一、运动生物力学简况

(一)概述

运动生物力学是一门应用性很强的边缘学科，它兴起于20世纪60年代，是研究人体运动力学规律的一门学科^[1]。它的基本内容是运用各种实验测试手段，测定人在实际运动中的力学参数，然后运用力学、数学、物理学的理论进行分析推导，得出有应用价值的各种运动规律，解决竞技体育和大众体育中的生物力学问题。因此，运动生物力学必然与力学、物理学、数学、医学、生理学、体育学，以及计算机科学、机械学、电子学、精密仪器等理、工、医学科之间，存在密切的关系。所以，它又是一门交叉性的学科，需要有比较广泛的理、工、医及体育学科的基础知识。

从研究方法上划分，本学科可分为实验研究方法和理论研究方法两大部分^[2]。实验研究方法主要是研究和测定人体运动各种具体参数的测试方法和手段。它包括测定人体运动的姿态和运动过程（人体各部分的位置、速度、加速度）、人体各部分在运动中所受的各种外力、合外力矩、人体内部的内力变换和运动中的能量变换。这些测试，不但技术难度相当大，而且很难保证测试的精度和重复性，因而必须应用高技术测试手段，而且要不断地进行新的探索和创新。理论研究方法主要是应用已测得的实验参数，进行内在机理的探索，并寻找有价值的运动规律。运用的主要方法有力学模型方法、数理统计方法、能量分析方法、人体各器官的数学模拟及其他各种新的理论方法。由于人体科学研究至今尚处在探索阶段，所以运动生物力学的理论方法的难度相当大，实际成效仅处在初级阶段。

从应用领域上划分，本学科的研究主要应用在竞技体育和大众体育两个方面。竞技体育的研究主要是分析各种竞技项目的运动技术动作。通过分析和研究，寻找最佳的技术动作，预防运动员的运动损伤，探索有效的训练途径、方法等，从而提高运动员的训练水平和运动成绩。我国在此方面的研究比较突出，特别在田径、举重、体操、游泳、跳水、乒乓球、射击、水上等运动项目中，取得了一些有价值的研究成果^[3]。大众体育的研究主要集中在运动对健康的促进，并应用于预防人体运动器官的损伤、运动对人体代谢的功效、减少职业劳动的伤残、外伤病人和伤残人士的运动功能康复等方面。在此，近期的国外研究已取得许多有价值的成果，它是21世纪运动生物力学研究领域的一个热点，而我国在此方面与发达国家相比，存在一定的差距。

(二)运动生物力学学科的形成和发展

早在公元前，人体运动中的力学问题就引起了许多自然科学家和哲学家的兴趣。20世纪中叶，由于医学、解剖学、体育学的发展，许多运动中的力学问题亟待解决，而电子学、精密仪器等学科的发展为这些问题的解决创造了前提。另外，力学、物理学这些古老学科在寻找应用新领域中，发现运用力学方法研究人体运动有相当广阔的前景，这些因素的结合使运动生物力学这门边缘学科应运而生，并得以发展。1967年召开了第1届国际生物力学学术会议，1973年成立了国际生物力学学会（简称ISB），1982年成立了国际运动生物力学学会（简称ISBS）。我国于1980年成立了下属中国体育科学学会的运动生物力学分会。此后，该学科的研究工作蓬勃开展，取得了不少有应用价值的成果。

