生物力学在运动生物力学理论体系中的作用分析

黄广琴

【摘要】文章主要介绍了生物力学系统在运动生物力学知识体系中的地位、简化模型与生物力学系统的异同点以及生物力学系统的媒介作用。

【关键词】生物力学系统；运动生物力学理论体系；作用

科学最初从哲学中演化出来，随着工业时代的到来，科学门类越来越多，各个门类的研究对象独立，分工明确。随着两次工业革命以及后来的信息革命的引导，现在的科学又走向由分散到协同的道路，各个科学门类互相影响，最新的科研成果为许多相关学科采用，理论数据的共享和知识边界的无限扩大，让许多原来没有交集的科学门类进行了交流甚至融合。运动生物力学起初为了体育运动理论与实践服务，经过科学家几十年来的不断研究，现已形成了具有一定层次和规模，基本上反映了该学科发展历程，突出自身发展特点的理论体系。该学科的形成与发展对于运动实践指导有着重要作用。

一、生物力学理论

由于是多个学科共同发展产生的新型理论体系，在运动生物力学发展的历程中我们会发现充满了多样性和偶然性，研究成果的发现往往是从一个不相关的学科成果中得到的，不同学科的研究成果在运动生物学的探索过程中提供了有效的研究手段和灵感。但是随着学科理论体系的建立，运动生物力学的发展进入了一个新的阶段，在新阶段中，学科的研究目的和研究方法得到了明确，学科理论知识得到了充实，不断出现的研究成果反哺于理论体系建设，帮助学科完善相关研究理论。

（一）机能解剖学和动力解剖学

机能解剖学和动力解剖学在运动生物力学理论形成的初期起到了重要作用。该学科的基本思想为将我们的人体看成一个有机的整体，所有的实验和理论出发点对应的对象是人体单位，该学科的研究方向重点集中在研究人体形态结构与机能能力之间的关系，试图从“机能团”这一角度来揭示人体协调运作的工作机制，以骨连接（关节）及肌肉群工作状态为自己的研究对象，从而建立起自己的理论体系。

（二）数学和力学

生物力学理论体系的另一大特点是以数学和力学体系为主体。由于该学科的研究目标是揭示体育运动中人体机械运动的规律，为了保证通用性和逻辑性，就需要其他学科中已经成熟确定的模型来对其进行证明。与其学科研究方向最接近的就是物理学中的力学，而力学的研究开展又不能离开数学的加持，所以两种学科成为研究人体运动规律的证明手段。

（三）多学科的综合运用

多学科理论的综合运用是运动生物力学理论发展的一个重要标志。生物力学理论体系得以高速发展还有一个重要原因就是方法学的飞速发展。方法学的成熟让不同学科、不同理论、不同实验方法、不同研究方向的学科可以将共有的知识点和研究成果以最高效、最便捷的方式有机组合起来，帮助学科研究方法摆脱单一学科特点和实验办法的束缚，让生物力学理论体系形成了现在这样以力学理论为基础，以生物学理论为条件，突出人体运动性的理论体系。

二、生物力学系统在运动生物力学理论框架中所处的位置

（一）运动生物力学系统的概念

运动生物力学在研究人体的机械运动时，为了方便建立模型，会将人体的很多部分进行简化或者抽象，然后将简化过的人体运动器系再组合成模型人体，最终呈现的模型人体，我们称为生物力学系统。根据前文的叙述可以知道所谓的生物力学系统其实就是另外一种意义上的人体简化，是为了方便研究人体运动规律性而人为创造的。

（二）运动生物力学研究过程分析

进行生物力学研究的目的就是研究人体运动规律和机体内部协调机制。在这一过程中，为了避免干扰项过多，造成实验头绪过多，难以得到实质性的进展，所以对于实验模型进行了重新定义，并且在这一过程中方便了对最终实验结果的叙述。但是需要注意的是，在纯力学条件下的人体模型无法正确反映人体环节，特别是人体内复杂的关节组成和运动情况，对其进行复制就是为了完善简化模型，使其不缺乏可信度。对于人体模型的构造，有些部分可以进行简化，但是有些部分如果进行了简化就会影响整个研究结果的真实性。所以，对人体复杂构件中哪些部分进行简化，哪些部分进行一比一的复制就成了研究开始之前必须敲定的问题。如果研究人员将两个刚性环节以铰链式连接的简化模型看成是肘关节，那么就会失去真实性，因为这样的简化会使得实验对象失去三个平动自由度，只有三个转动自由度的可动关节。但是，肘关节的解剖学结构决定了它只能沿着额状轴屈伸，且伸也只能达到180°及沿着由两个刚性环节垂直轴产生的旋内旋外运动。只有满足上述条件，才能保证既符合力学条件又满足生物学条件。在一些不影响研究结果的部分，研究人员可以对一部分人体构件进行简化，但是由于生物力学的研究目的就是揭开人体运动规律，所以如果在关键部分进行简化，也就失去了研究的意义。对于直接影响到人体运动的构件要尽可能相近的仿真，即使这样会增加实验描述语言，并且增加观察对象数量，但是为了实验研究有意义，这部分必须真实，而对于无影响运动系统的部分就可以减少描述语言，进行简化。

