人體力學

人體力學（human mechanics）是運用力學原理研究維持和掌握身體的平衡，以及人體從一種姿勢變成另一種姿勢時身體如何有效協調的一門科學。它基於人體生理解剖學、理論物理學的知識,研究人體運動器官的結構、功能與運動規律,從而指導人體防護與保健。在體育、舞蹈、搬運和負重、醫療、航空和航天等領域都有廣泛應用。

人體力學是研究人體活動和在各種力學作業條件下活動能力的學科。該學科基於人體生理解剖學和理論物理學的知識,研究人體運動(活動)器官的結構與功能,每個關節以及整個身體運動規律。

人體具有功能完善的神經-肌肉-骨骼系統,通過如下4項生理活動構成人體力學的生理基礎,保證人體隨意活動與力學作業的順利進行。

肌肉-骨骼系統的槓桿作用

第一類槓桿(支點位於作用點與阻力點之間)用於保持平衡。可用小的作用力克服大的阻力,它的機械效率可以大於或小於1。枕環關節、骨盆大腿關節、膝腳關節屬於此類。如頸後肌牽拉為作用力,頭重為阻力,枕環關節為支點,作用力及阻力在支點兩側,並與支點支持力方向相反,可藉此種槓桿來調整人體姿態,以維持頭部姿態平衡。第二類槓桿(阻力點位於作用點與支點之間)是省力槓桿,機械效率大於1。人腳尖站立時構成此類槓桿。踝關節跟腱為作用力,其重力(阻力)落在踝關節上,以拇趾底為支點來調整並保持走、跑、跳等動作的平衡。第三類是費力槓桿(動力點位於阻力點與支點之間),動力臂短於阻力臂。膝關節、肩關節、肘關節屬於此類。如,手持重物時肘關節彎曲,肱二頭肌作為作用力,手部為重力,關節滑車為支點。當肱二頭肌收縮時,使肘關節彎曲以保持上肢的穩定姿態。

關節活動方向與角度

人體各活動部位(主要以關節為核心)的方向與角度,取決於關節的表面形態。它可決定關節移位的自由度。由於骨骼處於固定狀態,關節的自由度不多於3個(少於機器人)。不同的關節具有不同的自由度(表1)。具有一個以上自由度的關節,可以使關節完成其最大可能的活動方向。如有3個自由度的骨盆和下頜關節,可以完成上下、左右、前後方向的動作。肩關節可完成人體座標系上的3個方向活動:在矢狀面上的彎曲與伸展;在前額面上的內收與外展; 沿着垂直軸旋轉。人體各活動部位具有各自不同的活動方向與範圍。

肌肉力與能量

肌肉活動(收縮、舒張、保持緊張度三種形態,機器人不具備)時,消耗能量。活動量(強度)越大,參與活動的肌肉塊就越多,消耗能量也越多。例如,與安靜相比,人體維持站立姿勢參與的肌羣多,能量代謝率有時高於安靜狀態的22%。能量代謝率的升高伴隨一系列生理功能(呼吸循環與產熱等)的增加。當超負荷或人體活動嚴重受阻(如,壓力服處於加壓狀態)時,肌肉力與能量消耗過度增加,還會產生物質代謝障礙,促使疲勞(機器人不具備)。因此,省力節能是重要的人體力學預防對策。

姿態(或體位)的調節控制

在正常狀態下,大腦調節控制肌肉骨骼系統的工作狀態(有關肌肉羣參與活動),完成各種隨意動作;與此同時,在大腦-小腦-平衡器官聯合調整控制之下,通過各有關肌肉羣的工作穩定體位或姿態。如人體在坐、立、步行或跑步時,通過複雜的神經-肌肉-骨骼系統與平衡器官的協同工作,保持人體不偏離重心(動物的重心不同於人體),實現人體應有的體位或姿態。在力學作業時,只有採取有效的人體力學作業方式或防護措施,才可以通過上述同樣機理取得滿意效果。顯然,機器人不具備、生物不完全具備這種複雜的、靈敏的調節控制系統。

競技體育領域

（一）研究動作結構與運動功能間的關係

結構決定功能是力學的基本觀點。在人體運動中，研究人體整體與局部的動作結構、肌肉配布及活動形式、各個器官系統間的協調與發展，是研究運動功能的生物力學基礎，也是運動生物力學理論與實踐研究的基本任務。

（二）研究人體運動技術的力學規律

研究人體運動技術動作的生物力學結構和功能，研究體育教學中人體各項動作技術的生物力學原理，揭示動作結構的力學合理性和運動技術的力學規律性，更好地指導體育教學與運動訓練。

（三）研究運動技術的最佳化

通過對運動員運動技術動作的生物力學診斷，提出合理的、符合生物力學原理的技術動作結構，建立最佳的技術動作方案，並尋求改進技術動作的訓練方案，以提高運動訓練的科學化水平。

（四）研究、設計和改進運動器械

體育運動中，無論人體運動還是器械運動，都是人體與外界或運動器械相互作用的結果。因此，研究、設計和改進運動器械，使之符合生物力學原理，可為運動成績的不斷提高創造條件。此外，健身器械和體育用品的研製為運動生物力學的應用研究提供了豐富的研究課題。

