运动生物力学研究篇1
关键词：运动损伤；防护服装；运动生物力学；防护模型
中图分类号：tS941.2文献标志码：a
aStudyonprotectiveClothsBasedonSportsBiomechanics
abstract：Basedonintroducingsportsbiomechanicsaswellascurrentstudyonprotectiveequipmentandprotectiveclothes，thearticledrawstheconclusionthatitisveryimportanttostudyprotectiveclothesbyusingsportsbiomechanicsandputsforwardthetheoreticalbasis，technicalproblemsandtechnicalrouteforusingsportsbiomechanicsingarmentapplications.
Keywords：sportsinjury；protectiveclothes；sportsbiomechanics；protectivemodel
近年来，我国参与体育运动或日常锻炼的人口越来越多。在对全国体育人口比例的调查中发现，1996年的体育人口在总人口中所占的比例为31.4%，2000年增加到33.9%，而到2007年又增加到37.1%，短短10多年的时间里增加了5.7个百分点。
但是在运动中，由于人们并未太多地注意保护自己，常常会引起相应的关节、肌肉、韧带的意外损伤。网球运动常常会导致肘部、肩袖部损伤，范？克拉莫（VonKramer）对网球运动中出现的损伤进行过调查，结果表明，网球运动中肘关节损伤占全部损伤的41%，是最容易损伤的部位；肩袖损伤占其全部损伤的39%，仅次于网球肘。在跑步运动中，常常会发生小腿肌肉拉伤，有研究显示，有高达35%～65%的健身者与专业运动员曾经发生过下肢损伤。老年人、小孩以及肢体残疾人在日常的行走过程中，由于自身缺乏一定的平衡能力，往往会因为磕碰、摔倒等突发状况而意外导致肌肉和骨骼损伤。有国外学者曾做过相关的研究，该研究揭示了在老年人的摔倒中，将近53%是因为行走、站立的不稳定所导致的。
运动损伤已经给运动员、业余爱好者、老年人、小孩等带来了伤害，也是人们生命安全的重要隐患之一。也有不少人缺乏自我保护意识，认为在业余的体育锻炼和比赛中，做准备活动，然后再多加注意一些，受伤的几率也就小了，其实这种想法是不正确的。因为这种损伤，比如说扭伤、摔伤、各种磕碰伤，在运动损伤里只占到了2%，它的名称叫做意外伤，而将近98%的损伤是那种运动技术性伤。所以基于运动的生物力学，研制减少骨骼与肌肉损伤的防护性服装，是一个很大的趋向。
1运动生物力学的研究
运动生物力学是生物力学的分支学科，是研究体育运动中人体机械运动规律的科学。其主要任务是运用生物学和力学的理论和方法研究人体从事各种运动、活动以及劳动的动作技术，使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述。运动生物力学的发展与研究，为提高体育运动的成绩、预防运动损伤、设计研发防护器材奠定了理论基础。
1.1运动生物力学的实际应用
对于运动生物力学的研究，特别是在应用上，具有自己的特色，大致可归结为以下几点：
（1）在竞技体育运动动作的技术方面，根据人体的体态、素质、机能等情况，研究适合个人的最佳运动和活动技术的动作方案，并通过动作技术诊断使之逐步完善；
（2）从预防运动损伤的观点出发，对各种体育、活动以及生产劳动进行生物力学分析，找出致伤因素，并设计出相应的预防与治疗措施；
（3）运动生物力学不仅研究人体，而且也研究与运动相关的器械的运动规律，按照人体形态、结构和机能的生物力学特征，设计和改进运动器材、设施、服装与用具以及劳动机器、工具等。
1.2运动生物力学与防护器材
从运动生物力学的角度出发，对体育运动或健身锻炼中用于防护人身安全、避免运动损伤的器材，提出设计和改进的设想及要求，是一项非常艰巨的学科任务，当前基于运动生物力学研制的防护用品主要有护具、运动鞋。
