是使人体产生加速度或发生变形的原因，它包括人体重力、支撑反作用力、摩擦力和流体阻力等。内力是人体各部分之间的相互作用，只使人体发生变形、产生局部加速度，它包括组织器官的被动阻力和肌肉拉力等，其中肌肉拉力是制约人体运动的主导力。一般，人体运动是人体与外界环境之间的相互作用引起的。⑤各项运动技术的生物力学分析：这是紧密结合体育实践为运动训练服务的一部分内容，常对各项优秀运动员的运动技术进行定量的研究，探讨各项运动技术的原理和最佳运动技术。
此外，运动生物力学是一门应用科学，因此把研究方法作为本学科的重要组成部分。
运
动生物力学的发展 早在15世纪，意大利科学家L.达?芬奇就对人体运动发生了浓厚的兴趣。他用人的尸体研究解剖学，并提出了人体服从于力学定律的观点。17世纪，意大利医生A.博雷利发表了运用杠杆定律测定人体重心位置的实验材料。他还把人体和动物的位移运动进行了分类19世纪,德国生理学家W.韦贝尔和E.H.韦贝尔兄弟发表了对人的基本位移形式──走的研究。俄国的解剖学家..列斯加夫特在探讨人体运动器官的形态和机能之间的关系方面作了大量工作，写了《理论解剖学基础》和人体运动理论等著作。萌芽时期的运动生物力学基本上没有和解剖学分开，多是应用尸体解剖材料分析人体运动，阐述动作原理。照相机、电影机的发明，对于研究体育动作起了巨大作用。20世纪60年代以后，由于电子工业的发展，为运动生物力学的研究提供了新的手段。目前，美国、德意志民主共和国、德意志联邦共和国苏联瑞士、芬兰、捷克斯洛伐克、日本和加拿大等国家都十分重视运动生物力学的研究工作，许多国家体育院校都开设运动生物力学课程。近20年来，运动生物力学的国际学术交流活动频繁。
运动生物力学在中国还相当年轻。民国时期，一些体育工作者曾作过这方面的理论建设工作，一些师范院校体育系科开设过“人体机动学”课。吴蕴瑞曾为师范院校的体育系科讲授过“运动学”。1958年以后，中国陆续在体育院系设运动生物力学课，国家体委体育科学研究所也成立了运动生物力学研究室。1976年以来，中国体育科学工作者又研制了游泳速度遥测仪、激光计时仪、标枪光电测速仪、三维测力仪和连续闪光机等一批测试仪器，为定量研究运动生物力学创造了条件。1979～1980年间，中华全国体育总会邀请当时的国际生物力学学会主席、美国宾夕法尼亚大学生物力学实验室主任R.C.纳尔逊博士及日本、德意志联邦共和国的生物力学专家来华讲学。1980年12月，宣告成立，同时成立了中国运动生物力学学会，并举行了学术报告会。
运动生物力学的测试方法 研究人体运动时，经常需要的参数有人体重心及其坐标、关节运动的角度、人体运动的速度和加速度、踏蹬力量和时间、肌肉工作的强度等,因此必须用测试的方法收集材料,进行研究。这种方法主要是：①摄影记录动作。分为普通摄影、运动光点摄影、连续闪光摄影和电影摄影。普通摄影是用普通照相机摄单个动作，适合研究静力性运动，用途较窄。运动光点摄影是将摄影机镜头前面遮上按一定频率旋转的带孔的圆盘，让它起切断光线的作用。这样摄下的光点轨迹在一张底片上连成光点线。运动速度快，光点密集；运动速度慢，光点稀疏。连续闪光摄影，是把电子闪光机和摄影机配合在一起，在一张底片上摄下运动员的连续动作(图1[摄影纪录的向后大回环连续动作])电影摄影是用电影摄影机拍摄不同频率的、一个平面或两三个平面的动作。②测定速度和加速度。有光电计时和加速度测定仪测定两种方法。光电计时，是把光电计时器安装在跑道的等距点上，运动员通过光电计时器的遮光信息，由示波器显示或记录仪描记，可看出经过每两个光电计时器之间的时间，求得平均速度。加速度测定仪由传感器组成,把它带在身上跑动,身体的加速度由示波器显示或记录仪描记下来。③其他测试。a.测定关节角度的变化，可用关节角度仪(图2[关节角度仪]图3[关节角度仪])。b.测定动态力。如测定运动员走跑和跳跃时产生的各种力量,可用测力仪C.描记肌电图。测定人在运动时各部分肌肉的状况和变化(图4[八道肌电遥测仪])。记录动作,获得原始测定数据是运动生物力学研究的关键一环，在此基础上还需进行分析、综合，上升为理论。
