运动生物力学的历史部分是运动机能学的历史。运动机能学（kinesiology）一词首次使用于 19 世纪末，并在 20 世纪流行起来，而生物力学（biomechanics）一词直到 20 世纪 60 年代才流行起来。运动机能学这个词的词根给出了对运动的研究的定义，但在当今的用法中，运动机能学被定义为对人类运动的研究。

在 20 世纪的大部分时间里，运动机能学的个人课程是许多美国学校体育本科课程的必修部分。此类课程的主要内容通常是应用解剖学，还包括一些力学，可能还包括生理学。通常，这是未来的教练或体育老师接触力学的唯一课程。在许多情况下，由于强调应用解剖学，未来的从业者接触到的力学数量不足以具有很大的实际用途。

关注人类运动生物力学的研究人员在整个 20 世纪都很活跃，尽管至少从亚里士多德时代起，人类和动物运动的力学就引起了科学家们的兴趣（参见 De motu Animalium [in Smith and Ross 1912]）。在 19 世纪的最后几十年，艾蒂安·朱尔斯·马雷 (Etienne Jules Marey) 撰写了《Le Mouvement》（[1894] 1972），其中描述了使用各种设备（包括相机和压敏仪器）来测量和记录产生的力和运动。人类（和动物）在各种活动中。他设备齐全的“生物力学”实验室是现代生物力学和运动生理学实验室的先驱。1900年巴黎奥运会上，马雷用他的设备拍摄了奥运会田径运动员跑步、跨栏、跳高、跳远、铅球和跑步的连续照片。他利用这些照片完成了一些赛事的技术分析。这些照片和 Marey 的分析发表在《Report of the Universal International Exposition of 1900 in Paris》、《International Events, Physical Exertions and Sports, Volume II》（Exposition Universelle Internationale de 1900 à Paris, Concours Internationaux D’Exercices Physiques et de Sports）中

至少从亚里士多德时代起，人类和动物运动的力学就引起了科学家们的兴趣。

运动和锻炼生物力学研究的早期例子出现在 1912 年的《棒球杂志》上。出版商委托进行一项研究，以确定沃尔特·约翰逊 (Walter Johnson) 投出的棒球的速度。当时，约翰逊是“速度投手之王”。虽然生物力学现在被认为是一个相对较新的研究领域，但《棒球杂志》文章的前言指出，“《棒球杂志》在对全国比赛的研究中涉足了一个全新的科学研究领域”（莱恩） 1912 年，第 25 页）。

阿奇博尔德·V·希尔 (Archibald V. Hill) 在 20 年代对短跑的力学和能量学进行了研究（引自 Braun 1941）。华莱士·芬恩 (Wallace Fenn) 在 20 世纪 30 年代初继续开展这项工作（1930a、1930b、1931）。尽管托马斯·库尔顿 (Thomas Cureton) 以运动生理学家而闻名，但他还在 20 世纪 30 年代撰写了有关游泳力学 (1930) 和各种田径技能 (1935a、1935b、1935c、1935d、1935e) 的文章。他还描述了使用电影摄影机分析体育运动的技术（Cureton 1939）。在此期间，阿瑟·斯坦德勒 (Arthur Steindler) 撰写了第一本“生物力学”教科书（1935 年）。20 世纪 40 年代正值第二次世界大战，运动生物力学的研究并不是当务之急。1955年，约翰·邦恩（John Bunn）出版了《教练的科学原理》一书。这是最早强调体育运动中人体运动的力学而不是解剖学方面的文本之一。

到了20世纪60年代，生物力学这个术语开始流行，越来越多的人参与到运动和运动生物力学的研究中。1967年，第一届国际生物力学研讨会在瑞士苏黎世召开。这次会议上发表的大部分论文都涉及人体运动力学。这次研讨会取得了成功，此后每两年举办一次生物力学国际会议。1968年，《生物力学杂志》首次出版。该期刊第一卷中的几篇论文涉及运动生物力学。20世纪60年代，体育系内设立了多个生物力学研究生课程，其中一些课程提供博士学位。

