第一章运动生物力学学科概述.doc

个人收集整理 勿做商业用途第一章 运动生物力学学科概述（李建设 裘琴儿）内容提要:本章介绍了运动生物力学学科的演变历程；阐述了运动生物力学的学科特性；从当前运动生物力学亟待解决与发展的问题的角度对运动生物力学学科的未来进行展望。教学目标：使学生了解运动生物力学学科的发展历程,明确运动生物力学的学科特性、了解运动生物力学学科任务，了解运动生物力学学科中目前亟待解决的问题以及未来走向，使学生全面了解运动生物力学的学科概貌. 关键词：演变;特性;任务;展望第一节 运动生物力学学科演变运动生物力学学科的形成时间并不长，但是人类注意、观察、分析、研究运动的历史却非常悠久。从整个学科的演变历程来看，大致可分为如下几个时期：一、运动生物力学学科的萌芽时期（二次大战前)运动生物力学作为正式的一门学科还是近代的事情。人们在很早以前就想知道活的有机体的运动.古希腊被称为“运动学之父的亚里士多德（Aristotles公元前384-322)早已关注人和动物运动的材料,第一次分析了走的全过程,并开始认识了重心的作用和杠杆原理等。文艺复兴前,代表人物克加仑(C.Galenus公元前131-200)是一名医生，他通过实验证实了由脑发出冲动，肌肉紧张收缩产生关节运动，区别了原动肌和对抗肌,使用了动关节与不动关节的术语。文艺复兴时期自然科学得到较快的发展，意大利科学家达芬奇（L.D。Vinci 1452-1519)是有名的画家，数学家和力学家，又是一名医生，他极大地注意到解剖学和力学基础上的人体姿势分析，对人体步行的研究和近代身体运动学的研究相仿。他叙述了站立,上坡和下坡,坐姿起立和跳跃是身体的力学原理,并说“有运动能力的活体都按力学规律起作用”，在当时这是一个大胆的见解.进一步研究人和动物运动是意大利数学家和天文学家阿鲍里利（A.Borelli 1608-1679），他是伟大的力学家伽利略的学生。他曾著论动物的运动一书，他曾探索各种肌肉发力的数值，利用杠杆原理测量人体重心的实验方案，指出了人体中心的位置,提出肌肉的作用符合数学、力学原理的论点,并将人体在空间的主动位移动作分为3种主要运动方式，即蹬离支点（走、跑、跳)、推离他体(划行，如游泳)、拉引（如攀登).后来，美国生物力学家斯坦特勒（A。Steindler 18791959)称他是“现代运动解剖学和生物力学之父.18世纪人们发现了电现象,不久“生物电”的概念便被用来解释人体运动的调节功能。伽伐尼（Galvani）发现电刺激会引起肌肉收缩,完成了著名的论文论肌肉运动中的电力，并得出了动物电与机器电完全一致的重要结论。1841年莱芒德（Du Bois Reymond）在前人研究的基础上确立了肌电测量的方法.生物电的研究导致肌电图仪的发明.肌电图目前已经广泛用来研究运动员运动时的肌肉工作。19世纪初法国生理学家维伯尔兄弟用1/60s的发条时钟计时法，在研究走的实验中测定了躯干的倾斜以及垂直运动，得出提高走速必须减少双支撑时间的结论。缪勒是法国的生理学家,他利用空气压缩记录法研究了腿运动的支撑期和摆动期的时间关系,测定走时支撑时间和跑时双支撑时间的数据.1871年美国摄影师伊梅布里奇用24只固定照相机和2只轻便蓄电池,拍摄了一匹马的奔跑状态并测量出马的步长,四足腾空的现象，其后又拍摄了人的走,跑等动作的连续照片.1901年，梅布里奇发表了运动中的人体的图像集,从而奠定了运动生物力学参数摄影分析测量的方法基础。为了纪念他对生物力学的贡献,从1987年第11届生物力学大会开始设立了“梅布里奇杰出贡献奖”以表彰在生物力学基础理论，研究方法和应用研究领域做出突出贡献的学者。20世纪初,德国学者威布拉温和奥菲舍尔用实验方法测定了人体各环节相对重量和人体重心等惯性参数，这些材料时至今日仍被生物力学理论和实践广泛采用。