第一章運動生物力學概述1/35生物力學運動生物力學SportBiomechanics力學生物學人體運動技術1、學科交叉使運動生物力學成為獨立學科2/35融合體育運動生物力學運動生物力學生物學力學人體解剖生理學器械運動規律交叉滲透運動仿生技術運動生物力學學科形成模式圖3/35

力學是研究物體機械運動規律學科。即物體在時間和空間上位置改變及其產生改變原因。

生物力學是應用于生物體力學，對于生命器官生物力學有利于人們了解其正常功效，預言其本身變更而引發改變，并提出人為干預方法。所以，診療、外科手術和修復術都與生物力學息息相關。運動生物力學是研究人體運動生物力學規律學科，是運動科學主要組成部分。Biomechanicsisthestudyofforcesandtheireffectsonlivingsystems.4/35研究關鍵：人體運動動作研究方法：生物學方法（解剖、生理學方法）力學方法、系統科學方法研究目標：揭示人體運動器系生物力學特征和人體運動動作規律；運動技術合理性和更佳化……。為提升運動技術水平和成績、預防損傷和健身指導服務。5/352、運動生物力學學科在體育運動中作為（1）提升體育運動成績（主要作用）

提升運動技術水平－主要表現在兩個方面：教師和教練員應用力學知識指正學生和運動員完成運動，提升技能水平（定性方法），或者生物力學研究者發覺新或更有效技術以完成運動項目（定量方法）。比如：學生不能完成前滾翻，你能夠給以兩個提議，一是低頭含胸團身，并在滾動中保持；二是向前上方蹬地。1968年墨西哥奧運會上背越式跳高技術改進運動裝備－比如1953,BudHeld增加標槍表面積，提升了標槍成績，到1984年到達104.80m。1986新規則限制，但隨即又在壓力中心方面有所改變，標槍統計還是到了98.48m。提升訓練科學化－技術分析幫助教師、教練員確定學生和運動員需要改進訓練地方。6/35PerformanceImprovement運動員休息時，能刺激運動員身體加緊紅細胞生成，推進氧氣向肌肉流動，能夠讓身體全方面放松。CAT-150便攜式低氧帳篷氧分壓與人體紅細胞攜氧能力關系7/35虛擬現實護目鏡

虛擬現實護目鏡(VRgoggles)接收到其運動情況現場反饋。借助于這種反饋，運動員能夠實時看到賽艇是否偏離了正確方向。經過實時地展開自我評定，賽艇劃手能夠不停提升他們理想隊形。8/35米卡薩MVA200排球

由8塊皮而不是傳統18塊皮縫合而成，并在球體上呈花瓣狀縫合。當新雙層結構――是聚氨酯泡沫塑料外層和柔軟微纖材料制成織物內層結合后，這種新設計限制了手掌心流向排球汗液量，從而使選手加強了對球控制力。壓花設計看似微不足道，但有利于降低排球周圍空氣阻力，從而使排球路線更具空氣動力學軌跡。這么就會發出最難接球，但聲音卻不那么響亮。9/35Speedo第四代鯊魚皮

