运动生物力学研究范文

导语：如何才能写好一篇运动生物力学研究，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：运动损伤；防护服装；运动生物力学；防护模型

中图分类号：TS941.2 文献标志码：A

A Study on Protective Cloths Based on Sports Biomechanics

Abstract： Based on introducing sports biomechanics as well as current study on protective equipment and protective clothes， the article draws the conclusion that it is very important to study protective clothes by using sports biomechanics and puts forward the theoretical basis， technical problems and technical route for using sports biomechanics in garment applications.

Key words： sports injury； protective clothes； sports biomechanics； protective model

近年来，我国参与体育运动或日常锻炼的人口越来越多。在对全国体育人口比例的调查中发现，1996年的体育人口在总人口中所占的比例为31.4%，2000年增加到33.9%，而到2007年又增加到37.1%，短短10多年的时间里增加了5.7个百分点。

但是在运动中，由于人们并未太多地注意保护自己，常常会引起相应的关节、肌肉、韧带的意外损伤。网球运动常常会导致肘部、肩袖部损伤，范？克拉莫（Von Kramer）对网球运动中出现的损伤进行过调查，结果表明，网球运动中肘关节损伤占全部损伤的41%，是最容易损伤的部位；肩袖损伤占其全部损伤的39%，仅次于网球肘。在跑步运动中，常常会发生小腿肌肉拉伤，有研究显示，有高达35% ～ 65%的健身者与专业运动员曾经发生过下肢损伤。老年人、小孩以及肢体残疾人在日常的行走过程中，由于自身缺乏一定的平衡能力，往往会因为磕碰、摔倒等突发状况而意外导致肌肉和骨骼损伤。有国外学者曾做过相关的研究，该研究揭示了在老年人的摔倒中，将近53%是因为行走、站立的不稳定所导致的。

运动损伤已经给运动员、业余爱好者、老年人、小孩等带来了伤害，也是人们生命安全的重要隐患之一。也有不少人缺乏自我保护意识，认为在业余的体育锻炼和比赛中，做准备活动，然后再多加注意一些，受伤的几率也就小了，其实这种想法是不正确的。因为这种损伤，比如说扭伤、摔伤、各种磕碰伤，在运动损伤里只占到了2%，它的名称叫做意外伤，而将近98%的损伤是那种运动技术性伤。所以基于运动的生物力学，研制减少骨骼与肌肉损伤的防护性服装，是一个很大的趋向。

1 运动生物力学的研究

运动生物力学是生物力学的分支学科，是研究体育运动中人体机械运动规律的科学。其主要任务是运用生物学和力学的理论和方法研究人体从事各种运动、活动以及劳动的动作技术，使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述。运动生物力学的发展与研究，为提高体育运动的成绩、预防运动损伤、设计研发防护器材奠定了理论基础。

1.1 运动生物力学的实际应用

对于运动生物力学的研究，特别是在应用上，具有自己的特色，大致可归结为以下几点：

（1）在竞技体育运动动作的技术方面，根据人体的体态、素质、机能等情况，研究适合个人的最佳运动和活动技术的动作方案，并通过动作技术诊断使之逐步完善；

（2）从预防运动损伤的观点出发，对各种体育、活动以及生产劳动进行生物力学分析，找出致伤因素，并设计出相应的预防与治疗措施；

（3）运动生物力学不仅研究人体，而且也研究与运动相关的器械的运动规律，按照人体形态、结构和机能的生物力学特征，设计和改进运动器材、设施、服装与用具以及劳动机器、工具等。

1.2 运动生物力学与防护器材

从运动生物力学的角度出发，对体育运动或健身锻炼中用于防护人身安全、避免运动损伤的器材，提出设计和改进的设想及要求，是一项非常艰巨的学科任务，当前基于运动生物力学研制的防护用品主要有护具、运动鞋。

新型橄榄球头盔与传统头盔相比有着本质的区别，新型头盔的外层覆盖了一种新型树脂吸振缓冲材料，它可以有效地防止运动员以头盔作为进攻武器冲撞对手。在运动的过程中，人体的各个关节肌肉常常由于过多的运动量或瞬间的挥击、拉伸发生拉伤或震伤。戴上护具后，就可以对相应部位的肌肉、韧带加压舒服，减缓可能的过度拉伸，并协助肌肉动作，对关节部位起到支撑作用。对于关节出现不同程度劳损的老人以及正在发育期的小孩来说，进行远足郊游或体育锻炼时，很有必要选择一定的护具。

国内外一线运动品牌，其运动鞋技术的每一项进步都离不开生物力学研究，结构设计和技术创新都遵循人体运动生物力学原理。国际一线运动品牌都拥有自己的核心技术，如Nike的air气囊鞋底科技和足跟稳定技术、Adidas的HUG环抱系统和智能芯片技术、李宁新一代单弦弓减震技术等。无论核心技术如何创新变化，结构设计必须遵循运动生物力学的原理，其主要的生物力学原理是缓震减震、能量回归、足跟控制、模拟踝足和回归自然。

2 防护服装的研究

伴随着运动的普及，传统的防护服装基本上从舒适性、结构设计、功能材料等角度出发进行设计研究，通过研究改变或加强面料的性能来达到服装吸湿排汗透气、防火、防水等效果，或者从服装结构设计出发，采用多开口宽松式设计，在前胸、腋下、前后衣片采用连续开口散热功能设计，设计了一套具有散热功能的篮球比赛服装。而在运动过程中能真正地起到对人体防护作用的，往往都是要通过佩戴护具来达到目的，从拳击的头盔到篮球的护足，每一个易受伤的关节都有相对应的护具来产生防护的效果。

但是现阶段基于运动生物力学研究的运动防护仅限于护具以及运动鞋，而客户对防护服装的要求却逐渐从原来的吸湿排汗等舒适性方面提升到舒适、功能、美观、防护一体化上来，更多地希望可以通过服装本身就可以达到防护人体的目的。

所以，有必要从人体出发，通过测量人体各关节点运动的三维坐标数据的变化，将其转化为人体关节运动的生物力学参数，通过分析生物力学参数数据，建立人体防护模型，明确服装面料与防护模型相互之间的关系，并结合服装材料学、服装结构设计、人体工效学等相关知识，设计具有防护性能的服装。

3 运动生物力学在服装上的应用

在体育运动、日常活动以及生产劳动中骨骼和肌肉损伤是难以避免的问题，解决这一难题，必须以人体运动为目标，运用人体解剖学、人体生理学、力学的理论与方法来探索人体运动规律，根据骨骼和肌肉的变化，建立外部防护模型，获取防护服装所需达到的力学参数，为开发运动防护服装提供理论依据。

3.1 理论依据

在运动过程中，骨骼及肌肉功能模型的研究比较成熟，是确定肌肉长度、肌肉拉力线、肌力臂、肌力矩、肌力等关键因素，但却没有明确指出骨骼及肌肉损伤的临界值，建立外防护模型是解决该问题的关键途径。

基于人体骨骼与肌肉的动力学模型，模拟在外部约束条件下骨骼和肌肉的变化，通过逆向动力学方程式和有限元模拟获取相关参数，建立外防护机制，即防护模型；在外加反应实验的作用下，明确服装材料的性能与外防护模型之间的关系，为研制高质量的运动防护服装、减少运动过程中骨骼及肌肉的损伤提供理论依据。

3.2 技术问题

（1）建立骨骼及肌肉的模型，需要运用动态捕捉系统捕捉关键点的运动信息，测量人体在空间的位置和方向，即人体骨骼、关节的运动轨迹。动态捕捉系统通常分类为 3类：机械式、电磁式和光学式，价格不菲。

（2）结合人体运动轨迹的数据，通过人体建模仿真软件进行模拟，并推导出骨骼及肌肉的最优化的防护机制。

（3）通过实验验证分析，明确防护模型与服装面料的性能特征之间的关系，为研发防护性能最优的服装提供依据。

3.3 研究方案

针对一项具体的运动，主要研究内容有以下几个方面：

（1）运用动态捕捉系统捕捉人体关键部位的空间运动轨迹；

（2）借助人体建模仿真软件，将空间运动轨迹的数据转化为生物力学参数，如各关节的位移、速度、加速度及肌肉长度、肌力臂、肌力矩等，进而计算出有关人体防护力学参数；

（3）基于骨骼及肌肉模型，运用逆向动力学的方法，建立人体外部防护机制；

（4）根据各种服装材料的性能，通过有限元的模拟，确定材料的性能与防护模型相互之间的关系，获取防护服装所需的防护参数；

（5）人体建模仿真软件对所获取的服装防护参数进行模拟，以进一步获得最优防护的服装。

技术路线如图 1 所示。

4 结语

运动损伤常常给运动员、体育爱好者、老人、小孩等带来意想不到的身体伤害，然而，传统的防护服装基本上从服装的舒适性角度进行研究，通过改变面料的特性来达到服装的防湿透气、吸湿排汗等，或从服装的结构设计出发，改变服装衣下间隙、开口特征等来提高服装的着装舒适性。国外对于运动防护服及装备的研究则比较深入，从人体的头部到脚的各个器官都配有特定的防护用具，所以基于运动生物力学研究防护服装必将是未来的研究热门。

外防护模型的建立是运动生物力学应用到服装领域的关键，也是制约防护服装研发的主要因素。防护模型的研究处于起步阶段，只有建立起防护模型，才能进一步明确服装材料与防护力学参数之间的相互转化关系，也为研制减少运动损伤的运动装备奠定技术基础。

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篇2

关键词：红外光点测试系统；射箭技术

中图分类号：G804.66文献标识码：A文章编 号：1007-3612(2007)05-0629-05

射箭在我国是一项古老而又年轻的体育运动项目。随着时代的变迁，射箭的技术和动作姿势 ，以及对射手们的训练也逐渐有了较为完整的理论指导。本研究借助Qualisys红外光点运动测试系统对北京射箭队运动员的射箭技术进行生物力学分 析，一方面探讨应用这一测试设备对射箭技术进行分析与诊断的可行性与操作方法，另一方 面对北京射箭队运动员的射箭技术进行分析与诊断，提出技术改进建议。

1研究对象与方法

1.1研究对象研究对象为北京射箭队运动员，基本情况见表1。

1.2研究方法 应用Qualisys红外远射运动测试系统对运动员射箭技术进行采集与分析。该系统由于不需要 人工识别测量点，消除了坐标数据获得过程中的人为误差，而且该系统拍摄频率可以达到每 秒500幅，因此特别适合于测试身体运动位移细微的动作技术。