1916年法国人阿玛尔(Amar)研制了第一台可以测定垂直、水平方向两维测力台,为动力学分析提供了测试手段。俄国学者谢切诺夫除了对生理学方面出贡献外，在他所著人体功能运动概论一书中详尽阐述了“人体运动装置的结构是骨杠杆，产生杠杆运动的是肌肉张力及其神经支配”等问题。同时代的俄国学者佛列斯加夫特是一位机能解剖专家,他把人体形态结构功能与体育动作结合起来，开创了身体运动的理论，并于1877年讲授了他自己写的这部著作,而后更名为体育练习生物力学教程。由于谢切诺夫和列斯加夫特的突出贡献，他们被称为原苏联现代生物力学的奠基人。前苏联运动生物力学创始人伯恩斯坦从20世纪30年代开始注意用神经控制论的观点来研究人体运动,在所著的论动作的结构一书中就反映了系统论、控制论和信息论的观点。伯恩斯坦关于人体动作系和运动行为结构的思想原则，以及运动感觉反馈修正的理论对运动生物力学的学科发展具有重要的意义。20世纪30年代,英国生理学家希尔（A.V.Hill)取青蛙的缝匠肌为试样，通过测量肌肉在缩短过程中的肌张力，肌缩短速度,肌肉产生的热量及肌肉维持挛缩状态所需的热量,并按热力学第一定律建立了与实验结果相当一致的希尔方程。他因为多肌肉力学的经典性工作成就获得了诺贝尔生理学奖。运动生物力学在萌芽时期基本上没有和人体解剖学分开，多是应用尸体解剖材料分析人体运动，阐述运动动作的原理。运动生物力学在萌芽时期的研究基本是零散的，缺乏系统性。但这漫长的萌芽时期却为运动生物力学学科的形成奠定了基础.二、运动生物力学学科的形成时期（二次大战到二十世纪八十年代）第二次世界大战以后,随着体育运动的蓬勃发展,先进技术和军事科学的发展，运动解剖学和运动生物力学逐渐形成独立的学科。特别是20世纪40年代开始的以信息技术为标志的现代科学技术革命是运动生物力学学科形成的加速剂。20世纪60年代微型计算机的诞生为运动生物力学带来了革命性的变化,带来了运动生物力学测试仪器本质上的进步，促进了这一学科理论与实践的不断融合与发展.这一时期的特征是较为先进技术的引进和应用，极大促进了运动生物力学的发展。例如采用高速摄影（像）机来记录动作的运动学参数；利用三位测力台和动态应变仪等来记录动作的动力学参数;利用肌电图研究肌肉活动；利用伽玛射线扫描技术和CT技术测定活体环节质量和质心位置等等。新技术层出不穷,研究的领域也越来越深入，越来越广泛。运动生物力学成为一门独立的学科。一般认为，运动生物力学学科的形成是在二十世纪的中后期。1967年由国际体育和教育理事会（ICSPE）在瑞士苏黎士召开了第一届国际生物力学讨论会，以后每二年召开一次这样的讨论会。1973年在美国的宾夕法尼亚州立大学召开的第四次国际生物力学讨论会期间成立了国际生物力学学会(International Society of Biomechanics，简称ISB），以后就脱离了ICSPE开展了独立的学术活动。1981年在日本名古屋召开的第八届生物力学讨论会,我国第一次派代表参加了大会。从七十年代开始,讨论各项运动技术的运动生物力学专业会议活跃起来。如:1970年召开了第一届游泳运动生物力学讨论会,1973年召开了第一届田径运动生物力学讨论会，七十年代末还召开了体操、举重、滑雪、滑冰和冰球等运动生物力学讨论会，国际运动生物力学学会(International Society of Biomechanics in Sports，简称ISBS）应运而生。ISBS的第一次全体会是1982年6月在美国加州的圣地亚哥召开的，123人参加，于1983年5月7日ISBS有了它的章程。在我国，运动生物力学比较年轻，中华人民共和国成立之前体育教育工作者引用西方国家教材开设了人体机动学，讲授运动学,在学科建设上没有太大进展。