人体力学

人体力学

人体力学（humanmechanics）是运用力学原理研究维持和掌握身体的平衡，以及人体从一种姿势变成另一种姿势时身体如何有效协调的一门科学。它基于人体生理解剖学、理论物理学的知识,研究人体运动器官的结构、功能与运动规律,从而指导人体防护与保健。在体育、舞蹈、搬运和负重、医疗、航空和航天等领域都有广泛应用。

中文名

人体力学

外文名

human mechanics

基本定义

人体力学（human mechanics）是运用力学原理研究维持和掌握身体的平衡，以及人体从一种姿势变成另一种姿势时身体如何有效协调的一门科学。它基于人体生理解剖学、理论物理学的知识,研究人体运动器官的结构、功能与运动规律,从而指导人体防护与保健。在体育、舞蹈、搬运和负重、医疗、航空和航天等领域都有广泛应用。

生理基础

人体力学是研究人体活动和在各种力学作业条件下活动能力的学科。该学科基于人体生理解剖学和理论物理学的知识,研究人体运动(活动)器官的结构与功能,每个关节以及整个身体运动规律。

人体具有功能完善的神经-肌肉-骨骼系统,通过如下4项生理活动构成人体力学的生理基础,保证人体随意活动与力学作业的顺利进行。

肌肉-骨骼系统的杠杆作用

第一类杠杆(支点位于作用点与阻力点之间)用于保持平衡。可用小的作用力克服大的阻力,它的机械效率可以大于或小于1。枕环关节、骨盆大腿关节、膝脚关节属于此类。如颈后肌牵拉为作用力,头重为阻力,枕环关节为支点,作用力及阻力在支点两侧,并与支点支持力方向相反,可借此种杠杆来调整人体姿态,以维持头部姿态平衡。第二类杠杆(阻力点位于作用点与支点之间)是省力杠杆,机械效率大于1。人脚尖站立时构成此类杠杆。踝关节跟腱为作用力,其重力(阻力)落在踝关节上,以拇趾底为支点来调整并保持走、跑、跳等动作的平衡。第三类是费力杠杆(动力点位于阻力点与支点之间),动力臂短于阻力臂。膝关节、肩关节、肘关节属于此类。如,手持重物时肘关节弯曲,肱二头肌作为作用力,手部为重力,关节滑车为支点。当肱二头肌收缩时,使肘关节弯曲以保持上肢的稳定姿态。

关节活动方向与角度

人体各活动部位(主要以关节为核心)的方向与角度,取决于关节的表面形态。它可决定关节移位的自由度。由于骨骼处于固定状态,关节的自由度不多于3个(少于机器人)。不同的关节具有不同的自由度(表1)。具有一个以上自由度的关节,可以使关节完成其最大可能的活动方向。如有3个自由度的骨盆和下颌关节,可以完成上下、左右、前后方向的动作。肩关节可完成人体坐标系上的3个方向活动:在矢状面上的弯曲与伸展;在前额面上的内收与外展; 沿着垂直轴旋转。人体各活动部位具有各自不同的活动方向与范围。

肌肉力与能量

肌肉活动(收缩、舒张、保持紧张度三种形态,机器人不具备)时,消耗能量。活动量(强度)越大,参与活动的肌肉块就越多,消耗能量也越多。例如,与安静相比,人体维持站立姿势参与的肌群多,能量代谢率有时高于安静状态的22%。能量代谢率的升高伴随一系列生理功能(呼吸循环与产热等)的增加。当超负荷或人体活动严重受阻(如,压力服处于加压状态)时,肌肉力与能量消耗过度增加,还会产生物质代谢障碍,促使疲劳(机器人不具备)。因此,省力节能是重要的人体力学预防对策。

姿态(或体位)的调节控制

在正常状态下,大脑调节控制肌肉骨骼系统的工作状态(有关肌肉群参与活动),完成各种随意动作;与此同时,在大脑-小脑-平衡器官联合调整控制之下,通过各有关肌肉群的工作稳定体位或姿态。如人体在坐、立、步行或跑步时,通过复杂的神经-肌肉-骨骼系统与平衡器官的协同工作,保持人体不偏离重心(动物的重心不同于人体),实现人体应有的体位或姿态。在力学作业时,只有采取有效的人体力学作业方式或防护措施,才可以通过上述同样机理取得满意效果。显然,机器人不具备、生物不完全具备这种复杂的、灵敏的调节控制系统。