新型橄榄球头盔与传统头盔相比有着本质的区别，新型头盔的外层覆盖了一种新型树脂吸振缓冲材料，它可以有效地防止运动员以头盔作为进攻武器冲撞对手。在运动的过程中，人体的各个关节肌肉常常由于过多的运动量或瞬间的挥击、拉伸发生拉伤或震伤。戴上护具后，就可以对相应部位的肌肉、韧带加压舒服，减缓可能的过度拉伸，并协助肌肉动作，对关节部位起到支撑作用。对于关节出现不同程度劳损的老人以及正在发育期的小孩来说，进行远足郊游或体育锻炼时，很有必要选择一定的护具。
国内外一线运动品牌，其运动鞋技术的每一项进步都离不开生物力学研究，结构设计和技术创新都遵循人体运动生物力学原理。国际一线运动品牌都拥有自己的核心技术，如nike的air气囊鞋底科技和足跟稳定技术、adidas的HUG环抱系统和智能芯片技术、李宁新一代单弦弓减震技术等。无论核心技术如何创新变化，结构设计必须遵循运动生物力学的原理，其主要的生物力学原理是缓震减震、能量回归、足跟控制、模拟踝足和回归自然。
2防护服装的研究
伴随着运动的普及，传统的防护服装基本上从舒适性、结构设计、功能材料等角度出发进行设计研究，通过研究改变或加强面料的性能来达到服装吸湿排汗透气、防火、防水等效果，或者从服装结构设计出发，采用多开口宽松式设计，在前胸、腋下、前后衣片采用连续开口散热功能设计，设计了一套具有散热功能的篮球比赛服装。而在运动过程中能真正地起到对人体防护作用的，往往都是要通过佩戴护具来达到目的，从拳击的头盔到篮球的护足，每一个易受伤的关节都有相对应的护具来产生防护的效果。
但是现阶段基于运动生物力学研究的运动防护仅限于护具以及运动鞋，而客户对防护服装的要求却逐渐从原来的吸湿排汗等舒适性方面提升到舒适、功能、美观、防护一体化上来，更多地希望可以通过服装本身就可以达到防护人体的目的。
所以，有必要从人体出发，通过测量人体各关节点运动的三维坐标数据的变化，将其转化为人体关节运动的生物力学参数，通过分析生物力学参数数据，建立人体防护模型，明确服装面料与防护模型相互之间的关系，并结合服装材料学、服装结构设计、人体工效学等相关知识，设计具有防护性能的服装。
3运动生物力学在服装上的应用
在体育运动、日常活动以及生产劳动中骨骼和肌肉损伤是难以避免的问题，解决这一难题，必须以人体运动为目标，运用人体解剖学、人体生理学、力学的理论与方法来探索人体运动规律，根据骨骼和肌肉的变化，建立外部防护模型，获取防护服装所需达到的力学参数，为开发运动防护服装提供理论依据。
3.1理论依据
在运动过程中，骨骼及肌肉功能模型的研究比较成熟，是确定肌肉长度、肌肉拉力线、肌力臂、肌力矩、肌力等关键因素，但却没有明确指出骨骼及肌肉损伤的临界值，建立外防护模型是解决该问题的关键途径。
基于人体骨骼与肌肉的动力学模型，模拟在外部约束条件下骨骼和肌肉的变化，通过逆向动力学方程式和有限元模拟获取相关参数，建立外防护机制，即防护模型；在外加反应实验的作用下，明确服装材料的性能与外防护模型之间的关系，为研制高质量的运动防护服装、减少运动过程中骨骼及肌肉的损伤提供理论依据。
3.2技术问题
（1）建立骨骼及肌肉的模型，需要运用动态捕捉系统捕捉关键点的运动信息，测量人体在空间的位置和方向，即人体骨骼、关节的运动轨迹。动态捕捉系统通常分类为3类：机械式、电磁式和光学式，价格不菲。
（2）结合人体运动轨迹的数据，通过人体建模仿真软件进行模拟，并推导出骨骼及肌肉的最优化的防护机制。
（3）通过实验验证分析，明确防护模型与服装面料的性能特征之间的关系，为研发防护性能最优的服装提供依据。
3.3研究方案
针对一项具体的运动，主要研究内容有以下几个方面：
（1）运用动态捕捉系统捕捉人体关键部位的空间运动轨迹；
（2）借助人体建模仿真软件，将空间运动轨迹的数据转化为生物力学参数，如各关节的位移、速度、加速度及肌肉长度、肌力臂、肌力矩等，进而计算出有关人体防护力学参数；
（3）基于骨骼及肌肉模型，运用逆向动力学的方法，建立人体外部防护机制；
（4）根据各种服装材料的性能，通过有限元的模拟，确定材料的性能与防护模型相互之间的关系，获取防护服装所需的防护参数；
（5）人体建模仿真软件对所获取的服装防护参数进行模拟，以进一步获得最优防护的服装。
技术路线如图1所示。
4结语
运动损伤常常给运动员、体育爱好者、老人、小孩等带来意想不到的身体伤害，然而，传统的防护服装基本上从服装的舒适性角度进行研究，通过改变面料的特性来达到服装的防湿透气、吸湿排汗等，或从服装的结构设计出发，改变服装衣下间隙、开口特征等来提高服装的着装舒适性。国外对于运动防护服及装备的研究则比较深入，从人体的头部到脚的各个器官都配有特定的防护用具，所以基于运动生物力学研究防护服装必将是未来的研究热门。