实验测试方法

实验测试方法的研究是运动生物力学学科的一个重要部分，其主要内容大致可分为3个方面，即测人体惯性参数、测力和测运动学参数。

测人体惯性参数是指测定人体形态参数和质量分布参数，具体是指人体各部分的质量、质心所处的位置以及各分体绕3个轴的转动惯量（总称为人体的惯性张量），进一步还包括测量人体骨骼的弹性模量、肌肉粘弹性系数、血液流变学参数等。由于人体是有意识的生命体，所以这项研究十分复杂，已超出了普通测量学的范围。最初国外的研究是通过尸体解剖方法进行具体测定，但这样的研究只有个性特征，而且限于尸体，对活体运动中的惯量分布确定没有普遍意义。1958年，日本的松井秀治采用X射线摄影方法，将人体分为15个环节，简化成各种几何形体，确定了个环节的质量和质心位置，初步得出了人体共性的惯量参数，将这项研究推进了一大步。但是，他的研究成果仅是将人体简化为质点系，缺少惯量参数，而且误差的置信区间为18～31 mm，与实际差距较大，影响了实际应用价值。美国的Hanavan^[14]于1964年、原苏联的Zaqiorsky^[4]于1978年等，用γ射线扫描方法进行大样本统计获得人体惯性参数，得出了一套比较完整的人体惯量参数，使这项研究有了重大突破，至今仍在航空航天领域、人体科学研究中广泛应用。但是，他们的参数基于欧美人种的样本，与我国亚洲人种仍有较大的差别。20世纪末，我国清华大学和白求恩医科大学用CT计算机图像分析系统研究得出一套中国人体惯性参数^[5]，为我国填补了这项研究的空白，并得到了国内研究者的应用。虽然，这项研究已基本达到了应用的需求，但其精度和个体性特征仍不能满足深层次研究的需要，更精细的人体参数测量在21世纪仍是本学科的一项重要工作，特别是对人体骨骼、肌肉、血液等动力参数的测量更是新的研究热点。

力参数的测量研究可分为人体外力和内力参数两大类，这项研究伴随着电子技术和传感器技术的进步而同步发展。人体外力测试的仪器主要是测力平台和各种专用传感器。自瑞士Kistler公司和美国Bertec公司推出具有广泛应用价值的测力平台产品以来，测力研究进入了一个新的阶段；前者应用压电晶体传感器的高频性能，使频响干扰对测量误差影响减少到很低程度；后者应用桥式应变片组合的功能，消除平台各部位测试的偏差率。这些产品随着科技进步而多次更新换代，但基本设计原理依然体现了其应用的长效性。人体内力测试仪器主要是各种肌力测量系统，这些系统能测试人体肌肉收缩力量。到20世纪末，测力研究大致在三个方面有了新的发展：其一，各种专项运动测力系统的研制，以适应具体实际运动需要；其二，多功能测力系统的研制，以适应运动员力量训练的需要；其三，足底压力分布测试仪器的产生和研究，使外力测试精细化，为大众体育和竞技体育的深入研究提供实验基础。

人体运动参数的测量是运动生物力学实验方法中的核心部分，测量的主要仪器是图数转换测试系统。它来自运动实际的需求，现代科学的发展又为该方法的实施提供了必要条件。它的应用十分广泛，特别在我国竞技体育领域中普遍应用，并取得了不少有价值的成果。20世纪70年代末，国外已研制成这类测试系统，并于20世纪80年代初在我国开始应用。发展至今，其方法的演变大致经历3个阶段：第1阶段中，运动实地采样多用胶片高速摄影机，图形的数字化过程和计算机数据处理是分开的。所以，实验的工作量很大，数据的精度较高。第2阶段中，随着计算机科学的迅速发展，电脑智能化的功能日益加强，图数转换过程很快由电脑来完成，这样，图数转换和数据处理及计算就一体化了。另外，高速录像也完全代替了影片，实验过程大大简化，量化数据相对精确，图数分析方法已初步成熟。虽然该方法在仪器及应用上都有了质的进步，但其实验数据仍缺少可比性，过程依然相当繁琐，且不能与测力数据有效同步。因此，实验数据标准化、图数分析自动化、测力与运动学测量一体化的需求，成为第3阶段中方法创新的核心问题。例如，国外的Motion测试系统、PEAK测试系统、Vicon测试系统、Qualisys测试系统等，均有自动分析功能，并设测力、测肌电的同步装置。我国的一些省、市已相继购买了这类先进仪器，并在应用上取得了一定的效果。测运动参数除了图数分析系统外，还有GPS卫星定位测试系统、光电测试系统等，这些系统虽然有其应用的局限性，但都是随着现代科技发展而不断产生的新技术手段。

21世纪以来，随着人们生活质量的提高和科学技术的迅速发展，运动生物力学实验方法的发展大致有以下几个特点：

1.研究领域的重点是与健康有关的大众体育。这是因为，健康已是当前提高人们生活质量的重要因素。所以，这类研究的价值相应提高，特别在国际研究领域，这类论文和研究成果已占大多数。在国内，虽然竞技体育研究仍占相当比重，但趋势也在向大众体育方向发展。

