01 / 導讀
導讀
引用
Humphrey, J. D., & O'Rourke, S. L. (2025). An Introduction to Biomechanics: Solids and Fluids, Analysis and Design (3rd ed.). Springer.
章節概要
第三版共十二章，正文約690頁。出版社介紹說，本書用一套一致的方法來提出並求解固體和流體生物力學問題，並對需要非線性彈性、彈性動力學、黏彈性或流固耦合的更復雜情形做簡要介紹。概念由對生物學、生物力學和臨床觀察與技術的簡短描述引入，基本方程的推導完整給出。
第1章：Introduction（引言）
開篇一章（約40頁）在力學內容展開之前，為全書鋪設背景。
第2章：Stress, Strain, and Constitutive Relations（應力、應變與本構關係）
第一個技術性章節（約60頁），引入連續體處理所依賴的三個概念：應力、應變，以及把二者聯絡起來的本構關係。
第3章：Equilibrium, Universal Solutions, Inflation（平衡、通用解與充脹）
第3章（約60頁）把這一框架用於平衡問題、對多種材料都成立的解，以及充脹問題。
第4–5章：Extension and Torsion（拉伸與扭轉）；Beam Bending and Column Buckling（梁的彎曲與柱的屈曲）
兩章經典固體力學問題：拉伸與扭轉（約50頁），然後是梁的彎曲與柱的屈曲（約75頁，固體各章中最長）。
第6章：Some Nonlinear Problems（若干非線性問題）
固體部分的最後一章（約70頁）討論非線性問題，也就是出版社指出需要非線性彈性的領域。
第7–8章：Stress, Motion, and Constitutive Relations（應力、運動與本構關係）；Fundamental Balance Relations（基本平衡關係）
章節標題再次出現應力與本構關係的模式，並加入了運動，這一序列看來是全書流體部分的開端。第8章（約50頁）陳述基本平衡關係。
第9–10章：Some Exact Solutions（若干精確解）；Control Volume and Semi-empirical Methods（控制體與半經驗方法）
第9章（約70頁）給出精確解；第10章（約70頁）轉向控制體與半經驗方法。
第11章：Coupled Solid–Fluid Problems（流固耦合問題）
約70頁的一章，固體與流體在其中相互作用，也就是第三版加強的耦合問題的情境。
第12章：Epilogue（後記）
約十頁的收尾章。
核心概念
第1–3章：引言；應力、應變與本構關係；平衡、通用解與充脹
- 應力、應變與本構關係：基本量，以及把它們聯絡起來的材料定律。
- 平衡與通用解：對多種材料都適用的平衡問題的解。
- 充脹：在第3章中佔有專門位置的一類問題。
第4–6章：拉伸與扭轉；梁的彎曲與柱的屈曲；若干非線性問題
- 拉伸與扭轉：物體被拉伸或扭轉時的響應。
- 梁的彎曲與柱的屈曲：細長構件的彎曲與穩定性。
- 非線性問題：超出線性行為的情形。
第7–11章：從應力、運動與本構關係到流固耦合問題
- 平衡關係：第8章的基本定律。
- 精確解與控制體方法：章節標題中點名的兩類方法。
- 流固耦合問題：兩類材料相互作用的情形。
評析
優點
- 固體與流體用同一種方法。 出版社強調，對兩類材料採用一致的方法來提出和求解問題，後半部分的章節標題重複了應力與本構關係的模式。
- 推導與例題。 出版社提到基本方程的完整推導、100多道例題的解答和350多道練習，另有300多幅插圖和200條參考文獻。
- 篇幅適合一學期或兩學期的課程。 出版社稱其適合一到兩個學期的入門課程。
- 第三版的新增內容。 本版增加了複雜流體（非牛頓）與固體（非線性、各向異性）行為，以及不同組織的耦合問題，並增加了作業題。
- 作者兼具教學與器械實踐背景。 Humphrey 是耶魯大學生物醫學工程教授、前系主任；O'Rourke 在美敦力從事起搏器和植入式除顫器的工作。
侷限
- 數學要求高。 連續體力學的完整推導要求有紮實的靜力學、材料力學、多元微積分和微分方程基礎。
- 高階主題只有簡介。 非線性彈性、彈性動力學、黏彈性和流固耦合只做簡要介紹，需要深入的讀者必須繼續讀專門教材。
- 不是關於人體運動的書。 章節內容是固體與流體的連續體力學；肌肉骨骼與運動生物力學另有他書。
在課程中的定位
Humphrey 與 O'Rourke 的書是本課程中連續體力學的核心教材。Duane Knudson 的 Fundamentals of Biomechanics 是以人體運動為中心的入門書，Nihat Özkaya 等人的 Fundamentals of Biomechanics 則從第一性原理出發，為沒有工程背景的讀者構建靜力學、動力學和變形體力學。Ross Ethier 與 Craig Simmons 的 Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms 是面向有工程或物理科學背景學生的課程教材，在固體和流體力學之前先介紹每個主題的解剖學與生理學。Peterson 與 Bronzino 的 Biomechanics: Principles and Applications 是涵蓋組織力學與運動分析的綜合論述，Y. C. Fung 的 Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues 則是關於生物材料本構行為的研究生專著。
合理的順序是：初學力學者先讀 Özkaya 或 Knudson，再讀 Humphrey 與 O'Rourke 掌握連續體框架，之後讀 Fung 瞭解組織本構行為的實驗基礎。
如何使用本書
本書適合生物醫學工程的高年級本科生和研究生初期學生。靜力學、多元微積分和微分方程是合理的準備。
實用的閱讀計劃：
- 核心： 第2至5章為固體框架，然後第7至10章為流體的對應部分。
- 隨後： 第6章（非線性問題）和第11章（耦合問題），它們超出了線性和分開處理的範圍。
- 略讀或推後： 第1章作為導覽，第12章作為收尾。
例題是學習方法的最佳場所：先自己試做再看解答，然後在每章選做一部分練習。購買前請確認版本，因為第二版（2015年）與本第三版不同。