浅谈运动生物力学教学研究中能量法的应用

2023-02-05

从对国外运动生物力学研究期刊的统计看目前国际上对人体运动的基本动作及复杂人体运动的基本原因方面的基础理论研究和应用生物力学的理论方法及其他领域成果解决体育运动实际问题的应用研究普遍受到注意。相比之下, 为这两方面服务的方法学方面的研究相对薄弱, 且较少新的突破。运动生物力学理论方法研究是应用经典力学理论来分析解释人体运动, 并探究其运动规律。运动生物力学理论方法的关键是建立人体运动的力学模型, 用这些模型来描述运动。其研究目标是探索各种运动带有普遍意义的运动规律;研究对象是抽象的人体力学模型的运动;研究方法是先将运动主体和运动过程进行数学语言描述, 然后应用数学、力学理论和计算导出运动规律;研究的结论不仅能解释运动, 而且能揭示运动内在机理, 预测运动结果并作为设计新的技术动作的理论基础, 此方法应用较普遍。从1 8届国际生物力学大会和第6届全国体育科学学会入选的论文来看, 越来越多的研究者从动力学方面分析运动技术中肌骨系统的生物力学特性, 其中有力的分析、有能量传递的研究、有功率器的研制。而我国动力学方面的研究, 多限于力的分析, 能量方面的研究很少。

1 能量法的理论

能量学方法是研究人体运动中能量分配、转换的一种力学结合生物学的研究方法。自Lloyd最初应用能量学方法分析人体运动以来, 能量学方法已成为生物力学研究中的一种重要方法。

2 能量法研究现状

人体代谢能转换成机械能和热能, 对于这个问题的研究已经经历了一个多世纪。人们从十九世纪末就开始从能量学的角度对生物体及人体运动进行研究。如Braune和Fisher就曾对人体对外作的机械功的计算方法做过探讨。二十世纪六十年代以来, 国外学者对人体运动的机械效率做了大量研究, 并且使用了先进的仪器设备, 取得了一定成果;近年来, 人们越来越认识到人体运动的机械功是评价运动效果的一个重要指标。但早期计算机械功多是为计算效率服务的, 专门研究人体运动的机械能、机械功的报道不是很多。目前, 计算机械功的方法主要有两大类:运动学方法和动力学方法。冯使用弹簧测力台测量了加速人体质心运动的机械功。卡瓦格那和金子公宥修正了冯的模型。还有人在此基础上又提出新的计算方法;从文献中看, 测定人体安静时和运动时能耗的方法较为统一, 一般采用能量的间接测定法, 即:借助测定身体某一时间内的耗氧量值及排出的CO2量值间接地推算出能量转化的多少。但由于不同的运动项目, 不同的运动强度, 对生理代谢产生不同的影响, 因而评价代谢能耗是相当困难的。当前, 生理、生物力学界对此问题最主要的争论点之一是所谓的“基线”问题, 即氧耗的哪一部分应用于计算效率。对于这个问题, 学者们分别提出各自的观点, 总共有五种。但目前应用最多且被大多数学者所接受的通常是以安静时吸氧量作为基线。我国生物力学界对人体能量学的研究起步较晚。刘宇等首先从能量学的角度对撑杆跳高进行了能量计算和分析, 建立了能量计算模型。秦正光曾对跑的各肢体机械能确定和分配做过初步探讨, 但没有明确的结论。目前国内对人体功、能、效率的具体测试和计算文献并不多见。张跃首次从人体作功的功率和效率方面研究了举重中的抓举动作。边卫对竞走的机械能和机械效率进行了研究。

3 存在的问题

受自然科学发展水平的限制, 现在我们人类对人体内许多能量代谢过程的细节、特征以及它们之间的转换关系等问题远没有弄清楚, 因此, 在运动生物力学研究中, 运用能量学方法研究还不很多, 成功运用这种方法解决实际问题的研究个例更少。分析其原因, 我们认为, 制约将能量学方法运用到解决实际生物力学问题的关键因素之一是作为支持人体运动的能量代谢系统的整体特性缺少可靠的理论和实验研究, 这实际上是个生物力学和生理学两大学科的交叉点。容易受到人们的忽视和淡漠。

4 建议

(1) 运动生物力学中为基础理论研究及应用研究服务的方法学研究应受到重视, 否则会影响运动生物力学研究的深入和发展;

(2) 能量法作为生物力学研究中的一种重要方法, 应受到足够的重视;

(3) 对支持人体运动的能量代谢系统的整体特征作进一步研究;

(4) 对影响机械效率的机体内部能量消耗作进一步探讨。

5 能量法在运动生物力学研究中的前景展望

运动生物力学作为一门学科, 要想取得稳定持续发展, 除了应用研究外, 其基础理论研究及方法学研究也应受到应有的重视, 不能顾此失彼。而基础理论研究的滞后特别是方法学研究的滞后将制约学科本身的发展。而综观运动生物力学的发展现状, 其基础理论的研究比较薄弱是一不争的事实, 而方法学的研究就更少。新的研究方法不一定是创造全新的方法, 在某种意义上传统方法的有机结合更实用。能量法不仅适合运动生物力学且有其他方法没有的优点, 再结合生理生化知识, 系统方法论的思想将为运动生物力学开辟一块处女地。

目前运动生物力学已深入到分子细胞层次, 如果把能量法运用于此方面, 也许会为运动生物力学的发展找到新的突破口。人体作为活体系统与非活体系统是有着本质区别的。因此, 经典力学方法虽可以且已经为我们的实际研究及应用解决了许多问题, 但仍存在很多问题有待进一步深入研究。当运用力学研究人体运动时, 唯有力学再加上生物力学作用基础, 我们才谈的上进入运动生物力学。当然, 运动生物力学的研究方法有多种, 而能量法是其中一种且有其独特优势。国际学术界应用能量法在运动生物力学中早已取得了很好的效果并在继续深入, 而我国对此方法的研究及应用尚处在起步阶段并有待有关学者进一步研究。

摘要：生物体的运动历来就是科学家们极为感兴趣的课题之一。人体运动的研究成为自20世纪以来的研究热点之一。但由于科学发展的限制, 直到20世纪50年代以后, 随着研究人体运动的各种条件日趋成熟, 运动生物力学才开始成为一门独立的学科。运动生物力学的一个很重要的研究领域, 是研究从能量消耗、功、功率等指标去分析人体运动的效率及技术的合理性。基于人体运动研究的复杂性, 能量法是目前运动生物力学研究不可多得的方法之一。但查阅大量文献发现能量法在生物力学研究中的应用少之又少, 未能引起应有的重视。

关键词：能量法,运动生物力学