运动生物力学的基本理论
概述
运动生物力学biomechanics
应用力学原理和方法研究生物体的外在机械运动的生物力学分支。狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。按照力学观点，人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。神经系统控制肌肉系统，产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律，它不讨论神经、肌肉和骨骼系统的内部机制，后者属于神经生理学、软组织力学和骨力学的研究范畴（生物固体力学）。在运动生物力学中，神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替，肌肉活动简化为受控的力矩发生器，作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响，简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。相邻环节之间以关节相连接，在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动，并影响系统的整体运动。
对于人体运动的研究最早可追溯到15世纪达·芬奇在力学和解剖学基础上对人体运动器官的形态和机能的解释。18世纪已出现对猫在空中转体现象的实验和理论研究。运动生物力学作为一门学科是20世纪60年代在体育运动、计算技术和实验技术蓬勃发展的推动下形成的。70年代中H.哈兹将人体的神经-肌肉-骨骼大系统作为研究对象，利用复杂的数学模型进行数值计算，以解释最基本的实验现象。T.R.凯恩将描述人体运动的坐标区分为内变量和外变量，前者描述肢体的相对运动，为可控变量；后者描述人体的整体运动，由动力学方程确定。这种简化的研究方法有可能将力学原理直接用于人体实际运动的仿真和理论分析。由于生物体存在个体之间的差异性，实验研究在运动生物力学中占有特殊重要地位。实验运动生物力学利用高速摄影和计算机解析、光电计时器、加速度计、关节角变化、肌电仪和测力台等工具量测人体运动过程中各环节的运动学参数以及外力和内力的变化规律。
在实践中，运动生物力学主要用于确定各专项体育运动的技术原理，作为运动员的技术诊断和改进训练方法的理论依据。此外，运动生物力学在运动创伤的防治，运动和康复器械的改进，仿生机械如步行机器人的设计等方面也有重要作用。同时还为运动员选材提供了依据。
第一章运动生物力学概述
运动生物力学是生物力学的一个发展较为迅速的分支，它是以运动解剖学、运动生理学、机械力学、材料力学、理论力学、高等数学等有关学科的理论为基础，
研究人体运动的一般规律的科学。
运动生理力学的任务是：1，研究人体结构和技能的生物力学特征；2，揭示技术动作原理，建立合理技术动作模式；3，进行运动生物力学诊断，制定最佳动作技术方案；4，为防治运动创伤和制定康复手段提供力学依据。
运动生物力学原理对技术训练的指导作用：1，运动技术训练必须符合动作技术的生物力学原理；2，技术动作训练中各要素的总体最佳化；3，通过技术诊断调控技术训练过程，4，技术训练中的区别对待。
运动生物力学的迅速发展主要体现在以下几个方面：1，国际性学术交流排频繁；2，现代化测试仪器不断出现，促进了生物力学的发展；3，十分注意研究方法；4，我国运动生物力学的发展与现状。
第三章人体运动的静力学
人体运动的静力学主要讨论人体在完成静力性运动中，即处于相对静止状态时的受力特点，以及获得平衡和维持平衡的力学条件。
力矩亦称“转矩”。表示力对物体作用时产生转动的物理量。力矩的单位是用牛顿*米来表示。
力矩又可分为进攻力矩和防守力矩。
进攻力矩，亦称为对方所受的翻倒（转）或打击力矩等，它是由进攻队员主动用力相对对方某点产生的力矩，其效果是使对方身体失去平衡而产生翻到。
防守力矩，亦称为防守队员的稳定力矩，它是防守队员为了维持自身的平衡而在重力作用下产生的力矩。