本研究分别在受试者弓（四个点）、两侧手中指掌指关节、腕关节、肘关节、肩关节、髋关 节粘贴标志点。数据采集频率为每秒100幅。由于硬件设备计算速度的限制，采集时间设为6s。

进行正式测试前，首先对测试空间进行坐标参数标定，标定通过后要求受试者在标定范围内 完成整个射箭动作。由于采集时间的限制，本研究只能采集到运动员整个动作技术中基本阶 段的开弓、固姿与瞄准、继续用力与撒放动作。

选择运动员10环动作进行数据分析。数据处理应用Qtools、Excel等计算软件。以弓上标志 点位移的突然变化作为撒放时刻。本研究中Y轴正方向指向箭发射方向，X轴正方向与Y 轴垂直，指向运动员右侧，Z轴正方向指向竖直上方。

2结果与分析

射箭整个动作技术可分为准备阶段、基本阶段、结束阶段三个动作阶段，由于采集时间的限 制，本研究只对射箭基本阶段中的开弓、固势与瞄准、继续用力与撒放动作技术进行分析。

2.1开弓阶段 开弓动作是举弓动作的继续，在持弓臂伸展的基础上拉弓臂后伸，背部肌群的收缩和拉弦臂 肩带内收肌群的力量将弓沿箭线拉开。开弓的技术规范是保持身体姿势，特别是前臂和躯干 的角度不变。拉弓臂以肩关节为圆心，以上臂长为半径做圆周运动，外观是肘的引伸，实际 是以背肌开弓，拉弦手的手指、手背、手腕并不用力。拉弦手要沿箭线直接靠向颌下，不可 去迎合弓弦和拉弦手。

2.1.1拉弦手运动情况 图1所示前四名受试运动员开弓阶段拉弦手在不同平面上的位移情况。从图1可以看出，运动员拉弦手在水平面内的运动并不是直接向后的，而是在向后拉弦开弓的同时均有向 左（靠内）方向的运动，说明此时运动员向内拉弦靠向颌下。拉弦手在矢 状面内的运动也不是水平向后的，而是向后拉弦的同时有向下运动的现象，且多数运动员是 向下运动到一定位置后又有上挑动作出现（如图1矢状面中B、C、D三名运动员）。图中所示 拉弦手 的运动与技术要求是不符的，因为开弓阶段拉弦手除了应沿箭线向后运动外不应向任何方向 运动，否则瞄准面将有可能发生偏离，导致在固势瞄准阶段需进一步调整。

2.1.2持弓臂运动情况 图2所示A和C两名运动员持弓手开弓阶段在三个方向上的位移情况。从图中可以看出， A运动员在三个方向上的位移均无规律，不但在垂直方向和左右方向上飘忽不定，甚至在前 后方向上也由前向后移动了近4 mm，说明该运动员持弓臂撑弓能力不足，表现为极不稳定 的持弓技术。而C运动员持弓手在开弓阶段的运动虽也有变化起伏，但相对而言比较平缓稳 定。该运动员持弓由左向右、由上向下开弓瞄准，在前后方向上略有后移。图2是本研 究中持弓手在开弓阶段运动最无规律和最有稳定规律的两名运动员，其他运动员持弓手动作 介于这两名运动员之间。

2.1.3躯干运动情况 开弓阶段运动员躯干应保持稳定。本研究将两肩连线和两髋连线的交角定义为躯干扭转角， 并用这一指标评价运动员躯干上下两部分的相对扭转运动。从图3中所示A、D、E3名运动员 在开弓阶段躯干扭转角度变化可以看出，多数运动员躯干在开弓阶段一直在扭转。本研究中 躯干扭转幅度平均为4.4°，最大幅度为6.1°，只有一名运动员躯干几乎没有扭转，扭转角 度仅为0.2°。开弓阶段躯干扭转的原因是由于肩背部肌群收缩用力撑弓拉弦，当用力不平 衡时两肩产生相对于下身的扭转动作。

除了躯干扭转动作外，本研究运动员开弓阶段躯干还有不同程度的晃动。图4显示本研 究A和C两名受试运动员开弓阶段躯干在水平面内的移动情况。从图中可以看出，不同运动员 身体晃动趋势并不相同。但X方向运动要远大于Y方向运动。由于X方向是水平面内垂直于箭 线的方向，也即运动员站立时的前后方向，因此图中曲线显示运动员在开弓过程中躯干的 运动主要向前移重心，移动幅度平均为5.8 mm，而在运动员左右方向，即箭线方向的运动幅 度不大，平均为1.2 mm，且有的运动员向左（前）运动，有的运动员向右（后）运动。 图3开弓阶段躯干扭转角度变化图4两名运动员开弓阶段躯干在X、Y方向上的位移

2.2固势与瞄准 固势是开弓动作的延伸，是动作形成的关键一环，是射好一支箭的基础。其结构的规范与否 直接关系到命中率，所以固势动作的质量一定要高。图5所示运动员右肘关节在开弓向固势过渡过程中的位移情况，从图中可以看出，运动员右 肘向后运动的速度在开弓阶段较快，而固势阶段速度明显下降但并没有停顿。 固势动作缓慢接近停止，因此随着固势时间的延长，相关肌肉可能会出现松弛的现象。

据比赛现场观测统计，运动员低环位中靶的箭往往瞄准时间偏长。而瞄准时间偏长，往 往是由于瞄准动作不顺利，动作不协调造成的。从肌肉收缩的松弛特性来分析，当瞄准时间 偏长时，射箭用力的诸肌肉中的弹性成份会产生松弛现象。此时，虽然运动员主观感觉上仍 保持原先的用力状态，或加力进行瞄准动作，但实际上拉弓或推弓力已因松弛特性而有所下 降。瞄准时间偏长的箭，肌肉用力受到松弛特性的影响较大，是瞄准时间偏长的箭命中环位 偏低的另一个原因。本研究中运动员平均固势瞄准时间为3.54 s，最少为2.50 s，最多为4. 30 s。 2.2.1两臂用力分析 开弓、继续用力动作，就是两臂通过肌肉用力，抵抗和克服弓的弹性力的作用，使弓的 拉距不断扩大的肌肉用力过程。因此射箭时的两臂用力形式与弓的弹性力的作用形式相适应 。

由于弓的弹性力对持弓臂产生压力与内合力的作用。因此持弓臂相应产生推力与抗内合 力。持弓臂所产生的推弓力合力并非沿着持弓臂纵轴发生推力，而是与纵轴形成一定大小的 夹角。这样才能很好地克服弓的弹性力的作用，将弓稳固地支持住。该力产生两个分力，一 个分力沿着持弓臂纵轴，抵抗和克服弓的弹性力的压力作用；另一个分力与持弓臂纵轴垂直 ，抵抗克服弓的弹性力的内合力的作用，所以亦称抗内合力。

推弓力是由持弓臂肩部的前锯肌收缩，使肩胛骨产生外展（远离脊柱）活动，使肩胛骨 稳固地固定在合适的位置，通过肩胛骨的肩关节面对持弓臂产生推力。抗内合力是通过持弓 臂肩关节的三角肌后份的收缩力，使持弓臂产生水平伸的动作趋势，产生抗内合力，将持弓 臂固定在合理的持弓位置。

为了抵抗弓的弹性力的作用，将弓拉开，拉弓臂通过勾弦手指对弓产生拉弓力。所以拉弓力 也称开弓、继续用力动作的动力。拉弓力也可以分解为沿着拉弓臂上臂的纵轴，背向肩关节 的一个分力来抵抗弓的弹性力的压力的作用，另一个分力与上臂纵轴垂直，它是克服和抵抗 内合作用，其作用是使弓的拉距不断地增大，所以该力是开弓、继续用力动作中起主要作用 ，也是开弓的动力。由解剖学知识，不难了解到，前一分力主要由前锯肌收缩力产生的。后 一分力主要由三角肌后份收缩力产生的。

2.2.2拉弦手运动 图6所示4名运动员固势阶段拉弦手在水平面和矢状面的运动情况。图中看出， 在水平面内，虽然拉弦手一直保持向后运动，但仍同时具有向左或右（即向内或向外）的运 动，有的运动员还十分明显。拉弦手在向后运动的同时还伴随着向下 运动。在固势时拉弦手需要继续用力，人弓系统在动态中瞄准撒放，但拉弦手幅度过大或不 平缓的运动显然是不合理的，特别是在左右和上下方向的运动，将影响箭线的方向，给瞄准 造成困难。图6固势阶段拉弦手水平面上、矢状面的位移情况

2.2.3持弓臂的运动 开弓、继续用力动作阶段，弓的拉距是在不断扩大的。因此作用于运动员两臂的弓的弹性力 也相应增大。

射箭时运动员的持弓臂手会在前后方向、左右方向及上下方向上产生位移。从图7中可以看 出，多数运动员的弓在固势阶段有向后运动的现象，说明运动员前撑用力并不积极。有的运 动员在固势阶段后期弓还有忽前忽后、左右晃动的现象。例如F运动员虽然向后运动幅度很 小，但整个固势阶段出现了两次向前向后和向左向右的反复。运动员A的弓一直较大幅度的 向后运动，联系图6中其拉弦手的运动状况可以发现，在固势阶段该运动员具有整体向后运 动的趋势。以上情况说明，持弓臂的前撑用力技术尚有待完善。

除运动员F外（图7），多数运动员弓在上下方向的运动幅度很小。显然，F运动员在固势 过程中弓晃动明显。

在运动幅度上，运动员在左右方向平均移动56 mm，最大70 mm，最小43 mm；在前后方向上 平均移动4.2 mm，最大5.5 mm，最小3.1 mm；在上下方向上平均移动8.7 mm，最大为105mm，最小为6.7 mm。显然在运动员主要为箭线方向的移动。这一结果可说明两方面情况：一 方面说明瞄准开始时，准星在上下方向较靠近靶心，而在左右方向上则较远离靶心。因此瞄 准动作在左右方向上的移动要大于上下方向上的移动；另一方面说明，依据肩部肌肉配布情 况，决定了持弓臂在上下方向上容易稳定，而在左右方向上，活动较大，不易稳定。所以测 试结果表明，左右方向上位移量要大于上下方向上的位移量。以上状况是否合理，有待进一 步分析。