中华人民共和国成立之后，体育事业迅速发展,1956年曾邀请前苏联尼米贝柯夫在北京体育学院讲授运动解剖学和动力解剖学，其中包括计算人体重心和体育技术动作分析等内容.1959年引进前苏联顿斯柯依的运动生物力学一书,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,此后我国大多数体育院系都相继开设了运动生物力学课程。十年动乱我国运动生物力学的发展同其它学科一样，落后于国际发展，直到1976年才重新焕发生机，我国先后邀请了美、日、德等国运动生物力学专家来华讲座,我国根据需要派遣专业人员去国外学习、考察、研究,同时引进大量的运动生物力学书刊，促进了学科的发展。 1980年我国成立了中国体育科学学会,同时也成立了中国运动生物力学学会，使体育科学研究包括运动生物力学科研从此开始有组织、有计划地交流与学习。中国体育科学学会每4年举办全国综合性的体育科学大会进行学术交流；运动生物力学学会每年举行一次专业性的研讨会和报告会，大大的推动了运动生物力学学科的发展。1984年和1985年中国运动生物力学学会以集体会员名义分别加入国际生物力学学会和国际运动生物力学学会，使我国运动生物力学工作者和国际学术机构建立了经常性的学术联系与交流。三、运动生物力学学科的发展时期(二十世纪九十年代以来）自20世纪90年代，随着科技的飞速发展，现代的运动生物力学也进入了快速发展时期，运动生物力学开始朝着研究系统综合化、研究仪器、设备微型微观化等方向发展。首先，研究领域不断得到拓展,例如对人体的研究，既可以从微观上研究细胞力学，为生命体的各个层次建立本构关系或力学模型奠定基础,也可以在组织和流体研究基础上，建立骨、关节、肌肉等各器官系统的力学模型；还可以从宏观上研究人体肢体或整体的运动规律；其次研究仪器不断得到完善,例如检测技术目前正朝着微型、微观、微量、微创或无创、快速、实时、遥测、动态、智能化和综合性等方向发展；第三,研究队伍的规模不断提高，如许多教练员、从事生理、解剖的研究工作者、从事理工科研究工作者也加入到运动生物力学的研究领域之中，其它学科的介入对运动生物力学知识体系有了进一步的补充,为运动所生物力学研究提出了新的课题，为运动生物力学的发展倾注了新的血液。总之,90年代以来，运动生物力学发展速度极快，几乎是日新月异。无论是人体结构的研究，还是运动技术的诊断和优化模式的建立及研究方法和测试手段都取得了非凡成绩。在世界范围内运动生物力学飞速发展的同时，国内运动生物力学的发展也在快速发展，学术活动极为频繁，一大批研究成果层出不穷，极大推动了国内运动生物力学的发展。1997年,第五届全国体育科学大会胜利召开，这是我国20世纪末最后一次全国最大规模的体育科学盛会，运动生物力学水平高于以往任何一届，有多篇论文被评选为大会优秀论文。1998年11月举行了第九届全国运动生物力学学术研讨会，除了专题报告还进行了学术论文交流。2002年10月13日18日第十届全国运动生物力学学术交流大会在河北师范大学胜利召开。2005年8月22日至27日第23届国际运动生物力学学术年会在北京召开。这是中国大陆第一次举办国际运动生物力学学术会议，是亚洲举办的第二次国际运动生物力学学术会议（另一次是2000年6月在中国香港举办)。这次会议也是中国体育科学学会运动生物力学分会首次举办的大型国际会议.2006年11月12日至16日第十一届全国运动生物力学学术年会在成都召开。会议邀请12名不同研究领域内的专家做了大会主题报告。会议还邀请国际运动生物力学学会专家分别作了关于国际和美国运动生物力学发展现状情况的大会报告.本届会议交流论文与上届会议比较，数量和质量都有了新的提高，研究领域也有了新的扩展，表明近年来我国运动生物力学有了新的发展.自90年代中期至今,广大运动生物力学工作者已普遍认识到运动生物力学就是要把各相关学科的理论,融合到人体运动本质的研究上来，特别是对人体本身结构机能力学特征的研究，如肌肉、骨骼、关节系统的力学特性，及其对应的人体外部运动行为间的因果关系等。