搜索
(第一章、運動生物力學之簡介及發展趨勢)(運動生物力學洪得明博士)1第一章、運動生物力學之簡介及發展趨勢一、生物力學（biomechanics）之定義廣義：生物力學是將數學及力學原理應用在對生物系統之研究的一門科學。狹義：生物力學是研究作用於人體（或人所操作之物體）之內力或外力以及由這些力所產生之運動的一門科學。它是探討人體運動因果關係的一門科學，力量作用之後會使人體產生加速度，而造成人體運動速度的改變。亦即力量的作用是造成人體運動速度改變的原因，而人體運動速度的改變是力量作用之後所產生的結果。二、生物力學研究的領域（一）復健（使用攝影機、測力板、Cybex等）（二）步態（走路、跑步，正常、異常，醫生診斷之用）（三）人體和工作環境的關係（搬運重物、工廠操作機器）（四）關節（運動學、動因學）（五）肌肉功能（肌肉收縮、電刺激）（六）骨科（骨骼受力、骨釘、人工關節）（七）切肢和裝入人工肢體（運動學、動因學）（八）脊椎（脊椎負荷變形、椎間受力）（九）組織（肌肉、骨骼、韌帶）（十）肌電圖（十一）電腦模擬和數學模式（十二）運動（一般運動、競技運動）（運動生物力學）三、運動生物力學（sportbiomechanics）之定義運動生物力學是將數學及力學原理應用在對運動技術之研究的一門科學。它是生物力學之中相當重要的一個研究領域。四、運動生物力學之主要用途：技術指導。(第一章、運動生物力學之簡介及發展趨勢)(運動生物力學洪得明博士)2五、運動生物力學對體育教師、教練、選手之重要性：（一）對體育教師而言：因為體育教師的對象都是初學者，若是體育教師不懂運動生物力學而灌輸了錯誤的觀念，這對學生將來影響很大，所以體育教師一定要瞭解運動生物力學的原理。（二）對教練而言：教練的對象是選手，在技術上皆有所心得，毛病也不少。故一位好的教練更要對運動生物力學有深一層的研究，並加以融會貫通，才能挑出選手的毛病所在，進一步指導，使選手在技術上有所精進。（三）對選手而言：一般而言，選手不須懂得那麼多，但若選手能對運動生物力學有所瞭解，不但可提高興趣以改進技術，並可做為將來擔任教練時所用。六、運動生物力學的研究方法從研究的方法而言，運動生物力學的研究基本上分為靜力學及動力學，其分別包括運動學和動因學的研究。其對運動技術的研究可分下列三個層面：（一）時間的分析：是探討人體動作的時間控制或節奏；（二）運動學（kinematics）研究：是探討人體在空間的運動現象，諸如線運動和角運動中的位移、速度、加速度等；以及（三）動因學（kinetics）研究：是探討起動、改變和停止運動的力（Miller&Nelson，1973）。動因學可分線動因學和角動因學；線動因學包括：質量、力、衝量、動量、功、動能、位能等的研究；角動因學包括：轉動慣量、力矩、角衝量、角動量、角動能等的研究。慣性定律運動生物力學加速度定律F=0,a=0,V等速F≠0,a≠0,V變速靜力學動力學運動學動因學運動學動因學（靜止、等速）（變速運動）圖一運動生物力學研究方法分類結構圖(第一章、運動生物力學之簡介及發展趨勢)(運動生物力學洪得明博士)3七、運動生物力學的研究內容運動生物力學從研究的內容而言，它所探討的主要是生物學和人體運動力學兩方面：（一）生物學是以功能解剖學為重點，並以肌電儀為主要研究工具，其研究結果有利於對各種人體運動時骨骼肌活動的瞭解。（二）人體運動力學是從事實用、基本和理論三種層面的研究：1、實用研究是著重於運動技術的分析，它可增進對運動技術的瞭解，並因而使體育教師和運動教練的工作更有效率。2、基本研究是探討基本動作和對其影響的因素，諸如肌力、肢體長度、質量和慣性、速度和加速度等。其研究結果有助於對人體複雜動作的瞭解。3、理論研究是包含以一種適於電腦分析的形式建構一個簡化的數學模式，使其在嚴謹控制的條件下模擬人體動作，使我們對人體運動的力學原理獲得充分的瞭解，並用以預測更有效率的技術（MillerandNelson，1973）。