1973 年，国际生物力学学会成立，紧随其后的是 1977 年美国生物力学学会成立。运动和运动生物力学专家参与了这些组织的组建，尽管这些学会的成员包括具有不同领域的科学家。的利益。20 世纪 80 年代初，国际运动生物力学学会成立，代表运动生物力学学家的利益。1985年，《国际运动生物力学杂志》创刊，1992年更名为《应用生物力学杂志》。最近专门刊登运动生物力学文章的期刊是《Sport Biomechanics》，其第一期于 2002 年出版。

在 20 世纪最后几十年和进入 21 世纪期间，运动和运动生物力学的研究稳步增长。在此期间，参与运动和运动生物力学的人数也大幅增加。这种繁荣的原因之一是现代数字计算机的出现，它可以更轻松地从生物力学研究中使用的高速胶片或摄像机以及电子力测量平台进行数据收集和分析。如果没有计算机，根据电影数据准确计算测量值和进行定量生物力学研究所需的时间过多，导致 20 世纪 60 年代之前运动和锻炼生物力学研究的缺乏。解剖学研究并不难完成，因此运动机能学课程偏重于应用解剖学。随着过去三十年运动和运动生物力学研究的增加，许多运动学课程的内容已经被重新审视，并且现在对力学的涵盖更加彻底。许多运动学课程已更名为生物力学课程。

我们在运动生物力学历史的这一部分开始，首先询问为什么生物力学没有对运动产生看似可以产生的影响。现在答案似乎更清楚了。生物力学和生物力学教育存在的时间还不够长，还不足以产生巨大的影响。但随着越来越多的运动和锻炼专业人士（包括您）学习和了解生物力学，其影响将更加明显。在详细了解生物力学之前，您应该熟悉力学和生物力学中使用的测量系统。

力学的组成

我们对运动和运动生物力学的研究需要力学知识。在我们对生物力学的定义中，我们简单地将力学定义为对力及其影响的分析。更完整的定义可能是力学是研究力作用于物体的影响的科学。我们在运动和锻炼生物力学中关注的对象是人类以及他们在运动和锻炼中可能操纵的工具

力学是一门研究力作用于物体的影响的科学。

力学可以分为几个分支（见图 I.9）：刚体力学、变形体力学、流体力学、相对论力学和量子力学。在刚体力学中，物体被假定为完全刚性的。这简化了分析。在变形体力学中，考虑物体的变形。这些变形使分析变得复杂。流体力学涉及液体和气体的力学。相对论力学涉及爱因斯坦的相对论，量子力学涉及量子理论。力学的每个分支最适合描述和解释我们物理世界的特定特征。刚体力学最适合描述和解释运动和锻炼中人类和器具的粗大运动，因此刚体力学的概念对于我们运动和锻炼生物力学的研究非常重要。由于一些运动和锻炼活动发生在流体环境中，因此我们还将学习一些流体力学的概念。本书第一部分（第 1 章到第 8 章）的大部分内容介绍了刚体力学的概念，第 8 章简要概述了流体力学。

在刚体力学中，假设所研究的物体是完全刚性的；也就是说，它们不会因弯曲、拉伸或压缩而变形。在描述和解释人体的总体运动以及运动和锻炼中的任何工具时，我们将人体的各个部分视为通过关节连接在一起的刚体。事实上，身体的各个部分和其他物体在力的作用下确实会变形。这些变形通常很小，不会明显影响四肢或身体本身的总体运动，因此我们可以将身体视为一个相连的刚体系统。然而，重复的小变形可能会导致过度使用伤害，因此我们将在第9章讨论人体组织的变形，其中涉及变形体力学的一部分，即生物材料力学。

刚体力学又分为静力学（即物体静止或匀速运动的力学）和动力学（即物体加速运动的力学）（见图 I.10）。动力学进一步细分为运动学和动力学。运动学涉及运动的描述，而动力学则涵盖引起或倾向于引起运动变化的力。我们对生物力学的第一次探索与静力学有关。下一章对力的讨论涵盖了静力学的许多原理。在继续之前，我们必须首先了解描述和测量人体运动力学时使用的尺寸。

力学中使用的基本尺寸和测量单位

力学是一门定量科学，因此生物力学也是一门定量科学。我们想以定量的方式描述人类运动及其原因。如果某件事是可量化的，则它的某些方面是可测量的并且可以用数字来表达。为了测量某些东西，我们必须有一些通用的测量单位。但首先，让我们考虑一下我们想要在生物力学中测量什么。

