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導讀
引用
Özkaya, N., Leger, D., Goldsheyder, D., & Nordin, M. (2017). Fundamentals of Biomechanics: Equilibrium, Motion, and Deformation (4th ed.). Springer.
章節概要
第四版約450頁，共十五章，從靜力學經動力學講到變形體力學，書末有三個數學附錄（平面幾何、向量代數和微積分）以及索引。出版社稱本書用生物學和醫學的例子把靜力學、動力學和材料力學整合在一起，在第三版基礎上大幅修訂，含有大量例題和100多道附解答與插圖的新習題。各章以練習題（許多附有答案）和參考文獻結尾。
第1章：引言
從伽利略、牛頓到工程力學，把生物力學放在力學之中定位，並給出全書使用的基本概念：牛頓定律、量綱和單位。
第2–3章：力向量；力矩與扭矩向量
靜力學的數學工具：作為向量的力及其分量與合力，然後是力矩、扭矩、力偶及其計算。附錄對向量代數作了補充。
第4章：靜力學：平衡系統
為分析平衡重新表述牛頓定律（包括第二定律的轉動形式），討論平動和轉動的平衡條件，以及作為求解靜力學問題基礎的受力圖（自由體圖）。
第5章：靜力學在生物力學中的應用
靜力學各章中篇幅最長的一章。先介紹骨骼關節的類型和肌肉的作用，然後對各個關節進行靜力分析，最後講膝關節和踝關節，根據體重和姿勢計算關節反作用力和肌肉力。
第6章：動力學導論
一個簡短的章節，在隨後的動力學各章之前介紹運動學和動力學。
第7–8章：線運動學；線動力學
第7章討論一維和二維中的位置、速度和加速度，包括應用於跳台滑雪、跳水、體操和投擲專案的拋體運動。第8章透過運動方程應用牛頓第二定律，並引入功、能量和功率，書中反覆以一名在助滑道上滑行的跳台滑雪運動員為例。
第9–10章：角運動學；角動力學
轉動方面的對應內容：角位移、角速度和角加速度，然後是扭矩、質量慣性矩和轉動運動方程，並舉例如坐姿伸膝訓練時膝關節所受的力。
第11章：衝量與動量
線衝量與角衝量、動量、碰撞（包括彈性碰撞、彈塑性碰撞和二維碰撞），以及剛體平面運動的動力學。
第12章：變形體力學導論
從剛體過渡到受載會變形的材料的簡短章節。
第13章：應力與應變
單軸拉伸試驗、載荷—伸長曲線和應力—應變曲線、簡單應力與簡單應變、彈性變形與胡克定律、塑性變形與頸縮、應變能、應變硬化與滯後，以及從應力—應變曲線讀出的材料性質。一個例子追蹤了股骨骨折固定裝置中力的傳遞。
第14章：多軸變形與應力分析
材料部分篇幅最長的一章：多軸應力、主應力與莫爾圓、失效理論、許用應力與安全係數、影響強度的因素、疲勞與持久極限、應力集中、扭轉和彎曲。
第15章：生物組織的力學性質
黏彈性及其彈簧—阻尼器模型（Kelvin–Voigt 模型、Maxwell 模型和標準線性固體模型）、蠕變與隨時間變化的響應、彈性與黏彈性的比較，隨後介紹骨（包括其對應變率和骨類型的依賴）以及肌腱和韌帶的力學性質。
核心概念
第1–5章：靜力學
- 向量、力矩與扭矩：力及其轉動效應的表示方法，是此後一切分析的語言。
- 受力圖：把物體或肢體節段隔離出來並畫出作用於其上的所有力，是每道題的第一步。
- 平衡：合力與合力矩為零的條件，用來求解未知的肌肉力和關節力。
- 關節反作用力：在關節處骨與骨之間傳遞的力，可能遠大於體重。
第6–11章：動力學
- 運動學與動力學：描述運動與把運動和其原因連結起來之間的區別。
- 拋體運動：只受重力作用的物體的軌跡，應用於跳躍和投擲。
- 功能法與衝量—動量法：在涉及速度和碰撞的問題中替代運動方程的方法。
- 質量慣性矩：對角加速度的抵抗，是轉動動力學的核心。
第12–15章：變形體
- 應力與應變：單位面積上的內力和相對變形，在彈性範圍內由胡克定律連結起來。
- 莫爾圓：求主應力和最大剪應力的圖解方法。
- 疲勞與應力集中：為何反覆載荷或區域性載荷會在低於靜強度的應力下導致破壞。
- 黏彈性：組織隨時間和載入速率變化的行為，用彈簧和阻尼器建模。
評析
優點
- 一門連貫的力學課。 本書在一個序列中講授靜力學、動力學和材料力學，每一部分都以簡短的導論章開始，沒有工程背景的學生也能在一本書裡學完初等力學的全部內容。
- 以生物學情境為背景的例題。 膝關節和踝關節的分析、坐姿伸膝訓練、跳台滑雪、骨折固定和組織測試都以例題和習題的形式出現。出版社稱本版新增了100多道附解答的習題，許多習題給出了答案。
- 數學自成體系。 平面幾何、向量代數和微積分附錄讓讀者無需另找書本即可複習數學；出版社表示不需要高深的數學背景。
- 對組織力學的紮實入門。 第15章介紹黏彈性模型以及骨、肌腱和韌帶的行為，為學習更高階的教材做好準備。
局限
- 以力學為主，生物學偏輕。 解剖學主要出現在第5章的關節描述和第15章；肌肉生理和神經控制不是本書的主題，也沒有流體力學，因此不涉及血流和心血管生物力學。
- 準靜態的關節模型。 生物力學應用集中於簡化的二維靜力分析，很少涉及動作擷取、利用實測資料的逆動力學或計算機建模。
在課程中的定位
在本課程中，Özkaya 等人的書介於概念性教材和高階教材之間。Duane Knudson 的 Fundamentals of Biomechanics 透過九條定性原理和代數水平的計算講授人體運動生物力學；人體運動學專業的學生可以從那裡起步，當需要建立並求解力學問題時再轉向 Özkaya。Ethier 和 Simmons 的 Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms 以 Özkaya 所講的固體力學為前提，並加入流體力學、細胞力學和器官系統，是自然的下一本書。
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 則在研究生層次討論第15章所引入的本構行為。Peterson 和 Bronzino 的 Biomechanics: Principles and Applications 是一本用於查閱具體主題的編著參考書。
如何使用本書
本書適合生物醫學工程專業的大學部學生，以及需要定量生物力學的物理治療、職能治療、人因工程、骨科和運動醫學專業的學生。需要代數、三角學和初等微積分，附錄可供複習。基礎物理和解剖知識有幫助，但不要求深入掌握。
實用的學習安排：
- 靜力學核心： 按順序學習第1–5章。即使學過物理，也不要跳過第2–3章，因為向量方法貫穿全書；到第5章，力學才真正變成生物力學。
- 動力學： 第6–11章。課時緊張的課程可以學習第7–10章，把第11章（碰撞）作為選學。
- 變形體： 第12–13章必學；第14章可有選擇地學習（莫爾圓、疲勞、彎曲和扭轉）；第15章是通向組織力學的橋梁，不應跳過。
每學完一節就做習題，而不是留到章末；每道題都先畫受力圖，並在給出答案的地方核對結果。打算從事生物力學研究的學生，應在本書之後學習流體力學和連續介質力學教材。