運動生物力學生物學人體運動力學功能解剖學肌電圖研究基本研究理論研究實用研究（基本動作）（數學模擬）（運動技術分析）圖二、運動生物力學研究內容分類結構圖(第一章、運動生物力學之簡介及發展趨勢)(運動生物力學洪得明博士)4八、運動生物力學對提昇運動技術的貢獻將科學知識和研究成果應用在運動訓練上稱為運動訓練科學化。而運動生物力學是運動訓練科學化中相當重要的一環，它是將數學及力學的原理應用在對人體運動的分析及預測上，以解決技術上的問題。人體一般可分成十四個部位，雖然是相當複雜，但人體的運動大致是服膺於力學的原理。因此，假若體育教師及教練能夠瞭解運動生物力學的基本原理，在指導學生或選手運動時，能夠對運動的技術做合乎力學的分析和解釋，使學生或選手不但知道如何做才正確，而且也知道為什麼要那樣做，這對提昇運動能力以及突破選手在技術上的高原期有很大的幫助。因此，如何幫助教練及體育教師來瞭解運動生物力學的原理，是在提昇運動技術水準中的主要課題。九、運動生物力學的基本研究器材運動學是研究人體在空間的線及角位移、速度和加速度的一門學問。其最常使用的器材是高速攝影機、運動分析器、數位器、加速度器及電腦等。在運動學的研究上，最近幾年已經有新的產品應市。一種新機種利用錄影帶拍攝，即可從影帶上點出身體各關節點的座標(數位化)，可省去沖洗影片的時間。另一種新機種則將身體各關節點的影像資料直接存入電腦記憶，既可省去沖洗影片的時間，又可自動數位化，可以在短時間內對所研究的動作進行分析，得出結果。這對幫助教練在分析運動技術的優缺點方面助益良多。雖然器材相當昂貴，但因有節省時間、人力的好處，所以使用這種器材是未來研究上必然的趨勢。然而，傳統的器材，如高速攝影機、運動分析器、數位器等在教學上則有較大的幫助。動因學是研究作用於人體(或其所使用之器材，如鉛球等)的內力以及外力的一門學問。運動生物力學所研究的力包括重力、地面反作用力、關節反作用力、外在物體接觸時之反作用力和肌肉之轉矩等。最常使用之器材是地面反作用測力板、肌電儀等。十、運動生物力學所研究之基本動作：跑、跳、走、擲、擊、游等動作。十一、人體運動產生的環境：陸上、水中、空中、工作等環境。十二、運動生物力學分析的方法：量化分析、定性分析。(第一章、運動生物力學之簡介及發展趨勢)(運動生物力學洪得明博士)5十三、作用於人體之內力和外力：內力和外力是端視如何定義物理系統而定。由系統內不同的組成部份之間相互作用的力量稱之為內力。由系統外作用於此系統的力量稱之為外力。若將整個人體定義成一個物理系統，則內力是指人體內由肌肉、韌帶和骨骼所產生的力量。外力是指地心引力、反作用力、磨擦力、衝撞力和空氣阻力等由系統外作用於人體的力量。十四、衝撞力當甲物體撞及乙物體時，其對乙物體所產生之衝撞力的大小和甲物體相對於乙物體的運動速度以及甲物體之質量有關。其相對速度越大、甲物體之質量越大，則所產生之衝撞力就越大。十五、空氣阻力空氣阻力對某些運動有益，如高空跳傘時，身體躺平是為增加阻力面積。人或物體相對於空氣運動時，因衝撞空氣而作用力給空氣，並由空氣對人或物體產生大小相等、方向相反的反作用力，即為空氣阻力形成的原因。空氣阻力=K*A*V²（K＝阻力係數，其受空氣密度、濕度、黏滯性等因素的影響；A＝正面接觸空氣的面積；V＝相對速度）運動中之物體所受之空氣阻力與物體正面接觸空氣之面積成正比，也與物體運動速度之平方成正比。面積越大，速度越快，空氣阻力越大。十六、運動學資料的收集、縮整和分析（一）收集：攝影機的架設和拍攝。（二）縮整：影帶資料的數位化、修勻和重要參數的選擇（包括身體重心和關節點的線位移、速度、加速度，以及關節和各種角度的角位移、速度、加速度）。（三）分析：統計分析。(第一章、運動生物力學之簡介及發展趨勢)(運動生物力學洪得明博士)6十七、動因學資料的收集、縮整和分析（以測力板為例）（一）收集：測力板的架設和地面反作用力的獲得。