另外从对弓上下两个标志点之间的相对位移研究发现，在固势瞄准阶段弓上下两点之间相对 位移极小，说明弓在这一阶段的变形可以忽略不计。综合弓在三个方向的位移可以说明，固 势阶段影响弓的稳定性的因素主要是平动，它对箭的准确性产生一定影响。而弓的转动和变 形对稳定性的影响极小，几乎可以忽略。

2.2.4躯干运动 躯干保持稳定是固势瞄准的基础。图8所示固势阶段运动员躯干扭转情况。联系开弓阶段运 动员躯干扭转情况和图8中曲线变化可以看出，开弓阶段躯干发生扭转的运动员在固势阶 段继续保持扭转动作，但在固势阶段后期扭转停止，而开弓阶段躯干没有扭转的运动员在固 势阶段依然保持躯干无扭转运动。

在固势阶段，本研究运动员躯干扭转幅度平均为1.5°，最大为2.3°，最小为0.3°。

图9是本研究两名运动员固势瞄准阶段躯干在前后和上下方向的运动情况。不同运 动 员躯干运动方向并不相同，运动幅度也有一定差别。瞄准动作是通过身体多环节精细、协调 配合运动情况下完成的。它并不要求运动员在瞄准的一开始就力求“对准”靶心并稳住不动 地等待撒放。如果这么做，会使瞄准动作僵化。由于人体生理、心理、肌肉收缩等多方面因 素的影响，要想保持躯干绝对不动是不可能的，与其肌肉紧张身体僵硬的试图保持躯干固定 ，不如使其平稳的运动，并在运动中瞄准、撒放。因此，固势阶段躯干向某一方向平稳的运 动是提高瞄准质量的基础，合理的做法，是要求运动员在瞄准的开始时，有规律对准靶心附 近某一位置，然后用平稳的动作，较快的速度、准确地向靶心逼近，并在运动中进行撒放。

同开弓阶段一样，运动员躯干在其前后方向（X方向）运动的幅度要远大于在其左右方向（Y 方向）上的运动。本研究中运动员在固势阶段身体在前后（X方向）移动的幅度平均为8.6 m m，最大为11.5 mm，最小为6.1 mm，在左右（Y方向）移动的幅度平均4.7 mm，最大为6 .3 mm，最小为3.4 mm。图9两名运动员固姿瞄准阶段躯干在X、Y方向上的位移

2.2.5人弓整体运动情况 固势瞄准阶段虽然要求身体相对“固定”，但不是绝对不动，相反，在瞄准时还要强调 继续用力不能停顿。因此，身体与弓的运动形式将对能否高质量瞄准撒放产生重要影响。图 10显示了本研究中一名运动员在开弓、固势瞄准和撒放过程中两髋中点、两肩中点、 头和弓中部点四个位置在不同方向上的运动情况。从图中可以看出该运动员在各个方向均没 有做到人弓运动同步。在X方向弓和两髋中点运动基本同步，但却与头和两肩中点的运动方 向相反。在Y方向，开弓阶段头与其他三点运动方向相反，在固势前半阶段四点运动同步， 但到后半段两髋中点的运动方向与其他三点运动相反。在Z方向，人体上三点运动基本同步 ，但弓的运动呈波浪式下降。本研究其他运动员人弓运动情况与其近似，只是在运动幅度上 略有差异。

图11是A运动员持弓臂各关节点和弓在整个开弓、固势阶段在三个方向上的位移情况 。在X方向和Y方向开弓和固势前半段各点运动同步性较差，但固势后半段已基本做到同步运 动，说明该运动员能及时调整持弓臂各肌肉力量的分配，保持持弓的稳定。在Z方向除肩关 节外，持弓臂肘、腕、手和弓四点位移基本同步，都是呈波浪式下降。这说明该运动员持弓 臂腕肘关节固定良好，但肩关节稳定性较差。本研究其他运动员也有类似的现象发生，但幅 度稍小。图11A运动员持弓臂固姿阶段X、Y、Z方向位移

2.3撒放动作 由于红外光点运动分析系统不能记录运动员动作技术影像，因此本研究无法准确判定固势瞄 准与撒放动作之间的特征画面，同理也不能准确判定撒放瞬间画面。因此，本研究反复观察 研究运动员动作技术和红外光点记录数据之间的关系，以弓上标志点位移的突然变化作为撒 放时刻。

观察拉弓臂勾弦手上的红外光点检测资料发现，拉弦手撒放过程中普遍存在短暂的向前，即 向拉弓动作相反方向的移动。其位移幅度平均为4.5 mm，最多为9.7 mm，最少为1.3 mm，经 历时间平均为50 ms。图12中是本研究两名运动员撒放前后钩弦手在前后方向的位移曲线。 从中可以看出，瞄准阶段钩弦手平稳持续地向后运动，但在撒放前后却有短暂且明显的向前 运动，之后才是撒放后手的向后运动。由于不能准确判断撒放时刻，因此我们也不能判定钩 弦手的这种运动是撒放前特别忌讳的“松撒”错误，还是撒放后“反向”运动。图12拉弦手撒放前后在前后方向的位移

“松撒”不但会减少箭发射的能量，而且破坏了原先的瞄准状态，对箭命中环位造成不利影 响。但从对射箭动作的不利影响来讲，“反向”运动与“松撒”的不良影响的性质是一样的 ，只不过是在动作的大小程度上有差异而已。因此“反向”运动与“松撒”是同类性质的不 良动作，但它却普遍存在，因此这一现象应引起我们的重视 与研究。

3结论

1) 本研究应用Qualisys红外光点测试系统对射箭技术中人、弓微小运动进行了细致的记录 与描述。由于红外光点测量系统的测量采样频率及分辨率极高，测试误差小，因此该测量手 段可作为射箭技术特别是运动员和弓稳定性的测量与研究的理想手段。

2) 固势阶段影响弓的稳定性的因素主要是平动，它对箭的准确性产生一定影响。而转动对 稳定性的影响极小，几乎可以忽略。

3) 受试运动员在撒放前后普遍出现“松撒”和“反向”运动的现象。

4) 多数运动员在固势阶段很难做到人弓整体，持弓臂和身体的运动并不同步。

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摘要 根据篮球球运动专项力学特点，结合运动生物力学研究的现状、发展趋势、以及篮球运动教学发展的实际需求，对运动生物力学在篮球运动教学中应用和发展趋势进行分析。希望运动生物力学与篮球运动的特点紧密结合，更好地为篮球教学提供帮助。

关键词 运动生物力学 篮球运动 教学 应用分析

近年来，篮球运动受NBA和CBA的影响，很受学生的欢迎，大家都愿意参与这种集体带有趣味的运动。可在教学中可以看到一些学生由于身体的先天条件，动作做起来比较难受，不合理。怎样帮助每个孩子都能掌握这门技术。我想通过运动生物力学的原理去分析学生的特点，通过分析给他们制定不同的水准，不能集体都按统一的标准，这样会使学生感到篮球运动的艰难，我们降低难度就是要使不同的学生体验到成功的乐趣，因材施教使学生在快乐中学习。如何做到这些，我们就要借助于科技的力量和手段，更加全面地、深刻地认识篮球运动的规律。更好的在教学中利用为学生服务。

一、运动生物力学在篮球运动中的应用领域分析

从运动生物力学角度来看，篮球运动要求人体上下肢的协调配合，很好的应用人的手部动作去接球，做蹬地加速的动作，如何在这个过程中做到合理就必须了解学生的生理结构，肌肉力量的相互作用。什么角度的运动适合此阶段性的学习。用多大力能满足他们的可接受的力量范围，针对不同的学生应该采用不同的方法手段加强学生的学习，切不可让学生做过多大于自己身体不能做的力量训练。帮助他们在自己合理的技术动作内做到自己最适合的动作。对于动作的要求不可统一要求，要区别对待，这样一方面可以鼓励学生很好的练习；另一方面要使学生不断进取不至于伤害学生的自尊心。在场地器材方面要对学生认真讲解。使他们真正认识到自己的力是如何传导的，如何在正确的用力前提下做到做好的自己。

二、运动生物力学研究方法在篮球运动中的应用分析

（一）运动生物力学研究方法分类

按研究方法划分，运动生物力学应用在篮球运动中的研究大体可分为两类：一是力学理论研究方法，二是实验研究方法。两者相辅相成，相互统一，应当紧密结合，才能使运动生物力学更好地在运动实践中应用[1]。这就要求在实践当中很好的将二者紧密结合共同应用到学科领域当中。

（二）运动生物力学的力学理论研究方法在篮球运动项目中的应用分析

该研究方法因为是通过模拟手段对人体运动仿真，一般包括五个步骤：1.确定运动特征，建立目标函数；2.选择模型确定刚体的自由度；3.建立动力学模型；4.实测已知数据并求解；5.根据求解结果解释运动规律，这一步骤是将求得的数学规律化为体育运动语言对运动技术进行合理的指导[ 2]。根据此研究方法，可以对篮球中许多问题进行研究。如对于篮球运动中学生的伤病的研究，有助于对学生在篮球运动中的损伤认识和预防。可以利用力学理论研究的方法对关节力和力矩进行推算。这实际上是为人体的运动给予科学化得定量，通过科学实验找出人体运动的范围和幅度，为更好的人类发掘自身的潜能和动作的量化提供参考依据。

（三）运动生物力学的实验研究方法在篮球运动中的应用分析

由于动力学研究方法与运动学测试在篮球运动项目中运用的较少，所用到的生物力学仪器不多。因此运动生物力学的实验研究方法在篮球运动项目中有极大的发展空间。

1.常用的生物力学仪器将在篮球项目中的广泛应用

许多已经在其他专项中运用较为广泛的生物力学仪器在篮球运动项目中尚未广泛使用。比如，肌电仪，脚垫受力分析鞋垫。脚垫受力分析可以反映地面对人体的反作用力。运动员投球的力最终是通过人体蹬地面，同时地面给人体的反作用力而实的。通过在运动员的鞋子里放上受力分析鞋垫，可以得出在移动过程中，脚底压力的分布图，可以为篮球运动员鞋子的设计提供参数。通过肌电仪可对完成某动作所参与的肌肉活动的强度和时间进行描述，确定主要的参与肌群。这样学生就可以很清楚地知道完成某动作的肌肉用力顺序是什么，哪些是主动肌，哪些是被动肌，可为力量训练提供参考。

