生物力学

潘崧

早期的飞机在快速飞行时，机翼常常发生颤振，有时会因此造成折翼、堕机的严重事故。蜻蜓在飞行时却很平稳。科学家研究证明，原来蜻蜓的翅膀上有两块较厚的对称的翅痣，可以防止颤振的发生。于是飞机设计师们在机翼上的相应部分设置了两块仿型翼板。果然，改进的飞机快速飞行时就平稳得多了。这是现代科学—一生物力学研究成果在工业技术上应用的一个生动事例。

什么是生物力学

人们都知道自然科学中有力学和生物学，很多人并不了解还有生物力学。的确，按一般人理解，力学是研究物换星移、山崩地裂、江河奔流、机器轰鸣的非生命现象的；而生物学则是研究生命的起源、变异、遗传、进化等。两者似乎是“风马牛不相及”的。

其实不然。任何生命的发生发展都是和力的作用分不开的。因此，仅仅从生物学本身去研究生物体的结构，就会有许多问题得不到解答。于是，人们开始用力学的原理去探索各种复杂的生命现象。我国三国时代的名医华陀曾经提倡过“五禽戏”的拳法，说明他已觉察到摹仿各种禽类动作的受力方法，可以达到增强人的体质的目的。他的徒弟程普，照此方法练身，活到九十岁，牙齿不落一颗。意大利的伟大科学家伽里略已经发现人的骨头受力之后会变得粗壮起来。德国的生理科学家冯·海曼考察了许多生物尸骨，发现骨面微隆的骨小梁，排列的方向都很有规则。于是他拿了一块大腿骨请力学专家做应力实验。实验结果使冯·海曼大吃一惊：原来这些骨小梁排列的方向和骨骼受的主应力方向竟是完全一致，说明骨小梁隆起有一定走向，是因为受到应力作用的结果。现在，科学家们几乎把人体206块骨头一一研究过了，他们发现：凡是受力大的地方，总是骨骼质密而粗壮；而受力小的地方，总是骨骼质松而细小。此外，科学家们还从力学观点，研究了人体的皮肤、肌肉、血液以及神经系统等，证明了这些组织和液体的变化发展都和它们受力的状况有直接关系。于是这门以力学的观点和方法研究生命现象、或者从生物体中探寻力学规律并在科学和建设中加以应用的新学科——生物力学，受到人们广泛注意。

生物力学的分支和应用

生物力学是研究生命的力学，所以有时也叫做生命力学。它研究范围相当广泛，凡是生物学和力学相联系的部分，都是生物力学研究的内容。它的分支有几十种。而生物力学研究的所有课题几乎都和人类生活息息相关。例如：

研究骨头、血管、肌肉、皮肤等力学特性的叫做生物材料力学。它可以为研究人体的发展变异和制造人工脏器提供重要的资料和数据。

研究人体血液、淋巴、胃液、痰、唾液、关节液等的叫做生物流体力学。这种研究对于诊断人体疾病有很重要的意义。如通过测定血液或唾液中的粘滞阻力，可以断定是否有血液病或消化不良等。

研究人体运动时受力状况的叫做生物运动力学。这种研究可以指导人们正确地进行体育锻炼和体育医疗。例如打太极拳，在行云流水般的缠绕运动中，人体的皮肤、肌肉、骨头、血管、脏器、神经都处在受力变形之中，科学测定表明，这时人体新陈代谢、血液循环加快，因此有活血化瘀之效、益寿延年之功。

研究生物体的合理的受力结构，在科学和建设中加以仿制，叫做力学仿生。许多生物体在长期演化过程中淘汰了不合理的部分，使自己肌体达到最佳状况。对这些进行研究并加以利用，可以使我们的建设工作更加科学和合理。前面我们举了根据蜻蜒翅膀改进飞机机翼的例子。又如，过去的鱼雷前进速度较慢，因为它在行进中，周围产生大量湍流，增加了阻力。而海豚却游得很快。经过研究发现，海豚不仅有流线型体型，而且皮肤弹性好，高速游动时能适应水波状况作波浪式起伏，因而避免了出现湍流。于是人们仿制海豚皮蒙于鱼雷体外，大大增加了鱼雷的射速。又如树根符合应力最佳分布状况，经过科学家的研究，为设计高烟囱、电视塔等建筑物提供了很好的资料。

生物力学虽然是一门新兴学科，但它已经在医疗、体育、建筑、军事、宇航等各个方面显示了自己的生命力。生物力学的进一步发展，必将使人类的生产和生活进一步改观。