生物力學在運動生物力學理論體系中的作用分析

黃廣琴

【摘要】文章主要介紹了生物力學系統在運動生物力學知識體系中的地位、簡化模型與生物力學系統的異同點以及生物力學系統的媒介作用。

【關鍵詞】生物力學系統；運動生物力學理論體系；作用

科學最初從哲學中演化出來，隨著工業時代的到來，科學門類越來越多，各個門類的研究對象獨立，分工明確。隨著兩次工業革命以及后來的信息革命的引導，現在的科學又走向由分散到協同的道路，各個科學門類互相影響，最新的科研成果為許多相關學科采用，理論數據的共享和知識邊界的無限擴大，讓許多原來沒有交集的科學門類進行了交流甚至融合。運動生物力學起初為了體育運動理論與實踐服務，經過科學家幾十年來的不斷研究，現已形成了具有一定層次和規模，基本上反映了該學科發展歷程，突出自身發展特點的理論體系。該學科的形成與發展對于運動實踐指導有著重要作用。

一、生物力學理論

由于是多個學科共同發展產生的新型理論體系，在運動生物力學發展的歷程中我們會發現充滿了多樣性和偶然性，研究成果的發現往往是從一個不相關的學科成果中得到的，不同學科的研究成果在運動生物學的探索過程中提供了有效的研究手段和靈感。但是隨著學科理論體系的建立，運動生物力學的發展進入了一個新的階段，在新階段中，學科的研究目的和研究方法得到了明確，學科理論知識得到了充實，不斷出現的研究成果反哺于理論體系建設，幫助學科完善相關研究理論。

（一）機能解剖學和動力解剖學

機能解剖學和動力解剖學在運動生物力學理論形成的初期起到了重要作用。該學科的基本思想為將我們的人體看成一個有機的整體，所有的實驗和理論出發點對應的對象是人體單位，該學科的研究方向重點集中在研究人體形態結構與機能能力之間的關系，試圖從“機能團”這一角度來揭示人體協調運作的工作機制，以骨連接（關節）及肌肉群工作狀態為自己的研究對象，從而建立起自己的理論體系。

（二）數學和力學

生物力學理論體系的另一大特點是以數學和力學體系為主體。由于該學科的研究目標是揭示體育運動中人體機械運動的規律，為了保證通用性和邏輯性，就需要其他學科中已經成熟確定的模型來對其進行證明。與其學科研究方向最接近的就是物理學中的力學，而力學的研究開展又不能離開數學的加持，所以兩種學科成為研究人體運動規律的證明手段。

（三）多學科的綜合運用

多學科理論的綜合運用是運動生物力學理論發展的一個重要標志。生物力學理論體系得以高速發展還有一個重要原因就是方法學的飛速發展。方法學的成熟讓不同學科、不同理論、不同實驗方法、不同研究方向的學科可以將共有的知識點和研究成果以最高效、最便捷的方式有機組合起來，幫助學科研究方法擺脫單一學科特點和實驗辦法的束縛，讓生物力學理論體系形成了現在這樣以力學理論為基礎，以生物學理論為條件，突出人體運動性的理論體系。

二、生物力學系統在運動生物力學理論框架中所處的位置

（一）運動生物力學系統的概念

運動生物力學在研究人體的機械運動時，為了方便建立模型，會將人體的很多部分進行簡化或者抽象，然后將簡化過的人體運動器系再組合成模型人體，最終呈現的模型人體，我們稱為生物力學系統。根據前文的敘述可以知道所謂的生物力學系統其實就是另外一種意義上的人體簡化，是為了方便研究人體運動規律性而人為創造的。

（二）運動生物力學研究過程分析

進行生物力學研究的目的就是研究人體運動規律和機體內部協調機制。在這一過程中，為了避免干擾項過多，造成實驗頭緒過多，難以得到實質性的進展，所以對于實驗模型進行了重新定義，并且在這一過程中方便了對最終實驗結果的敘述。但是需要注意的是，在純力學條件下的人體模型無法正確反映人體環節，特別是人體內復雜的關節組成和運動情況，對其進行復制就是為了完善簡化模型，使其不缺乏可信度。對于人體模型的構造，有些部分可以進行簡化，但是有些部分如果進行了簡化就會影響整個研究結果的真實性。所以，對人體復雜構件中哪些部分進行簡化，哪些部分進行一比一的復制就成了研究開始之前必須敲定的問題。如果研究人員將兩個剛性環節以鉸鏈式連接的簡化模型看成是肘關節，那么就會失去真實性，因為這樣的簡化會使得實驗對象失去三個平動自由度，只有三個轉動自由度的可動關節。但是，肘關節的解剖學結構決定了它只能沿著額狀軸屈伸，且伸也只能達到180°及沿著由兩個剛性環節垂直軸產生的旋內旋外運動。只有滿足上述條件，才能保證既符合力學條件又滿足生物學條件。在一些不影響研究結果的部分，研究人員可以對一部分人體構件進行簡化，但是由于生物力學的研究目的就是揭開人體運動規律，所以如果在關鍵部分進行簡化，也就失去了研究的意義。對于直接影響到人體運動的構件要盡可能相近的仿真，即使這樣會增加實驗描述語言，并且增加觀察對象數量，但是為了實驗研究有意義，這部分必須真實，而對于無影響運動系統的部分就可以減少描述語言，進行簡化。

