黃廣琴

【摘要】文章主要介紹了生物力學(xué)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)知識(shí)體系中的地位、簡(jiǎn)化模型與生物力學(xué)系統(tǒng)的異同點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(lái)，隨著工業(yè)時(shí)代的到來(lái)，科學(xué)門(mén)類(lèi)越來(lái)越多，各個(gè)門(mén)類(lèi)的研究對(duì)象獨(dú)立，分工明確。隨著兩次工業(yè)革命以及后來(lái)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(gè)科學(xué)門(mén)類(lèi)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(shí)邊界的無(wú)限擴(kuò)大，讓許多原來(lái)沒(méi)有交集的科學(xué)門(mén)類(lèi)進(jìn)行了交流甚至融合。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)起初為了體育運(yùn)動(dòng)理論與實(shí)踐服務(wù)，經(jīng)過(guò)科學(xué)家?guī)资陙?lái)的不斷研究，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(diǎn)的理論體系。該學(xué)科的形成與發(fā)展對(duì)于運(yùn)動(dòng)實(shí)踐指導(dǎo)有著重要作用。

一、生物力學(xué)理論

由于是多個(gè)學(xué)科共同發(fā)展產(chǎn)生的新型理論體系，在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)發(fā)展的歷程中我們會(huì)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(gè)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(yùn)動(dòng)生物學(xué)的探索過(guò)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(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)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(shí)得到了充實(shí)，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(jī)能解剖學(xué)和動(dòng)力解剖學(xué)

機(jī)能解剖學(xué)和動(dòng)力解剖學(xué)在運(yùn)動(dòng)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(gè)有機(jī)的整體，所有的實(shí)驗(yàn)和理論出發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的對(duì)象是人體單位，該學(xué)科的研究方向重點(diǎn)集中在研究人體形態(tài)結(jié)構(gòu)與機(jī)能能力之間的關(guān)系，試圖從“機(jī)能團(tuán)”這一角度來(lái)揭示人體協(xié)調(diào)運(yùn)作的工作機(jī)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(duì)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)中人體機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(lái)對(duì)其進(jìn)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(kāi)展又不能離開(kāi)數(shù)學(xué)的加持，所以兩種學(xué)科成為研究人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的證明手段。

（三）多學(xué)科的綜合運(yùn)用

多學(xué)科理論的綜合運(yùn)用是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論發(fā)展的一個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)方法、不同研究方向的學(xué)科可以將共有的知識(shí)點(diǎn)和研究成果以最高效、最便捷的方式有機(jī)組合起來(lái)，幫助學(xué)科研究方法擺脫單一學(xué)科特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)性的理論體系。

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

（一）運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)系統(tǒng)的概念

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在研究人體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了方便建立模型，會(huì)將人體的很多部分進(jìn)行簡(jiǎn)化或者抽象，然后將簡(jiǎn)化過(guò)的人體運(yùn)動(dòng)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(shí)就是另外一種意義上的人體簡(jiǎn)化，是為了方便研究人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律性而人為創(chuàng)造的。