同时认识到力学方法应用于人体运动的局限性，生物学方法应用于人体运动的结果的不确定性（因为边界条件难以确定)。人体作为一个高度有序,并具有自组织能力的开放系统,系统研究的方法逐渐受到重视，并且开始做了一些较有意义的工作。第二节 运动生物力学学科特性运动生物力学作为一门新兴的交叉学科，它的理论和方法需要借助于相关学科的理论和方法以弥补、修正、充实、完善.力学、机能解剖学、生理学作为运动生物力学的相关基础学科，对运动生物力学的学科形成和理论构建都有着重要的作用和密切的联系。由于运动生物力学形成于多学科的渗透性过程中，因此运动生物力学学科形成了其独立、鲜明的学科特性。从运动生物力学学科的研究对象、研究方法、研究手段和研究内容出发可归纳为如下四个方面的特性。一、运动生物力学学科的复杂性运动生物力学学科的复杂性是指其研究对象的复杂性。运动生物力学是研究人体运动力学规律的一门学科。探究人体的运动规律要从两方面着手，首先，研究人体运动的内部、外部运动行为。人体内部运动行为包括肌肉、骨骼、关节、韧带的力学特性及其对整体运动的约束,神经、体液控制的生物反馈系统对运动功能的影响，人体功能的代偿等；人体的外部行为主要包括人体运动的空间位移、运动状态及其改变。其次,是人体内部运动行为与外部运动行为之间因果关系的研究。人体系统是一个开放的、具有自组织、自适应的生命系统。每一个子系统的变化必然影响着整个系统变化，但各个系统的变化并不等于整个系统最后的结果。例如，在分析某一个人体动作时，仅仅分析某一动作环节几个因素，即得出人体动作正确与否的结论是有所偏颇的，各个因素必然影响着整体动作，但条件并不是充分的.人体作为一个有意识的生物体决定了人体的运动是一个在人体意识支配下的复杂大系统，运动生物力学正是数理概念及力学理论向生物科学渗透、融合的结果，其研究的重点是活体系统的力学规律，因此，研究对象的复杂性就成了运动生物力学学科的主要特性之一.人体的拒测性、人体动作的不可重复性、随机性、功能代偿性等就决定了人体运动生物力学参数特征的非线性、相对性和复杂性.二、运动生物力学学科的综合性运动生物力学学科的综合性是指其研究方法的综合性。运动生物力学是机能解剖学、力学、生理学相互交叉、融合的边缘性学科，这就决定了运动生物力学研究方法的综合性。运动生物力学研究的方法论，一方面是物理学特别是力学等数理逻辑观点、概念和理论的深入体现，另一方面又受到研究对象、生物体的有序结构与信息特征所制约。人体的运动行为受到力学、生理学、心理学规律的制约，运动生物力学研究的着眼点在于人体运动力学规律.对于人体运动的外部力学规律，牛顿力学理论基本适用,而人体外部行为是内部行为综合作用的结果。尽管运动生物力学研究的着眼点在于人体运动的力学规律,但仅采用物理学的研究方法具有很大局限性，牛顿力学理论应用于活体有其机械局限性，生物材料的粘弹性理论对于人体运动器系建立本构方程缺乏边界条件的可靠性.人体运动器械的力学特性的深入研究必然涉及到生物学领域，如肌肉的张力特性不仅与肌纤维结构、类型有关，而且还与受神经系统控制的生物电特性有关,而单纯运用生物学研究方法也会受到人体内部复杂性的限制，边界条件难以确定,完全的定量化研究目前还无法实现,对结果正确性的检验比较困难,因此对人体运动行为的研究,必然要使物理学研究方法与生物学研究方法相互渗透、融合,在研究方法上不断突破创新，才有可能使人体运动系统从“黑箱变为“灰箱，直至“白箱”。人体整体运动（大系统)由各个局部运动（子系统）合成，各局部的运动又是人体内部各运动系统综合作用的结果。因此这种内部各运动之间的配合、协调,以及内部运动行为对整体结果的影响，对于人体运动的研究就显得更为重要，因此系统的研究方法就必须纳入运动生物力学的研究方法中。