簡介
運動生物力學(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械運動的生物力學(xué)分支。狹義的運動生物力學(xué)研究體育運動中人體的運動規(guī)律。按照力學(xué)觀點，人體或一般生物體的運動是神經(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)生對骨骼系統(tǒng)的作用力以完成各種機械動作。運動生物力學(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械運動規(guī)律，它不討論神經(jīng)、肌肉和骨骼系統(tǒng)的內(nèi)部機制，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)）。在運動生物力學(xué)中，神經(jīng)系統(tǒng)的控制和反饋的過程，以簡明的控制規(guī)律代替肌肉活動，簡化為受控的力矩發(fā)生器，作為研究對象的人體模型可忽略肌肉變形對質(zhì)量分布的影響，簡化為由多個剛性環(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)的相對轉(zhuǎn)動，并影響系統(tǒng)的整體運動。[1]
對于人體運動的研究，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，對人體運動器官的形態(tài)和機能的解釋。18世紀(jì)已出現(xiàn)；對貓在空中轉(zhuǎn)體現(xiàn)象的實驗和理論研究。運動生物力學(xué)，作為一門學(xué)科是20世紀(jì)60年代在體育運動、計算技術(shù)和實驗技術(shù)蓬勃發(fā)展的推動下形成的。70年代中H.哈茲將人體的神經(jīng)、肌肉、骨骼三大系統(tǒng)作為研究對象，利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計算，以解釋最基本的實驗現(xiàn)象。T.R.凱恩將描述人體運動的坐標(biāo)區(qū)分為：內(nèi)變量和外變量，前者描述肢體的相對運動，為可控變量；后者描述人體的整體運動，由動力學(xué)方程確定。這種簡化的研究方法有可能將力學(xué)原理直接用于人體實際運動的仿真和理論分析。由于生物體存在個體之間的差異性，實驗研究在運動生物力學(xué)中占有特殊重要地位。實驗運動生物力學(xué)利用高速攝影和計算機解析、光電計時器、加速度計、關(guān)節(jié)角變化、肌電儀和測力臺等，工具量測人體運動過程中，各環(huán)節(jié)的運動學(xué)參數(shù)，以及外力和內(nèi)力的變化規(guī)律。
在實踐中，運動生物力學(xué)主要用于確定各專項體育運動的技術(shù)原理，作為運動員的技術(shù)診斷和改進(jìn)訓(xùn)練方法的理論依據(jù)。此外，運動生物力學(xué)在運動創(chuàng)傷的防治，運動和康復(fù)器械的改進(jìn)，仿生機械。如：步行機器人的設(shè)計等方面，也有重要作用。同時還為運動員選材提供了依據(jù)。
分類
運動生物力學(xué)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(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。研究運動項目主要以運動學(xué)和動力學(xué)研究方法為主，生物學(xué)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(xué)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(huán)節(jié)的生物力學(xué)，這種主要對于運動員、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(xué)。最大好處是建立一種一般性的理論，這個理論是建立在經(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）被稱為運動生物力學(xué)的評定方法，如從能耗觀點去評價運動技術(shù)的優(yōu)劣等。
（4）指對某一專項運動所涉及的生理學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)以及專項特點等有關(guān)方面進(jìn)行綜合考慮。
（5）討論在運動中人體器官的生物力學(xué)。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(tǒng)、同步測試、理論分析和CT、核磁共振其他方法。
發(fā)展
未來數(shù)年運動生物力學(xué)的研究方法發(fā)展趨勢可歸納為：
1.競技體育技術(shù)測試研究方法的發(fā)展趨勢，是向著適合于各個運動項目需要的、能現(xiàn)場及時反饋測試分析結(jié)果的儀器設(shè)備與方法和提供詳細(xì)測試分析報告的儀器設(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、采集的自動化；
（5）足底壓力分布測試三維化；
（6）運動技術(shù)測試儀器專項化、反饋快速化；
（7）數(shù)學(xué)力學(xué)模型和人體運動仿真使用化等；以后主要是對經(jīng)典力學(xué)分析、力學(xué)模型研究、運動技術(shù)最佳化、人體運動仿真、肌肉力學(xué)模型等方面進(jìn)行重點研究，使研究方法和測量手段進(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，然后是對數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)分析和評價，更重要的是對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型模擬，因為模型模擬可以產(chǎn)生有關(guān)自變量對應(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，為運動損傷、康復(fù)手段的選擇提供方案。
3.運動器系的力學(xué)負(fù)荷、負(fù)荷分布和負(fù)荷能力以及運動器官、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運動器系的負(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(guān)于運動器械，包括鞋、服裝方面的生物力學(xué)研究已引起人們的重視，這將是一個很有吸引力且富有商業(yè)價值的領(lǐng)域。
4.測量技術(shù)、遙測技術(shù)和肌肉動力學(xué)測量技術(shù)（包括離體或在體肌肉動力學(xué)測量過程）將成為今后發(fā)展的重點，實驗方法與理論模型相結(jié)合的綜合研究日趨增加，主要趨向是遙測無線部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)射與數(shù)據(jù)采集裝置的小型化和測量過程及結(jié)果分析的快速化。