（二）運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究過(guò)程分析

進(jìn)行生物力學(xué)研究的目的就是研究人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)體內(nèi)部協(xié)調(diào)機(jī)制。在這一過(guò)程中，為了避免干擾項(xiàng)過(guò)多，造成實(shí)驗(yàn)頭緒過(guò)多，難以得到實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，所以對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了重新定義，并且在這一過(guò)程中方便了對(duì)最終實(shí)驗(yàn)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(wú)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(yùn)動(dòng)情況，對(duì)其進(jìn)行復(fù)制就是為了完善簡(jiǎn)化模型，使其不缺乏可信度。對(duì)于人體模型的構(gòu)造，有些部分可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，但是有些部分如果進(jìn)行了簡(jiǎn)化就會(huì)影響整個(gè)研究結(jié)果的真實(shí)性。所以，對(duì)人體復(fù)雜構(gòu)件中哪些部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，哪些部分進(jìn)行一比一的復(fù)制就成了研究開(kāi)始之前必須敲定的問(wèn)題。如果研究人員將兩個(gè)剛性環(huán)節(jié)以鉸鏈?zhǔn)竭B接的簡(jiǎn)化模型看成是肘關(guān)節(jié)，那么就會(huì)失去真實(shí)性，因?yàn)檫@樣的簡(jiǎn)化會(huì)使得實(shí)驗(yàn)對(duì)象失去三個(gè)平動(dòng)自由度，只有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的可動(dòng)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(gè)剛性環(huán)節(jié)垂直軸產(chǎn)生的旋內(nèi)旋外運(yùn)動(dòng)。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(duì)一部分人體構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化，但是由于生物力學(xué)的研究目的就是揭開(kāi)人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以如果在關(guān)鍵部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，也就失去了研究的意義。對(duì)于直接影響到人體運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件要盡可能相近的仿真，即使這樣會(huì)增加實(shí)驗(yàn)描述語(yǔ)言，并且增加觀察對(duì)象數(shù)量，但是為了實(shí)驗(yàn)研究有意義，這部分必須真實(shí)，而對(duì)于無(wú)影響運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的部分就可以減少描述語(yǔ)言，進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)抽象和簡(jiǎn)化的方法讓人體運(yùn)動(dòng)器系可以達(dá)到力學(xué)研究的對(duì)象定義水平，讓研究過(guò)程可以借用力學(xué)學(xué)科的知識(shí)，利用經(jīng)典力學(xué)完備的理論體系為人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究保駕護(hù)航。但是如果將該問(wèn)題純粹力學(xué)化，也不能得到有效的研究成果，因?yàn)樯锪W(xué)系統(tǒng)還有很多其他學(xué)科知識(shí)。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(shí)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(shí)，補(bǔ)充經(jīng)典力學(xué)在生物力學(xué)系統(tǒng)中的不足。

三、簡(jiǎn)化模型與生物力學(xué)系統(tǒng)的異同點(diǎn)

簡(jiǎn)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(duì)象描述，我們知道經(jīng)典力學(xué)的研究對(duì)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(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了得出人體運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行研究之前，經(jīng)典力學(xué)會(huì)對(duì)自己的研究對(duì)象進(jìn)行加工，使其滿足經(jīng)典力學(xué)的描述環(huán)境，這勢(shì)必會(huì)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(méi)有意義，但是對(duì)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(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)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(huì)被忽略。物理學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)在生物力學(xué)中是不能允許的，因?yàn)樗鼘⑻嗯c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(shí)際運(yùn)用時(shí)變得毫無(wú)意義。

生物力學(xué)系統(tǒng)在一定意義上講也可以說(shuō)是一種簡(jiǎn)化模型，但是生物力學(xué)系統(tǒng)中的簡(jiǎn)化和經(jīng)典力學(xué)中直接替換為質(zhì)子的簡(jiǎn)化是有本質(zhì)不同的。由于生物力學(xué)研究的是個(gè)體內(nèi)部的力學(xué)規(guī)律，對(duì)于外界力的交換和作用沒(méi)有太多的涉及，所以不能使用質(zhì)子進(jìn)行替換，而應(yīng)該是盡可能與研究對(duì)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(wú)稽之談。生物力學(xué)研究的目的是揭示生物運(yùn)動(dòng)規(guī)律和內(nèi)部協(xié)作機(jī)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(yùn)動(dòng)的溝通。生物力學(xué)系統(tǒng)是通過(guò)抽象、簡(jiǎn)化和復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)人體模型簡(jiǎn)化的，由于該模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有極強(qiáng)的相似性，通過(guò)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(cè)性而造成的無(wú)法直接測(cè)量的弊端，為人體運(yùn)動(dòng)方面的研究提供了間接測(cè)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(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論體系形成與發(fā)展過(guò)程中，模型這個(gè)概念始終占有重要的地位。與其說(shuō)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是對(duì)人體的研究，還不如說(shuō)是對(duì)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(duì)象模型的簡(jiǎn)化程度不同。在數(shù)學(xué)和力學(xué)中，一般將研究對(duì)象定義為一個(gè)沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的質(zhì)點(diǎn)，這樣做的好處是便于實(shí)驗(yàn)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(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)化和復(fù)制相結(jié)合的存在，關(guān)鍵點(diǎn)的模型必須完全復(fù)制，否則就會(huì)對(duì)研究結(jié)果造成影響。

六、結(jié)束語(yǔ)

生物力學(xué)的研究有助于人類(lèi)了解生物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，研究成果的應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)行前必須解決的問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張術(shù)學(xué)，何勁鵬.生物力學(xué)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論體系中的地位和作用[J].東北師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，34（03）：121-124.

[2]胡文忠.生物力學(xué)在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論體系中的地位研究[J].體育時(shí)空，2015（03）：152.