2.实验测试手段渐趋简明易行，工作量大、成效低的实验方法逐渐被淘汰。新研制的测试仪器通常是专用性强、指标有针对性、反馈快速、使用简便等特点。

3.新一代的同步测内外力和测运动学参数的综合测试系统不断出现，多项指标同时被测定，能更客观、更准确地分析测试对象的运动能力和状态。

4.测试人体内部各器官运动的参数研究是本学科实验研究的新热点，这能深层次地研究人体运动的内在机理，高境界地探索运动规律，其应用价值更具有长效性。

理论研究方法

运动生物力学理论研究方法不同于实验方法，它着眼于对人体运动机理和运动规律的探索，这类研究始于20世纪70年代。

人体运动的理论研究最初几乎都是力学家的工作，如美国的Kane^[15]、德国的Wittenburg^[16]、南非的Hazte^[17]等。他们先用多刚体系统来模拟人体运动，然后用经典力学的方法，确定运动的约束条件，建立运动方程，根据一部分实测数据，对方程求解，得出能解释运动机理的运动规律。当时，将此方法称为力学模型方法，这类论文和研究在20世纪70～80年代很多，为运动生物力学的深入研究奠定了力学理论基础，也出现了一些应用性成果。我国的梁昆淼、周起钊、刘延柱、钟奉俄等为代表的力学家，也为该方法的理论探索和实际应用做出了有价值的贡献。但是，该方法仅能考虑研究人体运动的力学特征，缺少辅之的实验手段，人体生物性的特征不能在该方法中得到反映。虽然Hazte等也考虑了人体器官的模拟，但毕竟与实际状况相差甚远，而且方法的推导和运算极为繁琐，很大程度上影响了该方法应用的有效性和全面性。

与力学模型方法同时并存的另一理论研究方法是数理统计方法。它将人体运动考虑为非确定性问题，提出人体运动的不可测性，并认为实验测试中无法对运动的力学性和生物性两者兼顾。因此，这些研究者用研究社会科学的现代数学方法，对运动的一些关键参数用数理统计的方法进行数据统计，或用模糊数学的方法进行多因子综合评估。这样，也能得出一些有应用价值的结论，而研究的方法和过程则有了很大程度的简化。虽然这类研究整体的精度和理论性尚有较大欠缺，但对局部运动的分析和诊断仍不失是一种简便可行的方法，至今还有相当的生命力。当然，21世纪的这类研究必然结合其它理论分析方法，并辅以足够的实验手段，以提高该方法的实际应用价值。

由于力学模型方法的繁琐和忽视人体生物性的缺陷，一些研究者开始从另一角度考虑人体运动问题。他们认为，人体运动的过程也是能量转换过程。人在运动中，由人体内部提供化学能，使人进行（有氧和无氧）运动，一部分能量在运动中耗散转换成热能，另一部分转换为实际运动所需的机械功（有效功和无效功），这样，就能从运动的有效功与耗散总能量的比值判断运动的有效性。这种方法能兼顾人体运动的生理特征和力学特征，又避免了力学模型方法的繁琐计算，只要将能量转换的全过程进行数学描述，有价值的研究结论也就不难得到。在此方面，Lloyd^[18]、Ward-Smith^[19]等在该方法理论推导和实际应用中，做出了有价值的贡献，这一方法结合了力学和生理学两者的特点，所得的结论也更贴近于实际，具有应用前景。

理论和实验相结合

最近几年，理论和实验相结合的研究方法应用十分广泛。人体运动十分复杂，实验方法的不可重复性、误差不可避免性、缺少可比性等，都说明单用实验方法研究人体运动有很大的缺陷。同样，力学方程的不封闭性、理论误差不可测性、生物特征模拟困难性等，也说明了单用理论方法研究同样无法弥补研究成效的不足。这样，理论分析与实验新技术的结合自然地逐渐形成，实验方法研究日趋理论化、理论分析必须由实验测试数据的补充等，成为近年来研究论文的重要特征。国内和国际上的论文报告会上，这类论文日趋增多。例如，在2005年第23届国际运动生物力学学术年会上，美国学者Hamill^[20]研究的运动坐标测量问题，是测试实验研究理论的典型论文；而德国学者Brüggemann^[21]对艺术体操中带操生理极限理论研究，则有相当充分的实验基础和统计数据。我国2003年第10届全国运动生物力学学术交流大会上，理论分析与实验技术结合的论文较前几届增加了许多，不少这类论文质量相当高，已成了论文集中的精品。此外，近年来，我国运动生物力学的博士论文中，许多都是理论分析与实验技术有机结合的研究论文，说明了这类方法已成为本学科新的热点和发展趋向。