所谓系统方法，就是把对象放在系统的形式中，从系统观点出发,从系统和要素、要素和要素、系统和环境之间的相互联系和相互作用的关系中综合的、精确的考察对象，以达到最佳的处理问题的一种方法。系统研究方法是一种“由上而下”、“由总而细”，即从整体出发，先综合，后分析,最后又回到综合的方法，是可以把定性方法和定量方法有机统一，即它不仅可以定性的揭示系统的性质和功能,而且可以借助数学语言定量地、准确地描述系统的运动状态和规律。例如跳远技术中，助跑、踏跳、腾空、落地各个要素均可通过测量用运动学、动力学特征量来定量描述。亦可把整个跳远技术看成一个系统行为，即可定量分析各个要素，又可定性分析各个要素之间的关系，以使整个动作系统达到最佳状态。因此，系统分析方法应用于人体运动具有物理学法与生物学法所不具有的新特点、新功能。运动生物力学学科是多学科交叉、渗透形成的边缘性学科，受到力学、生理学、解剖学、心理学等学科条件的制约，这就决定了运动生物力学研究方法上的综合性，综合性的研究方法可以使得多学科间相互弥补、修正，使得研究结果更加完善。三、运动生物力学学科的先进性运动生物力学学科的先进性是指其研究手段的先进性.每一个发展完善的学科，必须具备两个条件,既要有自身的学科理论体系，还必须有自身独特的研究方法。一门科学的发展依赖于研究方法,而研究方法的发展便促进了该学科的发展。研究方法是总体的指导思想，测试手段是在研究方法指导下的具体操作，是完成研究方法所规定的检测任务的工具，是一种硬设备.依据新的研究方法，采用新的测试手段往往是进行新理论探索的有效途径。运动生物力学发展史表明，方法上的进展与测试手段的进步极大地推进了运动生物力学学科的发展。如1982年，迈布里奇第一个用按顺序排列的24台照相机拍摄了马奔腾情况的连续照片，开始了运动学的定量测试阶段；多台高速摄像机同步系统、三维测力系统以及摄像机、测力台同步系统的问世，使得对人体运动的外部运动行为,能在三维空间上建立起比较清晰的图像；雷达测速仪、激光测速仪、光纤测速仪的产生，使人们可以迅速、方便地测定人体或运动器械的运动速度;X光片、肌电图、荧光透视技术的应用则打开了研究人体内部结构以及运动行为的大门,将研究的触角伸向人体运动自控体系的领域；伽玛射线扫描技术和CT技术可以实现活体环节质量和质心位置的测定；德国Novel公司研制的Pedar测试鞋垫最多有1024个传感器组成,可以精确测量脚底多个区域的受力情况等。高科技测试系统在运动生物力学中的应用已经比比皆是。个人收集整理,勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途运动生物力学理论体系大都建立在实验之上，随着科学技术的高速发展，大量高科技仪器设备已经广泛应用于运动生物力学的测量领域，相信随着科技与社会的发展，许多高端的测试设备会更加广泛的应用于运动生物力学的测量领域。四、运动生物力学学科的实践性运动生物力学学科的实践性是指其研究内容的实践性.运动生物力学是一门理论和实践紧密结合的应用性学科,它坚持三个面向:面向竞技体育、面向大众健康、面向特殊群体（航天员、残疾人等），直接为提高运动技术水平和增强人类体质服务，体现了很强的实践性,主要表现在以下几个方面：首先在体育动作技术诊断和分析上表现尤为突出，在竞技体育方面，不仅对优秀运动员动作做出诊断,提出修改意见,而且要把运动员训练和比赛中技术完成的信息及时反馈给教练员，以促进训练和提高成绩。同时还要总结和提炼出具有普遍意义的体育动作技术规律，指导训练和比赛.在全民健身方面，不仅要对普通人的基本活动(如步态、提、拉、推等）进行诊断和分析，提出指导意见，而且还要对一些需要康复的人的动作进行诊断和分析；其次是设计和改进运动器械，在竞技体育方面可以设计和改进训练/锻炼、测试/监控、比赛/防护用器材，提高运动训练的效率和安全性,如比赛器具（自行车、球拍、球等)、衣服（游泳衣、自行车服等）、鞋（短跑跑鞋等）等运动设备。