（五）研究運動損傷的原因和預防措施

通過對人體運動系統的生物力學研究和對運動技術的生物力學分析，一方面可以揭示運動系統的形態結構和運動功能的統一臨牀治療與康復人體功效性和相互制約性，從而建立合理的運動技術以防止運動系統發生損傷。另一方面可以揭示不同運動動作對人體局部載荷的影響，找出運動系統發生損傷的力學原因和生物學原因，從而採取合理的技術動作和預防措施，以避免運動損傷或選擇合理的生物力學康復手段。

（六）為運動員選材提供生物力學參數

研究各項運動技術的生物力學特徵，構建完成動作所必須滿足的人體形態和功能素質的要求。以人體環節慣性參數對運動功能的影響為例，跳躍運動員要求下肢相對較長，然而，在下肢長度相等的情況下，則應考慮其大、小腿長度之比，顯然，大腿較短、小腿較長更適合運動。

臨牀與康復領域

（一）人體力學在臨牀治療中的應用

肌骨系統是維持人體宏觀結構的重要器官，肌骨系統生物力學即研究肌骨系統在生理病理條件下運動產生的力、力矩以及相應的變形之間的關係。人體力學研究可以更加清楚地瞭解人體肌骨系統的生理載荷模式，幫助我們分析非正常運動模式和病理狀態下的力學異常，從而指導治療方案制定和肌骨骨科植入器械的設計。

心血管領域，各類心血管疾病的預防與治療成為全球關注的熱點問題。常見的心血管疾病如：動脈粥樣硬化、動脈瘤、急性血栓等均與人體血液循環系統內的流體力學現象有着密切的關係。生物力學，特別是藉助現代計算機仿真技術和體外細胞力學加載技術開展的研究為心血管疾病的發病機理研究、個性化治療方案制定和具有血流動力學優化特性的血管植/介入物設計提供了理論依據和技術手段。

（二）人體力學在康復工程中的應用

用工程的方法和手段使傷殘者康復，促使其功能恢復，重建或代償，是康復工程在康復醫學中的主要任務。其中，人體力學發揮着非常重要的角色。主要表現在兩個方面：

其一，身體障礙生物力學特徵的測量與分析是康復輔具設計的重要依據。為了使康復輔具達到設計目標，首先需要對障礙的特徵進行有效的測量和評價，而生物力學特徵是生理系統的重要指標之一，因此也是進行康復附件設計的重要依據。

其二，人體與輔具的生物力學交互作用是康復輔具優化設計的重要因素。為了對殘障人的身體障礙進行補償、替代或者修復，康復輔具必須和人體發生交互、生物力學因素在這種交互過程中有着重要的影響。

航空航天等特殊領域

在航空航天等特殊領域，人類面臨長期或短時間的失重或超重環境。這種特殊環境下人體力學主要研究生物體在航空航天動力環境中生理機能變化規律及其防護措施。它既屬於特殊環境生理學範疇，又屬於生物力學範疇。

（一）正加速度對人體的影響：

當殲擊機做盤旋、跟斗、半跟斗翻轉、俯衝改出等曲線飛行時，飛行員頭朝向圓心，受到由足指向頭的向心加速度作用，而慣性離心力則以相反方向作用於人體。飛行員受到持續性正加速度（+Gz）的作用。主要影響如下：

循環系統：血壓變化，心水平以上部位血壓降低，心水平以下部位血壓升高，血液分佈改變等。

呼吸系統：胸廓與橫膈重量增加，呼吸肌負荷增大，吸氣費力，吸氣時間延長，以至出現呼吸暫停。肺換氣效能低，動脈血氧飽和度降低等。

視覺功能：眼水平動脈壓降低，出現視力模糊、視野縮小、中心視力喪失等。

腦功能：腦部血液循環障礙引起一時模糊甚至喪失。

（二）失重對人體的影響

失重是航天中遇到的一種特殊環境因素，對人體肌骨系統、心血管系統、免疫系統等均會產生顯著影響。

在長期和重複航天飛行時，骨和鈣代謝的進行性和積累性變化將導致骨密度下降和骨礦鹽含量的再分佈。失重引起的骨質降低及鈣、磷代謝負平衡在返回後較難恢復，且可能出現骨折等損傷，影響航天員的健康。

重力負荷的消失將導致人體骨骼肌尤其是抗重力肌的明顯萎縮，並伴有肌纖維類型、代謝方式以及肌肉收縮功能的改變等。失重性肌萎縮的發生不僅影響航天員的在軌飛行時間和工作效率，也嚴重影響了航天員返回地面後的再適應能力。

失重對人體心血管系統具有廣泛的影響，主要表現為航天后立位耐力不良。血液總量減少雖是引起飛行後心血管失調變化的主要原因和必要條件，但非唯一原因，有時甚至並非必要條件。動脈系統功能的變化在航天所致航天員立位耐力不良的發生中可能起到重要作用。