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物理学与生物科学的关系源远流长,其中,有关人体运动的力学问题,很早就已受到科学家们的注意。15 世纪末,意大利科学家达·芬奇(D.Vinci)的工作已经进入人体运动力学的研究领域,他首先提出了“一切能够运动的生物体都遵循力学定律而运动”的重要观点。17世纪,法国数学家笛卡尔(Descartes)曾经将人简化为一种机器,并从纯力学的观点建立了一个十分复杂的人体结构模型,甚至包括神经的功能。他的工作尽管未被后来的研究所证明,但他的研究思想是极富创造性的。与笛卡尔同时代的意大利数学家博雷利(Borelli) 在其著作《论动物的运动》中,成功地阐明了肌肉的收缩与动物自身的运动问题。尽管当时的力学概念还不很完善,但他们都已试应用力学解释生物的运动问题。18世纪,人们发现了电现象,不久“动物电”的概念便被用来解释人体运动的调节功能。伽伐尼(Galvani)发现电刺激会引起肌肉收缩时,便得出了动物电和机器电完全一致的重要结论。

      19世纪,德国生物学家韦贝尔(E.Weber)开始了对“人体运动器官的力学”问题的研究。一个世纪后,英国生理学家希尔(Hill)成功地研究了肌肉收缩过程的热力学问题,并基于此建立了经典的希尔方程。尽管希尔的研究对象只是青蛙的离体缝匠肌,但却发现了“肌肉收缩的力学性质”。这种种发现, 使人们懂得了生命体与非生命体的物理过程是相似、相近乃至一致的。正如罗蒙诺夫斯基(Y.Romanovsky) 所言:“生理学家必须根据物理学说明生命体运动的原因”。然而,物理学原理和定律是在研究无生命特征的物理现象中发现的,是否足够以解释生命体运动的本质呢?对这个问题曾有过3种回答。第1种回答是否定的,认为物理学和生物学是互不相容的,物理学现在不 7能,将来也不能解释生物学现象,因为生物学现象只服从生物学规律,而生物学规律又不能在物理学基础上加以演绎,这种回答来自生机论(Vitalism)的教条。

      回答是肯定的,认为生物学现象可以归结为几个基本的物理学问题,而物理学原理对生物学的应用是没有限制的,这种回答是机械论(Mechanism)的思想。回答没有这样明确,认为现有物理学原理只能描述生物学中很有限的几个问题,物理学离真正解释生物学现象还相距很远。随着生物物理学的进展,将会发现新的适合于研究生物学现象的物理学方法,这些新的方法和传统物理学、现代物理学一起将构成对生命体运动现象进行科学解释的理论基础。关于这一问题的权威性回答是由量子物理大师玻尔(N.Bohr)做出的。玻尔认为,物理学是一切自然科学的理论基础,但对于研究复杂现象的生物学,这种理论基础还不够充分。在论及物理学与生物科学的相互关系时,玻尔指出,物理学和生物学是可以相容的,两者只在方法手段上存在互补性。如果同时研究生物学参数和物理学参数,则存在着类似海森伯(W.Heisenberg)测不准原理的关系。 随着生物物理学的不断进展,研究从前不属于力学的有关活体系统的力学问题引起了力学界的关注,并由此派生出一个专门的学科——生物力学,它是力学与生物学交叉、渗透、融合而成的边缘性学科。

      生物力学的研究内容非常丰富,几乎涉及生物体与力学有关的所有问题。而专门研究体育运动中人体运动的力学问题则又是运动生物力学的主要任务,它运用力学方法使复杂系统数学化的技术,对人体运动行为进行客观而量化的描述、解释和评价,进而为改进和完善动作技术,选择和设计优化的技术方案。关于运动生物力学的学科界定,学界观点不尽相同。较有影响的观点是:“运动生物力学是研究体育运动中人体机械运动规律的科学”。这也是我国高师和体院版教材中的定义。对此,我们首先提出两个问题,1)机械运动是否能表征人体运动的力学本质? 运动生物力学是否只需研究人体的机械运动?问题1的答案是否定的,因为机械运动只是人体运动中最低级、最简单的一种运动形式,人体运动可以有条件地简化为机械运动来处理,但这种简化是有严格约定的。问题2的答案也是否定的,因为倘如此,则只要把人当作机器,那么,生物力学和“死”物力学是没有什么区别的。事实上,人体运动的力学问题有非常丰富的研究内容。以鞭打动作为例,一般机械运动可解释为(角)动量随近侧环节依次制动而传递给远端直至末端环节,并使之(角) 速度增大,其力学基础是(角)动量守恒与传递问题,这也是运动生物力学对鞭打问题普遍且惟一的解释。

      实际上,鞭打过程中肌肉参与工作的方式,肌协作与肌对抗,骨杠杆的活动形式,关节的结构特点和关节内摩擦均对鞭打产生重要影响,但这已大大超出理论力学多刚体系动力学的研究范畴了。这里我们还没有考虑如能量、(角)动量的守恒和传递问题,守恒显然是有严格条件的,那么,传递函数是什么呢?显然,目前仍惟一奠基于牛顿分析力学的运动生物力学要研究这些问题还有相当困难。因为,有些现象我们还难以提出问题,有些问题我们还构建不起力学方程。但随着生物力学和运动生物力学的发展,尤其是研究方法和测量技术的进展,我们将可能并且应该会发现人体运动不完全服从牛顿力学规律的过程,并由此逐步建构人体运动过程的本构方程。惟基于此,我们方有可能构建对人体运动力学规律进行科学解释的理论基础。

      运动生物力学如不在这方面获得进展,便只能停留在研究人体机械运动规律的水平。国外各版本的教材对运动生物力学的学科界定没有我们这样明确,也没有找到哪个版本定义运动生物力学是研究人体机械运动规律的。比较多见的定义有:“运用力学原理和方法研究人体运动系统的结构和功能的学科。”如“运动生物力学是一门综合性的体育科学学科”。关于运动生物力学的学科界定,本人认为,定义运动生物力学是“研究体育运动中人体运动行为力学规律的科学”,在概念的内涵与外延上可能更为准确。 人体运动与机械运动的区别人体运动是自然界最复杂的现象之一,这不仅是因为人体运动器系的结构与功能十分复杂,更重要的是意识参与了这项活动。人体运动就其运动形式而言,是肌肉收缩使环节产生运动,并通过与外界的相互作用使人体整体的运动状态发生改变。在这里,肌肉收缩受神经系统所调节,受生理过程所制约,更受人脑思维所控制。因此,人体运动的一切动作都是大脑控制肌肉收缩所引起的有目的、有意识的运动行为。在这种运动行为中所表现出的外部机械运动形式,一是人体各环节之间的相对位移运动,二是人体整体相对于周围环境的位移运动。

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