另外，属于运动生物力学理论方法研究范畴的还有运动技术最佳化的研究、人体各器官的模拟研究等方法。运动技术最佳化研究主要应用于竞技体育，通过先进实验测试和系统的理论分析，寻找竞技运动项目中合理的运动技术。人体各器官的模拟研究是一项前沿的理论研究工作，它对骨骼系统、肌肉系统、心血管系统、特别是对神经系统的模拟等，是近年来运动生物力学学科中最富有挑战性的高层次研究，也是探索人体奥秘的一项基础性的理论工作。

(三)运动生物力学在我国的实际应用

我国运动生物力学的研究，特别是在应用上，具有自己的特色，大致可归结为如下几个方面：

1.在竞技体育领域的应用成果较为显著^[6]，为我国在国际体育大赛中取得优异成绩起到了积极的辅助作用。

2.通常应用实验测试与理论分析结合的方法（以实验测试为主）对高水平的运动员进行精细的技术诊断，为提高其训练水平和运动成绩提供了必要的科学基础。

3.自行研制许多针对各个竞技专项技术的专用测试仪器和评价系统，其设定的各项指标对该项目能起技术诊断作用，为运动员有针对性的科学训练提供了有效的科技保障。

我国在这些方面的研究成果数量上远超过其他国家，在研究水平上也有许多独特的创新，特别表现在注重实际应用上，为我国竞技体育的发展做出了贡献。以下是本报告的简要举例。

1.乒乓球项目的应用研究

（1）直板反面进攻技术的可行性研究^[7，8]

面对高旋转速度的欧洲弧圈球打法，中国运动员原有的直板反手推挡在对付弧圈球上，由于手臂功能受到握板方法的限制，已显示出许多不足。为解决这一难题，准备奥运会和重大国际比赛，中国乒乓球队设计了用直板反面击球进攻技术，即今天所看到的“直板横打”的方法，增加直板反手击球的进攻力。其可行性如何，需要运动生物力学的科学研究和证明。由此，对1名优秀乒乓球运动员进行了实验研究。该运动员进行直板左推右攻的技术训练已6年，并已进行了近3年的直板反面击球技术的实验训练，兼备两种技术，存在可比性。

采用立体定点定机摄影方法。用两台EPL高速摄影机以100幅/秒的拍摄频率同步拍摄直板正手正面和反面两种击球动作，用GP-2000型影片解析仪对两台摄影机拍摄的电影图片进行数字化处理。在计算机上对原始数据进行平滑处理和三维运动学分析。

本研究结果表明，直板反面击球，可使腕关节有足够的动作幅度，可使上肢对球的鞭打动作更加充分，可使球板倾角较小而盖住球体避免“吃转”，可使台内击球动作更加细腻准确，有较强的应变能力。从教练员的经验判断上，直板反面击球出手快，照顾范围广，能攻能防，可打可拉。由于球板倾角较小，能有效地回击弧圈球。因此，直板反面击球的技术是可行的。

本研究结果为教练员制定训练计划和比赛战术提供了科学依据。随后，直板反面进攻技术正式成为中国直板乒乓球选手在奥运会和重大国际比赛上，夺取冠军的一个重要技术手段。

（2）不同直径和重量的乒乓球对击球速度的影响^[7，8]

乒乓球运动发展至今天，由于击球速度过快，旋转过强，比赛的难度越来越大，比赛中每分球的回合次数明显减少，普通人对运动员变化莫测的击球难以理解，逐渐失去了对乒乓球运动的兴趣，从而导致近年来观看乒乓球比赛的观众不多，电视及其他传播媒介对乒乓球比赛的转播或介绍兴趣较低。由此，国际乒乓球领域的许多有识之士已经清醒地意识到，失去观众这个“上帝”，就会失去这项运动的观赏价值，因此，乒乓球运动必须改革。

为了达到改革的目的，国际乒乓球联合会做了很大的努力，对比赛规则做了一些修改。例如，规定两面不同性能胶皮的颜色区别，把比赛用球由过去单一的白色改为白黄并存，对发球做了进一步限制等。但是，这些措施没有从根本上解决球速过快，旋转过高的难题，对增加乒乓球比赛观赏性没有取得明显的效果。