2.多机同步测试的研究

多机同步测试研究是运动生物力学研究的发展趋势。对于篮球这项精密的运动，以往的研究多是从一维的视角来进行的，对篮球运动的生物力学的研究应朝着多维的研究视角发展。比如，将摄像系统和测力台系统同步的测试方法，综合运动学和动力学的数据对篮球运动进行更加深入、全面的研究与分析。

3.开发篮球专项化、反馈快速化的运动技术测试仪器

近年来随着其他运动项目运动学、动力学、测试仪器的质量、功能、效率不断提高，某些运动项目专用的测试仪器不断出现。其它专项的研究可为篮球专项化的测试仪器提供借鉴。随着科学技术的迅速发展，加速度传感器的体积和质量都可以做到非常小，精度可以达到很高，此仪器可以实时监控篮球鞋的速度、加速度和角速度，并可据此推算篮球鞋不同部位的受力情况，以及脚蹬地的初速度。而对篮球鞋运动情况的所做的研究较少。如果这些设想可以实现的话，将丰富这方面的研究可以防止运动者教学脚部的受伤的情况。为更好的教学服务提供保障。防止学生在运动中受伤的概率。

（四）力学理论研究方法和实验研究方法紧密结合

理论力学理论研究方法和实验研究的方法紧密结合对篮球运动进行运动生物力学的研究，将有助于从不同层面和角度更好的认识篮球运动规律，进而可使运动生物力学更好地为篮球实践服务，是运动生物力学在篮球运动中应用的发展趋势。力学理论研究方法必须辅之实验和经验，才能使它在实际应用方面的作用得以发挥，力学理论方法与实验测试方法两者应当紧密结合。前者提供了运动普遍规律，对分析有理论指导意义，后者是理论研究与实际是具体应用的桥梁，能使研究更好地为运动实际服务。实验方法和力学理论研究共同发展、相辅相成，使运动生物力学学科渐趋深入完善。

三、结束语

篮球运动教学的动作技术诊断，力学研究，学生肌肉、骨骼力学特性的研究，将有助于篮球专项测试仪器的开发，篮球运动员损伤机理和预防的研究等领域需要利用运动生物力学在篮球专项中进行全方位的研究。这样有助于在实际中解决一些教学中的学生容易受伤的难题，将生物力学的有关原理服务于学生的课堂，用科学的方法指导学生篮球训练与比赛，更好的预防学生在不同情况下的运动损失与治疗。

参考文献：

[1] 王向东，刘学贞，等.运动生物力学方法学研究现状及发展趋势[J].中国体育科技.2003（2）：15-18.

[2] 忻鼎亮.运动生物力学的力学理论研究方法[J].体育科学.1994（4）：37-40.

篇4

关键词：网球发球；生物力学；文献综述

动作构成技术，因此动作是我们研究的重点。而用生物力学的知识和方法去研究网球的发球特征，研究方法和研究内容无疑是最重要的一环，而研究方法又离不开研究设备，可以说目前研究设备也从一定程度上直接影响了这篇论文成果的好坏。关于发球生物力学的研究有人做过专门的统计。蒋婷在她的《国内网球生物力研究现状及发展―基于2007-2011年4种文献来源计量分析》中指出2007-2011年，核心期刊、优秀硕士论文、博士论文、重要会议各自研究网球技术生物力学所占的比例分别为12.9%、51.6%、3.2%、32.2%，其中优秀硕士论文研究网球生物力学的最多，占51.6%。此外，5年中，核心期刊发表的关于网球生物力学的论文仅4篇，充分说明这类研究并没有成为热点。根据文献论文内容的主要特征，结合生物力学及网球项目相关理论，可以将检索到的论文分别归入3个不同的研究方向，即技术分析（运动学、用力学、生物学）、损伤（骨、肌肉）、装备（鞋、拍弦）。从本次统计来看，技术分析独占鳌头，共计23篇，占74.2%；其他方面的研究相对较少，损伤12.9%（4篇），装备12.9%（4篇）。技术动作分析受到更多的关注，主要是因为技术分析的设备日益进步和完善，生物力学研究受仪器设备的制约。这篇文章很全面的介绍了目前国内一些比较有价值的论文的分布情况及总体研究情况，让我们对整个研究水平有了初步的印象。

马大慧在《运动生物力学在网球运动中的应用分析》中给我们提出了一些比较好的运动生物力学与网球运动的结合点，我们可以从运动生物力学的力学理论研究方法，实验研究方法，力学理论研究方法和实验研究方法紧密结合等方法去研究网球的特征，当然这些方法也可以用到发球的研究中去，使我们的方法更具有科学性和方向性。下面从研究方法和内容方面入手对所查阅到的文献进行简单阐述。

刘卉（2000）以6名国青网球运动员和2名北京队青年网球运动员的大力发球为研究对象。采用美国Peak三维高速录像系统进行拍摄，拍摄频率为120帧/s。采用爱捷人体信息研究所的录像分析系统对发球动作技术的运动学数据进行测量与分析。依据对录像带的观察及发球实验时的现场评价，对每个运动员三个好球中质量最好的一次进行解析。所得数字化数据采用数字滤波法进行平滑处理。她的研究揭示网球大力发球属鞭打类动作的特征并论证和全面阐述了网球大力发球技术的运动生物力学原理。同时通过对运动员发球技术的对比，得出抛球的方向、高度和身体下蹲的深度均会对整个发球动作技术起重要影响；通过对下肢运动的观察，提出影响“搔背”动作阶段的因素主要是下肢蹬伸、躯干扭转、屈肘和上臂外旋的幅度、速度及它们之间的配合，同时还认为“搔背”动作时身体各环节活动的同步性是高质量合理动作的特征；提出击球动作并非挥拍动作的自然过渡和延伸，而是有其本身技术特征的相对独立的动作技术；她还通过对身体各环节最大速度出现时间的比较，认为可将鞭打动作的基本理论作为网球发球动作技术的理论基础。这篇文章在国内具有比较高的地位，无论是研究对象还是研究方法对后来的研究者提供了很好的参考，同时所得出的结论对我们平时训练也很有参考意义。

刘保华（2008）以2007年9月在北京举办的中国网球公开赛中5名优秀女子网球单打运动员为研究对象。采用两台100HZ的摄像机在比赛现场进行拍摄，对我国顶尖女子网球运动员彭帅与4名世界顶尖女子网球运动员发球技术的速度特征进行了生物力学分析。研究结果表明在第一发球速度上，4位世界优秀运动员明显高于彭帅。4位世界优秀女子网球运动员在球拍速度、右手速度、右手腕速度、右肩速度、右肘速度右髓与身体重心的速度这7个参数因子载荷值的贡献排序运用较为合理，而彭帅则不够合理，表现在球拍的因子载荷值明显低于右手与右手腕。这篇文章从科学的角度分析了彭帅发球当中所存在的问题，可以据此对她做出指导

林建健（2009）选取2名职业网球运动员，4名专业网球运动员和6名业余网球运动员为测试对象利用，Qualisys红外远射测试系统（六个镜头）对运动员发球动作过程进行测试。拍摄频率为200幅/秒。同时用Kistle测力台系统与Qualisys同步，采集运动员的动力学数据。结果显示：在抛球过程中我国高水平运动员抛球臂关节角度变化幅度和屈膝最大角度均小于低水平运动员。在蹬伸过程中，我国高水平运动员膝关节最大角度和腿部发力效率均大于低水平运动员，膝关节最大角度和最小肘关节角度均小于国外优秀运动员。在击球过程中，我过高水平运动员身体各环节最大角度速度和击球高度与身高比均大于低水平运动员，且具有显著性差异。对比国内的高水平和低水平选手特征，可以使低水平的选手找到自己的问题所在，从而有目的改进。

蒋川（2009）年以我国优秀网球运动员杨意民、国际著名选手阿加西和张德培为研究对象。利用两个PULNIX摄像头（频率为120Hz）采用定点、定焦、定距的方式进行外同步拍摄方式，对杨意民大力发球动作进行拍摄。采用美国ARIEL三维图像解析系统对杨意民、阿加西和张德培的技术动作进行解析。阿加西和张德培的发球技术动作录像由美国ARIEL公司提供，拍摄频率为50HZ。结果发现：杨意民发球时身体主要环节的用力顺序符合鞭打动作规律，且击球点的高度较为合理。但是其抛球技术还有待改进，其抛球最高点与击球点之间的落差较两位世界级运动员的偏大，即杨意民在抛球环节存在抛球过高的问题。杨意民的挥拍臂形成有效的用力前，“搔背”姿势所需时间明显过长，且拍头最低点高于身体重心高度，反映出杨意民的“搔背”动作不够充分。杨意民的挥拍速度以及拍头速度较阿加西、张德培存在较大差距，尤其是在击一球瞬间，阿加西的拍头速度是杨意民的1.69倍，而张德培的拍头速度更是达到杨意民的1.71倍之多。杨意民下肢蹬伸充分，但在脚蹬离地面时身体重心上升的速度和击球时身体重心的高度跟世界顶级选手相比仍有一定差距。

孙宇亮（2011）以2009年底在江门网球训练基地冬训的8名国家网球队女队员为研究对象。研究对象站右发球区，大力发球。利用两个ZOOHz的高速摄像头对运动员进行同步拍摄。利用直接线性转换（DLT）算法对二维图像进行三维重构。数据处理采用北京体育大学视迅解析系统对运动学指标进行解析，应用Qtools、EXCel等数据处理软件进行计算。根据国家网球队教练的评价，每名运动员取三个好球中质量最好的一次进行解析。所得数字化数据采用数字滤波法进行平滑处理。得出结论有：我国网球运动员发球时抛球较高，建议降低抛球高度。相对于FB技术，FU技术能使运动员获得更大幅度的躯干扭转角度。根据运动员实际情况选择合适的缓冲技术。缓冲结束时刻，部分运动员存在过度顶髓的现象。这造成下肢发力不充分，最终导致球速下降。建议在此时刻保证重心投影位于在两腿之间。“搔背”动作是典型的超越器械动作，下肢的充分蹬伸是此动作完成质量的保证。因此运动员在平时的训练中应注意下肢的爆发力训练。这篇文章的研究方法和结论都有具体意义，值得国家队的女队员进行参考。