外防护模型的建立是运动生物力学应用到服装领域的关键，也是制约防护服装研发的主要因素。防护模型的研究处于起步阶段，只有建立起防护模型，才能进一步明确服装材料与防护力学参数之间的相互转化关系，也为研制减少运动损伤的运动装备奠定技术基础。
参考文献
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运动生物力学研究篇2
【关键词】运动生物力学表面肌电难度动作
中华武术历史悠久，博大精深，一直深受来自全世界人民的喜爱。随着现代体育的不断发展，武术套路也在向世界推广的潮流中不断的前进，现如今已逐步发展成为了以现代体育科学为理论指导，以西方竞技体育模式为运动方式的现代竞技体育项目。在跨学科研究以成为常态的新的背景下，近年来涌现出了很多有关运动生物力学在武术套路中的研究与应用的文章。其中的很多文章多采用运动学的方法对武术套路运动员作运动学的数据测量与分析并得出相应的结论。然而通过表面肌电对武术套路难度动作进行分析和研究的文章却不多。如何更好地运用表面肌电技术研究武术难度动作，已成为一个新的研究热点方向。
1.有关运动生物力学的研究内容与方法
运动生物力学是一门边缘学科，同时也是一门应用性很强的学科。运动生物力学分析不仅在人体运动实践中起着重要作用，它还是运动员和教练员做为教学和训练指导的有力工具。近年来它的发展十分迅速。国内的许多理工类、医学类和体育院校都独立开设了这门课程，有些院校还开设了相应的专业，国内一些学者同时出版了许多相应的教材和专著，在该学科上取得一些居国内外先进水平的成果。对人体与物体的运动分析是运动生物力学的重要研究内容，其中对运动位移轨迹的分析是描述运动的重要方面。
运动生物力学主要通过它的分析应用系统进行研究。并运用运动图像分析法、三维测力台法、步态分析法、肌电分析等研究方法对所要研究内容作出测数与分析。第23届国际运动生物力学年会报告上发现国际生物力学应用技术研究和竞技体育研究仍占主流，研究方法不断得到突破，三维摄像和肌电实现同步测量。各高校还相继研发出新的测试仪器和研究系统，这使得运动生物力学研究不断向前发展。
2.运动生物力学在武术难度动作中的研究
在武术套路中指定难度动作分为a、B、C三个难度等级，武术比赛中指定难度动作因其难度大、扣分重、不易完成使其逐渐成为整个套路的核心。提高指定难度动作的训练质量对提高运动成绩至关重要。
2.1运动生物力学在武术难度动作中的研究过程
通过运动生物力学研究长拳难度动作，一般先把难度动作进行阶段划分，以旋风脚动作为例：旋风脚可以划分为助跑、起跳、空中击响及转体、落地等四个阶段，之后用高速摄像机拍摄或用肌电测试仪进行实验测量，或者两者同时进行，实验结束后，用三维影像分析系统和肌电数据分析系统对所得数据进行处理。最后利用QtoolS软件和excel软件对获得的数据指标进行计算和统计，从而得出想要的结论。
2.2运动生物力学在武术难度动作中的研究发展趋势
通过运动生物力学对武术难度进行研究经历了运动学、动力学、以及多角度分析等三个阶段。
运动学分析阶段主要是通过摄像得出有关难度动作在旋转角度、各关节夹角、以及动作摆动幅度等相关数据并进行分析，这在一定程度上可以对动作进行分析，但不够全面。动力学阶段主要是对武术难度动作进行运动学肌电两方面或多方面测量，不仅从单一运动的角度，更从运动与肌肉发力等多角度进行综合考虑，使研究成果更有价值。多角度分析阶段已不仅仅是再对武术难度动作进行测量分析，将对动作从技术本身从发结合摄像肌电等手段，在运动生理学和运动解剖学等多学科的支持下再对难度动作进行研究，使得研究成果更具说服力。
3.运用表面肌电技术研究武术难度动作
运用表面肌电技术对武术难度动作进行研究，主要是通过使用肌电测试仪对做难度动作的运动员进行肌电测量，获得数据以后在对数据进行处理，其中比较重要的数据指标有积分肌电，它是计量肌肉放电水平的以单位面积放电量为单位，可以初步了解肌肉在做武术难度动作所做的贡献。还有就是放电的时序，即做武术难度动做过程中各个肌肉的放电顺序，我们可以通过这些方面了解各肌肉在做动作中协调工作的情况，从而实现研究目的。在运用表面肌电技术对武术难度动作进行研究中，时程也是非常重要的，它反映了各肌肉放电所持续的时间，使得我们在研究武术难度动作和安排相关肌肉训练上能得到很多借鉴。运用表面肌电技术研究武术难度动作已成为武术套路难度动作研究的新方向。
