第一章运动生物力学学科概述

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.Vinci1452-1519)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.Borelli1608-1679),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.Steindler1879-1959）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（DuBoisReymond）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（InternationalSocietyofBiomechanics，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（InternationalSocietyofBiomechanicsinSports，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