简明运动生物力学：人体运动简化模型

人体是一个非常复杂的生物体系统，人体运动是在神经系统控制下的十分复杂的运动。人体从外形上可分为头、颈、躯干、上肢、下肢等部分，上肢又分上臂、前臂和手；下肢又分为大腿、小腿和足。人体在运动过程中，人体的局部环节必须在神经系统的控制下协调、有序地进行运动。要研究人体的运动，必须先对人体进行必要的简化和抽象，从而建立人体在运动中能够表达其力学本质的人体模型。

质点是具有质量但不存在体积或形状的点，是物理学的一个理想化模型。当物体的大小和形状不起作用，这个物体各个部分的运动情况相同，它任何一点的运动都可以代表整个物体的运动，或所起的作用不显著而可以忽略不计时，可以近似地把该物体看作一个只具有质量，而体积和形状可以忽略不计的理想物体，用来代替物体的有质量的点称为质点。人体是有一定质量、一定大小和形状的生命体，如果不涉及人体的转动和形变，只研究人体平动部分，就可以忽略人体的形状、大小和内部结构，把人体简化为质点。例如，研究跳板跳水重心的轨迹时，可以忽略人体的形变与上下肢的转动状况，把人体简化为质点（图3-1）。

图3-1　跳板跳水中人体重心的运动轨迹

刚体是指在运动时或受力作用后，形状和大小不变，并且内部各点的相对位置不变的物体。任何物体在受力作用后，都或多或少地变形，绝对刚体实际上是不存在的，它只是一种理想模型。如果变形的程度相对于物体本身几何尺寸来说极微小，那么在研究物体运动时变形就可以忽略不计。

研究人体的转动时，不能忽略人体的大小和形状而将人体抽象为质点。如果仅仅研究人体整体运动，可以忽略其形状的变化，这时把人体抽象为刚体。把物体简化为刚体具备以下特点：刚体上任意两点的连线在平动中是平行且相等的；刚体上任意一点的位置矢量不同，相差一恒矢量，但各点的位移、速度和加速度是相同的。常用“刚体的质心”来研究刚体的平动。

一般力学研究的对象是由两个或两个以上刚体通过铰链等约束互相联系在一起而构成的力学系统。人体在某种意义上也可以简化为一个多刚体系统。刚体具有6个自由度，即3个平动自由度和3个转动自由度。

建立人体惯性参数模型，可以利用数学化、计算机化研究人体运动的规律，促进体育科学研究水平的提高。不同国家人体的刚体模型因人体惯性参数不同而不同。

1.松井秀治模型

日本松井秀治在1958年的研究成果中，用人体形态测量计算及X射线摄影等方法，利用组织密度参数，分别计算男、女两种环节的参数。(www.xing528.com)

2.汉纳范模型

1964年美国学者汉纳范提出的，由头、上下躯干、左右上臂、左右前臂、左右手、左右大腿、左右小腿、左右足15个环节，通过球铰连接的人体模型，称为汉纳范人体模型。

3.昌特勒模型

昌特勒模型是指由美国宇宙医学研究实验室和美国空军等单位共同完成的，美国国家技术情报服务处于1975年公布，根据体重计算环节质量和转动惯量的一元回归方程。此模型主要作者是昌特勒。

4.扎齐奥尔斯基模型

苏联人扎齐奥尔斯基和谢鲁杨诺夫1978年用γ射线扫描法，将人体分为头、上中下躯干、左右大腿、左右小腿、左右足、左右上臂、左右前臂、左右手16个环节，对100名青年学生进行测试，根据体重和身高预测人体各环节的质量及转动惯量的二元回归方程。

5.布拉温·菲舍尔模型

1889年德国学者布拉温和菲舍尔根据解剖了3具尸体获得的数据，得出了身体各环节的相对质量数据和环节重心位置系数结果。

6.中国人参数模型

清华大学郑秀瑗等人采用CT法首次获得了中国正常人体的惯性参数，填补了中国的一项空白。模型由头、颈、上下躯干、左右上臂、左右前臂、左右手、左右大腿、左右小腿、左右足16个环节组成，各环节尺寸与1988年建立的由300多万个中国成年人人体尺寸数据库对接。环节质量分配采用两组回归方程，一组是以体重和身高为自变量的二元回归方程；另一组是从74个体态参数里筛选的29个体态参数作为自变量建立的逐步回归方程。

人体是一个复杂的、开放的巨系统，人体及人体运动的复杂性给研究带来了困难，将人体简化成物理模型进行力学研究，正确地反映出人体运动时起主要作用的力学因素，可以给研究带来较大方便，还可以取得定量数据和资料进行分析，从而揭示人体运动的运动生物力学原理，揭示动作技术结构的规律和合理性。但是复杂的人体简化为质点、刚体或刚体系后得到的数据与材料，再反馈到复杂的人体应用时还存在着很大的差距。人体运动受多种因素的影响，包括内在的和外在的因素，把多因素的问题简化为单因素处理，有其局限性，其数据资料反馈用于复杂的人体时需持谨慎态度。根据研究问题不同采用不同的模型，依靠多学科的综合研究逐步建立人体实体模型，这是运动生物力学工作者努力的方向。