4.小结
关于运动生物力学在武术套路中难度动作的研究的文章有很多，通过阅读和整理相关资料，可以把这些所研究文章大致分为以下三个方面。
1.对某一难度动作或组合难度动作的运动学分析，即主要运用三维摄像手段进行拍摄，再运用相关运动分析系统对所拍摄图像进行解析。
2.对某一武术套路难度动作的表面肌电分析。
3.运动生物力学在武术中应用的综述类文章。其中由以前两方面的文章居多。如何使用表面肌电去分析和研究武术套路中的难度动作将会成为未来很好的一个研究方向。
【参考文献】
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运动生物力学研究篇3
【关键词】体育教学；运动生物力学；积极作用
1前言
在体育教学中，为了提高体育教学成果，应加深对运动生物力学的研究，积极利用运动生物力学，提高体育教学质量，促进体育教学发展，为体育教学提供有力的支持。基于这一认识，我们应对运动生物力学引起足够的重视，应结合体育教学实际，发挥运动生物力学的积极作用，推动体育教学的全面发展，满足体育教学发展需要。为此，我们应对运动生物力学发展历程、开展运动生物力学研究的作用及运动生物力学在体育教学中的作用进行深入研究，提高研究质量，保证了体育教学的开展效果。
2运动生物力学发展概述
运动生物力学研究是以体育动作为核心，运用人体解剖学、人体生理学、力学的理论与方法，研究人体运动器系的生物力学特性和人体运动动作规律，并根据影响人体运动的内部和外部条件寻求人体运动技术的合理性和更佳化，以及训练手段的有效性，为发展运动能力提供理论依据。近几十年来，国际运动生物力学发展较快，新材料和计算机的运用使生物力学的测试手段向自动化、准确化和快速化的方向迅速发展。学科间加强了渗透和协作，使生物力学的知识体系更加完善。在人体结构的研究、测试方法和手段、测试数据处理的速度与准确度、研究的深度与广度等方面都具有较大程度的提高。例如在图像采集与分析技术由于近期的不断突破，已经逐步趋于完善，这为运动生物力学走向体育实践，实现运动训练的可视化和快速反馈作好了准备。美国科罗拉多州奥林匹克中心生物力学实验室为美国国家田径队进行现场图像采集与图像分析，帮助运动员增强运动本体感受并改进技术，效果良好。我国自年成立运动生物力学分会至今，科研活动已经开展了余年并取得了一定的成绩。
3运动生物力学研究的作用分析
从目前运动生物力学的研究情况来看，开展运动生物力学研究是十分必要的，运动生物力学研究的作用主要表现在以下几个方面：
3.1运动生物力学研究对明确运动原理有着重要作用
从运动生物力学的研究内容来看，运动生物力学对运动原理进行了深入研究，提高了运动原理的研究效果，促进了运动原理取得积极效果。所以，运动生物力学研究对明确运动原理具有重要作用，我们应积极推动运用生物力学研究全面深入开展，满足体育研究的实际需要。
3.2运动生物力学研究推动了运动学本质的研究
运动生物力学研究对运动规律和运动学本质进行了探讨，可以作为运动学本质的典型研究手段。为此，我们要对运动生物力学的作用有足够的重视，应正确理解运动生物力学研究的作用，推动运动学本质的研究不断向前发展，使运动学本质研究取得积极效果，促进运动生物力学研究达到预期目标。
3.3运动生物力学研究提高了运动学的整体研究质量
从目前运动生物力学的研究来看，运动生物力学的研究对运动学研究具有重要的推动作用，能够保证运动学的研究取得积极效果，能够对运动学研究起到积极的促进作用。所以，我们应认识到运动生物力学的研究作用，积极开展运动生物力学的研究，提高运动学的整体研究质量。
4体育教学中运动生物力学的积极作用分析
从运动生物力学的研究来看，运动生物力学在体育教学中得到了重要应用，体育教学中运动生物力学的积极作用主要表现在以下几个方面：
4.1运动生物力学对提高体育教学质量起到了积极作用
由于运动生物力学的研究内容具有一定的实际意义，因此运动生物力学研究未来体育教学的开展提供了有力的支持，保证了体育教学开展的整体效果，充分满足了体育教学发展需要。为此，我们要认识到运动生物力学对提高体育教学质量起到的积极作用，推动运动生物力学研究的深入开展。
4.2运动生物力学对促进体育教学发展起到了积极作用
