许丽运动生物力学作业汇总Word文档格式.docx
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运动生物力学研究体育运动中的人体运动问题，主要任务是运用力学方法使复杂系统数学化，进而对人体运动现象进行客观而定量的描述和解释。
其力学基础是经典力学和材料力学，其生物学基础是人体运动器系的结构与功能，如骨、韧带、腱的几何尺寸、强度特征及关节运动的自由度，也包括肌肉在各种收缩（向心、离心和等长）条件下的力学特征，据此而建立生物力学原理以评价人体运动技术[1]。
本文检索万方数据库和PUBMED近3年与各种体育运动项目的运动生物力学相关文献，概述运动生物力学在各体育运动，尤其是健美操运动中的应用及特征。
1运动生物力学研究及应用现状
运动生物力学的技术分析和研究水平有赖于研究仪器的发展，需要向同步化、计算机化和动作技术最佳化等方面发展，理论研究将偏重于计算方法的准确和简练。
关于肌肉功能方面的研究，由于国内使用等动测试系统起步较晚，因此很难与运动实践相结合；
对于肌肉模型方面的研究较少，因此关于肌肉力学方面的研究受到限制。
总之，多种方法结合、多领域的综合研究是运动生物力学的发展趋势[2]。
运动生物力学是一门应用性很强的边缘性学科，其理论框架还不完善、实验手段也不成熟，新问题层出不穷，这就需要创新理论与方法去解决新问题，并不断地完善学科理论。
由于学科的边缘性特点，新理论、新方法、新技术的移植引入是运动生物力学创新的一个很重要的途径。
譬如，引入CT技术测量人体环节惯性参数[3]，引入神经网络技术建立运动技术的神经网络模型[4]，引入混沌理论对肌电信号进行处理[5]，引入Kane方法计算上肢鞭打动作的三维运动模型[6]，引入最优化理论计算人体环节重量参数等[7]。
事实上，运动生物力学从一开始就不是竞技体育的专利，但是，运动生物力学的快速发展却主要归因于竞技体育的需要[8]，可以说竞技体育是运动生物力学在过去很长一段时间内的主要研究对象，它也为竞技体育的发展起到了极大的推进作用；
而为大众健康服务的研究领域是运动生物力学进一步发展的一个新增长点，具有极高的研究价值和应用前景，是运动生物力学科研走入市场的最佳切入点。
2运动生物力学在不同体育项目中的应用及特性
2.1运动生物力学在健美操中的应用及特性
近年来，国内健美操运动，尤其是竞技健美操运动发展迅速。
但作为一门相对独立的学科，对其基础理论的研究却是相对滞后的，特别是对其重要理论基础——运动生物力学的研究更是如此。
健美操的静止姿势与用力动作属于静力学的范畴，主要研究在完成静止动作和慢用力动作时作用在人体的诸力的平衡条件。
它涉及到力、力矩和力偶及其合成与分解的问题。
人体平衡的条件是合外力与合外
力矩同时为零；
平衡稳定性的大小与支撑面的大小和稳定角的大小成正比，与重心的高低成反比。
腾起类动作主要是指各种起跳腾空的动作，包括俯撑腾起、单腿起跳、双腿起跳等各种形式的动作。
在健美操动作中，腾起类动作研究的关键在于腾空的高度问题，需考虑作用力、作用时间及腾起角等因素[9]。
为了突出竞技健美操独一无二的项目特色，其转体类动作均为绕人体纵轴的旋转。
此类动作的主要技术特点是合理控制身体姿势，减小转动半径以减小转动惯量，增加角速度，这有利于人体的旋转。
倒地类动作主要是指由站立自由倒地成俯撑等类型的动作。
在腾起类和转体类中也含有许多与其相同的技术环节。
其关键技术在于落地缓冲。
摆腿类动作主要是指腿的摆越及全旋动作，摆动幅度是这类动作的基本质量标。
准。
动作开始时，腿的高低、身体重心向支撑臂反方向偏离的程度、旋转惯性的大小等都会影响动作的幅度和身体维持动态平衡的稳度。
在动作的前半部分应使身体重心远离旋转轴，使身体获得大的位能和足够的动能；
而在动作的后半部分，为了合理利用转动动能，又必须做腿的加速和制动动作，这是完成这类动作的主要技术特征。
屈体类动作较少，主要考虑动量守恒和动量传递定律及人体各环节的相互关系原理。
总之，各类动作的技术特点均是建立在相应力学原理之上的，具有一定的规律性。
但是在进行研究的时候要考虑到其相对性，因为完成动作的主体是人，不是刚体，存在着个体差异（如身体素质、心理素质等），要考虑运动员的个人特点，因人而异、区别对待，同时还要考虑状态反射等生理学因素。
只有全面和深入地研究，才能抓住根本规律，促进运动水平的提高[9]。
