人体运动是由神经系统控制，肌肉和骨骼系统协同作用而完成的。神经系统控制肌肉，产生对骨骼的作用力以完成各种机械动作。所以，从生物力学角度出发，人体运动可以描述为在神经系统控制下，以肌肉收缩为动力、以关节为支点、以骨骼为杠杆的机械运动。

人体运动生物力学是研究人体在外力和内部受控的肌力作用下的运动规律。神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替，肌肉活动简化为受控的力矩发生器，作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响，简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。相邻环节之间以关节相连接，在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动，并影响与完成系统的整体运动。

人体运动生物力学通过力学和生物学的观点及方法对人体运动中各项技术动作进行研究，并以数学、力学、生物学及运动技术原理的形式加以定性与定量描述与概括。其主要任务有两个：一是提高运动能力，包括竞技运动、全民健身及休闲运动；二是预防运动损伤。其涵盖范围主要集中于人体一般或高级动作（技术）控制、运动训练、运动损伤与防护、运动器材和装备、全民健身与医学康复等，并在改善运动技术、丰富训练手段、设计与研发运动器材、预防运动损伤及损伤康复等方面起到日益重要的作用与意义。

尽管人类与动物运动力学的研究在亚里士多德时代就引起科学家的兴趣，但人体运动生物力学的研究却是在20世纪开始发展。法国科学家É.J.马雷^[注]在19世纪的最后10年写了《运动》（Le Movement）这本书，他在书中写到使用各种不同的工具，如通过摄影机与压力传感器来测量、记录人类在各种活动中的动作与力量（图1）。他设立的生物力学实验室，仪器设备较完善，是现代生物力学和运动生理学实验室的先驱。

图1 马雷采用风阻式仪器分析人体运动

早在1912年，美国《棒球》杂志就曾刊登有关人体运动生物力学方面的研究，这项研究是关于测量当时美国最优秀的棒球投手的投球速度。1920年美国学者A.V.希尔即开始进行有关短跑的力学与能量学的研究，是人体运动生物力学结合能量学所进行的最经典的研究之一。随后，T.丘尔顿撰写了有关游泳力学（1930年）以及各种田径技术方面的书，介绍了通过运动影像来分析运动技术的研究方法。1935年，A.斯坦德勒写了第一本有关人体运动力学的书。到了1940年，由于第二次世界大战的爆发，人体运动生物力学的研究暂时停滞。1955年，由J.邦恩所写的《运动训练的科学原理》一书出版，这是体育科学领域第一本注重强调力学在运动训练中的应用多于解剖学的教科书。

到了20世纪60年代，人体运动生物力学这个概念越发流行，且有更多人开始参与其中。1967年，第一届国际生物力学学术研讨会在瑞士苏黎世举行，该会发表的论文大多是人体运动生物力学的研究，至此每两年举办一次生物力学研讨会。1968年，《生物力学学报》创刊，创刊号中有数篇文章是关于人体运动生物力学的研究。1973年在美国宾州成立了国际生物力学学会，主要研究讨论人体运动，如肌肉-骨骼力学、人类工效学、运动生物力学、临床生物力学等，而一些对运动生物力学研究有兴趣的学者在80年代早期成立了国际运动生物力学学会。

在20世纪60年代以前，科技对人体运动生物力学的影响并不显著，但是随着科技快速发展，对人体运动生物力学的影响越来越大，主要包括生物力学的人体环节参数测量技术的改良、电脑模拟技术的改良，以及其他影像科技的应用对人体运动生物力学研究方法的提升，这些技术的进步都提高了人体运动生物力学的研究水平。20世纪人体运动生物力学的发展主要体现在三个方面：人体运动生物力学发展成为大学的专业课程；人体运动生物力学研究结果逐渐用于实践如医学、工业、体育等方面；人体运动生物力学研究人体基本和高级运动及运动对肌肉-骨骼系统的影响。

可分为测量方法和分析方法，其中测量方法可分为：运动学测量、动力学测量、人体测量以及肌电图的测量等（图2）。运动学的测量参数主要包括肢体的（角）位移、（角）速度、（角）加速度等；动力学的测量参数主要界定在力的测量方面；人体测量是用来测量人体环节的长度、围度及惯性参数（如质量、转动惯量）；肌电图测量实际上是测量肌肉收缩时的神经支配特性。利用这些测量方法并将其测量结果进行分析整理，以建立它们之间关系的方法又称为分析方法。由于研究方法的限制，很难使用直接的方法测量控制人体运动的内力（包括关节间的作用力、单一肌肉力量等）与内力矩。所以，要想了解人体运动过程中的内力与内力矩，使用最多的方法还是力学模型的方法，利用建立肢体运动的生物力学模型来计算、推估引起人体运动的内力与内力矩。

