01 / 导读
导读
引用
Özkaya, N., Leger, D., Goldsheyder, D., & Nordin, M. (2017). Fundamentals of Biomechanics: Equilibrium, Motion, and Deformation (4th ed.). Springer.
章节概要
第四版约450页，共十五章，从静力学经动力学讲到变形体力学，书末有三个数学附录（平面几何、矢量代数和微积分）以及索引。出版社称本书用生物学和医学的例子把静力学、动力学和材料力学整合在一起，在第三版基础上大幅修订，含有大量例题和100多道附解答与插图的新习题。各章以练习题（许多附有答案）和参考文献结尾。
第1章：引言
从伽利略、牛顿到工程力学，把生物力学放在力学之中定位，并给出全书使用的基本概念：牛顿定律、量纲和单位。
第2–3章：力矢量；力矩与扭矩矢量
静力学的数学工具：作为矢量的力及其分量与合力，然后是力矩、扭矩、力偶及其计算。附录对矢量代数作了补充。
第4章：静力学：平衡系统
为分析平衡重新表述牛顿定律（包括第二定律的转动形式），讨论平动和转动的平衡条件，以及作为求解静力学问题基础的受力图（自由体图）。
第5章：静力学在生物力学中的应用
静力学各章中篇幅最长的一章。先介绍骨骼关节的类型和肌肉的作用，然后对各个关节进行静力分析，最后讲膝关节和踝关节，根据体重和姿势计算关节反作用力和肌肉力。
第6章：动力学导论
一个简短的章节，在随后的动力学各章之前介绍运动学和动力学。
第7–8章：线运动学；线动力学
第7章讨论一维和二维中的位置、速度和加速度，包括应用于跳台滑雪、跳水、体操和投掷项目的抛体运动。第8章通过运动方程应用牛顿第二定律，并引入功、能量和功率，书中反复以一名在助滑道上滑行的跳台滑雪运动员为例。
第9–10章：角运动学；角动力学
转动方面的对应内容：角位移、角速度和角加速度，然后是扭矩、质量惯性矩和转动运动方程，并举例如坐姿伸膝训练时膝关节所受的力。
第11章：冲量与动量
线冲量与角冲量、动量、碰撞（包括弹性碰撞、弹塑性碰撞和二维碰撞），以及刚体平面运动的动力学。
第12章：变形体力学导论
从刚体过渡到受载会变形的材料的简短章节。
第13章：应力与应变
单轴拉伸试验、载荷—伸长曲线和应力—应变曲线、简单应力与简单应变、弹性变形与胡克定律、塑性变形与颈缩、应变能、应变硬化与滞后，以及从应力—应变曲线读出的材料性质。一个例子追踪了股骨骨折固定装置中力的传递。
第14章：多轴变形与应力分析
材料部分篇幅最长的一章：多轴应力、主应力与莫尔圆、失效理论、许用应力与安全系数、影响强度的因素、疲劳与持久极限、应力集中、扭转和弯曲。
第15章：生物组织的力学性质
黏弹性及其弹簧—阻尼器模型（Kelvin–Voigt 模型、Maxwell 模型和标准线性固体模型）、蠕变与随时间变化的响应、弹性与黏弹性的比较，随后介绍骨（包括其对应变率和骨类型的依赖）以及肌腱和韧带的力学性质。
核心概念
第1–5章：静力学
- 矢量、力矩与扭矩：力及其转动效应的表示方法，是此后一切分析的语言。
- 受力图：把物体或肢体节段隔离出来并画出作用于其上的所有力，是每道题的第一步。
- 平衡：合力与合力矩为零的条件，用来求解未知的肌肉力和关节力。
- 关节反作用力：在关节处骨与骨之间传递的力，可能远大于体重。
第6–11章：动力学
- 运动学与动力学：描述运动与把运动和其原因联系起来之间的区别。
- 抛体运动：只受重力作用的物体的轨迹，应用于跳跃和投掷。
- 功能法与冲量—动量法：在涉及速度和碰撞的问题中替代运动方程的方法。
- 质量惯性矩：对角加速度的抵抗，是转动动力学的核心。
第12–15章：变形体
- 应力与应变：单位面积上的内力和相对变形，在弹性范围内由胡克定律联系起来。
- 莫尔圆：求主应力和最大剪应力的图解方法。
- 疲劳与应力集中：为何反复载荷或局部载荷会在低于静强度的应力下导致破坏。
- 黏弹性：组织随时间和加载速率变化的行为，用弹簧和阻尼器建模。
评析
优点
- 一门连贯的力学课。 本书在一个序列中讲授静力学、动力学和材料力学，每一部分都以简短的导论章开始，没有工程背景的学生也能在一本书里学完初等力学的全部内容。
- 以生物学情境为背景的例题。 膝关节和踝关节的分析、坐姿伸膝训练、跳台滑雪、骨折固定和组织测试都以例题和习题的形式出现。出版社称本版新增了100多道附解答的习题，许多习题给出了答案。
- 数学自成体系。 平面几何、矢量代数和微积分附录让读者无需另找书本即可复习数学；出版社表示不需要高深的数学背景。
- 对组织力学的扎实入门。 第15章介绍黏弹性模型以及骨、肌腱和韧带的行为，为学习更高阶的教材做好准备。
局限
- 以力学为主，生物学偏轻。 解剖学主要出现在第5章的关节描述和第15章；肌肉生理和神经控制不是本书的主题，也没有流体力学，因此不涉及血流和心血管生物力学。
- 准静态的关节模型。 生物力学应用集中于简化的二维静力分析，很少涉及动作捕捉、利用实测数据的逆动力学或计算机建模。
在课程中的定位
在本课程中，Özkaya 等人的书介于概念性教材和高阶教材之间。Duane Knudson 的 Fundamentals of Biomechanics 通过九条定性原理和代数水平的计算讲授人体运动生物力学；人体运动学专业的学生可以从那里起步，当需要建立并求解力学问题时再转向 Özkaya。Ethier 和 Simmons 的 Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms 以 Özkaya 所讲的固体力学为前提，并加入流体力学、细胞力学和器官系统，是自然的下一本书。
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 则在研究生层次讨论第15章所引入的本构行为。Peterson 和 Bronzino 的 Biomechanics: Principles and Applications 是一本用于查阅具体主题的编著参考书。
如何使用本书
本书适合生物医学工程专业的本科生，以及需要定量生物力学的物理治疗、作业治疗、人因工程、骨科和运动医学专业的学生。需要代数、三角学和初等微积分，附录可供复习。基础物理和解剖知识有帮助，但不要求深入掌握。
实用的学习安排：
- 静力学核心： 按顺序学习第1–5章。即使学过物理，也不要跳过第2–3章，因为矢量方法贯穿全书；到第5章，力学才真正变成生物力学。
- 动力学： 第6–11章。课时紧张的课程可以学习第7–10章，把第11章（碰撞）作为选学。
- 变形体： 第12–13章必学；第14章可有选择地学习（莫尔圆、疲劳、弯曲和扭转）；第15章是通向组织力学的桥梁，不应跳过。
每学完一节就做习题，而不是留到章末；每道题都先画受力图，并在给出答案的地方核对结果。打算从事生物力学研究的学生，应在本书之后学习流体力学和连续介质力学教材。