在这种情况下，国际乒乓球联合会提出建议，增加乒乓球的直径，由原来的38 mm改为40 mm，以减小击球的旋转强度和运行速度，增加比赛中的击球次数，使乒乓球比赛具有更强的观赏性，吸引更多的人来关心乒乓球项目，保证其健康地向前发展。这是一个牵动全局的改革措施，如果得以实施，将对现有的乒乓球技术、战术、打法、规则等都会产生巨大的影响。因此，必须有足够的依据证明其科学性和可行性，方可实施。据此，国际乒乓球联合会委托中国，就不同直径和重量的乒乓球受击球旋转和速度的影响进行定量的实验研究，为国际乒乓球联合会的改革提供科学依据。该研究由我国的国家体育总局体育科学研究所承担。

该研究的实验对象为3名优秀乒乓球运动员，所采用的测试方法为乒乓球动态测转方法和平面定点定机摄像方法。

乒乓球动态测转方法：采用PD-1乒乓球动态测转仪（光学成像、高速扫描、空间滤波）测量运动员击打不同直径和不同重量的乒乓球后的旋转速度。该仪器的视场面积为0.75 m ×1.05 m，测量范围为20～200 r/s，不确定度为<±3%，短期稳定度为<2%。

平面定点定机摄像方法：采用PEAK运动分析系统，拍摄和分析运动员击打不同直径和不同重量的乒乓球后，球在空中运行的状态。拍摄频率为120帧/秒，拍摄位置为击球运动员的正侧面。

本研究的核心结果是，运动员在分别击打基本相同重量的直径为38 mm和40 mm乒乓球时，40 mm乒乓球与38 mm乒乓球相比较，扣杀速度平均降低了13%，旋转速度平均减少了21%。这一研究结果表明，40 mm乒乓球更有利于增加比赛中运动员击球的回合数，使比赛更加精彩。

该研究为国际乒乓球联合会于2000年10月1日起，将直径38 mm的乒乓球改为直径40 mm的乒乓球，提供了科学依据。同时，我国乒乓球教练员和运动员根据这项研究结果，探讨相应的技术和战术，科学地准备奥运会和重大国际比赛，取得了优异的成绩。

2.男子跨栏项目的应用研究^[9]

近几年来，中国男子跨栏项目拥有了刘翔（雅典奥运会男子110 m跨栏冠军）、史冬鹏等优秀运动员。其中，刘翔在训练和比赛中所表现出的潜力，给中国田径队带来了希望。为使刘翔在2004年奥运会上取得佳绩，中国田径协会于2002年成立了男子跨栏项目研究与服务组。该组的主要任务是，根据教练员在准备2004年奥运会的训练和比赛中所提出的问题，进行相应的研究与服务。该组研究与服务的一个重点是，对刘翔等人的技术训练进行诊断与服务。国家体育总局体育科学研究所承担了此项工作，并从2002年起采用运动生物力学的方法，长期配合教练员进行专项技术诊断和技术服务。

此项工作的基本技术路线为：

需要指出的是，在进行此项工作中，教练员和运动员所需要的研究结果和服务形式是快速、直观、真实、易于比较，而不是难以理解的数学模型和复杂的定量数据。据此，所进行专项技术诊断和技术服务以定性分析为主、定量分析为辅。

本研究与服务所采用的主要方法为影像测量与分析和图像处理技术。图像采集设备主要为常规数码摄像机（如SONY、JVC），拍摄频率一般为25幅/秒（分幅为50场/秒）。所采用的运动分析系统为“爱捷运动技术分析系统”、“SIMI-运动分析系统”和“DARTFISH-运动分析系统”。

本研究与服务中令教练员和运动员满意的结果为跨栏全程时间结构的研究与监测、栏间跑节奏的模拟与强化、运动技术图像处理与反馈。

栏间跑节奏的模拟与强化

栏间跑节奏是影响运动成绩的一个重要因素，也是教练员较为重视的指标之一。为此，课题组除了在向运动员和教练员及时反馈训练图像和栏间跑时间的数据外，为了强化刘翔对最短栏周期节奏的长时记忆，将刘翔训练和比赛最高水平的最短栏周期编辑成10个连续栏周期后，常速连续播放视频文件。同时，将刘翔栏间跑的节奏制作成音频同步叠加到视频文件上，反复播放，对刘翔进行多信息的表象训练。