BrianJ.Gordon（2006）通过三维录像解析法对9名优秀的网球运动员进行了测试。他们在上臂和前臂套上了带有标志球的环，在肩关节周围皮肤上贴了标志球。由于计算关节和环节的扭转角度。结果详细阐明了发球过程中人体各部分的扭转情况，指出在临近击球时刻，肩关节屈伸运动和内收外展运动对于拍头速度的贡献微不足道。这篇文章的研究结果使得我们平时的一些错误观念得到了重新的认识。

综合研究的情况来看，国外学者利用运动生物力学手段对网球发球动作技术做了大量研究，并且阐明了一些发球动作的客观规律。对现今存在的各种各样的技术动作提供了科学理论上的支持，对学习和改进发球技术做了有益的探索和贡献。有的从肌肉发力顺序方面探讨，有的从核心部位探讨，也有的从动作模式探讨，还有从肌电方面入手等等，可以说已经取得了一定的成绩，而且随着研究设备的技术提高，研究的水平也在提高，但是大多数的研究还是将中国的运动员数据直接和外国运动员的数据直接进行对比，我觉得这存在一定的问题，且不论身高的不同，中国运动员的肌纤维类型与他们也会有不同等等，或者是否可以将他们的数据可以和现在排名较高的亚洲球手进行对比，比如，现世界排名17的日本球员锦织圭等等。再者，我觉得在发球最佳模式的研究方面还有所欠缺，看我们是否能找到一个最适合我们的发球模型。让大家在练习的时候心里有具体的数据可依。作为研究来讲，我们最好是能把各个方面的情况考虑清楚最好，或者就某一方面作最细致的研究。随着未来各种仪器设备的更新提高，研究水平也会越来越深，可以说，生物力学在网球领域的研究还有很大的空间。（作者单位：北京体育大学）

参考文献：

[1] 蒋婷.国内网球生物力研究现状及发展―基于2007-2011年4种文献来源计量分析[J].运动，2012，（08）.

[2] 马大慧.运动生物力学在网球运动中的应用分析[J].体育科技文献通报，2010，（04）.

[3] 刘卉.网球大力发球技术的运动生物力学原理[J]北京体育大学学报，2000，（02）.

[4] 蒋中伟.关于提高网球平击发球成功率的研究[J].体育科学，2000，（04）

[5] 刘保华.我国女子网球运动员彭帅与世界优秀女子网球运动员[J].广州体育学院学报，2008，（05）.

[6] 林建健.中国优秀男子网球运动员大力发球的运动生物力学分析[D].北京体育大学，2009.

[7] 蒋川.我国优秀网球运动员与国际名将发球动作的运动学特征分析[D].武汉体育学院，2009.

[8] 邹廷铸.我国高水平网球运动员四种发球动作的生物力学研究[D].北京体育大学，2011.

篇5

关键词 正手击球技术 网球运动 生物力学分析

正手击球技术是网球运动中使用频率最高，也最为基本的一项技术。在网球运动中，运动员正手击球技术的掌握情况和应用情况，不但直接反映了网球运动员的专项技术水平，同时，作为得分的重要手段之一，还会对比赛的最终结果产生不容忽视的影响。鉴于此，本文就从生物力学的角度入手，利用生物力学的基本理论，对网球正手击球的基本力学结构进行了分析，以期能够借此为网球运动员正手击球技术动作的规范提供一定的参考与借鉴。

一、正手击球技术的基本特点

虽然在网球运动中，正手击球技术有正手平击、正手上旋和正手下旋等多种形式，但是，从根本上来说，上述几种不同的正手击球技术形式的特点却是大同小异的。简单来说，正手击球动作的完成是一个连续的过程，涉及到上下肢和躯干等全身多个部位的运动，以上几种不同的正手击球技术，实际上都是根据人体协调链在充分利用自身髋关节和躯干转动的基础上，按照肩、肘、腕等关节的顺序来完成击球动作的过程。作为网球运动中最为常用的一项基本技术，正手击球技术最大的特点就是发力凶猛、球速快。另外，根据正手击球技术动作的结构，其通常可以分为引拍后摆、向前挥拍以及触球和随挥等四个主要的阶段，以下就从这四个阶段入手，针对网球正手击球技术进行了生物力学分析

二、正手击球技术的生物力学分析

（一）引拍后摆阶段的生物力学分析

在引拍后摆阶段，是运动员以手为主的躯干和上肢的转动，当运动员引拍的幅度达到最大时，运动员髋关节的屈角大约在32.7±15.6度左右，与此同时，膝关节也转动形成一定的屈角，屈角的角度大约为69.3±13.8度左右。另外，在完成引拍后摆动作时，运动员躯干的扭动角度大约为30度左右，这表明，在完成了引拍后摆动作之后，运动员肩轴扭转的角度相较于运动员髋轴扭转的角度而言更大，这对于拉长肌肉有着一定的作用，从而通过肌肉的预拉伸储存了一定的弹性势能。

（二）向前挥拍阶段的生物力学分析

在向前挥拍阶段，运动员肩、肘、腕等关节和球拍的速度都是先上升，后下降的，上臂向前的运动是最为主要的力学特征，通过上臂向前的动作能够产生向前的速度20%-30%和向上的速度的20%。另外，在向前挥拍阶段，运动员远侧环节的速度要明显的高于运动员近侧环节的速度，而且，近侧的环节到达最大速度的时间要明显的早于远侧环节到达最大速度的时间。

（三）触球阶段的生物力学分析

网球的正手击球动作是一个连续的过程，在完成了引拍后摆、向前挥拍之后，就进入了触球阶段。在触球阶段，当拍面与球接触时，网球运动员的腿部、髋部以及上体和头肩等部位需要相互协调，并在此基础之上，形成触球时的正确动作，才能够有效的提高击球的效果。在这个过程中，网球运动员腿部、髋部以及上体和头肩等部位的具体动作如下：

一是，腿部动作。在触球阶段，运动员的双腿需要保持适度的弯曲以便于充分的蹬转。所以，此时，运动员的两脚之间应保持一定的距离，与此同时，膝关节则要保持一定的弯曲度。只有这样，才能够确保在完成击球动作的过程中，双腿能够更加充分的蹬伸，并通过双腿的充分蹬伸在克服惯性实现快速启动的同时，充分利用来自于地面的反作用力和自身的弹性促使角动量和线动量的形成。

二是，髋部动作。在触球阶段，网球运动员的髋部和肩部应始终保持在一条直线上，以确保触球动作完成中运动员身体的动态平衡。

三是，上体动作。根据生物力学原理可知，在正手击球动作中，击球时是运动员的下肢先产生爆发力，然后所产生的爆发力通过腰部、上体部位、肩部以及手腕依次传递到球拍上，并最终完成击球的过程。触球作为整个连续动作中的一个环节，发挥着“承上启下”的重要作用。而要确保触球“承上启下”作用的充分发挥，其中至关重要的一点就是要能够充分利用上体部位将由腰部传来的力量传递到肩部和手腕，并最终作用到球上。为达到上述目的，运动员在触球阶段，手腕应保持适度的紧张，以防触球的瞬间拍面失去控制；腋部适度夹紧，以充分发挥线动量；并注意保持恰当的击球点。

四是，头肩部动作。在触球阶段，头肩部是一条直线，两者相互协调保持平衡，并由肩部带动手臂进行转动，形成一定的击球速度，以防出现击球无力的情况。

（四）随挥阶段的生物力学分析

随挥阶段也就是触球之后跟随球进行挥拍的阶段，在这个阶段，随挥的距离和随挥的方向都是非常重要的，只有沿着球的方向再继续向前移动一段距离，这样才能够将球“打实”，并取得良好的击球效果，并保持正确的击球方向。除此之外，在随挥阶段还要注意，确保将球“打实”之后，上肢动作要逐渐放慢下来，身体各个环节的速度也应顺势逐渐的降低，以尽快的让身体回位为一下次击球做好准备，并以此来预防运动损伤事故的出现。

参考文献：

篇6

【关键词】皮划艇（静水）；项目特征；生物力学；研究应用

一、前言

皮划艇（静水）200m作为全新纳入奥运会中的比赛项目。其相比较于500米以及1000米而言，距离更短，竞争也相对更为激烈，因此该项目对于运动员的技术以及素质有着更高的要求，使得该项目的运动特征受到了大量运动员以及科研人员的重视。研究项目特征以及生物力学有着极为现实的意义，对我国的体育竞技水平有着极大的促进作用。

二、项目特征研究

1.运动环境

作为水上运动中的一个项目，皮划艇项目中的艇和人的重心在上面，浮力中心则在下面，一旦出现偏差便会出现翻转力矩，导致人艇系统将会持续在不平稳状态。该项运动要保证运动员在不平衡过程中可以很好的控制身体姿势，运用正确的划桨动作使艇得到水的推动力[1]。若艇处于不平衡状态中，为了使艇可以平稳而快速的前进，将对运动员的身体控制能力以及平衡力有着极高的要求。

2.运动属性

该项目一般的比赛时间处于40s～60s间，和300米短跑所需时间相近，然而却和短跑要克服重力进行大肌肉群做工有所不同，皮划艇不需要进行承受重力，因此肌肉群的负荷较小。主要是进行磷酸原系统以及乳酸糖酵解进行供能，主要是进行无氧供能，消耗的全部能量中仅仅有10%～20%为有氧供能，比赛全程是一种力竭性做功过程[2]。皮划艇作为一项快速无氧为主进行周期性的项目，运动员对于耐力、速度力量、乳酸耐受力和最大力量等能力都有着极高的要求。

3.竞速结构

竞速结构就是在皮划艇比赛的整个过程中对各阶段所需速度加以分配以及节奏安排，研究人员通常将皮划艇全程分为起航、加速以及途中与冲刺四个部分。合理的竞速结构能够对运动员所具有的生物学机制进行最大程度的调动。由于皮划艇是一项水上运动，在处于静止过程中保持平衡非常困难，在起航前将会出现显著地晃动，所以要将比赛全程分为航前准备、冲刺、起航以及途中四个阶段。

