Fundamentals of Biomechanics（生物力学基础）

引用

Knudson, D. (2021). Fundamentals of Biomechanics (3rd ed.). Springer.

章节概要

第三版篇幅不长，约250页：三个部分共十章（约185页），之后是五个附录（生物力学术语表、换算系数、奇数号复习题参考答案、直角三角学复习，以及用于定性评价生物力学原理的表格）和十二个实验活动。每章以“关键问题”开头（开始之前需要知道什么、为什么需要知道、核心观点是什么），以小结、复习题、推荐阅读和网络资源结尾。出版社介绍书中有160多幅展示真实人体动作的图片，以及分析实际技术动作的案例研究；前言还提到应用专栏和跨学科问题专栏，用来把生物力学与其他运动科学联系起来。

第一部分（第1–3章）

第1章：人体运动生物力学导论。 界定生物力学和人体运动学（kinesiology），说明专业人员为何需要生物力学，并介绍从业者可利用的研究证据，包括从个案研究到荟萃分析的研究设计层级。

第2章：解剖学描述及其局限。 复习方位术语、关节运动和肌肉结构，然后论证仅凭大体解剖学知识无法解释肌肉在实际中如何产生和控制运动。

第3章：生物力学基础与动作的定性诊断。 介绍贯穿全书的九条生物力学原理（力—运动、力—时间、惯性、关节活动范围、平衡、协调连续体、节段间相互作用、最佳投射和旋转），说明其中一些源于牛顿定律，并展示它们如何用于动作技术的定性诊断。

第二部分（第4–8章）

据书中对这一部分的介绍，它涵盖生物组织的主要力学性质、运动学、动力学和流体，相关实验活动同时进行定性和定量分析。

第4章：肌肉骨骼系统的力学。 组织和肌肉的力学行为：组织如何响应负荷，以及肌肉的力学特性，包括张力的建立、力—时间关系和拉长—缩短周期。

第5章：线运动学与角运动学。 描述运动：距离与位移、速率与速度、加速度及其角量对应，并用代数在时间间隔上进行计算；本章要求具备肌肉骨骼解剖和代数知识。

第6章：线动力学。 线运动的成因：牛顿定律、力及其随时间的作用效果，以及机械功、能量和功率，并用训练中的例子加以说明。

第7章：角动力学。 力矩与转动的成因、应用于搬举动作的静力平衡，以及人体重心的计算。

第8章：流体力学。 空气和水如何影响运动，包括阻力以及作用在旋转球体（如投出的棒球）上的马格努斯效应。

第三部分：生物力学在动作定性诊断中的应用（第9–10章）

第9章：生物力学在教学与教练中的应用。 从踢球开始，以带指导的实例展示运动技能的定性诊断，把九条原理与其他运动科学结合起来。

第10章：生物力学在训练与康复中的应用。 为体能训练以及运动防护、物理治疗和作业治疗等相关健康专业提供类似的指导实例。

核心概念

第一部分：基础

• 动作的定性诊断：系统地观察和评价技术动作，找出并纠正表现不佳或受伤风险的原因。
• 功能解剖学的局限：为什么根据附着点来命名肌肉作用，常常会错误描述肌肉在实际动作中的作用。
• 九条生物力学原理：从力—运动到旋转的一般规则，全书都用它们把力学应用于实践。

第二部分：生物学与力学基础

• 组织负荷：生物组织如何响应施加于其上的力。
• 拉长—缩短周期：肌肉在缩短之前先被拉长时所产生的增强力量。
• 运动学与动力学：描述运动与解释引起运动的力和力矩之间的区别。
• 功、能量与功率：表示力如何改变人体和负荷运动的力学量。
• 流体力：作用在空气或水中运动的人体和抛射物上的阻力和马格努斯效应。

第三部分：应用

• 循证实践：在为运动员或客户提供建议时，把原理与研究证据和其他人体运动学分支结合起来。

评析

优点

• 一小套面向实践的原理。 九条原理为没有工程背景的学生提供了可用的框架，附录中评价这些原理的表格又把它们变成定性分析的检查清单。
• 概念化、代数水平。 数学只用到代数和直角三角学，附录中有三角学复习。出版社引用的第二版推荐语（来自美国运动医学研究所的 Glenn Fleisig 和国际运动工程协会的 Jani Macari Pallis）称赞其清晰，以及把生物学和力学两方面分开讲解的安排。
• 主动学习。 十二个为小组设计的实验活动，从查找生物力学文献和功能解剖，到关节活动范围分析、力—运动原理、重心计算、投球中的马格努斯效应、熟练者与新手的比较、训练方式的比较以及步态诊断。奇数号复习题的参考答案便于自学。
• 为人体运动学相关职业而设计。 第三部分和案例研究把原理应用于教学与教练以及训练与康复场景，符合大多数人体运动学专业学生的职业方向。

局限

• 定量分析很少。 不使用微积分和矢量代数，静力分析也只限于搬举之类的简单模型。生物医学工程学生需要另一本定量教材来练习解题。
• 篇幅短、取材有选择。 正文约185页，每个力学主题只有一章；第三部分的应用也只涉及两类职业场景。
• 只讲人体运动。 本书讨论体育、训练和康复中的动作，不涉及细胞力学、心血管或呼吸系统生物力学以及植入物设计。

在课程中的定位

Knudson 是本课程中概念化、代数水平的入门书。Özkaya、Leger、Goldsheyder 和 Nordin 的 Fundamentals of Biomechanics: Equilibrium, Motion, and Deformation 使用微积分，完整讲授静力学、动力学和材料力学来分析肌肉骨骼系统，是需要求解力学问题的学生自然的下一步。Ethier 和 Simmons 的 Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms 是一本以固体力学和流体力学为前提的工程教材，范围从细胞直到全身运动。

Humphrey 和 O'Rourke 的 An Introduction to Biomechanics 发展固体与流体的连续介质力学，Y. C. Fung 的 Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues 是关于本构行为的研究生专著；两者都远超 Knudson 的程度。Peterson 和 Bronzino 的 Biomechanics: Principles and Applications 是一本编著参考书，用于查阅具体主题。人体运动学和体育专业的学生可能只需要 Knudson；工科学生可以先把它当作快速的概念入门，再读 Özkaya 或 Ethier 和 Simmons。

如何使用本书

本书适合人体运动学、运动科学、体育、运动防护和物理治疗专业的本科生，以及想要了解人体运动概念性入门的工科学生。中学代数和三角学加上一些基础解剖知识（第2章会复习）就足够了。

实用的学习安排：

• 从第1–3章开始。 第3章介绍九条原理；后面每一章都会回到这些原理，因此要经常重温。
• 核心力学： 按顺序学习第4–7章。亲手完成第5–7章的计算，并把每章与相应的实验活动配合（例如讲重心的实验7B）。
• 选读或按兴趣阅读： 关注游泳、投掷和球类运动的读者可读讲流体的第8章。
• 应用： 从事教学与教练读第9章，从事训练与康复读第10章；先读与自己职业方向相符的一章，再读另一章。

借助每章开头的“关键问题”把握方向，完成复习题，并在附录C中核对奇数号题目。用附录E的表格对真实动作视频练习定性诊断。将来走向工程方向的学生，应在本书之后接着学习一本定量教材。