黃廣琴

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

【關(guān)鍵詞】生物力學(xué)系統(tǒng)；運動生物力學(xué)理論體系；作用

科學(xué)最初從哲學(xué)中演化出來，隨著工業(yè)時代的到來，科學(xué)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(yè)革命以及后來的信息革命的引導(dǎo)，現(xiàn)在的科學(xué)又走向由分散到協(xié)同的道路，各個科學(xué)門類互相影響，最新的科研成果為許多相關(guān)學(xué)科采用，理論數(shù)據(jù)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(xué)門類進行了交流甚至融合。運動生物力學(xué)起初為了體育運動理論與實踐服務(wù)，經(jīng)過科學(xué)家?guī)资陙淼牟粩嘌芯?，現(xiàn)已形成了具有一定層次和規(guī)模，基本上反映了該學(xué)科發(fā)展歷程，突出自身發(fā)展特點的理論體系。該學(xué)科的形成與發(fā)展對于運動實踐指導(dǎo)有著重要作用。

一、生物力學(xué)理論

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

（一）機能解剖學(xué)和動力解剖學(xué)

機能解剖學(xué)和動力解剖學(xué)在運動生物力學(xué)理論形成的初期起到了重要作用。該學(xué)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(fā)點對應(yīng)的對象是人體單位，該學(xué)科的研究方向重點集中在研究人體形態(tài)結(jié)構(gòu)與機能能力之間的關(guān)系，試圖從“機能團”這一角度來揭示人體協(xié)調(diào)運作的工作機制，以骨連接（關(guān)節(jié)）及肌肉群工作狀態(tài)為自己的研究對象，從而建立起自己的理論體系。

（二）數(shù)學(xué)和力學(xué)

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

（三）多學(xué)科的綜合運用

多學(xué)科理論的綜合運用是運動生物力學(xué)理論發(fā)展的一個重要標(biāo)志。生物力學(xué)理論體系得以高速發(fā)展還有一個重要原因就是方法學(xué)的飛速發(fā)展。方法學(xué)的成熟讓不同學(xué)科、不同理論、不同實驗方法、不同研究方向的學(xué)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(xué)科研究方法擺脫單一學(xué)科特點和實驗辦法的束縛，讓生物力學(xué)理論體系形成了現(xiàn)在這樣以力學(xué)理論為基礎(chǔ)，以生物學(xué)理論為條件，突出人體運動性的理論體系。

二、生物力學(xué)系統(tǒng)在運動生物力學(xué)理論框架中所處的位置

（一）運動生物力學(xué)系統(tǒng)的概念

運動生物力學(xué)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(xiàn)的模型人體，我們稱為生物力學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)前文的敘述可以知道所謂的生物力學(xué)系統(tǒng)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(guī)律性而人為創(chuàng)造的。

（二）運動生物力學(xué)研究過程分析

進行生物力學(xué)研究的目的就是研究人體運動規(guī)律和機體內(nèi)部協(xié)調(diào)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(zhì)性的進展，所以對于實驗?zāi)Ｐ瓦M行了重新定義，并且在這一過程中方便了對最終實驗結(jié)果的敘述。但是需要注意的是，在純力學(xué)條件下的人體模型無法正確反映人體環(huán)節(jié)，特別是人體內(nèi)復(fù)雜的關(guān)節(jié)組成和運動情況，對其進行復(fù)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(gòu)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(jié)果的真實性。所以，對人體復(fù)雜構(gòu)件中哪些部分進行簡化，哪些部分進行一比一的復(fù)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(huán)節(jié)以鉸鏈?zhǔn)竭B接的簡化模型看成是肘關(guān)節(jié)，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(zhuǎn)動自由度的可動關(guān)節(jié)。但是，肘關(guān)節(jié)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)決定了它只能沿著額狀軸屈伸，且伸也只能達(dá)到180°及沿著由兩個剛性環(huán)節(jié)垂直軸產(chǎn)生的旋內(nèi)旋外運動。只有滿足上述條件，才能保證既符合力學(xué)條件又滿足生物學(xué)條件。在一些不影響研究結(jié)果的部分，研究人員可以對一部分人體構(gòu)件進行簡化，但是由于生物力學(xué)的研究目的就是揭開人體運動規(guī)律，所以如果在關(guān)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(gòu)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(shù)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(tǒng)的部分就可以減少描述語言，進行簡化。

（三）生物力學(xué)系統(tǒng)的職能分析

生物力學(xué)系統(tǒng)的概念和范疇決定了該學(xué)科的存在意義和目的。生物力學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)就是連接力學(xué)、生物學(xué)在人體構(gòu)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(dá)到力學(xué)研究的對象定義水平，讓研究過程可以借用力學(xué)學(xué)科的知識，利用經(jīng)典力學(xué)完備的理論體系為人體運動規(guī)律的研究保駕護航。但是如果將該問題純粹力學(xué)化，也不能得到有效的研究成果，因為生物力學(xué)系統(tǒng)還有很多其他學(xué)科知識。只有多種學(xué)科的共同研究都得出成果，才能得出真正的研究成果。經(jīng)典力學(xué)在生物力學(xué)系統(tǒng)中確實具有重要的指導(dǎo)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(xué)科知識，補充經(jīng)典力學(xué)在生物力學(xué)系統(tǒng)中的不足。