（二）縮整：動因學資料的計算和重要參數的選擇包括：線動因學中的質量、力、衝量、動量、動能、位能，以及角動因學中的轉動慣量、力矩、角衝量、角動量、角動能（三）分析：統計分析。十八、運動生物力學的研究趨勢由於實驗儀器設備和研究技術的進步，目前運動生物力學研究方法已有相當的進展。茲將其發展趨勢簡述如下：（一）重視「動因學」的研究：過去有關運動生物力學的研究較偏重於對人體在空間運動現象的探討，亦即運動學（kinematics）的研究。但由於「力」是「改變人體運動速度」的原因，有了「力」的資料後更能用以幫助解釋運動的現象，亦即動因學（kinetics）的研究。由於研究的需要和國內研究技術水準的提昇，實施動因學的研究必將越來越受到重視。（二）重視「科際整合」的研究：運動科學研究是運動訓練科學化必要的關鍵因素。而運動科學研究則包含運動生物力學、運動生理學、運動心理學、運動醫學、運動營養學、運動生化學等研究領域。對一個運動員而言，每一個研究領域所實施的研究均僅能提供該領域的資訊，而且由不同領域研究人員分別實施研究可能對運動員造成干擾。為了對運動員提供較為完整的資訊，並避免對運動員造成干擾，由運動生物力學研究人員協同其它不同領域的研究人員共同進行科際整合的研究實有必要，而且必將成為未來研究的趨勢。（三）儀器同步化：在運動生物力學的研究中，若單獨進行運動學或動因學的研究，均僅能提供局部資料的分析。為了對一位運動員進行綜合的分析，且使分析過程更趨一致，因此將各種實驗儀器聯合操作和同步化是運動生物力學研究的重要發展趨勢。例如，在進行三度空間的運動學分析時，將兩部攝影機同步；為了分析運動的現象和瞭解受力情形時，將攝影機和測力裝置（如測力板）同步；為了分析動作過程中，人體肌肉收縮（肌肉電子活動）的情形，將攝影機、測力板和肌電儀同步。(第一章、運動生物力學之簡介及發展趨勢)(運動生物力學洪得明博士)7（四）資料準確化：在運動生物力學的研究中，為使分析結果更接近實際的運動情況，減少資料的誤差是絕對必要的條件。為了使分析的資料更為準確，提高實驗儀器的靈敏度和精確度，以及改進資料修勻的技術等也是運動生物力學研究的發展趨勢。例如，使用高品質和速度的攝影機以減少攝影誤差、使用肌電干擾波較少的肌電儀以提高肌肉電子活動測試時的精確度、使用靈敏度較高的傳感器和應變片以提高測力器的精確度，以及使用較為進步的各種資料修勻的技術以減少計算誤差等，均可使度量的資料更加準確，使分析所得的結果更接近實際的運動情況。（五）數學模擬化：運動技術的分析可增進對該項運動技術的瞭解，有助於運動水準的提昇，但其研究通常是走在運動技術的發展之後。在人類追求「高峰」的過程中，動作的「創新」亦是重要的手段。創新需要經過實驗的過程，但有很多實驗不能直接在人體上盲目的實施，否則可能因為高危險性而造成致命的傷害。故而運動生物力學研究人員以現有的運動技術為基礎，藉助於電腦的應用和力學、數學的理論以建立該項運動技術的模式，進而預測運動員在一定的控制條件下所能達成的最高技術水準。在模式建立及測試成功之後，將所需條件告知教練和選手，以進行運動技術的創新工作。此種研究是屬於理論研究的範疇，是運動生物力學新興而越來越受重視的研究發展趨勢。（六）最佳化技術：在運動生物力學研究中正在蓬勃興起的一項研究技術是利用「最佳化理論」以評估和改進運動技術。此種研究技術稱為「最佳化技術」(如最短時間、最小能量、肌肉收縮的最佳初始長度等)(金季春,1986)。在運動員現有的能力條件下，直接改變某些動作結構和動作過程，從而提高運動成績(洪迪安,1986)。十九、研究重點規畫綜合上述「發展趨勢」，規畫出對運動生物力學適合的研究重點和項目列舉如下：(一)肌電圖研究：是以肌電儀度量人體運動時不同肌群之電子活動。１、度量人體實施各種基本動作時不同肌群電子活動的研究２、度量人體實施各種運動技術時不同肌群電子活動的研究（二）基本研究：是探討人體實施基本動作和對其影響的因素。１、身體重心所進行之線位移、線速度、線加速度的研究２、不同肢體從事線運動和角運動之位移、速度、加速度