假设我们正在观察一名足球运动员（美式足球）开球。我们可以用什么术语来描述他的跑动？我们可以谈谈他在场上的位置——他在哪里接球，在哪里被铲断？他跑了多远？他花了多长时间才跑那么远？他有多快？他往什么方向跑？如果你是对方球员，你可能也会对他有多大以及当你铲倒他时的感觉感兴趣。我们在描述中可能使用的一些机械术语包括速度、惯性、功率、动量、力、质量、重量、距离、速度和加速度（speed，interia power momentum， force，mass，weight，distance，velocity，acceleration）。（您可能不熟悉其中一些术语。如果您不知道它们的含义，现在不用担心；它们都会在本章或以后的章节中进行定义。）现在让我们整理一下我们的描述和尝试找出我们需要什么基本尺寸来描述我们列出的参数。

长度

我们可能想要测量的一个基本尺寸是长度。我们需要一些长度测量来描述球员在场上的位置以及他跑了多远。长度用于描述运动发生的空间。在许多其他运动中，长度也是一个重要的维度。它是铅球或跳高等运动中最重要的维度，其中多远或多高是实际表现的衡量标准。在其他运动中，长度可能不是衡量成绩的实际标准，但它可能是一个关键组成部分。高尔夫球手能够将球从发球台上击出多远是高尔夫运动成功的决定因素。击球手能击球多远是棒球运动成功的决定因素之一。跑步时的步幅是决定跑步者速度的因素之一。

当我们考虑运动员的人体测量时，长度也是一个重要的维度。运动员的身高可能是篮球或跳高等运动成功的决定因素之一。类似地，所使用的工具的长度可能会影响诸如高尔夫、棒球、长曲棍球和撑杆跳高等运动的表现。最后，长度可以是活动规则规定的运动尺寸，例如足球场或运动场的长度和宽度、足球门横梁的高度或比赛的长度

长度是一个重要的尺寸，但是我们如何测量它呢？如果您是美国学生，您可能最熟悉英寸、英尺、码或英里的长度单位。但作为科学家，我们应该使用 Système International d’Unités（国际单位制）或 SI 单位。测量系统有很多种，但国际系统是迄今为止使用最广泛且得到国际认可的。该测量系统基于公制。SI 长度测量单位是米，缩写为 m，约为 3.28 英尺或 39 英寸。一英尺约为 0.3048 m。其他长度单位有厘米 (cm) 和英寸 (in.)：英寸为 2.54 厘米，米为 100 厘米。对于较长的距离，长度通常以公里 (km) 或英里为单位进行测量。一公里为 1000 米，一英里为 1.609 公里。附录 A 包含有关 SI 单位和其他常用单位之间的单位转换的信息。

时间

时间是我们在足球示例中可能用来描述持球者跑动各个方面的另一个基本维度。在几乎所有运动中，时间都是表现的一个重要维度。在涉及比赛的运动中，时间是衡量表现的标准。从开始到结束用时最短的运动员赢得比赛。在其他运动中，时间是成功的重要决定因素。守门员的反应和移动时间在很大程度上决定了曲棍球、长曲棍球、团体手球和水球的成功。网球、壁球、壁球和手球运动员在试图接球时也存在类似的情况。时间也可以是活动规则指定的维度，例如比赛时间、美式足球中的开始比赛时间、篮球中的暂停时间、曲棍球中的罚球区时间以及开始投掷或跳跃的时间在田径场

时间可以用秒、分钟、小时、天、周、月、年等来衡量。所有这些计量单位都基于秒，秒是 SI 时间计量单位，因此我们将使用秒作为时间计量单位。我们将 Second 缩写为 s。

我们现在有了运动发生所需的基本维度：空间和时间——移动的空间和移动的时间。通过时间和长度的测量，我们可以完整地描述运动。如果我们考虑一些用于描述足球示例中跑卫运动特征的描述符，其中许多都涉及某种时间和长度的测量。例如，速度和速率是从长度和时间导出的，并表示为每单位时间的某个长度单位。加速度也源自长度和时间测量。它被表示为每单位时间的某个长度单位乘以自身或平方。（如果您不知道速度、速率或加速度的定义，这些术语将在第 2 章中明确定义。）

我们的足球示例中使用的一些描述符实际上并不是跑卫运动的描述符，而是跑卫本身的某些方面：其中包括术语动量、功率、力、惯性、质量和重量。这些描述符中使用的基本维度是什么？

