简明运动生物力学：概述与成果

【学习任务】

通过本章内容的学习，了解运动生物力学的学科概念；明确运动生物力学的研究任务；熟悉运动生物力学的研究方法；了解运动生物力学的历史与发展状况。

【学习目标】

1.知道运动生物力学的学科概念。

2.掌握运动生物力学的研究任务。

3.知道运动生物力学的研究方法。

4.了解运动生物力学的历史与发展状况。

“运动生物力学”是体育科学中实践性较强的课程之一，涉及生物学、力学、运动技术等多门学科的知识结构及研究成果，是体育类专业课程中比较难掌握的一门课程。

生物力学是应用力学原理和方法对生物体的力学问题进行研究的生物物理学的分支，是生物学和力学融合而成的一门边缘性交叉学科。其研究范围和研究领域非常广泛，从生物整体到系统、器官（包括骨骼、脏器、血液、体液等），从植物到动物的体液运输等。生物力学的理论基础是动量定律、能量守恒定律、质量守恒定律三大定律及其描写物性的本构方程，研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。

生物力学的分支较多，目前国际上比较热门的研究除运动生物力学外还有微观生物力学、生物材料力学、生物流体力学、生物结构力学、心血管动力学、生物运动力学、生物热力学、生物计算力学、生物固体力学等，人体各器官、系统，特别是心脏—循环系统和肺脏—呼吸系统的动力学问题、生物系统和环境之间的热力学平衡问题、特异功能等问题也是当前研究的热点。生物力学的研究，不仅涉及医学、体育运动方面，而且已深入交通安全、宇航技术、军事科学等方面。

中国对生物力学的研究，有很大一部分已经与中国传统医学结合，如在骨骼力学、无损检测、气功、推拿、生物软组织等方面的研究已经形成中国自己独有的特色，通过更加深入的研究，为中国传统中医注入了新鲜的血液。

运动生物力学是生物力学的一个重要分支，它是用静力学、运动学以及动力学的基本原理，结合解剖学、生理学研究体育运动中人体（或器械）机械运动规律的科学。它是将体育运动中人体（或器械）复杂的运动形式以及变化规律结合力学和生物学的原理进行研究。运动生物力学也是体育科学的一个重要组成部分，如运动能力的极限及提高、体育动作技术的分析与诊断、运动损伤的预防、运动训练规律的探索、体适能的分析与训练、运动器材装备的设计和改进等。

运动生物力学是研究人体在外力和肌力作用下的运动规律。在运动生物力学研究中，神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替；肌肉活动简化为受控的力矩发生器；研究对象（人体）的模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响，简化为多刚体系统。相邻的环节之间以关节相连接，在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动，影响并完成系统的整体运动。人体运动可以描述为：在神经系统的控制下，以骨骼为杠杆、以关节为支点、以肌肉收缩为动力的机械运动。

运动生物力学是适应体育运动的需要而产生的，是理论与实践紧密结合的一门学科。运动生物力学的主要任务有两个：一是提高运动技能水平（或称为运动成绩），包括休闲运动、全民健身及竞技运动；二是预防运动损伤。学科的主要任务如下：

（一）研究人体结构与运动功能之间的关系

人体的运动器系是由骨、关节及肌肉组成，其主要功能是使人体运动。要想揭示人体运动的力学规律，只有深入认识人体运动器系组成部分的结构、功能及其力学特点和力学特性，才能最大限度地发挥人体运动器系的功能，避免运动损伤。运动生物力学在研究人体运动的表现形式和运动原理的同时，也要研究影响人体运动的外界条件与运动技术的关系，并根据人体的形态机能特点，结合对运动场地、运动器材的改进，研究最合理、最有效的运动技术，以求取得最好的运动成绩。

（二）研究人体运动技术规律，改进运动技术和实现最优化

提高运动成绩最常用的方法就是改进运动员的技术动作。动作技术原理与最佳运动技术是需要了解的两个概念。动作技术原理是指完成某项动作技术的基本规律，不考虑运动员的性别、体型、运动素质的发展水平和心理素质等个体差异，具有共性特点的一般规律，它适用于任何人；最佳运动技术因人而异，要考虑个人的身体形态、机能、心理素质和训练水平来应用一般技术原理，以求取得最理想的运动成绩，既有共性，也有个性特征。

教练员或教师利用运动生物力学的定性分析方法来改进运动技术的过程是动作技术改进最常见的一种表现形式。另外，研究人员发现新的或更先进的动作技术能够提高运动水平时，需要利用定量分析方法来评定新技术，并与教练员或教师进行沟通，指导他们在教学或训练上推广使用。

运动技术分析是竞技体育的主要研究任务之一，对运动技术进行分析的步骤为：第一，确定研究对象，并分析其技术动作的研究目标；第二，逐一找出影响研究对象的生物力学因素；第三，确定这些因素与技术动作研究对象之间的关系及影响程度；第四，通过实验测定影响运动技术的因素，改善动作技术的方法及手段。例如，跳高项目研究对象（人）的目标就是要跳得高。通过对跳高技术特征的分析，确立影响跳高成绩的直接因素，包括起跳时的初始条件、起跳腿及摆动腿和摆动臂的技术参数和天气因素；挖掘更深层的间接影响因素，包括身体形态、身体素质、技术水平、心理因素等多重因素。