在研究搏击运动中，我们还会遇到这样一种情况：大小相等、方向相反、作用线相互平行但不重合的两个力作用在身体上，其效果同样会使身体产生转动。对于具有这种特点的两个力在力学上称为力偶。
在分析运动中，可以把理平移到重心上，在不改变对身体的作用效果的情况下，必须加上一个力偶，此力偶等于原力对中心之距。这种分析方法也较力向重心简化。
力矩原理：在共面平行利系中，所有各力对于其平面内任一点力矩的代数和，等于这个力系的合力对于此点的力矩。
合力与力偶：非平衡共面平行力系简化结果是一个合力或一个力偶。
般情况下空间力系可以分为三类：1，力系中各力的作用线有共同交点者称为空间交汇力系；2，力系中各力的作用线彼此平行者称为空间平行系；3，力系中各力的作用线在空间任意分布称为空间一般力系。
人体平衡根据平衡体重心与支撑点的位置关系划分：
1，上支撑平衡；2，下支撑平衡；3，混合支撑平衡
人体平衡根据平衡体受到外力作用偏离其平衡位置时，格局物体恢复其平衡的可能性划分：
1，稳定平衡；2，不稳定平衡；3，随遇平衡；4，有限稳定平衡
人体平衡的特点：
1，人体不能处于绝对静止的状态；2，人体内力在维持平衡中的作用；3，人体的补偿功能；4，人体具有自我控制，调节和恢复平衡的能力；5，人体的平衡受心理因素的影响；6，人体的平衡动作消耗肌肉的生理能。
在运动实践中，人体平衡姿势稳定性的好坏，对完成各种动作具有直接影响。
另外，从快速运动状态突然变为静止状态，或者搏击运动中的从进攻状态转为防守状态，提高这类动作转换的稳定性也是十分重要的。
所谓身体重心是指人体各部分所受地心引力的合力的作用点。如果人体重心控制不好，不仅影响动作的协调性和自己的稳定性，而且还常常影响启动的速度和身体移动的位移。
第四章人体运动的运动学
物体的运动在空间和时间等方面所表现出的差异特征称运动特征。
运动的相对性，宇宙万物无一不在永恒与动中，不存在绝对不运动的物体，从哲学的观点来看，运动是绝对的。
描述物体运动时被选作为参考的物体或者物体群叫做参考系或参照系。
物体的轨迹即质点运动的痕迹。路程和位移是用来描述问题运动范围的，路程是指物体从一个位置移动到另一个位置的实际运动路线的长度，也是质点运动轨迹的全长。路程只有数值的大小，没有方向。位移是其大小等于质点运动的始点到终点的直线距离，其方向有始点指向终点。运动时间表明运动体从一个位置运动到另一个位置所需要的时间。运动时刻，是运动体从某一位置运动到另一位置所对应的时间。速度是其质点运动时所通过的位移和发生这段位移所用的时间的比。加速度是描述人体或机器速度变化快慢的物理量。
人体和器械运动的合成和分解，以及以后要涉及到的用坐标法研究人体和器械的曲线运动等，其理论基础就是运动的独立性原理。
在运动生物力学中，对运动的描述常常采用运动方程法，图象法和表格法。
在研究人体或器械的直线运动规律时，根据重心运动特点，可分为匀速直线运动，匀变速直线运动和变速直线运动三种。
抛射体运动泛指运动体在获得一定初速度后进入空中的运动，它受到重力和空气的作用，按一定轨迹运行，这种运动是具有恒定加速度的曲线运动。
第五章人体运动的动力学
人体运动的运动学是讨论人体运动的空间位置随时间变化的规律，而人体运动的动力学则是研究人体运动状态的变化和引起这种变化的力之间的关系，即把人或器械运动状态变化的原因表示出来。
从力对人体运动所产生的效果来看，可以把力分为动力和阻力，而以人体作为研究对象来分，又可以把力分为外力和内力。
作用力和反作用力是体育运动中最常见的，当人体处于支撑状态时，施给支撑点一个作用力，此时支撑点必然产生一个大小相等而方向相反的力作用于人体，这个反作用力即为支撑反作用力。
任何物体若不受其他外力作用或所受的合外力为零时，物体将保持原有的静止或匀速直线运动状态，直到有外力作用改变其运动状态为止。这就是牛顿第一定律的中心意思。
从惯性定理得知，物体间的相互作用产生力，而力是使物体产生加速度的原因。物体的加速度与所受的外力成正比，与其质量成反比。
当甲物体对乙物体有作用力时，则乙物体同时对甲物体也有作用力，而物体件的作用力和反作用力总是等大，反向和共线的。