应用了运动生物力学，体育教学在深度、广度和专业性方面有了较大的提升，对体育教学发产生了积极的促进作用，保证了体育教学的整体质量，提升了体育教学的整体水平。所以，我们应对运动生物力学的促进作用有足够的重视，应采取必要手段，提高运动生物力学研究水平。
4.3运动生物力学对改变体育教学发展模式具有重要作用
在体育教学中开展运动生物力学以后，体育教学在内容和方法上发生了改变，体育教学发展模式发生了变化，体育教学发展整体效果更理想。所以，我们应对运动生物力学的作用有足够的认识，积极推动运动生物力学研究的开展，保证体育教学发展取得积极效果。
5结论
通过本文的分析可知，在体育教学中，运动生物力学在研究内容和研究方法上对体育教学产生了积极的促进作用，保证了体育教学取得积极成果，推动了体育教学的全面发展，满足了体育教学的实际需求。所以，我们应认识到运动生物力学在体育教学中的作用，促进体育教学的发展。
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运动生物力学研究篇4
关键词：网球发球；生物力学；文献综述
动作构成技术，因此动作是我们研究的重点。而用生物力学的知识和方法去研究网球的发球特征，研究方法和研究内容无疑是最重要的一环，而研究方法又离不开研究设备，可以说目前研究设备也从一定程度上直接影响了这篇论文成果的好坏。关于发球生物力学的研究有人做过专门的统计。蒋婷在她的《国内网球生物力研究现状及发展―基于2007-2011年4种文献来源计量分析》中指出2007-2011年，核心期刊、优秀硕士论文、博士论文、重要会议各自研究网球技术生物力学所占的比例分别为12.9%、51.6%、3.2%、32.2%，其中优秀硕士论文研究网球生物力学的最多，占51.6%。此外，5年中，核心期刊发表的关于网球生物力学的论文仅4篇，充分说明这类研究并没有成为热点。根据文献论文内容的主要特征，结合生物力学及网球项目相关理论，可以将检索到的论文分别归入3个不同的研究方向，即技术分析（运动学、用力学、生物学）、损伤（骨、肌肉）、装备（鞋、拍弦）。从本次统计来看，技术分析独占鳌头，共计23篇，占74.2%；其他方面的研究相对较少，损伤12.9%（4篇），装备12.9%（4篇）。技术动作分析受到更多的关注，主要是因为技术分析的设备日益进步和完善，生物力学研究受仪器设备的制约。这篇文章很全面的介绍了目前国内一些比较有价值的论文的分布情况及总体研究情况，让我们对整个研究水平有了初步的印象。
马大慧在《运动生物力学在网球运动中的应用分析》中给我们提出了一些比较好的运动生物力学与网球运动的结合点，我们可以从运动生物力学的力学理论研究方法，实验研究方法，力学理论研究方法和实验研究方法紧密结合等方法去研究网球的特征，当然这些方法也可以用到发球的研究中去，使我们的方法更具有科学性和方向性。下面从研究方法和内容方面入手对所查阅到的文献进行简单阐述。
刘卉（2000）以6名国青网球运动员和2名北京队青年网球运动员的大力发球为研究对象。采用美国peak三维高速录像系统进行拍摄，拍摄频率为120帧/s。采用爱捷人体信息研究所的录像分析系统对发球动作技术的运动学数据进行测量与分析。依据对录像带的观察及发球实验时的现场评价，对每个运动员三个好球中质量最好的一次进行解析。所得数字化数据采用数字滤波法进行平滑处理。她的研究揭示网球大力发球属鞭打类动作的特征并论证和全面阐述了网球大力发球技术的运动生物力学原理。同时通过对运动员发球技术的对比，得出抛球的方向、高度和身体下蹲的深度均会对整个发球动作技术起重要影响；通过对下肢运动的观察，提出影响“搔背”动作阶段的因素主要是下肢蹬伸、躯干扭转、屈肘和上臂外旋的幅度、速度及它们之间的配合，同时还认为“搔背”动作时身体各环节活动的同步性是高质量合理动作的特征；提出击球动作并非挥拍动作的自然过渡和延伸，而是有其本身技术特征的相对独立的动作技术；她还通过对身体各环节最大速度出现时间的比较，认为可将鞭打动作的基本理论作为网球发球动作技术的理论基础。这篇文章在国内具有比较高的地位，无论是研究对象还是研究方法对后来的研究者提供了很好的参考，同时所得出的结论对我们平时训练也很有参考意义。