（三）研究设计和改进训练方法及手段

在对运动技术进行运动生物力学诊断时，不能只停留在测量、分析和评价运动技术的层面，更重要的是提出针对性的改善训练手段，来增加运动训练的适应性，并提高运动成绩。实践应用可以从几方面着手：首先对运动员的动作参数进行运动学测量并进行技术分析，然后通过测试找出影响运动技术提高的因素，最后协助教练员或教师判断运动员改进运动技术所需要的训练手段种类。例如，运动员的运动成绩无法提高，可能是某些肌群的肌力、动作速度或技术方面欠缺而受到限制，有时这些限制可能比较明显。又如，要做出漂亮的燕式平衡动作，摆动腿积极上抬，待整条腿伸直后继续向前或向后上方蹬伸，除身体平衡稳定性高、腰部的柔韧性好、重心低等因素外，支撑腿力量的大小是维持这一动作平衡稳定性关键的要素。教练员在训练中应采用合理的训练方法，增强支撑腿半腱肌、胫骨前肌的力量和摆动腿股直肌的力量，以便更好地完成动作。

（四）设计和改进运动器材及装备

当今体育成绩的刷新与运动器材、体育装备和设施的发展有着密切的联系。可以说奥运会金牌之争，在某种意义上来说就是高科技手段之间的竞争，运动生物力学理论与方法的运用在这一方面起着举足轻重、不可替代的作用，它可以通过改善运动器材来帮助运动员实现运动成绩的提高。“工欲善其事，必先利其器”，运动生物力学原理的运用加上新材料、新工艺的不断创新，经过改进后的运动器材（器械）会给运动成绩带来翻天覆地的变化。一个经典的例证就是撑竿跳高项目中杆的演变。当竹竿、金属杆取代坚硬沉重、没有弹性的木杆后，撑竿跳高的纪录节节攀升。直到轻巧而富有弹性的玻璃纤维、碳纤维杆问世后，由于助跑速度的增加和动能、势能转换效率的大幅度提高，带来了撑竿跳高成绩飞越性的突破——瑞典名将阿曼德·杜普兰蒂斯创造男子6.18 m的纪录。根据用途，体育器材装备包括以下几个方面：比赛和训练用的专项运动器材；测试和科研用的仪器设备；力量、速度、柔韧性等专项训练器材和设备；全民健身用器材设备；防护器具；裁判用器具；服装、鞋帽等。

此外，体育工效学和体育工程学也是与运动生物力学有着密切相关的新兴的、交叉的、边缘性学科。体育工效学是指综合运用生理学、心理学、卫生学、人体测量学等，研究生产系统中人、运动装备和运动环境之间的相互作用，然后将结果应用于运动器材、运动装备、运动环境等的设计与开发上，以配合与优化人的运动达到安全、健康、舒适及提高运动成绩的一门边缘科学。体育工程学是工程学与体育的有机结合，以提高体育竞技水平和增强体质为目的，主要开展人体运动特性、运动方式的测量研究与相关运动器材设备的研制等工作。体育工程学是更广意义上的一个概念，在探讨人（运动员）与器械的互动关系、改革与创新运动器材与装备方面，都有着直接与重要的应用。我国在这方面起步比较晚，2004年12月中国体育科学学会主办，北京体育大学和中国机械科学院承办的首届中国体育工程和科技产业论坛是个良好的开始。

（五）预防运动损伤

运动损伤是与体育运动的目的、体育运动的宗旨背道而驰的，应该防止运动损伤的发生。但是运动损伤在竞技体育、全民健身、休闲体育中经常发生。预防运动损伤是全体体育工作者的责任和义务，也是运动生物力学研究的一大基本任务，同时也是当代运动医学研究的热点，从运动损伤发生的机制，到运动损伤的检测与研究方法，相关应用研究越来越普及和深入。各国政府特别是欧美等发达国家对医疗与健康研究的重视，一些生物力学实验室也逐渐从与竞技运动相关的研究向运动与健康促进的生物力学研究转型。

力是人体运动的动力，但对于人体及其器官而言也是一种负荷，当力接近或超过人体器官的承受能力时，就会造成急性或慢性损伤。针对这些负荷进行检测、分析，从而找出运动损伤发生的机制，这是运动生物力学具有挑战性的一项任务。在了解运动损伤发生机制的基础上，可以通过多种途径来预防运动损伤。预防运动损伤及伤后的治疗、康复都需要多学科的密切配合，包括运动解剖学、运动生理学、运动医学、运动心理学、矫正外科学和康复技术等学科。