（三）生物力学系统的职能分析

生物力学系统的概念和范畴决定了该学科的存在意义和目的。生物力學系统的任务就是连接力学、生物学在人体构造上的交集，通过抽象和简化的方法让人体运动器系可以达到力学研究的对象定义水平，让研究过程可以借用力学学科的知识，利用经典力学完备的理论体系为人体运动规律的研究保驾护航。但是如果将该问题纯粹力学化，也不能得到有效的研究成果，因为生物力学系统还有很多其他学科知识。只有多种学科的共同研究都得出成果，才能得出真正的研究成果。经典力学在生物力学系统中确实具有重要的指导作用，但是为了得到真正的答案，研究人员还需要接触其他学科知识，补充经典力学在生物力学系统中的不足。

三、简化模型与生物力学系统的异同点

简化模型是指只满足于经典力学条件的人体模型。根据成熟的经典力学对象描述，我们知道经典力学的研究对象是刚体，其主要任务是探讨刚体在外力作用下所产生的机械运动规律。为了得出人体运动规律，我们必须在生物力学系统中增加经典力学的研究成果，并且将经典力学的很多证明方法和实验理论引入该学科中。但是经典力学有着自己的研究手段和目的，在进行研究之前，经典力学会对自己的研究对象进行加工，使其满足经典力学的描述环境，这势必会消减掉一部分身体特征，这些特征也许在经典力学理论研究中没有意义，但是对于生物力学研究而言则是非常重要的。例如前文提到的关节部分，其形状、连接方式、运动轨迹对于生物力学研究都有重要的作用，而在经典力学中却可能会被忽略。物理学中的质点在生物力学中是不能允许的，因为它将太多与最终研究成果的相关部分忽略了，让最终的研究成果在实际运用时变得毫无意义。

生物力学系统在一定意义上讲也可以说是一种简化模型，但是生物力学系统中的简化和经典力学中直接替换为质子的简化是有本质不同的。由于生物力学研究的是个体内部的力学规律，对于外界力的交换和作用没有太多的涉及，所以不能使用质子进行替换，而应该是尽可能与研究对象相似的存在，而且在一些关键部分的复制必須做到精确。生物力学系统与简化模型的本质区别在于复制功能，它是力学条件与生物学条件在运动生物力学研究中的高度统一，充分体现出力学条件是基础，生物学因素决定力学条件的辩证关系。也正是由于复制功能，才使运动生物力学研究走上力学生物化、生物力学化的发展轨道。

四、生物力学系统的媒介作用

第一，力学与生物学的结合是研究生物力学规律的重要手段，如果不借助成熟的力学研究结果，生物力学系统的研究将是无稽之谈。生物力学研究的目的是揭示生物运动规律和内部协作机制，而力学的研究客体是物体及其空间位置的变化和变化的原因，需要注意区分。

第二，力学、生物学与人体运动的沟通。生物力学系统是通过抽象、简化和复制来实现人体模型简化的，由于该模型的运动规律与人体的运动规律具有极强的相似性，通过模型人们已模拟出很多高新技术，避免了由生物活体拒测性而造成的无法直接测量的弊端，为人体运动方面的研究提供了间接测定方法。

第三，生物力学在解释生命规律的探究中起到了承上启下的作用。在运动生物力学理论体系形成与发展过程中，模型这个概念始终占有重要的地位。与其说运动生物力学是对人体的研究，还不如说是对模型的研究更为准确。选择什么样的模型，是决定研究成败的关键。

五、生物力学系统的核心是复制

生物力学系统和经典力学最大的区别，前文已经多次提及，就是对象模型的简化程度不同。在数学和力学中，一般将研究对象定义为一个没有内部结构的质点，这样做的好处是便于实验设置和结论表达，并且在数学和力学的研究范畴中，研究对象的内部结构对于实验结果的影响很小，几乎可以省略，尤其是还在理论阶段的研究。但是生物力学系统的模型就是简化和复制相结合的存在，关键点的模型必须完全复制，否则就会对研究结果造成影响。

六、结束语

生物力学的研究有助于人类了解生物体运动的规律，研究成果的应用场景广泛，并且作为新型学科，其研究手段多由其他成熟理论体系中学习和借鉴，区分学科研究手段和目的是研究进行前必须解决的问题。

【参考文献】

[1]张术学，何劲鹏.生物力学系统在运动生物力学理论体系中的地位和作用[J].东北师大学报（自然科学版），2002，34（03）：121-124.

[2]胡文忠.生物力学在运动生物力学理论体系中的地位研究[J].体育时空，2015（03）：152.