LZRRacer經獨立測試證實，新泳衣能降低4%阻力，并能夠降低5%氧氣消耗，成績提升2%，使此它成為世界最快泳衣，到達了先前難以到達浮力和滑動能力。10/35回望早期奧運會，要說有“恍若隔世”之感確實毫不夸大。我們恰好從體育這個特殊尺度上，看到一個“世紀”距離到底有多遠。而帶來這一“天壤之別”主因，便是當代科學技術發展。意味深長是，當代奧運會創辦初始動機，恰恰是為了擺脫工業社會技術異化和人主體地位缺失，呼喚人自然屬性回歸。但百年奧運卻走過了一條不停與科技結合，直到對科技高度依賴道路。這終究是邏輯困境，還是歷史必定？1936年柏林奧運會，田壇巨星歐文斯在煤渣跑道上為自己起跑精心“挖坑”而花去十多分鐘時間。我們極難構想假如歐文斯跑在今天全塑膠“塔當”跑道上會創造什么成績；當年跳高橫桿上搭一塊白毛巾，那是為了讓運動員在暮色滄茫中能看清橫桿高度，而落地時更沒有今天“海綿包”上“軟著陸”瀟灑；體操運動開拓者們沒趕上在安裝了彈簧和橡膠立柱地板上騰跳；綠茵場前輩在泥濘中鏖戰時更不會奢望有活動草坪與整體移動足球場。和昨天金牌得主相比，今天奧運冠軍們自然體能未必有顯著增強。我們運動成績不停突破，很大程度上依靠運動環境和條件改進，而一個時代科學技術搭建舞臺，最大程度調動和發揮了人體潛能。趙致真-奧運中科技之光11/35假如說體育技術有高低優劣之分話，判別標準只能是符不符合科學原理。人即使貴為“萬物之靈”，但人體一切運動卻必須遵照基本力學規律。伴隨跨越式、剪式、滾式、俯臥式跳高演進，身體重心升起一樣高度卻能夠越過更高橫桿，到了福斯貝里創造“背越式”，運動員重心甚至能夠從橫桿下鉆過去，既往跳高大部分經驗從此一筆勾銷。三級跳遠中“跑跳式”將有效水平速度保持到最終一跳，所以取代了“高跳型”技術；長跑運動中身體勻速直線性更加好“梅花鹿”式跑取代了大起大落“袋鼠式”跑和快慢不均“駝鳥式”跑；鉛球投擲中加長做功距離背向滑步技術取代墊步技術；體操和跳水動作中對身體轉動慣量準確把握，帶來了花樣百出空翻和旋轉；跳臺滑雪運動中兩只滑雪板呈V字形排開能在空氣中取得更加好升阻比，所以取代了滑雪板平行姿勢。體育器械運動更是力學定律最直觀演示，標槍滑翔性提升帶來成績不停刷新，但霍恩把手中“飛行器”投擲到104米開外而威脅到賽場安全時，科學又能“略施小計”將標槍重心前移4厘米而“勒住”投擲“韁繩”；旋轉中馬格努斯力創造了神奇香蕉球、弧圈球。體育技術每一項進步，無不伴伴隨對運動力學更深刻了解和應用，從而改變著體育競賽形態和面貌。趙致真—奧運中科技之光12/35人類文明因勞動使用材料而劃分為石器時代、青銅器時代和鐵器時代，奧運百年間體育器械材料變革一樣含有劃時代意義。一個經典例證是撐竿跳高變遷。當竹竿、金屬竿取代堅硬沉重、沒有彈性木竿，撐竿跳高成績曾節節攀升。待到輕巧而富有彈性玻璃纖維、碳纖維竿問世后，因為助跑速度增加和動能、勢能轉換效率大幅度提升，帶來了撐竿跳高成績戲劇性突破，烏克蘭選手布勃卡把人類體育運動高度上限標定到6.14米；鋁合金、鈦金屬取代鋼鐵，尤其更輕、更強碳纖維廣泛使用后，自行車幾乎發生脫胎換骨改變，賽艇、雪橇、滑雪板等運動器械也為之面目一新。碳纖維制成網球拍、羽毛球拍不但強度增加重量減輕而且“甜點”擴大；海綿拍登場對乒乓球運動意義更不待言。“工欲善其事，必先利其器”，新材料、新工藝給體育運動帶來了翻天覆地改變。同前13/35運動員“行頭裝束”更有著鮮明時代印記。奧運會初創年代，選手們在賽場上都穿著日常生活便裝，男子寬衣大袖，女子長裙及地。經過百年嬗變，運動服已經成為服裝行業中“獨立王國”，悉尼運會上，澳大利亞選手弗里曼穿著被稱為“第二層皮膚”連體運動衣奪得400米跑金牌，她體驗到了一個“切入空氣”欣快。號稱“魚雷”泳壇名將索普身穿仿生技術“鯊魚皮”游泳衣在400米自由泳中一路領先，泳裝表面微型棘齒產生細小渦流能有效降低前進中“壓差阻力”。