01 / 导读
导读
引用
Humphrey, J. D., & O'Rourke, S. L. (2025). An Introduction to Biomechanics: Solids and Fluids, Analysis and Design (3rd ed.). Springer.
章节概要
第三版共十二章，正文约690页。出版社介绍说，本书用一套一致的方法来提出并求解固体和流体生物力学问题，并对需要非线性弹性、弹性动力学、黏弹性或流固耦合的更复杂情形做简要介绍。概念由对生物学、生物力学和临床观察与技术的简短描述引入，基本方程的推导完整给出。
第1章：Introduction（引言）
开篇一章（约40页）在力学内容展开之前，为全书铺设背景。
第2章：Stress, Strain, and Constitutive Relations（应力、应变与本构关系）
第一个技术性章节（约60页），引入连续介质处理所依赖的三个概念：应力、应变，以及把二者联系起来的本构关系。
第3章：Equilibrium, Universal Solutions, Inflation（平衡、通用解与充胀）
第3章（约60页）把这一框架用于平衡问题、对多种材料都成立的解，以及充胀问题。
第4–5章：Extension and Torsion（拉伸与扭转）；Beam Bending and Column Buckling（梁的弯曲与柱的屈曲）
两章经典固体力学问题：拉伸与扭转（约50页），然后是梁的弯曲与柱的屈曲（约75页，固体各章中最长）。
第6章：Some Nonlinear Problems（若干非线性问题）
固体部分的最后一章（约70页）讨论非线性问题，也就是出版社指出需要非线性弹性的领域。
第7–8章：Stress, Motion, and Constitutive Relations（应力、运动与本构关系）；Fundamental Balance Relations（基本平衡关系）
章节标题再次出现应力与本构关系的模式，并加入了运动，这一序列看来是全书流体部分的开端。第8章（约50页）陈述基本平衡关系。
第9–10章：Some Exact Solutions（若干精确解）；Control Volume and Semi-empirical Methods（控制体与半经验方法）
第9章（约70页）给出精确解；第10章（约70页）转向控制体与半经验方法。
第11章：Coupled Solid–Fluid Problems（流固耦合问题）
约70页的一章，固体与流体在其中相互作用，也就是第三版加强的耦合问题的情境。
第12章：Epilogue（后记）
约十页的收尾章。
核心概念
第1–3章：引言；应力、应变与本构关系；平衡、通用解与充胀
- 应力、应变与本构关系：基本量，以及把它们联系起来的材料定律。
- 平衡与通用解：对多种材料都适用的平衡问题的解。
- 充胀：在第3章中占有专门位置的一类问题。
第4–6章：拉伸与扭转；梁的弯曲与柱的屈曲；若干非线性问题
- 拉伸与扭转：物体被拉伸或扭转时的响应。
- 梁的弯曲与柱的屈曲：细长构件的弯曲与稳定性。
- 非线性问题：超出线性行为的情形。
第7–11章：从应力、运动与本构关系到流固耦合问题
- 平衡关系：第8章的基本定律。
- 精确解与控制体方法：章节标题中点名的两类方法。
- 流固耦合问题：两类材料相互作用的情形。
评析
优点
- 固体与流体用同一种方法。 出版社强调，对两类材料采用一致的方法来提出和求解问题，后半部分的章节标题重复了应力与本构关系的模式。
- 推导与例题。 出版社提到基本方程的完整推导、100多道例题的解答和350多道练习，另有300多幅插图和200条参考文献。
- 篇幅适合一学期或两学期的课程。 出版社称其适合一到两个学期的入门课程。
- 第三版的新增内容。 本版增加了复杂流体（非牛顿）与固体（非线性、各向异性）行为，以及不同组织的耦合问题，并增加了作业题。
- 作者兼具教学与器械实践背景。 Humphrey 是耶鲁大学生物医学工程教授、前系主任；O'Rourke 在美敦力从事起搏器和植入式除颤器的工作。
局限
- 数学要求高。 连续介质力学的完整推导要求有扎实的静力学、材料力学、多元微积分和微分方程基础。
- 高级主题只有简介。 非线性弹性、弹性动力学、黏弹性和流固耦合只做简要介绍，需要深入的读者必须继续读专门教材。
- 不是关于人体运动的书。 章节内容是固体与流体的连续介质力学；肌肉骨骼与运动生物力学另有他书。
在课程中的定位
Humphrey 与 O'Rourke 的书是本课程中连续介质力学的核心教材。Duane Knudson 的 Fundamentals of Biomechanics 是以人体运动为中心的入门书，Nihat Özkaya 等人的 Fundamentals of Biomechanics 则从第一性原理出发，为没有工程背景的读者构建静力学、动力学和变形体力学。Ross Ethier 与 Craig Simmons 的 Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms 是面向有工程或物理科学背景学生的课程教材，在固体和流体力学之前先介绍每个主题的解剖学与生理学。Peterson 与 Bronzino 的 Biomechanics: Principles and Applications 是涵盖组织力学与运动分析的综合论述，Y. C. Fung 的 Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues 则是关于生物材料本构行为的研究生专著。
合理的顺序是：初学力学者先读 Özkaya 或 Knudson，再读 Humphrey 与 O'Rourke 掌握连续介质框架，之后读 Fung 了解组织本构行为的实验基础。
如何使用本书
本书适合生物医学工程的高年级本科生和研究生初期学生。静力学、多元微积分和微分方程是合理的准备。
实用的阅读计划：
- 核心： 第2至5章为固体框架，然后第7至10章为流体的对应部分。
- 随后： 第6章（非线性问题）和第11章（耦合问题），它们超出了线性和分开处理的范围。
- 略读或推后： 第1章作为导览，第12章作为收尾。
例题是学习方法的最佳场所：先自己试做再看解答，然后在每章选做一部分练习。购买前请确认版本，因为第二版（2015年）与本第三版不同。