三、簡化模型與生物力學(xué)系統(tǒng)的異同點

簡化模型是指只滿足于經(jīng)典力學(xué)條件的人體模型。根據(jù)成熟的經(jīng)典力學(xué)對象描述，我們知道經(jīng)典力學(xué)的研究對象是剛體，其主要任務(wù)是探討剛體在外力作用下所產(chǎn)生的機械運動規(guī)律。為了得出人體運動規(guī)律，我們必須在生物力學(xué)系統(tǒng)中增加經(jīng)典力學(xué)的研究成果，并且將經(jīng)典力學(xué)的很多證明方法和實驗理論引入該學(xué)科中。但是經(jīng)典力學(xué)有著自己的研究手段和目的，在進行研究之前，經(jīng)典力學(xué)會對自己的研究對象進行加工，使其滿足經(jīng)典力學(xué)的描述環(huán)境，這勢必會消減掉一部分身體特征，這些特征也許在經(jīng)典力學(xué)理論研究中沒有意義，但是對于生物力學(xué)研究而言則是非常重要的。例如前文提到的關(guān)節(jié)部分，其形狀、連接方式、運動軌跡對于生物力學(xué)研究都有重要的作用，而在經(jīng)典力學(xué)中卻可能會被忽略。物理學(xué)中的質(zhì)點在生物力學(xué)中是不能允許的，因為它將太多與最終研究成果的相關(guān)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(xué)系統(tǒng)在一定意義上講也可以說是一種簡化模型，但是生物力學(xué)系統(tǒng)中的簡化和經(jīng)典力學(xué)中直接替換為質(zhì)子的簡化是有本質(zhì)不同的。由于生物力學(xué)研究的是個體內(nèi)部的力學(xué)規(guī)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(zhì)子進行替換，而應(yīng)該是盡可能與研究對象相似的存在，而且在一些關(guān)鍵部分的復(fù)制必須做到精確。生物力學(xué)系統(tǒng)與簡化模型的本質(zhì)區(qū)別在于復(fù)制功能，它是力學(xué)條件與生物學(xué)條件在運動生物力學(xué)研究中的高度統(tǒng)一，充分體現(xiàn)出力學(xué)條件是基礎(chǔ)，生物學(xué)因素決定力學(xué)條件的辯證關(guān)系。也正是由于復(fù)制功能，才使運動生物力學(xué)研究走上力學(xué)生物化、生物力學(xué)化的發(fā)展軌道。

四、生物力學(xué)系統(tǒng)的媒介作用

第一，力學(xué)與生物學(xué)的結(jié)合是研究生物力學(xué)規(guī)律的重要手段，如果不借助成熟的力學(xué)研究結(jié)果，生物力學(xué)系統(tǒng)的研究將是無稽之談。生物力學(xué)研究的目的是揭示生物運動規(guī)律和內(nèi)部協(xié)作機制，而力學(xué)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(qū)分。

第二，力學(xué)、生物學(xué)與人體運動的溝通。生物力學(xué)系統(tǒng)是通過抽象、簡化和復(fù)制來實現(xiàn)人體模型簡化的，由于該模型的運動規(guī)律與人體的運動規(guī)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(shù)，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(xué)在解釋生命規(guī)律的探究中起到了承上啟下的作用。在運動生物力學(xué)理論體系形成與發(fā)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(xué)是對人體的研究，還不如說是對模型的研究更為準(zhǔn)確。選擇什么樣的模型，是決定研究成敗的關(guān)鍵。

五、生物力學(xué)系統(tǒng)的核心是復(fù)制

生物力學(xué)系統(tǒng)和經(jīng)典力學(xué)最大的區(qū)別，前文已經(jīng)多次提及，就是對象模型的簡化程度不同。在數(shù)學(xué)和力學(xué)中，一般將研究對象定義為一個沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的質(zhì)點，這樣做的好處是便于實驗設(shè)置和結(jié)論表達(dá)，并且在數(shù)學(xué)和力學(xué)的研究范疇中，研究對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于實驗結(jié)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(xué)系統(tǒng)的模型就是簡化和復(fù)制相結(jié)合的存在，關(guān)鍵點的模型必須完全復(fù)制，否則就會對研究結(jié)果造成影響。

六、結(jié)束語

生物力學(xué)的研究有助于人類了解生物體運動的規(guī)律，研究成果的應(yīng)用場景廣泛，并且作為新型學(xué)科，其研究手段多由其他成熟理論體系中學(xué)習(xí)和借鑒，區(qū)分學(xué)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(xiàn)】

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