运动生物力学是探讨作用于人体上的力及力的作用效果的一门科学，在损伤产生的原因、改进预防措施及康复手段等方面发挥着独特的作用。其主要内容如下：

①改进动作技术，减少损伤机会。

②改进器械和装备，减少损伤机会。

③研制各种防护器材，减少损伤机会。

④帮助损伤诊断，提高治疗效果。

⑤设计、改进康复手段和方法等。

例如，运动鞋与场地之间的摩擦直接影响运动员的技术，不同表面特性的运动场在与运动鞋接触过程中会产生不同应力，根据这些应力特点，可以通过改善运动场表面及运动鞋底材料，减少运动员的运动损伤。鉴于跑步人数的不断增加，对不同要求的运动鞋的研究，以及不同跑步落地技术和不同足部血流速度对下肢产生的负荷状况的研究也是热点，对日常行为生物力学进行研究，为人们改善运动方式和负重方式提供了证据，对减轻甚至预防大众在跑步过程中足部周围的损伤有很大帮助。

（一）运动生物力学的研究方法

从研究的形式上，运动生物力学的研究方法可分为理论研究方法和实验研究方法两大类，实验研究方法又分实验室测量法和运动测量法。从研究的领域上，运动生物力学的研究方法可分为物理学研究方法、生物学研究方法和系统性研究方法。从研究材料的来源上，运动生物力学的研究方法可分为原始资料数据的采集整理和资料分析方法。研究运动项目主要以运动学和动力学研究方法为主，生物学的研究方法为辅，综合运用多种实验手段。

美国的理查德·C.尼尔森把运动生物力学的研究方法概括为以下5种：

①研究特定的运动项目或其中的某一环节的生物力学，这种方法主要对运动员，尤其只对某一专项运动感兴趣的教练员非常有用。

②研究多个运动项目中共同包含的运动动作（如着地、起跑等动作）的生物力学。最大的好处是建立一种一般性的理论，这个理论建立在经典力学定律基础之上，或建立在共同的神经控制模式之上。

③运动生物力学的评定方法，如从能耗角度去评价运动技术的优劣等。

④对某一专项运动所涉及的生理学、运动学、动力学以及专项特点等进行综合考虑。

⑤讨论运动中人体器官的生物力学。

中国的周里将研究的方法分为高速摄影（二维与三维）法、录像法、测力法、肌电法、肌力测试系统法、同步测试法、理论分析法和CT法、核磁共振法等。

（二）运动生物力学研究方法的现状分析

1.理论研究方法

运动生物力学理论研究方法的关键是建立人体运动的力学模型。理论研究方法主要是探索人体运动的规律，它的研究对象、研究目的、研究方法和研究成果均不同于实验方法。理论研究方法的研究对象是抽象的人体模型，目的是揭示运动的规律，核心是经典的数学力学的推导运算，结论是揭示运动的内在机理。人体运动的数学模型法是理论研究方法中常用的主要方法。20世纪80年代后，数学模型法有了许多新的突破和进展，近年来随着计算机仿真研究方法的推广应用，我国体育科学研究及运动训练的数字化程度得到了全面提升，逐渐改变了体育科学研究与训练的模式。一些人体肌肉骨骼仿真运动理想模型的研究也成为目前运动生物力学的热点，借助目前流行的运动标记点捕捉系统（如VICON、MOTION等红外捕捉系统）提供的三维运动学数据，转换成不同仿真系统数据，继而转化成不同的数学模型，模拟运动神经肌肉系统的协调工作，为期望的研究目的服务。Kim Nolte等运用LifeModeler研发有模拟三维人体胸椎训练器，并对安全性和有效性进行了研究，LinYi-Chung等利用三维跟踪捕捉技术，采用OpenSim-MATLAB交互平台，实现模拟计算12个环节66块肌肉最佳动态人体运动模式的研究，如研究人体最佳运动模式等的模拟仿真模型的研究。模拟仿真系统的不断升级对人体神经、肌肉、骨骼等的模型越来越真实，不同仿真模型系统的研究存在差异，OpenSim已经从2015年的1.0升级为2017年的4.0，这些开放模拟仿真系统都会影响研究的结果。

目前，运动生物力学主要研究人体内部运动器系和表现于外部的人体整体机械运动特征。为了便于研究，运动生物力学理论研究方法的关键是建立人体运动的模型来描述运动。大体有两种方法：第一种方法是人体系统仿真研究方法，其代表人物是南非的力学专家Haze；第二种方法是应用多刚体系统动力学理论建立人体力学模型，代表人物是美国的力学专家Kane。在运动生物力学研究中，大多数力学系统的运动都受牛顿运动定律控制，建立的模型都是牛顿经典力学系统的数学形式。但牛顿力学对活体显然是不适合或不完全适合的，这已被理论或实践所证实。牛顿力学对肌肉、骨骼、关节系统的力学特征以及在解决人体运动器系和整体运动之间的因果关系、把握人体运动行为生物力学规律的体质方面还有一定的困难。模型建构是指对数学力学分析所研究的问题进行的模型建构。建构模型的基本标准是代表性、简单性和实效性。模型按其功能可分3个层次：描述性模型、解释性模型和预测性模型。数学模型目前有：①Hanavan的人体测量数学模型；②Santschiw L等的环节集合分布模型；③Zatsiorsky的数学模型；④中国人体模型；⑤人体二维转动惯量数学模型。