运动技术图像处理与反馈

运动图像处理后的反馈是教练员和刘翔提出的需求，也是他们直观和有效了解技术状况、改进技术训练的一个方法。为此，课题组长期、系统、快速地提供双画面或三画面或四画面的视频录像比较输出、视频画面叠加、视频暂留、连续或单个技术动作图等。这项工作取得较好的反馈效果，受到教练员和刘翔的称赞。

3.力量诊断^[6]

力量诊断是我国许多优秀运动员在准备奥运会和重大国际比赛的训练实践中的一个需求。为此，我们研究与建立了用于肌肉力量诊断的测量系统（图1）。该系统在实验室条件下利用系统中各肌力测量系统之间的互补作用，从纯粹的力量素质角度上对运动员完成运动技术的重要肌群所需的力量成分，进行科学的定量测量。

下面仅以游泳项目为例，简要说明其应用过程。

n  问题的提出：提高游泳运动技术中的出发和转身速度，是中国优秀游泳运动员挖掘潜力和提高运动成绩的一个途径。游泳运动技术中的出发和转身速度主要取决于运动员的专项技术、专项协调性和专项力量。其中，专项力量是基础。它主要体现在运动员的下肢力量训练水平上。诊断运动员的下肢力量训练水平，从中发现问题，进而提高其针对出发和转身的下肢力量训练效果，是中国部分游泳教练员在准备2000年悉尼奥运会过程中所亟待解决的一个训练问题。为此，我们根据教练员的需求进行了相应的研究和诊断。

n  诊断方法的确定：根据与教练员讨论的结果，游泳运动员完成出发和转身技术动作中最重要的关节运动是髋、膝、踝三个关节的协调运动，即下肢在蹬离出发台或蹬离池壁的协调运动。其中，髋关节伸和膝关节伸起主要作用。完成髋关节和膝关节伸的主要肌群是伸髋肌群和伸膝肌群。它们在完成出发和转身技术动作中所需要的力量能力为快速力量。

就测量而言，采用实验室测量方法，对下肢蹬伸肌群进行多关节运动和单关节运动的测量，能够从纯粹的力量素质角度上定量检查运动员下肢蹬伸运动链肌群和局部重要伸肌群快速力量的训练水平。在此基础上，通过个体间的比较来发现问题，从而确定有针对性的力量训练方案。为此，选择了以实验室测量方法为主要手段进行相应的诊断。

n  诊断方法：诊断对象为中国游泳队的10名优秀男子选手和7名优秀女子运动员。

采用本肌肉力量诊断系统中的TKK肌力测量系统和BKM肌力测量系统，对诊断对象的左右伸膝肌群及左右下肢蹬伸肌群的最大力量和快速力量能力进行了规范测量。测量时的膝关节关节角度为90°，其重复测量次数为3次。诊断对象在测量时均要求爆发用力，即以最快的速度发挥出最大力量。所采用的主要基本测量参数为最大力量（N）、起动力量（N）、爆发力量（N/ms）和相对爆发力量（1/ms）。

诊断对象在TKK肌力测量系统上的测试动作为单关节运动，即伸膝；在BKM肌力测量系统上进行腿部蹬伸时，其完成测试的关节运动是多关节运动，即髋关节和膝关节伸，而踝关节起一个相对固定的作用。因此，BKM的测量数据主要反映的是髋关节和膝关节伸肌群协调工作的结果。如果运动员伸髋肌群的快速力量训练水平明显高于或明显低于伸膝肌群，将能通过对比个体间在TKK和BKM的测量数据得以反映，从而诊断出某一研究对象在伸髋肌群和伸膝肌群力量训练中所存在的主要问题和进一步提高的途径。