刘保华（2008）以2007年9月在北京举办的中国网球公开赛中5名优秀女子网球单打运动员为研究对象。采用两台100HZ的摄像机在比赛现场进行拍摄，对我国顶尖女子网球运动员彭帅与4名世界顶尖女子网球运动员发球技术的速度特征进行了生物力学分析。研究结果表明在第一发球速度上，4位世界优秀运动员明显高于彭帅。4位世界优秀女子网球运动员在球拍速度、右手速度、右手腕速度、右肩速度、右肘速度右髓与身体重心的速度这7个参数因子载荷值的贡献排序运用较为合理，而彭帅则不够合理，表现在球拍的因子载荷值明显低于右手与右手腕。这篇文章从科学的角度分析了彭帅发球当中所存在的问题，可以据此对她做出指导
林建健（2009）选取2名职业网球运动员，4名专业网球运动员和6名业余网球运动员为测试对象利用，Qualisys红外远射测试系统（六个镜头）对运动员发球动作过程进行测试。拍摄频率为200幅/秒。同时用Kistle测力台系统与Qualisys同步，采集运动员的动力学数据。结果显示：在抛球过程中我国高水平运动员抛球臂关节角度变化幅度和屈膝最大角度均小于低水平运动员。在蹬伸过程中，我国高水平运动员膝关节最大角度和腿部发力效率均大于低水平运动员，膝关节最大角度和最小肘关节角度均小于国外优秀运动员。在击球过程中，我过高水平运动员身体各环节最大角度速度和击球高度与身高比均大于低水平运动员，且具有显著性差异。对比国内的高水平和低水平选手特征，可以使低水平的选手找到自己的问题所在，从而有目的改进。
蒋川（2009）年以我国优秀网球运动员杨意民、国际著名选手阿加西和张德培为研究对象。利用两个pULniX摄像头（频率为120Hz）采用定点、定焦、定距的方式进行外同步拍摄方式，对杨意民大力发球动作进行拍摄。采用美国aRieL三维图像解析系统对杨意民、阿加西和张德培的技术动作进行解析。阿加西和张德培的发球技术动作录像由美国aRieL公司提供，拍摄频率为50HZ。结果发现：杨意民发球时身体主要环节的用力顺序符合鞭打动作规律，且击球点的高度较为合理。但是其抛球技术还有待改进，其抛球最高点与击球点之间的落差较两位世界级运动员的偏大，即杨意民在抛球环节存在抛球过高的问题。杨意民的挥拍臂形成有效的用力前，“搔背”姿势所需时间明显过长，且拍头最低点高于身体重心高度，反映出杨意民的“搔背”动作不够充分。杨意民的挥拍速度以及拍头速度较阿加西、张德培存在较大差距，尤其是在击一球瞬间，阿加西的拍头速度是杨意民的1.69倍，而张德培的拍头速度更是达到杨意民的1.71倍之多。杨意民下肢蹬伸充分，但在脚蹬离地面时身体重心上升的速度和击球时身体重心的高度跟世界顶级选手相比仍有一定差距。
孙宇亮（2011）以2009年底在江门网球训练基地冬训的8名国家网球队女队员为研究对象。研究对象站右发球区，大力发球。利用两个ZooHz的高速摄像头对运动员进行同步拍摄。利用直接线性转换（DLt）算法对二维图像进行三维重构。数据处理采用北京体育大学视迅解析系统对运动学指标进行解析，应用Qtools、eXCel等数据处理软件进行计算。根据国家网球队教练的评价，每名运动员取三个好球中质量最好的一次进行解析。所得数字化数据采用数字滤波法进行平滑处理。得出结论有：我国网球运动员发球时抛球较高，建议降低抛球高度。相对于FB技术，FU技术能使运动员获得更大幅度的躯干扭转角度。根据运动员实际情况选择合适的缓冲技术。缓冲结束时刻，部分运动员存在过度顶髓的现象。这造成下肢发力不充分，最终导致球速下降。建议在此时刻保证重心投影位于在两腿之间。“搔背”动作是典型的超越器械动作，下肢的充分蹬伸是此动作完成质量的保证。因此运动员在平时的训练中应注意下肢的爆发力训练。这篇文章的研究方法和结论都有具体意义，值得国家队的女队员进行参考。
BrianJ.Gordon（2006）通过三维录像解析法对9名优秀的网球运动员进行了测试。他们在上臂和前臂套上了带有标志球的环，在肩关节周围皮肤上贴了标志球。由于计算关节和环节的扭转角度。结果详细阐明了发球过程中人体各部分的扭转情况，指出在临近击球时刻，肩关节屈伸运动和内收外展运动对于拍头速度的贡献微不足道。这篇文章的研究结果使得我们平时的一些错误观念得到了重新的认识。