2.实验研究方法

比较成熟的测量方法有两种：一种是在实验室条件下，采用各种类型的测力计和先进的多功能肌力测量系统，对与运动有关的主要肌群进行定量测量，此法可简称为“实验室测量法”；另一种是在运动场上通过训练器械或反映运动员专项力量的训练手段，测定运动员的专项力量训练水平，此法可称为“运动测量法”。实验研究方法与理论研究方法相比，前者略显成熟，它主要有以下特点：①在检测手段上随着工程技术的进步，手段越来越多样化。从“传统”的摄影摄像技术发展到三维立体摄影摄像，已经能更精确地反映事物的运动特征，许多新的现代化技术装备也被应用到运动生物力学研究上，如激光瞄准测试分析系统、爱捷运动图像分析系统、六维测力平台SAEMS-T、四导遥测肌电仪、万能材料试验机等。②实验室测量方法与运动场测量方法相结合。例如，为研究自行车运动员前面风力的变化情况，研究人员运用3-D扫描、风洞实验与计算机液体模拟三者结合的综合性研究方法，大大提高了研究的精度与可靠性。三轴运动传感器的应用，为正确描述运动器械的运动轨迹提供了可能。

（三）运动生物力学研究方法的发展趋势

①竞技体育中技术测试研究方法的发展趋势：向着适合于各个运动项目需要的、能够现场及时反馈测试分析结果的仪器设备与方法和提供详细测试分析报告的仪器设备与方法两条并行的途径发展。a.三维跟踪摄像、摄影测量方法的推广；b.摄像、摄影精度逐步提高；c.三维摄像、摄影测量逐步普及；d.影像测量点识别、采集的自动化；e.足底压力分布测试三维化；f.运动技术测试仪器专项化、反馈快速化；g.数学力学模型和人体运动仿真使用化等。以后主要是对经典力学分析、力学模型研究、运动技术最佳化、人体运动仿真、肌肉力学模型等方面进行重点研究，使研究方法和测量手段进一步向科学化和合理化发展。

②模型参数的选择和确定，取决于参数的功能，即区分常规参数和敏感参数，并且使这些参数定量化和具有可比性。关于数据采集，首先是数据采集的标准化，然后是对数据进行力学分析和评价，更重要的是对所采集的数据进行模型模拟，因为模型模拟可以产生有关自变量对应变量影响的系列信息，并建立两类变量之间的数—力关系，从而为技术分析、技术控制和技术最佳化提出预测，为运动损伤、康复手段的选择提供方案。

③运动器系的力学负荷、负荷分布和负荷能力以及运动器官、组织和系统的材料力学是预防生物力学的基础。重力、支持力、相互作用力、介质阻力及摩擦力可作为对运动器系的负荷。通常使用但是并未充分证明是否可靠的指标有最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及冲量、角冲量及它们的持续时间。所谓“最大”值也只是相对极限值。人体机能代偿能力的储备性决定了绝对最大值是不可计测的。近年来关于运动器械和装备，包括鞋、服装方面的研究已引起人们的重视，这将是一个很有吸引力且富有商业价值的领域。

④测量技术、遥测技术和肌肉动力学测量技术（包括离体或在体肌肉动力学测量过程）将成为今后发展的重点，实验方法与理论模型相结合的综合研究日趋增加，主要趋向是遥测无线部分数据发射与数据采集装置的小型化和测量过程及结果分析的快速化。

⑤运动损伤预防与康复领域的研究是生物力学新的研究领域。运动生物力学在运动损伤预防中起了重要作用，随着运动训练科学的不断进步，新的预防研究也不断出现，研究人员根据运动项目容易损伤的部位，以及不同部位在运动和比赛过程中应力的不同要求，有针对性地进行预防研究，这些为了保护运动员身体健康的基础研究，或许在不远的将来，成为制订比赛规则和运动员道德规范的重要依据。例如，对跳跃运动员某些韧带损伤的力学机制的研究，不同速度和力量的运动技术对关节韧带要求的差异等，也为当前教练员安排训练计划提供了科学的保障。不同疲劳状态及跳跃方式对膝关节前交叉韧带负荷要求的研究，为减少前十字交叉韧带损伤（ACL）提供了重要依据。由于美国高校的橄榄球运动员损伤的人数逐年增加，加上美国高校橄榄球项目上的巨大投入，美国高校运动人体研究人员开始对引起脑震荡所需要的碰撞强度阈值进行研究，对脑震荡预防的头盔不同部分应力的研究成为预防运动损伤的热点，在头盔不同部位，尤其是耳面后侧，牙套内放入三轴向加速感应器，根据应力要求进行安全设计。根据赛艇运动员后背及肋骨损伤的风险，对脚蹬器与座位高度前后距离的研究一直就没有停止过。

⑥随着运动竞技水平和运动训练科学化程度的提高，运动生物力学研究的方向也将从简单的对人体动作技术分析深入到对内在机理的探讨，随着医学科学和康复科学的发展，骨科生物力学、临床生物力学、康复生物力学以及生物工程中的生物力学等将得到迅速发展，逐渐成为国际运动生物力学的主要研究领域。