图2 人体运动生物力学研究方法

①改善运动技术。提高运动成绩常用的方法就是改善运动员的技术动作。由于人体运动生物力学不仅要研究人体运动的表现形式和产生运动的原因，同时也要研究影响人体运动的外界条件与运动技术的关系，设计合理有效的运动技术以求达到最好的运动成绩。其中，动作技术原理与最佳运动技术是需要了解的两个概念。动作技术原理具有共性，适用于任何人；而最佳运动技术是因人而异的，在应用一般技术原理的同时，又考虑了个体的综合素质，既具有共性，也具有个性特征，因此最佳运动技术的运用需要有针对性，要善于扬长避短，发挥自身优势。

②改良训练手段。人体运动生物力学通过改进训练手段而导致运动训练的适应性，并能提高运动成绩。实践应用首先对运动员运动技术进行分析，并通过测试找出影响运动技术提高的因素，协助教练员或教师判断运动员改善运动技术所需要的训练手段种类。如运动员的运动成绩无法提高，可能是因为某些肌群的肌力、动作速度或技术方面不足而受到限制。例如，体操选手要做出漂亮合格的吊环十字悬垂动作，通过分析该动作的力学特征可知必须要有强壮的肩关节内收肌，故在训练中应采用合理的训练方法增强其肌力以更好地完成动作。

③改良运动器材和装备。当今运动成绩的刷新与运动器材的发展密切相关，而人体运动生物力学理论与方法的运用在这一方面同样扮演了举足轻重的角色，它可以通过改良各项运动器材来帮助运动员提高运动成绩，比如碳纤维撑杆/网球拍/羽毛球拍、功能性运动鞋、运动紧身服等，运用运动生物力学的原理加上新材料、新工艺的不断创新，经过改良后的运动器材和装备给体育运动带来了翻天覆地的变化。

④预防运动损伤。由于人体运动生物力学是探讨作用于人体上的力及力的作用效果的一门科学。力一方面是人体运动的动力，另一方面对人体及其器官而言也是一种负荷，当它接近或超越人体器官的承受能力时，就会造成急性或慢性损伤。针对这种负荷进行检测、分析进而找出运动损伤发生的机制是运动生物力学一项具有挑战性的任务。在了解运动损伤发生机制的基础上，可以通过多种途径来预防运动损伤。例如：通过改善不合理的运动技术、通过训练改善神经肌肉系统功能、强化运动器官承受力量的能力以及改善与研发运动装备来预防运动损伤。

⑤运动康复与健康促进。运动损伤的康复需要多学科的配合，从人体运动生物力学角度而言，由于大多数损伤有其力学原因，力及相关因素是决定损伤可能性和严重程度的基本要素。损伤的性质和康复治疗有赖于生物学、运动方式和力学知识的综合，而运动生物力学能够很好地提供完整的视角。从运动器官结构和肌肉骨骼损伤的角度考虑，运动生物力学的研究包括与损伤的治疗、康复以及健康促进有关的问题，其目的是：减轻损伤的负面影响；使运动员最大程度地发挥运动能力；改善或恢复病人正常的运动功能。

人体运动生物力学研究对改进运动技术和提高运动成绩产生过重大影响。

①在20世纪60年代晚期以及70年代早期的游泳研究发现，当选手划水时，升力对人体及手的影响更为重要。有关游泳驱动力的传统理论认为，游泳时主要驱动力来自划水时手向后划所产生的向前推进力，这是由于水的阻力所产生的。但是研究发现，游泳时，手应该以一个S型曲线轨迹向后、向侧方来进行划水，如此在水被向后向侧方划时可以同时产生推进的升力和阻力，而升力则是主要推进力。这样的技术现在已被应用于全世界的游泳教学与训练上。

②在1968年，大部分世界级跳高选手都使用俯卧式跳高技术，墨西哥奥运会跳高金牌得主D.福斯贝里却以当时少见的背越式技术获得金牌。这名选手来自美国俄勒冈州州立大学，他以背向越过横竿的技术跳出2.24米的成绩。这项技术也就是现在所说的背越式跳高技术，它优于俯卧式跳高之处在于：助跑速度快；过竿时由于身体姿势的缘故，身体重心高度能够处于横竿以下；易于传授与学习。福斯贝里的成功也带领着其他人学习这项跳高技术，至今，大多数世界级跳高选手都使用背越式跳高技术。

根据人体运动规律设计、改进运动器材装备，也一直是人体运动生物力学研究的重点。人体运动生物力学在未来体育工程中应与机械、电子、材料、计算机等学科相结合，在体育仪器器材和设备的研制、开发、应用方面，发挥应有的作用和贡献。当一些专项（训练）器材和装备从运动员走向普通民众健身时，就成了全民健身器材。在全民健身运动中，根据人体结构、功能和运动特点研制的健身器材，不仅在俱乐部、社区、学校等单位中使用，而且开始走进家庭。适合不同人群的各种健身器材，在增强了人民的体质的同时，也给人们带来了快乐。由于全民健身到全民健康是个大市场，这种转化和发展速度很快，如各种走步器、划船器、全民健身器械等。