综合研究的情况来看，国外学者利用运动生物力学手段对网球发球动作技术做了大量研究，并且阐明了一些发球动作的客观规律。对现今存在的各种各样的技术动作提供了科学理论上的支持，对学习和改进发球技术做了有益的探索和贡献。有的从肌肉发力顺序方面探讨，有的从核心部位探讨，也有的从动作模式探讨，还有从肌电方面入手等等，可以说已经取得了一定的成绩，而且随着研究设备的技术提高，研究的水平也在提高，但是大多数的研究还是将中国的运动员数据直接和外国运动员的数据直接进行对比，我觉得这存在一定的问题，且不论身高的不同，中国运动员的肌纤维类型与他们也会有不同等等，或者是否可以将他们的数据可以和现在排名较高的亚洲球手进行对比，比如，现世界排名17的日本球员锦织圭等等。再者，我觉得在发球最佳模式的研究方面还有所欠缺，看我们是否能找到一个最适合我们的发球模型。让大家在练习的时候心里有具体的数据可依。作为研究来讲，我们最好是能把各个方面的情况考虑清楚最好，或者就某一方面作最细致的研究。随着未来各种仪器设备的更新提高，研究水平也会越来越深，可以说，生物力学在网球领域的研究还有很大的空间。（作者单位：北京体育大学）
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运动生物力学研究篇5
①要从多视角、多层次细化角度进行研究；②要从体育科学与其他学科相互融合和渗透角度进行研究。按照这两个基本点，文中设计了一个包括一般基础学科、对象分类学科、运动技术学科、人文社会学科和生物自然学科等5个学科群组组成的21世纪体育科学体系发展趋势的景象。1前言从科学发展史的视角看，对体育的研究始于本世纪之初，由于体育研究成果的不断积累，到了本世纪中期，体育科学已经发展成为一门独立的学科，在科学百花园中占有一席之地。嗣后，由于体育科学研究的不断深入，又派生了许多分支学科，至今，体育科学已发展成为一门包括众多分支学科、具有完整结构的综合性科学。本文在论述体育科学内涵和体育科学已有分支学科的基础上，对体育科学体系发展趋势进行探讨，以求教于同仁。2体育科学的内涵由于国内外学者对“科学”和“体育”的概念均有不同的理解，所以，迄今为止国内外学者对体育科学的定义没有完全一致的认识。国际体育情报协会名词术语委员会出版的《体育运动词汇》把体育科学定义为：“有关身体练习的全部知识，这些知识是同整个概念体系相联系并作为一种理论——它确定那些可以预见、评价和证实社会生活实践中生物学精神的效果的原则。……它的研究对象，是处在社会整体化过程中，借助于身体练习以求机体与心理得到改善并提高其社会效果的人。”（注：中国体育概论.中国体育概论编写组，1986.8）德国的《体育百科词典》认为：“体育科学是一个从单项学科的各个专业角度出发，专门针对体育运动及其分支的科学研究、学说和实践体系。它是一门联系实践的、由多种系统知识组成的综合科学。”（注：中国体育概论.中国体育概论编写组，1986.8）日本著名体育理论家前川峰认为：“体育科学是研究借助于身体练习而形成人的原则和法则，增进健康，发展身体和培养性格等所从事的科学。”（注：中国体育概论.中国体育概论编写组，1986.8）我国有的体育理论家则认为：“体育科学是研究各种体育现象和最大限度发挥人体运动能力和通过体育手段有效地提高人类健康水平的综合性科学。”（注：中国体育概论.中国体育概论编写组，1986.8）笔者认为，由于体育科学研究的主体是人，是处在各种身体练习状态对人的身体、智力、情感和社会所起的作用。所以，应当把体育科学定义为：研究和揭示利用体育的方法手段，全面提高，改善的发展人类身体，心理和社会特性的规律一类学科群，是一门涌有众多分支的综合性科学，属于人体科学的范畴。3《中国大白科全书.体育》卷中对体育科学分支学科所列的条目及其划分。1982年12月出版的《中国大百科全书.体育》卷（注：中国大百科全书.体育.中国大百科全书出版社，1982.12）（以下简称《体育》卷），是80年代初期以前各国科学家对体育科学研究成果的结晶，在该卷中对体育科学的分支学科列了12个条目，即体育学、运动学、运动动形态学、运动解剖学、运动人体测量学（即人类运动学）、运动局部解剖学、运动生理学、运动生物学（即人体运动力学，包含人体结构材料学、人体静力学、人体运动学、人体动力学）、运动生物化学、运动心理学（即体育心理学）、运动医学（含运动营养学、运动创伤学等）、运动训练学。同时，在“体育学”条目的释文中提到但未专列条目的体育科学其他分支学科、还有体育哲学、体育统计学、体育情报学、体育史、体育比较学、体育社会、学校体育、体育行政、体育管理。4研究体育科学体系发展趋势应抓住两个基本点随着现代科学技术发展，在体育科学体系中出现了许多新的知识生长点，处于孕育、萌芽状态的“潜学科”层出不穷，从而使体育科学体系结构不断扩大，迄今为止已大大超出《体育》卷中所记述的发展格局。