“生命要力学化，力学要生命化”，生命活动中处处包含基本的力学原理，只有采用力学的方法和手段来研究运动，运动生物力学才能作为一门科学来发展。而作为基础学科的力学可以并且应该被赋予研究生命现象的环境之中，以此来寻求二者的相互促进，达到改善生命质量的目的。运动生物力学首先是力学，其次是生物，最后是运动。运动生物力学的技术分析和研究水平有赖于电子设备等精密研究仪器的发展，需要计算机和动作技术最佳化等方面的分析来研究。我国运动生物力学经过多年的发展，研究水平和研究能力已取得长足进步，有相当一部分与中国传统医学结合，在骨骼力学、脉搏波、无损检测、推拿、气功、生物软组织等体医结合项目的研究中已形成自己的特色。研究测试手段需加强计算机仿真及其他运动测试仪器的开发研究，需要加强多学科合作，多种测试方法的研究结合、多领域的综合开发研究，在基础理论研究方面加倍努力，使我国运动生物力学的发展达到国际领先水平。

（一）运动生物力学的历史回顾(www.xing528.com)

古人云：“以铜为镜，可以正衣冠；以史为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。”了解过去是为了更好地把握未来，了解和研究运动生物力学的发展历史，可以在前人所走过的历史中吸取经验和教训，得到启发，少走弯路，更有针对性地研究和解决主要矛盾，使工作事半功倍。运动生物力学的发展历史与人体机能学的发展历史是分不开的。

1.萌芽时期（第二次世界大战前）

生物力学一词虽然在20世纪60年代才出现，但它所涉及的一些内容，却是古老的课题，该学科萌芽于人们在很早以前就想知道的活的有机体运动，尤其是人类的运动，这是运动生物力学的萌芽背景。

1582年前后，伽利略得出摆长与周期的定量关系，并利用摆来测定人的脉搏率，用与脉搏合拍的摆长来表达脉搏率等；1616年，英国生理学家哈维根据流体力学中的连续性原理，从理论上论证了血液循环的存在；1661年，马尔皮基在解剖青蛙时，在蛙肺中看到了微循环的存在，证实了哈维的论断；1680年，博雷利在《论动物的运动》中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动；1775年，欧拉写了一篇关于波在动脉中传播的论文；1898年，兰姆预言动脉中存在高频波，现已得到证实；材料力学中著名的杨氏模量就是英国物理学家托马斯·杨为建立声带发音的弹性力学理论而提出的。

1733年，英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压，并寻求血压与失血的关系，解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流，在血液流动中引进了外周阻力概念，并正确指出：产生这种阻力的主要部位在细血管处。其后，泊肃叶确立了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系；弗兰克解释了心脏的力学问题；斯塔林提出了透过膜的传质定律，并解释了人体中水的平衡问题。

克罗格由于在微循环力学方面的贡献获得1920年诺贝尔奖，希尔因肌肉力学的工作获得1922年诺贝尔奖。他们的工作为20世纪60年代开始的生物力学的系统研究打下了基础。

到了20世纪60年代，一批工程科学家同生理学家合作，对生物学、生理学和医学的有关问题，用工程的观点和方法，进行了较为深入的研究，使生物力学逐渐成为一门独立的学科。其中有些课题的研究也逐渐发展成为生物力学的分支学科，如以研究生物材料的力学性能为主要内容的生物流变学等。

2.形成及发展时期（第二次世界大战后）

1939年以后，第二次世界大战爆发，生物力学研究处于暂时停滞不前的状态。1955年由约翰·邦恩所写的《运动训练的科学原理》一书，是体育科学领域第一本强调力学在运动训练中的应用多于解剖学的教科书。

20世纪60年代，生物力学这个概念越来越流行，而且有更多的人开始参与运动生物力学的研究。1967年，第一届国际生物力学学术研讨会在瑞士苏黎世举行，会上发表的论文大多是有关人体运动生物力学的研究。此后国际生物力学学术研讨会每两年举办一次。1968年，国际上第一份《生物力学杂志》创刊，创刊号中有数篇文章是关于运动生物力学的研究。1973年在美国宾夕法尼亚州成立了国际生物力学学会（International Society of Biomechanics，ISB），并且每两年召开一届国际生物力学研讨会。1975年在芬兰于韦斯屈莱会议上改称为“国际生物力学学会大会”，该名称一直沿用至今。国际生物力学学会大会主要研究讨论运动中的生物力学，内容有肌肉—骨骼力学、人类工效学、运动生物力学、临床生物力学等。1977年美国生物力学学会成立。20世纪80年代早期，一些对运动生物力学研究有兴趣的学者成立了国际运动生物力学学会，并于1985年创刊了《国际运动生物力学杂志》（1992年该刊改名为《应用生物力学杂志》）。

20世纪70年代至90年代，运动生物力学的发展越来越蓬勃，参与运动生物力学研究的人数也急剧增加。计算机的普及，使得利用高速摄影机以及测力装置来收集和分析运动数据资料变得更简单、更快速。没有计算机辅助时，精确计算从摄影资料中所获得的测量数据以及量化生物力学的研究需要花费大量的时间，这也是20世纪60年代运动生物力学研究人员较少的原因之一。