航前准备阶段是使艇保持静止于水面上得到出发指令，但是由于皮划艇相对较窄，一旦运动员重心稳定性不佳，要想保证整体的平衡，便要调动大量的肌肉进行维持平衡，将会使划桨做功的肌肉量下降，对出发后的第一浆划行质量造成不利影响，最终对比赛成绩造成影响。所以航前准备对于平衡能力以及中心稳定性有着极高的要求。起航阶段是由静止不断加速至稳定状态，此时要保证一个合理的浆频，并非是浆频越快越好，一旦频率过快将会对体能造成极大的消耗。途中阶段此时艇速非常稳定，此阶段时间以及路程都很长，只有控制好浆频以及划桨节奏，确保一个稳定的途中速度，便要利用速度力量对途中速度加以不断的维持。冲刺阶段则要具有极强的爆发力，在确保每浆效果的基础上最大限度提升浆频，以此来取得最快速度，此时艇速呈现显著地提升。

三、生物力学方法应用和展望

运动生物力学对于竞技体育领域而言，主要是将其运用在合理的训练以及测试中，以技术角度实现对运动员的监控。主要的监控形式对运动员的实时运动技术动力学参数以及运动学参数进行测定，同时对参数做出诊断以及评价，以此作为指导运动技术所学的理论基础。录像解析作为运动学指标获取的主要手段，将划桨过程中的身体、艇速、浆角以及位移等方面的角度、角速度的变化情况加以分析，以此作为训练的技术支撑。在皮划艇前进过程中流水和浆叶间存在的相互作用不仅仅是主要的动力源，同时也是重要的阻力源，对水-浆作用力已经成为主要的动力学研究指标[3]。采用三维运动学能够将皮划艇中水面上的所有的运动指标进行获取，然而在皮划艇监控当中，对艇运动现象造成的原因解释主要是利用水流动力学，从而实现对运动技术进行正确的评价。

四、结语

皮划艇运动相比其他运动而言，对运动员所具有的平衡力以及身体控制能力有着较高的要求。作为皮划艇项目研究中最为关键的阶段，起航准备将对整个比赛成绩造成直接的影响。皮划艇运动对于运动员体能要求相对较高，要想提高比赛成绩，便要在体能的基础上对能量的利用率加以不断的提升。而生物力学将是一种完善运动技术的重要方式，也将是今后研究的重点内容。通过不断的研究提升我国的皮划艇竞技水平，使我国成为一个运动强国。

参考文献：

[1]赵云涛，曹妮娜.浅谈在动作和能量代谢视角下如何进行静水皮划艇项目训练[J].科技展望，2016，07（07）：266+268.

篇7

关键词：网球； 正手击球； 发球技术；综述

网球运动已经从贵族走向平民化，越来越多的人开始喜欢并从事网球运动。网球是一项技术性很强的运动，它不仅需要大关节、大肌肉群的运动，而且还有小肌肉群的参与。正手击球是网球诸多技术中最重要的技术，是各种打法都必须具备的主要的得分手段。从某种意义上讲，可称为网球运动员的生命，技术风格是否鲜明、突出主要取决于其正手击球的威力。

1.正手击球动作的生物力学分析

1.1 引拍动作

引拍后摆阶段以手为主的躯干和上肢的转动，以脚为主的躯干和下肢的转动是身体形成了适当的前摆姿势。在网球中，基本上所有的动作都躯干k上下肢体扭转的特征。击触地球时，从准备姿势到后摆完成躯干扭转120 o_ 。网球正手击球中躯干的扭动角约为30。，这表明在完成后摆时，肩轴比髋轴扭转的角度更大，这对拉长肌肉有一定的作用 。在击球过程中肌有拉长一缩短周期的特性。肌肉在后摆阶段进行了预拉伸并储存了弹性势能，后摆期肌肉的离心收缩后紧接着就是向前挥动阶段的向心收缩，不管是后摆的完成时还是在前挥早期，记录到的最大角度可代表预先拉长程度。

1.2 向前挥拍击球

击球时，器械的挥动速度和运动轨迹，决定了击球类型、运动方向、旋转及速度。躯干的转动和下肢的伸展，使球拍向前运动。富吉萨瓦等研究显示，躯干的有力转动对击打手臂的滞后运动极其重要，这样在前摆早起了拉长肩部肌肉”。躯干连续向前转动，在击球时肩轴几乎与底线平行，此时的肩轴领先于髋轴约10。虽然在击打平击球、上旋球、下旋球以及过肩高球时的向前速度不同，已经证实，肩的速度对向前和向上击球速度的作用约为15％_J 。在击球过程中上臂向前运动是正手击球的主要力学特征，它产生向前速度的20％-30％ ，向上速度的20％。

1.3协调链

网球的击球过程中，大肌肉群的发力必须与小肌肉群的控制相互配合，所以不只是依靠手臂力量，还必须借助于全身的协调用力才能击出理想的球。有效地利用身体的协调链，在克服惯性后达到的动态平衡中，充分利用反作用力、动量和弹性能，把握好击球时机和节奏，从而打出一记高质量的回球。

根据人体协调链的原理，从腿部、髋部、上体、头肩四个环节对正手击球过程中的触球动作进行分析。

2.发球技术动作的生物力学分析

2.1对网球发球技术的研究

发球的整个过程分为握拍与站位、抛球、过渡、向后引拍、挥拍击球、随挥六个环节。现对抛球，挥拍击球进行精密的分析。现在的技术研究主要是分析世界的优秀发球手一些国际顶级发球高手他们发球技术的优点，加以练习，从而来提高发球的技术和发球的速度。主要区别在向后挥拍和过渡这两个环节。向后挥拍有两种：一种是有下向后上引(如费德勒、纳达尔等等优秀选手)，另一种是由前向上向后引，(如罗迪克、海宁等等)嘲；这两种向后引拍的方式，都是人们效仿的技术，至于那种有利于提高发球的速度，并不太清楚；过渡的方式也有两种：一种是上部并腿，这是大部分选手采用的一种过渡方式(如罗迪克)，其优点是利用重心的快速前移有利于增大发球的力量，其缺点是容易破坏人体的平衡，影响发球的准确性，上步时前脚向内转动，另一种是不上步(如费德勒)，即后脚不移动，其优点是有利于保持人体的平衡，有助于发球的准确性，其缺点是力量稍差。

2.2抛球路线

抛球后，球向上飞行的线路是否垂直，将会影响到球员在击球时的稳定性，如果球被抛出后在水平方向上有较大的速度，那么在对球进行空间上的判断上就会增加难度，在网球的所有击球过程中，对球位置判断的准确都是十分重要的，而假设球如果飞出后只在垂直这一个方向上运行，那么运动员就只需要在一个方向上判断击球的位置。其实在现实的抛球过程在中，都不可能达到绝对的垂直，我们尽量减少抛出的球在飞行线路上与垂直方向的夹角。

2.3超越器械阶段

超越器械动作是投掷动作技术的重要组成部分，同样也是发球的重要组成部分，超越器械是在动作最后的用力开始前，身体(尤其是下肢)以更快的速度向前运动，造成髋部横轴运动速度超越肩部横轴运动速度，使器械落在身体后面，使身体处于扭紧状态，形成下肢在前，上体在后的倾斜姿势。超越器械动作能充分把器械远远地留在身体后面，使器械的工作距离大大增加。由于身体的倾斜使器械和身体的重量压在弯曲的右腿上，这也为最后蹬伸增加了距离@。

3.结论

通过对网球正手击球及发球技术动作综述，得出以下结论：

3.1正手击球

3.1.1根据人体协调链原理，充分而有效地利用身体的每一部分，避免不必要部位的使用，掌握好各部分的发力时机，将对击球动作提供更大的力量同时减少受伤机会。

3.1.2网球正手击球过程中的触球环节，必须充分利用人体的协调链，即腿、髋、上体、头肩四部分协调有序的用力，克服惯性，保持平衡，利用反作用力，大肌肉群收缩存储弹性势能，小肌肉群精确控制，使全身的力量顺畅地传递到球拍上，线动量和角动量完美结合，在恰当的击球点击出一记好球。

3.2发球

3.2.1提高腰腹部肌肉的训练，尤其是原地转肩的爆发性用力与腹肌的训练，提高发球时候身体的扭转性发力；

3.2.2在训练中，加强腿部向上的蹬伸力量的训练，提高发球过程中下肢动作技术的学习，使下肢在蹬地发力时更加符合鞭打动作技术，为上肢挥拍击球提供。（作者单位：云南师范大学）

参考文献：

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篇8

关键词 攀岩 生物力学 侧拉动作 技术分析

本文运用文献资料法对动作技术的分析加以概括，特别是关于运动生物力学的研究分析。很多研究中都运用到了运动生理学的相关指标，如肌电测量分析法，当然生物力学的实验研究少不了，如平面定点摄影测量法。这些方法均是为了找出优秀动作的运动学参数指标，寻求该动作过程的运动学特点，揭示运动员完成合理动作的规律和技术动作要领，并制定针对性的科学训练方法，促进运动员快速掌握动作技术，进而提高攀岩运动的竞技水平。

1侧拉的分类

侧拉动作 1：开始动作时运动员身体正对岩壁身体重心离岩壁远而不利于完成动作。

侧拉动作 2：开始动作时运动员身体侧对岩壁，但支撑腿（左）和岩壁之间的角度太大。

侧拉动作 3：开始时运动员身体侧对岩壁，支撑腿的外测尽量贴近岩壁。

2平面定点测量的结果分析

2.1攀岩时人体重心的特点

人体重心是人体各环节所受重力合力的作用点，攀岩时只有手和足附着在岩壁上人体其它部分均在岩壁之外，由岩壁与人体的位置关系可知，攀岩时人体重心在岩壁之外，重力不仅对人体产生向下的作用力，同时还产生使人体向外倾倒的力矩，因此重力是破坏人体平衡的主要作用力，人体重心的位置对攀岩时人体的平衡非常重要。

2.2保持平衡所需力量

人体重心的位置对攀岩时人体的平衡非常重要。动作1和动作2在做起始动作时重心在两支点连线的左方但中间动作时在两支点连线的右方，在这个过程中为了保持身体的平衡手臂做了很多的功也就是手的拉力用了很大的劲，而动作 3 的起始动作时重心在两支点连线的右方，所以在完成动作时很省力，动作是科学的。

3三种侧拉动作的力学分析

侧拉动作1和侧拉动作2在起始动作时重心在两支点连线的右侧，但中间动作时在两支点连线的左侧，在这个过程中为了保持身体的平衡，克服重力给人体带来的转动效果，手臂的拉力起了主要的作用，用了很大的力量。而动作3的起始动作时重心在两支点连线的右方，人体重心主要是垂直方向的运动，所以在完成动作时比较省力。同时侧拉3的动作特点是身体侧对岩壁，身体对侧手脚接触岩壁，另一只腿伸直用来调节身体平衡。人体重心更靠近岩壁，倾倒力矩小。另外支撑腿在由屈到伸的过程中人体重心只是向上移动，不会被顶离岩壁，倾倒力矩不会增加，随人体重心提高侧对岩壁可以使右臂仍然可以向下拉，抵抗倾倒的力矩不会减小，平衡维持比较容易，同时可以利用全身的高度去抓握上方支点。