n  主要结果：诊断对象之间的下肢快速力量训练水平存在个体差异，出现的问题也不相同。例如，蒋承稷（中国50 m自游泳记录保持者）与其他男选手相比，其快速力量训练水平，尤其是最大力量成分不占优势。以蒋承稷的项目特点（50 m自游泳）和现阶段的力量训练而论，应进一步提高快速力量的整体训练水平。其中，以提高最大力量能力为突破口。其原因为，游泳运动员的出发和转身动作所需要的力量能力为快速力量。快速力量则由最大力量、爆发力量和起动力量这三种能力成分所构成，而这三种能力成分在不同的肌肉收缩时间内对快速力量的贡献率是因条件而有所变化的。根据Schmidtbleicher^{[32] [33] [34]}的研究结果，在完成技术动作时，当抵抗阻力的力量发挥过程（肌肉收缩时间）明显长于150 ms时，最大力量成分对快速力量起主要作用；当短时发挥力量的过程约为或小于150 ms时，起动力量和爆发力量成分则成为快速力量的决定性成分。游泳运动员的出发和转身技术动作（下肢蹬伸过程）一般大于500 ms。就此意义而言，最大力量能力对于运动员下肢快速蹬离出发台和蹬离池壁将起重要的作用。又如，与其她优秀女子运动员相比，齐晖（悉尼奥运会女子100 m蛙泳第四名）具有两个主要特点。其一，下肢蹬伸肌群的最大力量训练水平相对较好。其二，伸髋肌群的最大力量训练水平明显优于伸膝肌群。她的主要问题是，伸膝肌群的快速力量整体训练水平发展滞后于伸髋肌群。就齐晖的个人特点和现阶段的力量训练而言，应考虑重点发展伸膝肌群的最大力量和爆发力量。

n  阶段训练方案：如何根据诊断结果，研究相应的力量训练方案，以提高其针对出发和转身的下肢力量训练效果，是教练员提出的一个要求。为此，我们根据诊断对象的以往力量训练计划和不足，在建立新刺激和符合力量训练规律的原则上，研究和提出了3种针对性阶段力量训练方案，提供给教练员。

此方案被有关教练员所接受和实施，并达到了解决诊断对象个体问题的目的。

4.水上项目的应用研究

水上运动是人和器械的共同运动，运动结构比较复杂。近年来，我国运动生物力学在水上运动技术研究中，特别是研制一些专项技术测试仪器中取得了不少有价值的科研成果。

例如，湖北是我国培养赛艇、皮划艇优秀运动员的重点基地。自20世纪80年代起，武汉体育学院的科研人员对水上项目的生物力学研究始终没有间断。开始，他们研制表现运动员专项能力的赛艇、皮划艇测功仪，至今这些仪器仍对运动员的陆上训练起着重要作用。其后，他们又研制了许多测定水上运动的运动学和动力学指标的专用仪器；特别是在近两年，他们与华中理工大学合作研究，对赛艇划桨阻力的测定、对运动流体特征的计算、对帆船运动姿态等进行了分析和测定^[10]，对水上运动的理论研究和实际应用起到了积极作用。

又如，上海体育科学研究所的科研人员探讨水上运动项目已有20余年的历史，他们围绕运动队实际训练的需要，在近期研制的GPS赛艇实时测速系统中，突出了及时调控训练的功能。该成果不仅在研究领域中有所创新，而且解决了运动控制的实际问题。他们还与中科院兰化所结合，用先进的纳米材料对船艇实施减阻成功，为上海水上运动队在“十运会”上取得好成绩做出了贡献，获得了上海市科技进步三等奖。

5.其他研究

目前，我国运动生物力学的主要研究成果集中在竞技体育的应用上，其他方面较国际先进水平有一定的差距，但也有一些亮点，在此仅做分类简述。

（1）理论研究

上海交通大学^[11]和清华大学先后在人体运动模拟（仿真）领域进行了有价值的理论和实际应用研究，为精细分析和设计高难技术动作奠定了理论基础。

清华大学^[5]和白求恩医科大学所做的中国人体惯性参数研究，结束了用国外参数分析中国人运动动作的历史，填补了我国这方面研究的空白。

西安体育学院和国家体育总局体育科学研究所^[6]采用神经网络技术构筑运动技术分析和诊断的专家决策系统，属于国际前沿研究内容。

（2）大众体育研究

香港中文大学^[24]对太极拳促进人体平衡功能的研究，是一项现代科技与传统民族体育结合的新型课题，近两年已得出了许多有意义的结果。

近两年，宁波大学对足底压力和运动鞋的测试研究已形成自己的特色^[12]。其中，有简易实用的高跟鞋影响稳定性的研究，也有较深层次的足后部骨骼三维有限元模拟研究。

解放军和上海体育科学研究所合作的投弹肱骨骨折机理的研究，是一项临床医学结合运动生物力学的应用研究^[13]，已获2006年度全军总后科技进步二等奖。

(四)运动生物力学研究热点和学科发展展望

科学技术的不断进步为运动生物力学研究方法的开拓创新，提供了良好的基础和广阔的发展前景，特别是计算机科学和生命科学的发展，直接为运动生物力学方法研究创建了必要的条件。近年来，运动生物力学研究方法形成一些新的热点，大致可归结为以下几个方面：