3.快速发展时期（20世纪90年代后）

20世纪90年代以来，随着科学技术的飞速发展，现代运动生物力学也进入了快速发展时期，并且在未来一段时间内，运动生物力学将会向着方法更加先进、多种测试手段与分析方法融合的方向发展。

从运动生物力学的研究领域来看，相关学科的移植与创新有新的突破。例如，在运动器材研究方面，简便易测的生物力学器材为科研人员进行运动生物力学研究提供了前提和保障。例如，2016年美国帕斯科PS-2142便携式测力台的研制成功及其校准研究，解决了测力台移动的难题，为测力研究提供了极大方便（质量只有6.4 kg），而且在垂直方向小于4 400 N和水平方向小于1 100 N的冲量测量上，具有极高的效度和准确性。基本运动器材的更新换代是运动员个性化和科技进步的标志，运动鞋是运动员参加训练和比赛的基本器材，一些运动鞋生产厂家投入很多的精力，为新闻传播效应极高的运动明星量身定做运动鞋已经成为一种时尚，为特定运动项目和特定运动技术制作适宜的运动鞋也是未来运动生物力学研究的长期任务。

从运动生物力学的研究方法来看，新的研究方法不断出现，一些方法的综合运用成为研究的趋势。例如，运用3-D扫描、风洞实验与计算机液体模拟三者结合的综合性研究方法。借助目前流行的运动标记点捕捉系统（如VICON、MOTION等红外捕捉系统）提供的三维运动学数据，转换成不同仿真系统数据，继而转化成不同的数据模型，模拟运动神经肌肉系统的协调工作的人体肌肉骨骼仿真运动理想模型。

从运动生物力学的研究队伍来看，从事运动生物力学的研究者的规模和水平快速提升。早期大多由力学、生物学及体育学的研究者构成，现在则打破了传统的学科界限，大批其他学科的研究者如工程力学、计算力学、电子科学和医学工程的人才的加入很好地丰富了学科交叉，充实了学科的内涵，提升了生物力学的学科研究水平。

（二）运动生物力学的发展趋势

科学技术的快速发展对运动生物力学的影响越来越大。运动生物力学的基础理论研究依然是研究者的根本任务，它能够决定整个运动生物研究的起点高度，如有关人体重心位置、环节重心位置及人体模型的研究。纳米生物力学已经问世，宏观的人体生物力学研究在条件许可的前提下，可能会向微观纳米方向发展。分子运动生物力学在不远的将来就会出现在运动人体领域，训练中各种训练生物力学参数的研究将会逐渐过渡到即时反馈，光电传导跟踪捕捉系统已经成功运用于运动训练与体育比赛的许多环节，最新的细胞牵张拉伸应力系统FX-5000T细胞牵张拉伸应力加载系统研制成功。伴随着大众健身、老年社会和国内体育产业发展高潮的到来，许多新兴领域将会以我们不可预知的速度进入并影响我们的生活，运动生物力学的研究前景将会更加广阔。研究工具的每一次改进，都会为运动生物力学的发展提供更广阔的发展空间和前景。

案例分析

高科技特制装备亮相　中国王牌军向科技要金牌

《燕赵都市报》　王伟宏

跳水、体操、乒乓球、射击，这四支王牌部队，几乎撑起中国奥运金牌的半壁江山。北京奥运会日益临近，背负夺金重任的四大王牌军的领导却连番喊“难”。昨天，四队联合发布的最新“战服”全都采用了高科技手段，希望这些装备能助选手们一臂之力。

■跳水：独特排水槽减水阻

跳水梦之队一直是中国体育代表团的夺金大户，理论上甚至有包揽金牌的可能，不过近期的表现却让人捏一把冷汗。上周世界杯跳水巡回赛南京站，“一姐”郭晶晶罕见的重大失误敲响了警钟。昨天，游泳运动管理中心副主任、中国跳水队领队周继红说，中国跳水队虽有“梦之队”美誉，无奈当今世界跳坛竞争激烈，中国选手无绝对优势可言，一些队员的状态也不是特别出色，并得出结论：北京奥运会跳水队每一枚金牌都会很难。

高科装备：众所周知，跳水比赛运动员入水时的水花大小，将直接决定运动员的分数。昨天中国跳水队公布的最新泳衣，后部都有一个独特设计的排水槽，使得运动员入水时能够将泳衣与身体间的水迅速排干，能减小阻力从而减少水花。

■体操：神奇纤维更加舒适

中国体操队雅典的不愉快还未散去，前不久女队又抽到北京奥运会的下下签，原本乐观的北京奥运之旅似乎又要重起波澜。有鉴于此，体操运动管理中心主任高健昨天也对女队不无担忧：“我们最不想第一个上场，但偏偏就抽到了第一场；没有人愿意第一项就比平衡木，但我们偏偏就抽到了平衡木。”