（三）生物力學系統的職能分析

生物力學系統的概念和范疇決定了該學科的存在意義和目的。生物力學系統的任務就是連接力學、生物學在人體構造上的交集，通過抽象和簡化的方法讓人體運動器系可以達到力學研究的對象定義水平，讓研究過程可以借用力學學科的知識，利用經典力學完備的理論體系為人體運動規律的研究保駕護航。但是如果將該問題純粹力學化，也不能得到有效的研究成果，因為生物力學系統還有很多其他學科知識。只有多種學科的共同研究都得出成果，才能得出真正的研究成果。經典力學在生物力學系統中確實具有重要的指導作用，但是為了得到真正的答案，研究人員還需要接觸其他學科知識，補充經典力學在生物力學系統中的不足。

三、簡化模型與生物力學系統的異同點

簡化模型是指只滿足于經典力學條件的人體模型。根據成熟的經典力學對象描述，我們知道經典力學的研究對象是剛體，其主要任務是探討剛體在外力作用下所產生的機械運動規律。為了得出人體運動規律，我們必須在生物力學系統中增加經典力學的研究成果，并且將經典力學的很多證明方法和實驗理論引入該學科中。但是經典力學有著自己的研究手段和目的，在進行研究之前，經典力學會對自己的研究對象進行加工，使其滿足經典力學的描述環境，這勢必會消減掉一部分身體特征，這些特征也許在經典力學理論研究中沒有意義，但是對于生物力學研究而言則是非常重要的。例如前文提到的關節部分，其形狀、連接方式、運動軌跡對于生物力學研究都有重要的作用，而在經典力學中卻可能會被忽略。物理學中的質點在生物力學中是不能允許的，因為它將太多與最終研究成果的相關部分忽略了，讓最終的研究成果在實際運用時變得毫無意義。

生物力學系統在一定意義上講也可以說是一種簡化模型，但是生物力學系統中的簡化和經典力學中直接替換為質子的簡化是有本質不同的。由于生物力學研究的是個體內部的力學規律，對于外界力的交換和作用沒有太多的涉及，所以不能使用質子進行替換，而應該是盡可能與研究對象相似的存在，而且在一些關鍵部分的復制必須做到精確。生物力學系統與簡化模型的本質區別在于復制功能，它是力學條件與生物學條件在運動生物力學研究中的高度統一，充分體現出力學條件是基礎，生物學因素決定力學條件的辯證關系。也正是由于復制功能，才使運動生物力學研究走上力學生物化、生物力學化的發展軌道。

四、生物力學系統的媒介作用

第一，力學與生物學的結合是研究生物力學規律的重要手段，如果不借助成熟的力學研究結果，生物力學系統的研究將是無稽之談。生物力學研究的目的是揭示生物運動規律和內部協作機制，而力學的研究客體是物體及其空間位置的變化和變化的原因，需要注意區分。

第二，力學、生物學與人體運動的溝通。生物力學系統是通過抽象、簡化和復制來實現人體模型簡化的，由于該模型的運動規律與人體的運動規律具有極強的相似性，通過模型人們已模擬出很多高新技術，避免了由生物活體拒測性而造成的無法直接測量的弊端，為人體運動方面的研究提供了間接測定方法。

第三，生物力學在解釋生命規律的探究中起到了承上啟下的作用。在運動生物力學理論體系形成與發展過程中，模型這個概念始終占有重要的地位。與其說運動生物力學是對人體的研究，還不如說是對模型的研究更為準確。選擇什么樣的模型，是決定研究成敗的關鍵。

五、生物力學系統的核心是復制

生物力學系統和經典力學最大的區別，前文已經多次提及，就是對象模型的簡化程度不同。在數學和力學中，一般將研究對象定義為一個沒有內部結構的質點，這樣做的好處是便于實驗設置和結論表達，并且在數學和力學的研究范疇中，研究對象的內部結構對于實驗結果的影響很小，幾乎可以省略，尤其是還在理論階段的研究。但是生物力學系統的模型就是簡化和復制相結合的存在，關鍵點的模型必須完全復制，否則就會對研究結果造成影響。

六、結束語

生物力學的研究有助于人類了解生物體運動的規律，研究成果的應用場景廣泛，并且作為新型學科，其研究手段多由其他成熟理論體系中學習和借鑒，區分學科研究手段和目的是研究進行前必須解決的問題。

【參考文獻】

[1]張術學，何勁鵬.生物力學系統在運動生物力學理論體系中的地位和作用[J].東北師大學報（自然科學版），2002，34（03）：121-124.

[2]胡文忠.生物力學在運動生物力學理論體系中的地位研究[J].體育時空，2015（03）：152.