至于籃球明星喬丹腳下“氣墊鞋”，短跑名將約翰遜“金縷鞋”，瓊斯“水晶鞋”，劉翔“紅色魔鞋”，都為公眾津津樂道和耳熟能詳。當代體育防護用具則從頭到腳，一直“武裝到了牙齒”。高科技新型材料和人體工程學、運動力學結合，共同打造了體育健兒披掛、戰靴和征衣。14/35對時間和距離準確計量是體育運動“可比性”基礎。1896年第一屆雅典奧運會上使用手動馬表，百米賽計時誤差達0.2至0.5秒，這相當于2米到5米距離。今天終點線上攝像儀能經過每秒次縫隙掃描，將計時精度提升到千分之一秒。起跑線上搶跑百分之一秒就會被“捉拿歸案”，游泳池終點觸摸屏則“一觸即發”并準確到毫秒。測量投擲、跳遠距離皮尺、鋼卷尺早已送進了歷史博物館，激光測距儀能夠瞬時判讀出比賽成績；靈敏超聲風速儀早已取代了機械風速儀；在網球、羽毛球賽場上，雷達測速儀當場顯示運動員擊球速度；而明察秋毫“鷹眼”則能隨時回放網球、足球在三維空間運動軌跡和準確落點。各種新奇別致光電儀器在賽場上層出迭見，使運動數據粗放式測量變得日益快捷、精準和可靠。15/35人類體育運動本質上是將體內化學能轉變為機械能。伴隨對有氧運動和無氧運動深入了解，不一樣運動供能機制日益明確清楚，“高原訓練”有效增加了運動員最大攝氧量和血液對氧攜帶能力。不一樣種族和個體肌肉結構中，快速“白肌”和耐久“紅肌”天生有一定百分比，適合不一樣類型運動。遺傳追尋、骨齡辨析、皮紋解讀，選材就是對“運動苗子”發覺和預測。誠然“沒有誰脖子上戴著金牌降生，但更多人卻生下來就注定得不了金牌”。當代醫學已經為各類運動員科學選材提供了一整套量化依據。16/35計算機作為一切高科技基本工具，對體育運動影響已經無孔不入。競賽場上經常“知彼難，知己更難”。1982年，美國隊就將中國女排歷次比賽影像資料輸入計算機并分析出“戰術弱點”，使中國姑娘在遭到“暗算”后一度受挫。而運動員對自己技術動作往往“當局者迷”，教練員也極難用肉眼區分清楚，“計算機診療”卻能定量分析出一招一式缺點。計算機遠程監控能夠依據賽場采集數據在萬里之外“運籌帷幄”；新動作設計往往先在計算機上構思和演算，充分論證可行性和必要條件。至于科學制訂訓練負荷，查閱世界優異選手和經典賽事檔案資料，更是計算機“家常便飯”。美國上個世紀七十年代奧運會上輸給蘇聯后，狠下決心在科羅拉多等地建立三個奧林匹克訓練中心，配置最先進科研、訓練設施，調集大批優異教練員和科學家，每年集訓15000名拔尖運動員，成了美國“奧運金牌搖籃”。這種“大而全”高科技密集體育訓練基地已經被德國、法國、澳大利亞、日本、韓國爭相效法。17/35不過一百年來，一直有些人懷著深深憂慮和戒懼，試圖阻止科技從體育舞臺邊緣向中心挺進，并主張拆散體育和科技聯姻，恢復奧運賽場上真正“原生態”。其實人和動物最大區分在于“智慧”，可能只有加入了智慧元素，體育運動才真正打上了“人烙印”，使體育不只是停留在“原始肌肉收縮”層面。科學作為人類智慧結晶，原來是體育一部分，更聰明人比“四肢發達頭腦簡單”人擁有更多取得勝利機會。何況當突飛猛進當代科學在一百年間徹底改變了人類全部生活，怎么可能將體育劃為“科學免進”“保護區”？至于興奮劑等奧運史上弊端和丑聞，不過是人對科技錯誤應用，處理路徑也只能靠科技發展；怎樣讓更多第三世界運動員一樣享受當代科技恩惠，已經成為奧運議事日程主要課題。誰也無法“開歷史倒車”。對百年奧運撫今追昔和“憶苦思甜”足以使人相信，沒有科技，奧運會成不了今天氣候。離開科技，體育將陷入原始和癱瘓。18/35在體育運動成績日益迫近人類極限今天，從某種意義上說，體育競爭就是高科技競爭，“技不如人”，可能首先是“科技不如人”。而科技和體育“共生關系”，將繼續伴隨奧運會走向明天。同前競技體育運動目標是更加快、更高、更強，其中絕大部分都和力學相關，所以本書主題大致上能夠說是，競技體育與力學學科關系。這本書包括體育科技方方面面，包含、時間與距離檢測、球旋轉與球在空氣中阻力與軌跡問題、跳水運動與身體旋轉問題、跳高運動運動員重心問題、運動安全性與防護問題、游泳阻力與游泳服改進問題、自行車賽空氣阻力問題、撐桿跳撐竿改進問題、運動場地和設施問題，等等等等。