质量和惯性

足球跑卫的什么素质使他难以开始跑动并且使抢断者难以阻止他跑动？足球运动员的体型大小会影响开始或停止运动的难度。在力学中，我们将物体抵抗其运动变化的性质称为惯性。您以前可能听说过这个词，甚至可能用过它。想想你是如何使用它的。您可能使用“惯性”来表示某些事物有阻力或不愿意改变它正在做的事情。这与惯性的机械定义很接近，但我们必须指定受到抵抗的变化是运动的变化。

惯性是如何测量的？让我们看另一个例子。奥运会铅球运动员和奥运会体操运动员谁更难开始或停止运动？显然，铅球运动员的移动更加困难。那个运动员有更多的惯性。因此，显然，较大的物体比较小的物体具有更大的惯性。但是更大是什么意思呢？嗯，也许物体的重量决定了它的惯性。不完全是——确实，较重的物体具有更大的惯性，但重量并不是惯性的衡量标准。质量是惯性的量度，而重量是作用在物体上的重力的量度。在月球上，奥运铅球运动员的重量会比在地球上轻，但他仍然很难开始或停止水平移动，因此他的质量与在地球上相同。

质量是惯性的量度，而重量是作用在物体上的重力的量度。

质量在运动和锻炼中有多重要？让我们考虑一下运动员可能必须改变某物运动的运动。运动员可能必须改变球或球拍等工具的运动；改变另一名运动员的动作，如足球或柔道；或改变他自己的身体或身体部位的运动。因此，器具或运动员或身体部位的质量对表演的执行有很大影响，因为要移动或停止的物体的质量决定了启动物体移动或停止物体需要多少力气。移动。

千克是 SI 质量测量单位。您可能也使用千克作为重量的度量单位。从机械上来说，将某物描述为重量为一定的公斤数是不正确的。在国际单位制中，千克是质量而非重量的计量单位。因为重量是作用在物体上的重力，所以重量的计量单位就是力的计量单位。力及其测量单位将在下一章中进一步描述和定义，但其测量单位可以从长度、时间和质量的维度导出。千克是 SI 质量计量单位，缩写为 kg：一千克重 2.2 磅；1公斤是1000克。

我们现在已经定义了 SI 测量系统中使用的三个基本量纲：长度、时间和质量。相应地，SI 的三个基本测量单位是米、秒和千克。力学中使用的所有其他机械量和所有其他 SI 单位都可以从这三个维度及其测量单位导出。显示基本尺寸及其 SI 单位以及 SI 系统中使用的前缀的表格包含在附录 A 中。在美国，常用的三个基本尺寸是长度、时间和力（而不是质量）。这些测量单位是英尺、秒和磅。SI 测量单位和其他测量单位（包括美国常用的单位）之间的换算参见附录 A。

概括

生物力学是研究力及其对生命系统的影响，而运动和运动生物力学是研究力及其对人类运动和运动的影响。对于体育教育工作者、教练、运动科学家、运动教练、物理治疗师和其他参与人类运动的人来说，生物力学可能是一个有用的工具。生物力学的应用可以通过改进技术、设备或训练来提高表现或减少和康复损伤

生物力学是一个相对较新的术语，直到 20 世纪 60 年代才开始流行。整个 20 世纪都有关于人体运动的生物力学研究的报道。在 20 世纪 60 年代末和 70 年代初，致力于生物力学的专业协会开始召开会议，并且出现了致力于生物力学的期刊。电子数字计算机的出现和广泛使用使生物力学研究在 20 世纪 70 年代和 80 年代变得更加可行。运动和运动生物力学主要涉及称为刚体力学的力学分支。静力学和动力学是刚体力学的分支。运动学和动力学是动力学的进一步细分。力学中使用的基本量纲是长度、时间和质量。这些尺寸的 SI 测量单位是长度的米 (m)、时间的秒 (s) 和质量的千克 (kg)。我们将在生物力学中使用的所有其他维度都源自这三个基本单位。我们现在已经了解了人体运动机械分析中使用的基本尺寸。然而，目前进行这样的分析可能很困难。在接下来的章节中，您将学习使人体运动的机械分析变得更容易的技术。然而，在做到这一点之前，您需要更好地理解力——这就是下一章的主题。

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