黄璐等[10]根据相关体育理论，把竞技健美操跳跃类难度动作的完成过程分为3个阶段：
起跳阶段、腾空阶段和落地阶段。
①起跳阶段要求运动员在起跳瞬间获得最大的向上或斜向上方向的速度，以使腾空阶段
获得足够的高度和充足的时间，为此，运动员必须在身体离开地面时使所有关节迅速伸展，不仅包括趾、踝、膝、髋关节的依次伸展，还包括肩、肘等上肢关节的配合摆动。
当各关节做向上加速运动时，对施力部位产生反作用力，并通过肌肉收缩作用于地面，从而增大了起跳力，使人体在离地瞬间获得足够大的垂直速度。
另外，运动员身体各关节的全面伸展，还能使人体重心的相对位置在起跳前升高，缩短起跳时间。
②腾空阶段：
迅速有力的起跳和以及由此获得的充分的转动能量为完成腾空阶段动作提供了保障。
在腾空高度和腾空时间一定的情况下，转动力矩成了这时运动员完成转动动作的重要条件。
在整个腾空阶段，运动员正是依赖自身肌肉工作的质量以及肢体各环节的运动状态，来完成空中的外观造型的。
对于整个跳跃类难度动作来说，空中造型的保持尤为重要，它将直接影响裁判员的评价。
因此，运动员在该阶段要快速腾空到最高点且迅速达到不同跳跃动作的造型要求，接着放慢姿态变化的速度以巩固其视觉效果，最后迅速完成各种落地造型。
另外，运动员在完成跳跃类复合型难度动作时，不同空中造型姿态保持的难度是不一样的。
因为在相同条件下的转动角速度越小，转动相同角度就需要越长的时间，对身体内部控制能力的要求就越高。
③落地阶段：
落地作为整个跳跃类难度动作的后续过程，其稳定性直接受起跳阶段和腾空阶段动作完成情况的影响，反过来落地动作的完成情况也直接影响着整个跳跃类难度动作的效果。
《规则》中对完成难度动作进行了总体
描述，全部动作包括难度动作在内，必须表现出正确的形态和身体的标准位置，其主要体现在躯干、后背、骨盆的稳定性以及腹肌的收缩，上体的标准位置，颈部的姿态，肩与颈相对于脊椎的位置关系，双脚相对于踝关节和髋关节的标准位置关系，全部关节的标准位置形态。
可以说，跳跃类难度动作是竞技健美操四类难度动作中最重要的一类。
从生物力学的角度看，当完成落地阶段所要求的各种条件达到理想程度以后，身体内力对于动作的控制和整个动作的完成至关重要。
所以运动员在这一阶段要加强有关跳跃类难度动作的理论学习，在大脑中形成“标准规格”的动作表象，在训练中尽
量用意志控制动作，同时要树立“完美完成动作”的思想，最终实现动作完成的最佳效果[10]。
2.2运动生物力学在其他运动项目中的应用及特性
竞技蹦床：
罗炯[11]认为蹦床着网角度影响着网稳定性，因此
应尽早完成翻腾和转体，早点打开身体准备落网。
蹬伸压网时要求力值上升速率快、力值大、持续时间较长的特点，因此加强运动员髋、膝、踝三关节处的肌肉在半蹲状况下的蹬伸爆发力训练及摆臂与蹬伸的配合训练至关重要。
对离网时机、离网角度的撑握要特别注意，这对兼顾腾空高度和空中动作的翻腾周数在总能量不很充分的情况下尤其重要。
葛卫忠等[12]利用Kinitech等速康复肌力测试系统
对青少年男子短跑运动员膝关节屈伸肌群进行等速测试。
结果表明，青少年男子短跑运动员膝关节峰力矩变化规律与成年人相一致，但左右侧膝关节屈伸肌群做功能力发展不平衡，屈伸肌群运动达峰力矩角度、达峰力矩的时间存在显著差异。
王琨等[13]运用生物力学理论和实验研究方法，对跳远运动员起跳过程中起跳腿肌肉群表现出的专项能力特点进行研究。
结果表明，髋关节伸肌群离心收缩能力对起跳十分重要；
起跳表现出“前支撑蹬伸”特征；
起跳过程中膝关节伸肌群的主动向心收缩能力对人体产生必要制动和适宜的腾起垂直速度具有重要意义；
起跳初始阶段（起跳过程8%的时间里）膝关节产生较大的屈肌力矩，即表现出膝关节屈肌群的主动收缩。
宁辽贞等[14]通过对普通高校女生铅球出手角度的实验，确定出其最佳出手角度的分布范围及特点。
认为对某个具有一定身体力量素质和技术水平的群体来说，最佳出手角度的分布有其特征，普通高校女生的出
手角度并不是传统理论所预言的38°
～42°
，要比此值小，由于受身体力量素质、技术水平等因素制约，为了保证出手速度（第一重要因素），出手角度就不能过大。
3运动损伤的生物力学分析
3.1膝关节运动损伤的生物力学分析
膝关节的骨由股骨、胫骨、髌骨及腓骨构成，上下杠杆长，周围肌肉少，是运动外伤中最易损伤的关节。
国家优秀男子铁饼运