研究领域

竞技体育领域

（一）研究动作结构与运动功能间的关系

结构决定功能是力学的基本观点。在人体运动中，研究人体整体与局部的动作结构、肌肉配布及活动形式、各个器官系统间的协调与发展，是研究运动功能的生物力学基础，也是运动生物力学理论与实践研究的基本任务。

（二）研究人体运动技术的力学规律

研究人体运动技术动作的生物力学结构和功能，研究体育教学中人体各项动作技术的生物力学原理，揭示动作结构的力学合理性和运动技术的力学规律性，更好地指导体育教学与运动训练。

（三）研究运动技术的最佳化

通过对运动员运动技术动作的生物力学诊断，提出合理的、符合生物力学原理的技术动作结构，建立最佳的技术动作方案，并寻求改进技术动作的训练方案，以提高运动训练的科学化水平。

（四）研究、设计和改进运动器械

体育运动中，无论人体运动还是器械运动，都是人体与外界或运动器械相互作用的结果。因此，研究、设计和改进运动器械，使之符合生物力学原理，可为运动成绩的不断提高创造条件。此外，健身器械和体育用品的研制为运动生物力学的应用研究提供了丰富的研究课题。

（五）研究运动损伤的原因和预防措施

通过对人体运动系统的生物力学研究和对运动技术的生物力学分析，一方面可以揭示运动系统的形态结构和运动功能的统一临床治疗与康复人体功效性和相互制约性，从而建立合理的运动技术以防止运动系统发生损伤。另一方面可以揭示不同运动动作对人体局部载荷的影响，找出运动系统发生损伤的力学原因和生物学原因，从而采取合理的技术动作和预防措施，以避免运动损伤或选择合理的生物力学康复手段。

（六）为运动员选材提供生物力学参数

研究各项运动技术的生物力学特征，构建完成动作所必须满足的人体形态和功能素质的要求。以人体环节惯性参数对运动功能的影响为例，跳跃运动员要求下肢相对较长，然而，在下肢长度相等的情况下，则应考虑其大、小腿长度之比，显然，大腿较短、小腿较长更适合运动。

临床与康复领域

（一）人体力学在临床治疗中的应用

肌骨系统是维持人体宏观结构的重要器官，肌骨系统生物力学即研究肌骨系统在生理病理条件下运动产生的力、力矩以及相应的变形之间的关系。人体力学研究可以更加清楚地了解人体肌骨系统的生理载荷模式，帮助我们分析非正常运动模式和病理状态下的力学异常，从而指导治疗方案制定和肌骨骨科植入器械的设计。

心血管领域，各类心血管疾病的预防与治疗成为全球关注的热点问题。常见的心血管疾病如：动脉粥样硬化、动脉瘤、急性血栓等均与人体血液循环系统内的流体力学现象有着密切的关系。生物力学，特别是借助现代计算机仿真技术和体外细胞力学加载技术开展的研究为心血管疾病的发病机理研究、个性化治疗方案制定和具有血流动力学优化特性的血管植/介入物设计提供了理论依据和技术手段。

（二）人体力学在康复工程中的应用

用工程的方法和手段使伤残者康复，促使其功能恢复，重建或代偿，是康复工程在康复医学中的主要任务。其中，人体力学发挥着非常重要的角色。主要表现在两个方面：

其一，身体障碍生物力学特征的测量与分析是康复辅具设计的重要依据。为了使康复辅具达到设计目标，首先需要对障碍的特征进行有效的测量和评价，而生物力学特征是生理系统的重要指标之一，因此也是进行康复附件设计的重要依据。

其二，人体与辅具的生物力学交互作用是康复辅具优化设计的重要因素。为了对残障人的身体障碍进行补偿、替代或者修复，康复辅具必须和人体发生交互、生物力