在全民健身方面，可以对健身器材、学生背包、鞋帽等日常用品进行设计，为全民健身的发展做出贡献；然后，在预防损伤与康复上也有较为突出应用，运动生物力学与骨伤科、矫治外科等关系密切，与它们结合，共同深入研究人体环节参数、肌肉、骨骼、关节的动力学参数和生物学特性，可以解决骨伤科的临床问题，对损伤做到积极预防与康复;最后，在选材和预测上，运动生物力学可以为运动员选材提供基本的指标，特别是一些身体素质方面,如速度、力量等。另外，运动生物力学的一些模型和仿真技术可为运动员创新动作和预测成绩及提高训练效果服务。个人收集整理，勿做商业用途本文为互联网收集，请勿用作商业用途总之,运动生物力学是一门实践性很强的学科，它在人们生活中的应用非常广泛，不仅对提高运动员竞技水平、改进和设计运动器械、运动员选材与运动成绩预测有重要意义，而且对促进全民健身锻炼科学化也具有重要的意义。第三节 运动生物力学学科任务运动生物力学是一门理论与实践密切结合的学科,它直接为提高运动员运动技术水平和增强人类体质服务。运动生物力学对于体育教育专业学生既是一门基础理论学科，又是与体育实践紧密相连的应用性学科。就目前运动生物力学的学科定义来看，其主要任务主要包括以下几个方面:1.研究人体结构与运动功能之间的相互关系人体运动器系由骨、关节和肌肉组成,其主要功能是使人体运动。因此,要想深入揭示人体运动的力学规律，必然要涉及到人体器系各组成部分的结构、功能及所表现的力学特点和力学特性.只有认识了人体运动器系的结构、功能及力学特性才能最大限度地发挥其功能，避免产生损伤,所以，研究人体运动器系的力学特性，以及人体基本活动形式的特征是运动生物力学理论研究的最基本任务。2.研究人体技术动作的规律许多项目都是在竞争远度、高度、速度、力量等力学量的大小，因此，我们可以借助运动生物力学手段，揭示动作技术的生物力学原理，结合运动员的生物学特点和专项特点,建立合理的动作技术模式，以提高运动成绩.动作技术规律是指完成某项动作技术的基本规律，它适合于任何人，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个体差异，是具有共性特点的一般规律.人体技术动作千差万别,我们可以从生物力学和生物学角度研究引起这些差别的原因.这样,通过对高水平的运动实践来总结先进的动作技术原理,建立合理的动作模式,就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. 研究运动技术的最佳化，制定运动技术训练方案研究运动技术的最佳化，即通过对各项优秀运动员技术的生物力学研究，进行技术诊断，提出合理的生物力学参数,找出改进技术的措施，探索合理和最佳的动作技术方案,以提高竞技运动训练的科学性和竞技运动水平.最佳运动技术与动作技术规律是两个不同的概念,因此，探索最佳化的运动技术和上述揭示动作技术规律是两个不同层次的任务。动作技术规律是是具有共性特点的一般规律。而最佳运动技术则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,即它是既具有共性又具有个性特征的运动技术。最佳运动技术的研究是非常有必要的.即使是一个非常优秀的运动员，其动作技术也会存在不合理的一面，在遵循一般运动技术原理的前提下，对运动员的动作技术进行生物力学诊断，发现其个人的技术特点和存在的问题，保留其合理的特点，改正其不合理之处，可以达到扬长避短的目的。美国奥委会生物力学部主任艾里尔博士在这一方面的研究工作是卓有成效的.1976年在蒙特利尔奥运会上获得金牌的美国铁饼运动员麦克。