运动生物力学的动作分析 无论揭示某项运动的一般规律及原理，或是对某一运动进行技术诊断，都需对运动技术进行下述生物力学分析。如：①选择测试手段。测试手段依分析的目的而不同。例如，研究射箭的“撒放”技术时,因为全部动作只有15毫秒,要了解手指、弓弦及箭的运动现象,必须选用200格／秒以上的摄影机拍摄动作。拍摄频率太低，就不能捕捉所要研究的关键技术。研究跳高运动员的踏跳技术时，要了解踏跳的不同阶段在不同方向上踏跳力的大小和作用的时间，以及肌肉的工作状况等，就应选用三维测力仪、肌电仪和电影摄影机同步测试，取得第一手材料。②整理材料。a.进行运动分类：人类运动有平衡运动、位移运动、旋转运动和复杂的空间运动，其中有些运动又分为周期运动和非周期运动研究者应把所分析的具体运动按此归类,以明确运动的范畴,便于进一步分析。b.划分运动阶段:首先要确定运动的开始和结束部位，然后把开始和结束之间的过程分为若干阶段，进而还可以把每一阶段分为若干时期，以便下一步定量地查明这些阶段和时相的运动学及动力学特征c.计算人体重心:有专门的方法可以在运动技术图片上计算出人体各环节重心和人体重心，进而知道人体各环节和整个人体重力的作用点；据此绘出这些“点”的运动轨迹,并计算出这些“点”的速度和加速度。d.制作连续动作简图：此图是由各关节点的连线构成的，能简明地体现人体在不同时相的运动姿势，借此可以测量出各关节的角度，用以说明运动技术的好坏e.绘制参数曲线图:根据人体在不同时相的关节角度速度和作用力的大小，绘制出关节角度随时间变化的曲线图、速度随时间变化的曲线图、作用力随时间变化的曲线图,等等。f.绘制对照图:利用所测得的关节角度、速度、动力变化曲线图和肌电图，分别绘制与动作图象相对应的对照图和综合对照图。g.分析运动员的运动技术时，对所取得的数据应当用统计学处理，可以用平均值制作连续动作简图、重心运动轨迹、各种参数曲线图来说明一般技术原理。上述工作，除人工处理外，有些可通过图片解析仪解析(图5[
图片解析仪])。③综合分析。利用已取得的各种参数，发掘它们之间的内在联系，说明运动技术的生物学规律。a.揭示运动技术的生物力学特征:根据所整理的材料,揭示出所分析运动的时间、空间特征,以及外力和内力相互作用的特征,使人明确运动技术的关键环节及其要领。b.肯定正确的运动技术：例如，研究跳高的摆动腿和两臂的摆动与踏跳腿的缓冲及蹬伸配合时，从所整理出的动作图象、摆动肢体加速度曲线、踏跳腿关节角度变化曲线三者的对照图中可以发现，正确的踏跳技术是，踏跳腿进行缓冲时，摆动肢体加速上摆；踏跳腿进行蹬伸时，摆动肢体转入制动。摆动肢体加速和减速上摆，都有助于增强起跳效果。c.指出肌力发挥的效率:分析人体运动时,哪些力是动力，哪些力是阻力肌肉对抗阻力运动时所发挥的效率如何,主要是依据 “肌电图与动作图象对照图” 用分析肌电图的常规方法加以评价。d.找出运动技术和身体素质的差距：把所研究对象的各种力学参数，与更高水平的优秀运动员进行对比分析，可以看出哪些参数领先，哪些参数相近,哪些参数落后,明确哪些动作是正确的，哪些动作是错误的,进而搞清原因,扬长避短，明确训练方向。④总结。探讨某一运动的生物力学规律时，在总结中应对这些规律加以概括。分析某一个具体运动员的运动技术时，应对其运动技术的现状、特点加以概括，特别是要指明优点和缺点，简述产生缺点的原因，提出如何克服缺点，突破运动技术现状。