动员在完整旋转掷铁饼技术中的腾空阶段，右膝关节转扣着地极易发生损伤，这个阶段可能发生的运动损伤为右侧外副韧带和前后交叉韧带损伤；
左膝虽然呈屈曲状,但因处于腾空状态,左脚并未落地，因此，发生运动损伤的可能性不大。
在完整旋转掷铁饼技术中的
过渡阶段，左膝关节、左踝关节随着左脚的快速落地，易发生左膝关节前交叉韧带和内侧副韧带损伤[15]。
篮球运动的动作组合的多元性与全面对抗的激烈性决定了篮球运动员在比赛中必须以自身纵轴为核心展开全方位的立体争夺[16]，这主要体现在运动员占位、弹跳能力、躯干的合理碰撞等方面[17]。
膝关节是人体内最大的、最复杂的关节[18]，是一个由胫股关节和髌股关节组成的双关节结构，承受很大的力，并位于身体两个最长的力臂之间，这使其在篮球运动中更易遭受损伤。
李欣等[19]调查参加大学生篮球联赛的部分高校篮球代表队运动员膝关节患病情况。
结果证实膝关节损伤主要与其运动生物力学特点、运动性疲劳以及运动员选材有关，科学的训练与选材能有效减少篮球运动员膝关节损伤。
铁饼运动员经常由于技术不正确和技术特点的要求而引起肌肉韧带撕裂伤和劳损伤。
李元敬等[20]认为旋转开始阶段，由于女子铁饼运动员膝关节左膝角较小，从而增加了转动的稳定性，右膝解稍大，则有利于形成以左侧为轴的大半径弧形摆动增加了转动惯量，左膝弯曲左小腿外展外旋，身体逐渐向投掷方向扭转，膝关节被迫向内，胫骨旋外，此阶段发生左膝内侧副韧带损伤，且附着在半月板上的内侧副韧带深部较短且致密，因此它的较浅部先承受负荷并极易发生撕裂，常伴有膝内侧半月板损伤。
刘印凡等[21]的研究表明，铁饼运动员右膝角减小，可能是右膝内侧副韧带和半月板损伤的重要因素；
右膝关节的蹬伸，易出现股骨滑车软骨软化。
3.2肩关节运动损伤的生物力学分析
李元敬等[22]采用问卷调查法和三维运动生物力学分析法，调查了国家健将级女子铁饼运动员腾空和过渡阶段肩关节运动损伤原因。
结果表明，腾空阶段，拉引角变化幅度大，投掷臂并没有随身体向投掷方向转动，而是向后主动用力，这可能是发生肩锁关节扭伤脱位的重要因素。
过渡阶段，根据肩关节拉引角、肩轴角、肩速的变化看，此阶段发生运动损伤的可能性较小。
3.3踝关节运动损伤的生物力学分析
踝关节是人体重要的负重关节，其稳定对较少损伤和保持运动功能具有重要的意义[23]。
当羽毛球运动员在比赛场上不停地前后、左右跨步地移动或跳起扣杀时[24]，由于脚着地的瞬间,身体重心是处在不稳定状态，并常以足的前外侧先着地,接着过渡到全脚掌着地。
羽毛球运动员在跑动、急停、跳跃、扭转时，都会使足的平衡遭到破坏,而发生踝关节的内、外翻转。
如果这种被动的内、外翻转
超越了踝关节正常的生理活动范围,就会使踝关节受到伤害[25]。
从运动学角度分析,踝关节是由胫距、腓距、胫腓三关节组合而成,且为单轴旋转关节,可以沿着横轴向前、向后作弯曲伸展。
由于羽毛球运动员必须向着来球方向快速移动,使得他几乎是垫着脚尖移位[24]。
从静力学的自由体图分析,由于足（包括距骨）可以被看作一个自由体，而所有作用于该自由体的力可看成三个主要的共面力系，即重力、经跟腱的地面反作用力以及在距骨圆顶上的关节反作用力[26]。
当运动员全力蹬伸使足尖站起时，踝关节的下弯角度增加,其关节面作用力也随之增大。
韩毅雄书中曾提到[27]，踝关节的稳定性是由距骨的形态、胫骨、腓骨间的连接韧带来维持的，一旦发生扭伤或脱位,势必会使踝关节的稳定性降低。
长此以往，踝关节的距骨经常脱位,其接触面也显著减少，因而使其应力逐渐增加，这就是导致踝关节退化性关节炎的最大原因[23]。
4小结
运动生物力学不仅广泛地应用于竞技体育技术分析，对提高运动员竞技水平和训练能力起着不可替代的作用，更重要的是它应用于人体健康研究，有着极好的发展前景。
另外，这门学科与数学、力学、计算机、生物力学、医学等学科紧密相关，具有现代科学边缘性的特征，因此它的研究方法始终在不断更新，存在着宽阔的发展空间。
近年来的运动生物力学文献分析，运动力学与运动医学结合的论文数量急剧增加，质量也相应提高。
对人体运动的研究本来就需要兼顾运动的力学特征和生物特征，所以运动力学与运动医学结合的研究是学科进一步发展的必然趋势[28]，但目前国内借助生物力学方法探讨运动损伤的机制方面的研究尚不普遍[29-31]。
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