高科装备：体操运动员比赛时动作大开大合，对服装的伸展性和舒适度要求极高。一种高科技纤维被应用在中国体操队最新比赛服中，优质弹性能让运动员在比赛中毫无束缚、尽情舒展。女选手的比赛服中还掺进了一种含有天然萃取成分的微胶囊，运动时这些微胶囊就会破裂并散发出清香，可以帮助运动员缓解疲劳和紧张。

■乒乓球：能防汗水滴落球台

乒乓球被称为国球，但国乒目前遭遇到各种因素的围追堵截，形势也是空前严峻。昨天，乒羽运动管理中心主任刘凤岩大吐苦水，他表示2004年雅典奥运会前国际乒联出台的11分制、无遮挡发球等改革，目的就是削弱中国队优势，经过几年的适应，中国乒乓球队仍未完全驾驭新赛制，在重大国际比赛上，非常容易被对手爆冷击败，北京奥运会形势也不容乐观。

高科装备：打乒乓球的人都知道，运动时滴在球台上的汗水可能导致乒乓球突然变向，滴在地板上的汗水则可能使打球者滑倒，而比赛时这种现象将会更多地出现。中国乒乓球队刚刚配备的新比赛服，则使用了一种超强吸湿排汗的面料，并且让运动员在大幅度挥臂时拥有更大的腋下抬起量。

■射击：除湿散热排除干扰

射击项目的偶然性让所有业内人士都感到头疼，即便麾下拥有一大批世界顶尖选手，国家射击射箭运动管理中心主任高志丹也表示：“射击运动员在主场作战时心理压力特别大，北京奥运会对于中国射击队来说是比以往任何一项赛事都要难打的比赛。尤其是在很可能产生北京奥运会首枚金牌的女子10 m气步枪项目上，中国选手的压力更大，何况对手实力也很强劲。”

高科装备：射击比赛中任何一些不舒服的因素都可能让运动员心理产生波动从而影响战绩。中国射击队的新射击服专门采用高科技的排汗除湿散热系统，让射击服的透气性和散热性都得到大幅提高。

相关历史事件

撑竿跳的变迁

《科学时报》　赵致真

1994年7月31日，意大利塞斯特里尔田径场，号称“跳高沙皇”的乌克兰运动员布勃卡“揭竿而起”，把自己的身体撑向蓝天，一举越过了6.14 m横杆。这是人类克服地球引力的凯歌，也是人类体育运动目前所达到的高度上限。在布勃卡时代，天下好手参加撑竿跳高比赛常常只有亚军可争。

撑竿跳高究竟起源于何时已经很难考证。在远古的年代，人们撑着一根木杆或长矛跨过溪流，越过短墙，腾上马背……此后渐渐发展为一项体育运动。1789年，德国人普茨跳过了1.83 m，这大约是历史上第一个有案可考的撑竿跳高纪录。

早期撑竿跳高

1896年的第1届奥运会上，撑竿跳高就成为最引人入胜的正式比赛项目，不过属于体操项目。当时使用的撑竿大多由山胡桃木制成。美国运动员威廉·霍亚特靠着这种沉重、坚硬、粗笨的实心木杆，创造了3.3 m的世界纪录。

早期奥运会的滑稽故事在撑竿跳高项目中也不乏其例。1904年在美国圣路易举办的第3届奥运会上，日本选手左间代富士从容不迫地把撑杆插到地上，然后以极其麻利的动作来了个“顺竿爬”，直到高过横杆时才轻松跳下。他的这种“杂技表演”不仅令观众目瞪口呆，也让裁判不知所措。此后才制订了起跳后握竿双手不能交替移动的“游戏规则”。

用竹竿取代木杆，是撑竿跳高历史上的重大进步。竹竿更富有弹性，天然的中空结构使竿重减轻有利于快速助跑。1908年伦敦奥运会上，美国耶鲁大学学生吉尔伯特第一次使用竹竿跳过3.71 m获得冠军。他随后从巴黎购买了大量竹竿行销到美国各地。盛产上乘竹子的日本曾领尽风骚，在洛杉矶奥运会上，日本选手西田修平仅以1 cm之差直逼霸主美国队，柏林奥运会两位日本运动员把奖牌切开再焊接成两块银、铜各半奖牌，这类奇迹和轶事都发生在日本撑竿跳高的“辉煌时代”。而历经5年时间阴干和炮制的日本撑竿工艺也首屈一指，各国好手几乎都把来自“竹乡”上野、四国的日本撑竿视为珍稀的上选。“竹竿时代”的世界纪录上升到了4.77 m。

1936年柏林奥运会上美国运动员迈多斯使用竹竿创造4.35 m的奥运会纪录

第二次世界大战没有理睬古奥运会“神圣休战”的原则，第12、第13届奥运会成为历史上永远的空白。作为交战双方，欧美国家从日本进口竹竿的渠道被完全阻断。而苦难中的人们并没有因战争而丧失撑竿跳高的兴致，他们被迫另辟蹊径，早在1920年便有人尝试的金属撑杆开始备受青睐。