4采用侧拉技术动作合理性（侧拉动作3）的力学分析

侧拉动作3的特点是身体侧对岩壁，身体对侧手脚接触岩壁，另一只腿伸直用来调节身体平衡。力学合理性表现为两个方面，一是由于侧对岩壁，人体重心更靠近岩壁，倾倒力矩小。另外支撑腿在由屈到伸的过程中人体重心只是向上移动，不会被顶离岩壁，倾倒力矩不会增加，随人体重心提高侧对岩壁可以使右臂仍然可以向下拉，抵抗倾倒的力矩不会减小，平衡维持比较容易，同时可以利用全身的高度去抓握上方支点。

另外，侧拉时人体重心点一直在左手和右足攀登附着点的连线附近，由于力臂很小，这样在人体上升用右手触摸下一点时人体重力几乎不产生绕纵轴的使人体翻转的转动力矩，这样右手就可以比较自如的去触摸和把握下一点，左腿也可以进行较大幅度的活动。

5不同类型侧拉技术肌电测试结果的分析

在三种侧拉动作的对比中侧拉动作3的膝关节角度开始变化时肱二头肌还没开始发力，股外侧肌是促使身体向上移动的主要发力肌肉。

另外，在三种侧拉动作的对比中侧拉动作3的发力顺序间隔明显股外侧肌――腓肠肌――背阔肌――肱二头肌，说明在侧拉动作3的过程中股外侧肌是最先参与发力的而且发力而且持续时间长，贡献的力量最大，是主要用力肌肉，相反肱二头肌的参与时间晚，持续时间短，贡献的力量最小。不同侧拉动作各肌肉发力大小比较可以看出侧拉动作3的肱二头肌积分肌电值最小，股外侧肌积分肌电值最大。

在难度攀岩中如何合理的应用技术动作调整身体平衡，节约上肢力量直接决定运动员的比赛成绩，从以上对比看出侧拉动作3是这三种动作中最合理的动作，同时也提醒我们在日常训练中不要单单注重上肢力量的训练，下肢力量的训练也是很有必要的。

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篇9

【关键词】跆拳道；后踢技术；腰部损伤

一、前 言

随着跆拳道比赛激烈程度的提高，以及跆拳道规则规定后踢技术作为旋转踢技术的一种，击腹分值扩大到两分，击头得分扩大到4分，后踢技术的应用比例越来越高。但是由于后踢技术较难掌握，在比赛中时机难以把握而且后踢技术本身准确性较差，从而不可避免的发生运动损伤。通过问卷调查和专家访谈法对后踢技术动作进行研究，分析后踢错误动作导致运动员腰部损伤的原因，以降低因后踢错误动作带来的腰部损伤对运动员日常训练和生活造成的不良影响，提高后踢技术在跆拳道实战和比赛中的使用频率和得分频率。为跆拳道后踢技术的教学、训练和比赛提供科学的依据，为跆拳道训练中出现的腰部损伤的预防、治疗及康复提供理论依据。

二、研究对象与方法

（一）研究对象

后踢错误动作以及其造成的腰部损伤为研究对象。

（二）研究方法

文献资料法、问卷调查法、视频分析法、专家访谈法

三、结果与讨论

（一）后踢错误动作导致的腰部损伤的症状

据调查后踢导致腰部损伤的错误动作中，上体过度旋转和身体转动幅度过大或过小最容易导致腰肌急性拉伤。此外，在弓腰或腰部突然发力过猛、不当、外力过大或准备活动不充分等都会导致腰肌急性拉伤。

据统计，大部分腰肌劳损同学是由于急性腰肌拉伤后没有进行及时的治疗，或损伤尚未痊愈而继续进行大强度长时间的跆拳道训练，造成腰部肌群二次或多次损伤，最终导致腰肌劳损。除上诉情况外，即使是正确的后踢动作在长时间大强度的训练后腰部肌肉处于疲劳的情况下，若疲劳长期持续不能得到很好的恢复也会造成腰肌劳损腰肌劳损。由于后踢错误动作使腰部劳累，扭伤等都会导致腰部肌肉僵硬处于紧张状态，形成劳损。出现这样的病症时，生活中避免久坐和劳累。伤者主要症状是感觉腰背疼痛，时轻时重，或晨起，天气变化时加重，稍活动后可减轻，劳累后容易复发。

（二）后踢正确动作的生物力学分析及肌电实验结果分析

跆拳道后踢技术生物力学分析：王超在《跆拳道后踢技术的生物力学分析》一文中阐述了后踢技术一般由准备姿势、转头及身体与踢击腿的折叠蓄势、伸髋及伸膝的击打、击打后迅速还原四个技术环节组成。后踢力的传递顺序是：腰―髋―膝―脚，而发力点在腰上。为了提高后踢的效率，就必须使后踢保持直线的轨迹，有两个关键环节，一是当上体转到背对目标时就要及时“制动”，使转动的能量向后踢方向传递，这时踢击腿的同侧肩需要留住并微向下压以维持整个动作的平衡；二是踢击脚要贴着支撑腿内侧向后踢向目标。运用生物力学的知识对这四个组成部分进行分析不难看出，伸髋伸膝的踢击是后踢技术的关键，而这个环节中腰部作为身体的中间环节而且是首先发力的部位，可见腰部的运动在后踢动作中非常的重要，正因为重要、使用次数多动作复杂难以掌握更容易照成腰部的运动损伤。要使后踢的力量、速度都充分发挥出来，就必须遵循大关节首先产生活动的原理。由于大关节首先活动的原理，腰部最先发力并且转动幅度较大，但是由于腰部的特殊构造及生理活动范围有限，难免会造成运动损伤。

（三）后踢正确动作和错误动作的对比分析

1.在转头及身体折叠蓄势环节

（1）正确后踢动作：身体的发力顺序遵循腰部大关节首先发力的原理，而头的转动反射性的加速身体的转速，产生较大的惯性，另外转头后上体及时“制动”。

（2）错误的后踢动作：a、在此阶段忘记转头，这样因为头的转动而加速旋的身体转动就消失了，为了是身体的转动刚好背对踢击目标，运动员必须加大腰部用力，这样会导致腰部肌肉做工增多疲劳增加。b、腰部加大发力时，踢击腿的同侧肩没有下压“留住”上体，导致伤上体转幅过大超过腰部的生理活动范围和肌肉的承受范围，容易导致腰部损伤。

2.伸腰伸膝的击打环节

（1）这个技术环节中要不转动速度增大，踢击时强调大小腿折叠并紧贴支撑腿转动。还要注意上下肢的配合不但要保持身体平衡同时踢击腿的同侧肩还要下压同时形成与去干的扭转，借以提高踢击腿的力量和速度。在此环节中筋膜扩张肌、半腱半膜肌、竖脊肌等肌有重要的意义并极大的参与了动作的完成过程。

（2）错误的后踢动作，在此环节中最容易出现塌腰、未低头压肩，使身体呈两头上翘的钐，造成踢击力量分散，并且对腰椎软骨造成积压是腰部的肌肉群出现反向牵拉，极易造成腰部损伤。此外，这些肌肉在后踢技术中大量运用会导致肌肉疲劳，在肌肉疲劳的情况下腰部的过多扭转或其他错误动作都会导致腰部损伤。

（四）后踢错误动作导致腰肌劳损的原因

后踢动作为了提高后踢效率保持直线起腿，当上体转到背对目标是及时制动，是转动的能量向后踢方向传递，这是踢击腿的同侧肩需要“留住”微向下压以维持整个动作的平衡。但后踢技术的错误动作上体上扬等没有压肩制动，肩部的上扬带动腰部旋转，这样就会使腰部的生理平衡失去控制最终导致腰部损伤。由于后踢动作遵循大关节首先活动的原理，腰部最先发力并且转动幅度较大，但是由于腰部的特殊构造及生理活动范围有限，难免会造成运动损伤。

四、小 结

后踢导致腰部损伤的错误动作中，上体过度旋转和身体转动幅度过大或过小最容易导致腰肌急性拉伤。大部分腰肌劳损同学是由于急性腰肌拉伤后没有进行及时的治疗，或损伤尚未痊愈而继续进行大强度长时间的跆拳道训练，造成腰部肌群二次或多次损伤，最终导致腰肌劳损。人体腰椎活动范围能够支持人体做各种运动动作。如果超过腰椎生理活动范围，则会导致腰椎的损伤，尤其在运动训练中，教练员和运动员应注意掌握这一特点。

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1. 内蒙古医科大学，内蒙古呼和浩特 010110；2.内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科，内蒙古呼和浩特 010059

[摘要] 三维有限元分析法是研究脊柱生物力学的重要手段之一。随着三维有限元分析软件技术的日趋成熟和对脊柱生物力学的认识不断加深，为相关学者对治疗脊柱相关疾病过程中的应力分析影响研究提供了有利条件，并日益受到医学界的重视。本文从有限元法概念及原理、构建脊柱有限元模型的作用、有限元在脊柱畸形研究中的应用及其医学应用前景等方面综述了近年来的一些研究进展。

[关键词] 有限元法；生物力学；脊柱

[中图分类号] R682.3 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2014）03（a）-0166-03

Finite element analysis of progress in application of ankylosing spondylitis kyphosis deformity

ZHU Lei1 HUO Hongjun2

1.Inner Mongolia Medical University， Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010110， China； 2.Department of Spinal Surgery， the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University， Inner Mongolia Autonomous Region， Huhhot 010059， China

[Abstract] The three-dimensional finite element method is one of the most important methods in the study of spine biomechanics. With the maturing application of the three-dimensional finite element analysis software and further studies on spine biomechanics， it is creating favorable conditions for scholars on stress analysis influence research in spine-related disease treatment， and it is increasingly regarded in medical field. This article shows the concept and principle of finite element method， function of construction of spinal finite element model， application of finite element method in spine deformity， potential medical applications and so on.

