Fundamentals of Biomechanics（生物力學基礎）

引用

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

章節概要

第三版篇幅不長，約250頁：三個部分共十章（約185頁），之後是五個附錄（生物力學術語表、換算係數、奇數號複習題參考答案、直角三角學複習，以及用於定性評價生物力學原理的表格）和十二個實驗活動。每章以「關鍵問題」開頭（開始之前需要知道什麼、為什麼需要知道、核心觀點是什麼），以小結、複習題、推薦閱讀和網路資源結尾。出版社介紹書中有160多幅展示真實人體動作的圖片，以及分析實際技術動作的案例研究；前言還提到應用專欄和跨學科問題專欄，用來把生物力學與其他運動科學連結起來。

第一部分（第1–3章）

第1章：人體運動生物力學導論。 界定生物力學和人體運動學（kinesiology），說明專業人員為何需要生物力學，並介紹從業者可利用的研究證據，包括從個案研究到統合分析的研究設計層級。

第2章：解剖學描述及其局限。 複習方位術語、關節運動和肌肉結構，然後論證僅憑大體解剖學知識無法解釋肌肉在實際中如何產生和控制運動。

第3章：生物力學基礎與動作的定性診斷。 介紹貫穿全書的九條生物力學原理（力—運動、力—時間、慣性、關節活動範圍、平衡、協調連續體、節段間相互作用、最佳投射和旋轉），說明其中一些源於牛頓定律，並展示它們如何用於動作技術的定性診斷。

第二部分（第4–8章）

據書中對這一部分的介紹，它涵蓋生物組織的主要力學性質、運動學、動力學和流體，相關實驗活動同時進行定性和定量分析。

第4章：肌肉骨骼系統的力學。 組織和肌肉的力學行為：組織如何響應負荷，以及肌肉的力學特性，包括張力的建立、力—時間關係和拉長—縮短週期。

第5章：線運動學與角運動學。 描述運動：距離與位移、速率與速度、加速度及其角量對應，並用代數在時間間隔上進行計算；本章要求具備肌肉骨骼解剖和代數知識。

第6章：線動力學。 線運動的成因：牛頓定律、力及其隨時間的作用效果，以及機械功、能量和功率，並用訓練中的例子加以說明。

第7章：角動力學。 力矩與轉動的成因、應用於搬舉動作的靜力平衡，以及人體重心的計算。

第8章：流體力學。 空氣和水如何影響運動，包括阻力以及作用在旋轉球體（如投出的棒球）上的馬格努斯效應。

第三部分：生物力學在動作定性診斷中的應用（第9–10章）

第9章：生物力學在教學與教練中的應用。 從踢球開始，以帶指導的實例展示運動技能的定性診斷，把九條原理與其他運動科學結合起來。

第10章：生物力學在訓練與復健中的應用。 為體能訓練以及運動防護、物理治療和職能治療等相關健康專業提供類似的指導實例。

核心概念

第一部分：基礎

• 動作的定性診斷：系統地觀察和評價技術動作，找出並糾正表現不佳或受傷風險的原因。
• 功能解剖學的局限：為什麼根據附著點來命名肌肉作用，常常會錯誤描述肌肉在實際動作中的作用。
• 九條生物力學原理：從力—運動到旋轉的一般規則，全書都用它們把力學應用於實踐。

第二部分：生物學與力學基礎

• 組織負荷：生物組織如何響應施加於其上的力。
• 拉長—縮短週期：肌肉在縮短之前先被拉長時所產生的增強力量。
• 運動學與動力學：描述運動與解釋引起運動的力和力矩之間的區別。
• 功、能量與功率：表示力如何改變人體和負荷運動的力學量。
• 流體力：作用在空氣或水中運動的人體和拋射物上的阻力和馬格努斯效應。

第三部分：應用

• 實證實踐：在為運動員或客戶提供建議時，把原理與研究證據和其他人體運動學分支結合起來。

評析

優點

• 一小套面向實踐的原理。 九條原理為沒有工程背景的學生提供了可用的框架，附錄中評價這些原理的表格又把它們變成定性分析的檢查清單。
• 概念化、代數水平。 數學只用到代數和直角三角學，附錄中有三角學複習。出版社引用的第二版推薦語（來自美國運動醫學研究所的 Glenn Fleisig 和國際運動工程協會的 Jani Macari Pallis）稱讚其清晰，以及把生物學和力學兩方面分開講解的安排。
• 主動學習。 十二個為小組設計的實驗活動，從查詢生物力學文獻和功能解剖，到關節活動範圍分析、力—運動原理、重心計算、投球中的馬格努斯效應、熟練者與新手的比較、訓練方式的比較以及步態診斷。奇數號複習題的參考答案便於自學。
• 為人體運動學相關職業而設計。 第三部分和案例研究把原理應用於教學與教練以及訓練與復健場景，符合大多數人體運動學專業學生的職業方向。

局限

• 定量分析很少。 不使用微積分和向量代數，靜力分析也只限於搬舉之類的簡單模型。生物醫學工程學生需要另一本定量教材來練習解題。
• 篇幅短、取材有選擇。 正文約185頁，每個力學主題只有一章；第三部分的應用也只涉及兩類職業場景。
• 只講人體運動。 本書討論體育、訓練和復健中的動作，不涉及細胞力學、心血管或呼吸系統生物力學以及植入物設計。

在課程中的定位

Knudson 是本課程中概念化、代數水平的入門書。Özkaya、Leger、Goldsheyder 和 Nordin 的 Fundamentals of Biomechanics: Equilibrium, Motion, and Deformation 使用微積分，完整講授靜力學、動力學和材料力學來分析肌肉骨骼系統，是需要求解力學問題的學生自然的下一步。Ethier 和 Simmons 的 Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms 是一本以固體力學和流體力學為前提的工程教材，範圍從細胞直到全身運動。

Humphrey 和 O'Rourke 的 An Introduction to Biomechanics 發展固體與流體的連續介質力學，Y. C. Fung 的 Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues 是關於本構行為的研究生專著；兩者都遠超 Knudson 的程度。Peterson 和 Bronzino 的 Biomechanics: Principles and Applications 是一本編著參考書，用於查閱具體主題。人體運動學和體育專業的學生可能只需要 Knudson；工科學生可以先把它當作快速的概念入門，再讀 Özkaya 或 Ethier 和 Simmons。

如何使用本書

本書適合人體運動學、運動科學、體育、運動防護和物理治療專業的大學部學生，以及想要了解人體運動概念性入門的工科學生。中學代數和三角學加上一些基礎解剖知識（第2章會複習）就足夠了。

實用的學習安排：

• 從第1–3章開始。 第3章介紹九條原理；後面每一章都會回到這些原理，因此要經常重溫。
• 核心力學： 按順序學習第4–7章。親手完成第5–7章的計算，並把每章與相應的實驗活動配合（例如講重心的實驗7B）。
• 選讀或按興趣閱讀： 關注游泳、投擲和球類運動的讀者可讀講流體的第8章。
• 應用： 從事教學與教練讀第9章，從事訓練與復健讀第10章；先讀與自己職業方向相符的一章，再讀另一章。

藉助每章開頭的「關鍵問題」把握方向，完成複習題，並在附錄C中核對奇數號題目。用附錄E的表格對真實動作影片練習定性診斷。將來走向工程方向的學生，應在本書之後接著學習一本定量教材。