运动生物力学的应用 运动生物力学最突出的应用之点，就是用实验手段为提高运动成绩服务。中国的运动生物力学工作者在20世纪60年代初期曾对中国的优秀短跑和跳高运动员的技术动作做了较详细的研究，发表了一些学术论文。例如根据中国短跑运动员的身体结构形态特点，探索了最佳的起跑姿势，对提高短跑成绩起了积极的作用。近年来，有人采用应变测力原理配合电影摄影研究了单杠单臂向后大回环的技术原理，指出过渡到单臂大回环的前一个双臂大回环，角速度不宜过快，撒开一只手的位置在杠上垂线后20～30°较适宜；下摆至杠上垂线后54°左右,上摆至杠上垂线前37°左右,为“无重量”时相，是发展转体、换握的好时机。这一研究成果的应用加强了训练效果。
日本学者通过探讨运动技术的年龄特征，发现不同项目和不同年龄的运动员训练的重点环节应有不同。例如，跳远运动主要是由助跑、踏跳和空中姿势 3个环节组成的。从这 3个环节对运动成绩的影响来看，儿童助跑占10％，踏跳占90％，少年助跑占45％，踏跳占45％，空中姿势占10％，优秀运动员助跑占45％，踏跳占20％，空中姿势占35％。明确这些，训练时就能抓住重点。学者们还开始注意了从能量消耗的观点评价运动技术的好坏。以5000米跑为例，两名运动员最大吸氧量相同，跑时身体姿势不同。一个人身体重心上下起伏较大，另一个人起伏较小，前者用3215步跑完全程，后者用2825步跑完全程，前者能量消耗是后者的 1.8倍，所以运动成绩不如后者好。美国前奥委会生物力学部主任G.艾里尔博士创造了一个实验室，在实验室里，他发明了一套信息系统，应用电子计算机和物理学的基本原理为提高运动成绩服务。艾里尔研究小组能够用电子计算机算出运动员身体各个部位的移动情况和加速度。1976年奥运会开幕前几个月，艾里尔分析和研究了掷铁饼运动员M.威尔金斯的情况。当时他的成绩是66米，离69米的世界纪录还差 3米。艾里尔通过计算威尔金斯四肢各部用力情况和分析他的投掷动作图解,发现他在铁饼出手之前,膝盖象弹簧似地动一下。这一动，使他失掉了一部分本应传到铁饼上去的力。于是，艾里尔在计算机上模似出一个膝盖不动的威尔金斯,推论出他还可以把成绩提高3米。3 天以后，由于威尔金斯用矫形器刹住了膝盖，一下子竟提高了4.86米，以70.86米的成绩刷新了世界纪录。
应用运动生物力学改进和设计运动器械，也有很大的进展。例如，美国航空科学博士宋载镇对投掷标枪动作做了动力学研究。他用 5个非线性动力学微分方程描述了标枪的飞行过程，提出了数值解，并以 1972 年纪录为例，说明只要改变一下标枪的投掷角，并在现行规则允许范围内使标枪的压力中心从现在的25.7厘米前移到距重心0.8厘米，就可把 1972年的纪录提高16.61 米。这个理论性的探索，使人们对通过改进运动器械来提高运动成绩发生了浓厚的兴趣。美国宾夕法尼亚大学生物力学实验室研究了跑鞋的性能，对跑鞋进行了承受撞击力、柔韧性和耐穿性实验。他们集中了世界各地跑鞋的优点，制成了“生物力学跑鞋”。
在防治运动损伤方面，运动生物力学也有独到之处。有人从运动形式和损伤关系的角度作了大量的研究工作，知道了各类运动在什么情况下可能导致什么样的损伤，既能使医生对各种损伤作出正确的诊断，又便于运动员预防运动损伤。
运动生物力学还为运动员选材提供了依据。1975年，中国运动生物力学工作者对参加第 3届全国运动会的体操、武术、游泳、举重、足球、乒乓球、羽毛球、篮球、排球、自行车和田径运动员的身体形态结构特征作了较全面的研究，求得了身体各部分的比例，概括了各项运动员的体型。有些国家对世界优秀田径运动员的身材特点也都进行了力学分析，验证了不同项目、不同技术特点、不同训练情况对优秀田径运动员的不同的身材要求，同样，在训练上，也必须遵循运动生物力学的科学规律才能取得预期的效果。
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