威尔金斯就是运动技术诊断较早成功的一例。运动会开幕前几个月，威尔金斯的成绩是66米，离69米的世界纪录还相差很远.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不但没有刹住膝盖，反而象弹簧似地动了一下.只这一动，就使他失掉了一部分本应传到铁饼上的力。后来，威尔金斯采用矫形器刹住了膝盖，一下子竟以70。86米的成绩刷新了世界纪录。这个例子之所以能够成功，原因是有两个步骤均取得了效果.第一是正确地发现了运动过程中存在的问题,第二是采用了有效的训练手段，二者缺一不可。因此，在对运动技术进行诊断时，不能仅停留在测量、分析和评价运动技术的层面上，还应当重视运动技术改进、运动能力发展的方案设计与实施。4.研究、设计、改进运动器械体育运动中，人体或器械运动，都是人与运动场地或运动器械相互作用的结果，因此研究、设计、改进运动器械，使之符合力学原理,既适合与体育运动实际的需要，又为运动成绩的不断提高创造了条件。为全民健身战略的实施服务，为运动生物力学学科的应用研究提出了丰富的研究任务和更高的要求。现代科学技术日新月异，尤其是电子学、机械学、材料学、传感器技术、计算机技术等相关学科的飞速发展，为运动生物力学在体育仪器器材领域的研究提供了有力的技术支撑.通过体育仪器器材的研制，不仅可以提高运动训练的效率和安全性,加速竞技体育“更快、更高、更强目标的实现；也可以提高人们健身锻炼的效果和娱乐性,为现代人创造良好的生活和工作环境，改善人类生存状况，激发人类潜能、提高生活质量和品位。如撑竿跳高项目的撑竿，从木质竿、竹竿、金属竿一直发展到玻璃纤维竿。为优秀运动员不断创造新的世界纪录奠定了基础，截止于1994年乌克兰著名运动员布勃卡成功地越过了6.14米，仅在玻璃纤维竿时期世界纪录就改写了51次。中国的刘翔在雅典奥运会上以1291的成绩平了世界纪录获得了110米栏的奥运会冠军，改写了亚洲人无缘该项目的历史。刘翔所穿的跑鞋就是一家国际知名品牌为他量身定制的,据说每一只跑鞋的重仅为100克;再如人体关节保护装置,在各项运动项目中以不影响妨碍专项所需完成的动作幅度、速度和发力过程的前提下，对于易受伤的相应关节配置防护性护具，典型的例证是橄榄球员的预防膝侧副韧带断裂的护膝。目前流行的轮滑运动所用的护膝、护肘、护腕等也是很好的运动防护设备。5。研究运动损伤的原因和预防措施通过对人体器系的运动生物力学研究和对运动技术的生物力学分析，一方面可以揭示运动器系的形态结构和运动功能的统一性和相互制约性,从而建立合理的动作技术以防止运动器系发生损伤。另一方面可以揭示不同运动动作对人体局部载荷的影响,找出运动器系发生损伤的力学原因和生物学原因，从而采取预防措施，一旦发生运动器系损伤，可以选择合理的生物力学康复手段。运动生物力学的研究使我们认识到不同的运动训练手段对于人体形态、结构、机能产生不同影响的关系.正确、适度的技术训练可以促进人体运动器系机能的改善，错误、过度的技术训练则会破坏运动器系的原有机能。了解了这些关系，就可以达到运动训练的目的，防止运动损伤。譬如投掷标枪时，投掷臂的肘关节部位过低，远离肩的外侧经过，三角肌前部的肌力与标枪的惯性力对肱骨纵轴产生扭转力矩，如果此力矩过大,则容易造成肱骨的螺旋型骨折。因为，当人体的骨骼受到扭转载荷时，骨将沿其轴线产生扭曲,整个骨都有剪应力分布。而对成人骨密质试样进行压缩、拉伸和剪切试验时发现骨承受剪切的能力最低。从运动技术中找到运动对器官产生载荷的原因，就可以避免运动损伤.6.为运动选材提供生物力学参数通过研究人体运动器系可以知道人体运动器系的生物力学特性,人体运动器系的生物力学特性是产生人体肢体或整体运动的基础，人体运动器系有什么样的特性就有什么样的运动能力,也就会产生什么样的运动效果。