[Key words] Finite element method； Biomechanics； Spine

强直性脊柱炎后凸畸形是强直性脊柱炎并发脊柱畸形的晚期的常见表现，其在生活中主要表现在是使患者难以保持人体的重心，两眼看地，难以向前平视，给站立和行走造成了很大功能障碍，使患者的生活质量严重下降，而治疗这类患者的有效手段就是截骨矫形术[1]。有限元法的基本方法是把独立的集合体离散化，简单的说，就是把一个由无限个单元组成的连续体进行划分，使其成为有限的具有力学特性的简单单元，用简化后的已知单元来近似原有的连续体，然后进行解析。其过程有三个基本阶段：有限元模型的建立（即前处理）、有限元解算、结果处理和评定（即后处理）[2]。通过有这种方法能够进行数字重建并在该基础上进行手术过程的模拟，使术者对整个手术过程有更加全面的了解，对术可能出现的问题及应注意的事项作全面的分析，对手术的方案具有指导意义[3]。

1 有限元法概念及原理

建立一个等价的模型使其替换原有的真实结构，此模型是由无数个分散的单元（即有限元素）组成的连续体，且其中这些单元易用数学语言表达，按照一定规律保证其连续性，将它们还原成可以用线性代数描述的真实的连续结构，通过运算可以解析出所需物理量的方法即有限元法，又称为有限元素法（finite element method，FEM）。将单独的弹性体进行离散化，使其成为由有限个单元所构成的连续体，而连续合体内的各个单元只能够在有限个节点上进行交接，其中全部的节点仅具有有限个自由度，在此条件下进行解析成为可能，这就是有限元分析的方法。将微分方程的持续形式转换成数学方程组，是其在数学意义上的表达。而有限元法亦是凭借位移法的思考方式，以能量转换的原理为基础，利用矩阵代数形式进行表达的一种数值方法。有限元法对处理各种纷乱的边界条件和繁琐的几何形状非常有效，且可以有效的解决各类杂乱的材料及其属性。而如果利用计算机软件来模拟人体体内的一些情况，可以通过控制一些实验室的条件，例如有限单元、自由度等来完成。这种方法在骨科生物力学中开始逐渐应用起源于20世纪70年代，而直到20世纪90年代，随着电脑技术的不断发展升级，计算机图像处理技术和电脑软件的联系逐渐加深，从而才出现的数字医学有限元分析（DM-FEM）技术。现在有限元分析早已成为探索骨科生物力学秘密的常用方法了[4-5]。现行有限元分析的软件种类十分繁多，且基本上都是国际通用的，他们在汽车制造、模具的研发、医学等领域的有十分广泛的应用。ANSYS、MARCABAQUS、ABAQUS等各个有限元软件利弊，但它们的运算方法大多类似，基本一致。如今有限元分析早已成为独立的研究骨科生物力学的手段，且早已不是最初以观察和验证某些实验的结果为目的而应用的了。

2 有限元模型在骨科应用中的优劣分析

2.1 有限元模型的优势

首先通过有限元模型可以模拟许多实体的变化，例如强直性脊柱炎后凸畸形矫形术前与术后的对比，脊柱截骨术前后脊柱形状的改变等；其次是在生物力学方面的研究，例如椎骨与椎间盘之间的生物力学变化，对它们内在的张力和应力进行有限元分析，对于寻找出骨适应性变化的原因有重大帮助，并且这对进行实体模型的负载应力实验研究亦有重要意义，而在其他实验中无法做到这些；然后通过有限元模型可以对脊柱器械元件长短、厚度的设计、材料的选用进行分析，在新的脊柱器械仍在研发阶段时对其进行评估；再次有限元模型能对损伤及退变、结核等多种病变进行模拟；最后该模型可以模拟肌肉对脊柱力学的影响。所以这种方法在进行脊柱运动学、脊柱动力学和脊椎及椎间盘内部的生物力学变化等各种研究方面拥有很大优势。

2.2 有限元模型的局限性主要存在两个方面

第一方面，该模型的建立过分依赖标本的实验研究：首先，要建立有限元模型，需要与实验模型进行对比，而实验模型往往是从已经做过的或者文献中搜寻到的较为合适的，将两者的结果进行对比，它们的吻合度高表示该模型的有效性好，这是验证有限元模型的有效性的方法。但是建立的数学模型能够很好的表达实验结果，可当其单独的进行预测的时候，其作用有限；其次，有限元模型建立的完全取决于模型的构成，能否取得合理的数据，直接影响着模型建立的结果。而有限元模型的本身并不能直接得到数据，它取得数据的最主要渠道就是从实体标本模型中获得，例如各种骨和软组织的材料的特征数据，然而这些数据并不是完全正确的，这其中包含了许多原有的错误，且这些数据并不是都适用于数学模型，更重要的有些数据甚至根本无法取得，这是有限元模型不能够理想建立的重要原因。第二方面，有限元模型存在太多的简化和假设：首先，与实体的标本和活体的实验进行比较，数字模型的建立是由对其进行实验的人员进行自由地对其进行各种假想，选用不同的材料及属性，对实验进行相对理想的简化，更重要的是对各种繁杂成分的材料的生物力学特性作理想化的简化假设，这样能够使得模型的有效性更为重要也更加难以实现。其次，椎体的完整形态与其相邻的椎体的位置关系对预测脊柱椎体间的生物力学关系有很重大的意义，但这些数据都是在CT断层片中获取的，或是从实体标本中取得的相近值。要建立脊柱有限元模型中脊椎的几何形态，首先应将其进行简化，以相对简单的构件来进行相对真实的几何形状模拟，用这样的方式建立的几何形态并不准确。

3 有限元法在脊柱畸形研究中的应用

有限元模型的离散化是指将一个由无限个单元所组成的集合体划分成有限个的有力学特性的已知的简单单元，这是其基本原理，这也是一种全新的生物力学测试方法。利用此方法的有限元模型能够与先前的实体进行替换，按照先前实体的材料及其应该的加载的力学状态，按照其所需要的类型进行挑选，在各个单元之间通过节点进行相连，使力在节点之间传递。而用单元节点量通过选定的函数关系插值可以求得单元内部的待求量[6]。

为了对脊柱侧凸、后凸畸形矫形手术中，椎体在术前与术后中的的改变进行比较，应用数字成像技术，在脊柱畸形矫形手术中，定量分析矫形定位的椎体并对其旋转和形矫形进行量化对比，Dumas等[7]运用此方法来评估脊柱侧凸、后凸畸形的程度及观察手术效果，所以掌握脊柱相关病变的病理性变化对于确诊和制定手术方案具有重要的意义。

晚期强直性脊柱炎后凸畸形必须进行脊柱截骨矫形手术，这是治疗这类疾病的有效手段。生物力学（Biomechanics）是一种将力学原理应用在生物体生命活动规律的一门学科，它把各个单一的学科整合在一起，使其相互叠加、共同作用形成了一门的新的将力学应用于生物学的新学科[8-10]。由于不同类型柔韧性评估方法根据其力学原理的异同，在各类脊柱侧凸中，采用相同的力学加载，所得到的结果必然不同。这为在不同力学加载产生的脊柱侧凸的形状进行的柔韧性评估方法的问题探索给出了重要的根据[11]。利用生物力学的有限元方法，可以针对具体病例、具体矫形器械和矫形策略进行模拟，预测术后矫形结果，分析术中参数选择对结果的影响权重，进而指导手术规划。Lafage等[12]为了对CD系统的矫形策略进行探讨，建立了以具体病例为依据的梁单元模型，这不仅仅让人们对胸腰椎侧凸矫形的上下端椎位置改变对术后矫形结果的原因有了深入的了解，更重要的是其引入了侧凸脊柱的刚度变化这一重要概念。Rolmann等[13]在ABAQUS软件中建立了简化的胸腰椎侧凸有限元模型，以加载方式为变量，初步讨论了前路VDS系统的矫形策略。为了对支具、器械与生长调制等进行实验研究，是Aubin等[14]利用从CT断层片中取得的数据，建立起了人体胸腔和脊柱的数字模型，与实体标本中取得的数据进行比较，有较高的吻合度，从而建立起了相对完整的数字模型，并以该模型为基础模拟出相应的各种用具。而通过器械治疗胸腰椎侧凸过程，是Poulin等[15]用ADAMS软件模拟出的。模拟手术的重要目的之一是分析脊椎的安全性，Lafage等[12]依照真实的病例重建了数字模型，希望能表达出椎间软组织的弹性变形，为此还引入侧凸脊柱的刚度变化，但却将脊柱的骨性结构作为刚体来相近处理，所以根本不可能取得与脊柱生物力学相符的力学变化，这明显不能够实现。Rohlmann等[16]利用数字模型比较了前、后路内固定器械的稳定性差别，并建立了颇具代表性的腰椎模型。这些工作都还处于初级阶段，但是已经展示了有限元方法在手术规划领域的广阔应用前景。

4 三维有限元的应用前景

利用生物力学的有限元方法，可以针对具体病例、具体矫形器械和矫形策略进行模拟，预测术后矫形结果，分析术中参数选择对结果的影响权重，进而指导手术规划。有限元分析的结果取决于不同因素对其产生的影响，其中包括模型的建立，不同模型间形状和材料属性的异同，还有对其负荷加载的差异等等，但这种分析研究的方法对在脊柱生物力学方向上有着极其广泛而又深入的探索。

Rohlmann等[17]在ABAQUS软件中建立了简化的胸腰椎侧凸有限元模型，以加载方式为变量，初步讨论了前路VDS系统的矫形策略。脊柱力学特性研究的较为常用的方法是有限元法，从基本原理的角度看，其能够应用于任何的复杂结构，可在脊柱的力学特性方面，还有许多尚无法解释的难点，例如颈椎有限元模型的建立，就仍需要继续去验证。所以要用数字模型来模拟近乎真实的人体，还有很长的路要走。近年来由于计算机科技水平的持续提高，且对探索脊柱组织力学特性的需要逐渐深入，数字模型的建立将可以逐渐真实的对脊柱在各种状态下的生物力学变化进行模拟，这对临床病例上遇到的常见难题会有更加透彻的了解，从而可以给医生在生物力学方面提供更好的参考。有限元方法是脊柱生物力学研究的有效方法，由于电子科技水平的持续性提高，且在生物力学领域的的探索的逐渐深入，这不仅使有限元软件的技术水平得到了提高，还将对脊柱生物力学的探索引向更深入的层次。

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