1.运动生物力学与运动医学结合。近年来，运动生物力学与运动医学结合的论文数量急剧增加，论文质量也相应提高。例如，2005年北京第23届国际运动生物力学学术年会的主题报告，近半数是属于这类文章。新西兰的Bartlett^[22]明确提出，改进运动技术和避免运动损伤是未来运动生物力学的主要研究趋向。德国学者Gollhofer^[23]对训练中肌肉系统的适应性研究，也为这类文章树立了一个很好的范例。

对人体运动的研究本来就需要兼顾运动的力学特性和生物特性。所以，运动生物力学与运动医学相结合的研究是本学科进一步发展的必然趋向。目前，局部的独立研究已进行得相当深入。例如，神经肌肉系统对运动训练的适应性改变问题：德国Albert Gollhofer^[23]等人于2005年的研究结果表明，神经肌肉系统的适应性并不具备唯一性，目前也难以明确区分，神经系统对运动神经元的指令和控制可以是“兴奋”也可能是“抑制”。大量的研究结果表明，不同的训练方法都可能使神经肌肉系统出现高度专项化的适应性。今后的工作可能深入到大脑磁场刺激（TMS）研究H—反射等，并结合肌电的各种研究方法，才有可能进一步了解神经肌肉对外负荷刺激（训练）的适应性机理。

2.实验测试新技术与理论分析结合。理论分析与实验新技术的结合逐渐形成、实验方法研究日趋理论化、理论分析必须由实验测试数据补充等，成为近年来运动生物力学研究中的一个趋势。

其中，人体运动的计算机模拟（仿真）研究是本方法的典型范例，理论研究可以从运动方程中定性探索运动规律和趋势，实验的各种测量方法可以提供较精确的已知参数，两者的结合可以完整地求得运动全过程，并将其以各种图形或图表显示出来。例如，郝卫亚等^[36]研究并实现了一个适合于跳水运动的三维人体运动仿真与显示平台—数字化三维跳水专项运动仿真系统。通过该系统，可以对跳水运动员的空中动作技术和连接方式进行精细的生物力学研究，可以利用三维动画对运动员的动作技术进行模拟（仿真），从而指导运动员的技术训练。

3.各种专项和大型综合的测试仪器的设计和研制。例如，人体运动自动跟踪捕捉系统是21世纪高技术的典型仪器。该仪器基于视频的人体运动捕捉（在某种分辨率下，捕捉大尺度的人体运动的过程）问题，对于解决不在人体粘贴标记点（Marker）的人体关节点自动识别、提高运动技术诊断和相应数据的反馈速度等，具有重大的意义。其解决问题的基本思路是：多角度采集运动员完成技术动作的图像信息→视频处理算法和跟踪算法对拍摄的视频进行处理→计算出运动参数。这里涉及人体模型、底层特征提取技术、多关节体的运动跟踪算法、跟踪的自动初始化、特定人体运动的捕捉等几个关键问题。其中，最具挑战意义的是“基于模型的人体运动跟踪算法”研究。它主要通过定义人体骨架模型与人体外观模型，搭建起一个通用的多摄像机下的人体运动跟踪实验平台。然后，利用投影和采样，建立起模型与图像特征的正向联系。为从图像特征中反求运动参数，可使用反向运动学来建立投影坐标与运动参数之间的反向联系。最后，建立起一个基于灰度、边界和轮廓三种图像特征的优化目标函数，并用牛顿高斯优化算法求解最优姿态。在此基础上，通过增加各种约束，使跟踪的目标函数更加平滑，保证在严重遮挡和信息缺失的情况下仍能给优化的姿态以足够的约束。通过引入“运动库指导”，“人体自相交限制”，“肤色区域约束”等一些手段，在一定程度上解决“局部收敛”，“误差累积”，“遮挡带来的跟踪失败”等问题。目前，国家体育总局体育科学研究所和中国科学院计算技术研究所在此方面进行合作研究，并取得了较好的进展。

与国际上先进的研究相比，我国运动生物力学发展有如下几个不同点：

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