和自然生长的竹竿相比，这种用瑞典钢和铝合金制成的空心撑杆更加轻便光洁，尺寸标准，坚牢柔韧，运动员可以更放心大胆地加快助跑和提高握杆点而不用再担心“折戟沉沙”。世界纪录因此而提高到4.80 m。

另外一项看似简单却功不可没的发明，是插斗的使用。早期的撑竿为了防止打滑，都在末端安上一个或者一组粗大的铁钉。1908年伦敦奥运会上，美国运动员吉尔伯特在撑竿的落地处挖了个坑，结果被视为犯规。直到1924年，木制的插斗才成为撑竿跳高的“标准配置”，从此运动员有了一个稳定可靠的“支点”。

1952年，当更轻、更韧、更富有弹性的玻璃纤维撑杆第一次在赫尔辛基奥运会上出现时，谁也没有预料到撑竿跳高将进入一个梦幻般的新时代。1961年美国运动员戴维斯创造了玻璃纤维撑竿的第一个世界纪录4.83 m。次年2月，约翰·尤尔西斯跳过4.89 m。1964年弗莱德·汉森把世界纪录提高到5.28 m。短短几年间，撑杆好手群雄竞起你追我赶，世界纪录墨迹未干便再被刷新，直到突破6 m大关。和其他任何田径项目相比，这种势如破竹的“跃进”都是绝无仅有的。

玻璃纤维杆本身没有能量，究竟是何种原因导致它如此“立竿见影”的功效呢？如果“刚性”的木杆和“柔性”的纤维杆进行对照来作一番简略讨论，将会看到力学中关于能量转换的最生动演示。

奥运撑竿跳高纪录

玻璃纤维竿的重量大大减轻，使运动员持竿助跑的速度得以猛增，而聚集在竿上的动能是和助跑速度的平方成正比的。再说“刚性”撑竿和地面的接触是“硬碰硬”的撞击，而“柔性”的纤维竿落地后则更像弹簧的压缩，两者造成的能量损失和对人体的冲击震荡显然大不相同。而当玻璃纤维竿变成一条大弧，运动员握竿点和插斗的直线距离则如一根弦，和“直挺挺”的不可压缩的木杆相比，人-竿转动半径明显缩短，竖竿的力矩大大减少，这意味着运动员能够轻易地提高握竿点。

如果把手中的撑竿当作一个“能量转换器”——将水平方向助跑的动能转换为一定高度的重力势能，那么玻璃纤维竿的最大魅力则来自它对能量的有效储存和释放。当纤维撑竿被压弯后积蓄了变形势能，然后将运动员“弹”向空中，等于运动员把水平助跑“挣来的钱”“存入银行”，接着及时“提取”出来支付垂直上升和跨越横竿需要付出的“费用”。

撑竿跳高中的“双钟摆”效应，指的是以穴斗为支点，以撑竿为主体的“长摆”，和以肩关节为支点，以人为主体的“短摆”。木杆的“摆长”是不变的，运动员握竿点的轨迹几乎完全是一个陡起的圆弧，而玻璃纤维竿的“摆长”是变化的，运动员身体重心位移是一个平滑的曲线。这十分有利于提高“摆动”的角速度和减少能量转换中的损失。

现代撑竿跳高握竿点的运行轨迹

如果进行更深层次的观察和研究，就会发现撑竿材料的“革命”带来了撑竿跳高整体技术动作模式的变化，运动员起跳后不再是无所作为地等待被“抛掷”，而是开始了一系列精巧、细致、复杂的“杆上动作”。悬垂摆体、后仰举腿、引体转体……最后以竿上“单手倒立”的英姿腾跃过竿，这是何等令人惊叹的高难度技巧。有人把撑竿跳高比作“跳高加体操”的确不无道理。号称“女布勃卡”的俄罗斯运动员伊辛巴耶娃本来就是体操运动员出身，只因身高“不幸”长到了173 cm才被迫改行，也许多亏了体操的“童子功”，成全了她创造5.01 m世界纪录的辉煌之梦。

对撑竿跳高的极限，人们做过多种预测，根据能量守恒的公式计算出水平助跑动能最多可以转化为大约5 m的垂直势能，但显然遗漏了运动员腾空后获得新的能量份额。所谓“撑竿跳”，“跳”和“撑”都是题中应有之义。算总账的时候不光要看到地面上水平助跑积蓄的初始能量，还要加上悬空后手臂一挽一推、身体翻转旋转而新“挣”来的后续能量。

今天竞技场上的撑竿经过不断更新换代，玻璃纤维和尼龙已经被更加轻便、坚韧而富有弹性的碳素纤维和多种复合材料所取代。通过精密的实验和计算，根据撑竿从上到下受力的差异和弯曲的弧度来设计不同部位最合理的强度，现代的撑竿制作工艺日臻完善和成熟，而纳米材料的应用也许会让撑竿跳高“百尺竿头，更进一步”。

对撑竿材料革命的疑虑和抱怨虽然一直没有停息，但谁也不愿意再回到“擀面杖”和“竹筒子”的年代。撑竿跳高演变的历史是一个经典的例证，讲述了新兴材料如何将这项古老运动推向峰巅。