來自書序言19/35（2）損傷預防和康復降低損傷技巧經過更加好地認識作用在組織上力和設法減小這些力作用，來到達預防和改進急慢性損傷目標。準確地計算作用在人體組織上內力是一件困難事情。(1)改進器材設備（如鞋、墊子等）；（2)改進運動技術（如對運動技術中力分析，確定適當用力角度等）。康復伎倆損傷治療儀器開發（電、磁、光等物理學領域）；損傷治療方法正確使用需要對骨、關節、韌帶、肌腱和骨骼肌力學特征了解。20/35COPWhymassagecanhelptreatinjury?Whatisthebestwayliftingaheavybox?Howmuscletissueandboneresponsetoexerciseactivities?InjuryPreventionandRehabilitation21/35interestsofhealth&scienceprofessionalsHealthandfitnessspecialistsphysicaltherapistsorthopedicsurgeons22/353、運動生物力學學科發展介紹早期各方面學者對人體運動關注。阿里斯多德、達芬奇、維伯弟兄、麥布里奇、布拉溫和費舍爾、希爾、伯恩斯坦、馮元楨形成了運動生物力學發展三個流派：力學流派－－美國、德國為代表機能解剖學流派－－原蘇聯為代表生理學流派－－日本為代表1967年第一屆國際生物力學學術討論會（瑞士），73年成立ISB。1982年成立國際運動生物力學學會，ISBS。23/35我國運動生物力學發展1956年邀請前蘇聯貝柯夫在北京體院講授碩士課程引入運動生物力學內容；1959年引進原蘇聯《運動生物力學》教材，頓斯柯依。同年在北體舉行第一期運動生物力學教師進修班。1976年后快速發展(學科交叉、教授講學)。1980年成立中國體育科學學會，設運動生物力學分會。我國運動生物力學現實狀況全國運動生物力學研討會已經進行了11屆。8月在我國召開國際運動生物力學研討會（23屆）。學科人群分布在體育院校、體育科學研究所、普通高校。24/3518-HongKong,China19-SanFrancisco,USA20-Caceres,Spain21Cancelled22-Ottawa,Canada23-Beijing,China24-Salzburg,Austria25-OuroPreto,Brazil26

SeoulNat'lUniversity,Seoul,Korea國際運動生物力學研討會25/35a、基礎研究以學科理論和新測量技術為方法伎倆，更深入地揭示人體運動生物力學規律，尤其是運動動作神經、肌肉控制與反饋機制。4、運動生物力學學科發展趨勢26/35b、應用研究以直接為運動訓練提供服務、處理運動訓練、體育鍛煉相關問題為主要方向，兼以設計運動器材與康復用具。c、方法學與測試伎倆研究以開發運動生物力學測量儀器和應用力學、生物學新技術、新理論為主要方向。27/351、期刊1.Bone(NewYork,USA)骨2.ClinicalBiomechanics(UK)臨床生物力學3.ComputersmethodsandProgramsinbiomedicine(TheNetherlands)生物醫學中計算機方法和程序4.GaitandPosture(UK)步態姿勢5.JournalofAppliedBiomechanics(USA)應用生物力學雜志6.Journalofbackandmusculo—skeletalrehabilitation(TheNetherlands)背和肌肉骨骼康復雜志5、運動生物力學資源28/357.JournalofBimechanicalEnginecring(USA)生物力學工程雜志8.JournalofBiomechanics(