如果我们了解了这样一个正向的链条关系，就可以为选材提供依据,譬如肌纤维类型、小腿的肌腱和韧带的长度等都是判断所适合项目的依据、身体密度的大小对游泳运动员来说则是一个重要的指标，另外还有身材、腿长、手长、关节的运动幅度、动作的协调性等都可能是某一个项目选材的参考指标。 第四节 运动生物力学学科展望 运动生物力学在体育科学学科体系中研究内容丰富，研究问题复杂，领域宽广，涉及到生物学、力学、体育学等学科的交叉，从而形成了良好的学科互补和融合，促进了运动生物力学学科的发展和进步。随着测试手段的改进和现代高科技的发展，运动生物力学的发展任重道远。纵观国内外运动生物力学的研究领域，可以看到该学科的发展趋势是：一、基础研究研究人体基本体育动作的生物力学原理，如走、跑、跳、投等的生物力学,研究运动器系的运动生物力学，如膝关节的运动生物力学，颈椎的生物力学、脊柱的生物力学，肌电对肌力的评价等，其中，肌电在疲劳中的应用以及疲劳过程中引起肌电变化的原因会更加受到人们重视,肌肉的神经控制、新陈代谢及生物力学特性都是有待深入研究的课题。生物力学在康复评价中的研究,活体结构下的材料力学和弹性力学，生物材料的本构方程，关节受力的形态分析和关节界面的数学力学模型，人体运动动作的神经肌肉控制和反馈以及矫正动作的生物力学机制研究都是亟待深入研究的课题.二、应用研究应用研究包括对优秀运动员各项动作技术的生物力学诊断(技术分析)、运动技术的最优化、生物力学技术在不同运动项目训练中的应用、教学实践与训练中的力学问题、教学方法方面的生物力学、运动过程中各肌群(原动肌、协同肌、对抗肌）工作特点（参与工作的时间顺序、力量大小等)的研究、运动器系损伤的生物力学机制及物理康复手段的研究、运动生物力学与选材研究，运动技术的仿真、预测研究,以及研究、设计、改进符合人体生物力学原理的运动器材及体育锻炼的各类健身用品.三、方法学与测试手段的研究每一个发展完善的学科,除了要有自己学科的理论体系外，还必须有自身独特的研究方法.一门学科的发展依赖于研究方法，研究方法的发展会极大促进该学科的发展。研究方法作为一种方法论，应该是从学科总体出发，观察、分析、认识被研究客体要遵循的一定程序，具有高度概括性。研究方法是总体的指导思想，是学科发展的先锋，测试手段则是在研究方法指导下的具体操作，是完成研究方法所规定的检测任务的工具，是一种硬设备,受到研究方法的制约。目前运动生物力学的研究方法主要沿用了理论物理学、实验物理学并结合生物学、电子技术、计算机技术和系统科学的研究方法.目前比较成熟或者趋向成熟的研究方法主要有：运动图像高速摄像、摄影采集与分析技术，人体运动动力学参数采集分析技术,人体肌电、肌力（矩)测量与分析技术,人体惯性参数测量方法与技术,人体运动动力学理论分析方法与计算机仿真技术，人体运动能量学研究方法，三维摄像与多机同步测量及综合测试方法与分析技术，人体动力学参数遥测技术，测量参数数字化过程的分析方法与计算机辅助测量技术等。现代的运动生物力学开始朝着系统综合和微型微观两个方向发展。如检测技术目前正朝着微型、微观、微量、微创或无创、快速、实时、遥测、动态、智能化和综合性等方向发展.个人收集整理，勿做商业用途个人收集整理,勿做商业用途历史表明，依据新的研究方法，采用新的测试手段往往是进行新理论探索的有效途径。方法上的进展与测试手段的进步会极大推动运动生物力学学科的发展.因此，方法学与测试手段的研究必然是运动生物力学发展的必然趋势。本章概要: 本章从国内外运动生物力学的发展来介绍运动生物力学的演变历程.并且根据运动生物力学学科内容阐述了其学科特性。同时结合国内外运动生物力学当前的发展状况对运动生物力学未来发展趋势进行了展望。思考与讨论：1. 了解运动生物力学的发展历程。2. 简述运动生物力学学科的特性。3. 简述运动生物力学的学科任务4. 简述运动生物力学今后的发展趋势。