21世纪是科学高度发达的世纪，在这世纪之交的时刻，预测体育科学发展的趋势，正确认识体育科学体系中正在萌生和有待催生的分支学科，掌握体育科学体系发展的总趋势，对促进21世纪体育科学研究的繁荣昌盛和体育事业的蓬勃发展都是极为有益的。笔者认为，研究体育科学体系发展的趋势应抓住两个基本点。4.1要从多视角、多层细化的角度研究体育科学体系发展的趋势体育科学研究的对象是广义体育即体育运运或身体文化。广义体育包括了学校体育、竞技体育的社会体育三个领域，这三个领域都包含着极为丰富的内容，既要研究参与体育运动的人的生理、心理和社会方面的变化，又要研究全民健身运动、各个群体体育活动的组织、管理以及各项竞技运动的训练方法的手段、提高运动技术水平的举措等。从发展趋势看，体育科学研究对象必然会在上述领域不断细化，并且会由于研究方法的改善和科研成果的积累而不断衍生出新的分支学科。4.2要从体育科学与其他科学相互融合和渗透的角度研究体育科学体系发展的趋势从现代科学发展的历程看，自从本世纪中期以来，由于边缘学科、交叉学科不断涌现，逐渐填平了哲学、社会科学与数学、自然科学之间的鸿沟，不断显示出科学体系整体化、综合化的发展态势。体育科学研究的主体是人，人既具有社会属性的一面，又具有自然属性的一面，因此，体育科学研究既要借助于社会科学的理论的方法，又要与自然科学交融，顺应科学体系整体化、综合化发展的态势，使体育科学与哲学、社会科学、自然科学相互融合和渗透，并将相关学科的理论和方法引入体育科学研究之中，从而促使体育科学体系中新的边缘学科、交叉学科不断萌生。521世纪体育科学体系发展趋势按照上述的观点，笔者认为，21世纪体育科学体系结构将会不断扩大，其体系更加完善，许多正在萌生和有待催生的“潜学科”将会成为“显学科”，其发展态势将会以一般基础学科、对象分类学科、运动技术学科、人文社会学科和生物自然学科等5个学科群组为基点，不断发展和壮大，发展成为一个包括众多分支学科、自身结构完善、涌有庞大学科群的学科门类。具体分述如下。5.1一般基础学科群组分化和发展趋势一般基础学科是研究体育领域中各种一般性问题，为其他学科提供理论基础和研究方法的学科群组。体育学在体育科学体系中的地位和作用，就犹如教育学科中的教育学一样。体育学的主要任务是对体育学科的各个分支学科进行全面的概括，研究体育领域中的基本理论问题，诸如体育的本质、功能，体育的特征、体育的目的任务、体育的原则、方法，以及体育运动的组织形式及体育发展战略等。《体育》卷中的“体育学”条目，将体育学定义为：“研究体育科学体系及其发展方向的一门学科。”（注：中国大百科全书.体育.中国大百科全书出版社，1982.12）体育哲学是研究体育运动中有关哲学问题的学科，它的主要内容包括体育思想与哲学思想的关系，体育运动的科学观、生命观、自然观，体育锻炼和运动训练的辩证法以及体育科学研究方法论等，预料在21世纪将会得到进一步的发展。在《体育》卷中，还提及一门将比较方法运用于体育领域的学科，称之为体育比较学。比较方法在体育比较学中的具体运用有多种形式，其中最基本的形式有两种，即纵向比较和横向比较。纵向比较是指对一个国家不同历史时期体育运动、体育事业的发展变化状况进行比较研究，掌握这个国家各个历史时期体育运动、体育事业发展和变化的状况；横向比较是指对同一时期不同国家体育运动、体育事业发展状况、发展条件以及取得的效益进行比较研究，研究的目的是了解各个国家体育运动、体育事业的差异，总结经验与教训，从中获得有益的启迪，为制定和实施体育发展战略提供理论依据，这门学科在21世纪也有很大的发展前景。体育情报学是情报学在体育领域中的具体运用，是研究体育情报系统的设计、应用和情报的组织、加工、检索的分支学科，通过体育情学的研究，可以为体育科学研究和发展体育事业提供大量的文献资料和准确数据，所以，各国学者也十分重视对这方面的研究。5.2对象分类学科群组分化和发展趋势体育科学体系中的对象分类学科群组是按照参与体育运动的人的群体类型所划分出来的一组分支学科。对象分类学科群中的学校体育学、竞技体育学、社会体育学是分别以面向在校学生的学校体育、面向专业运动员的竞技体育以及面向全社会成员的社会体育作为研究对象的。由于学校体育学长期以来一直是教育科学的有机组成部分，因此，这门学科已经具有深厚的理论基础，有其自身完善的科学体系。而竞技体育学和社会体育学，由于研究的起步较晚，近几年来在国内外虽然已有一些专著向世，但尚未形成自身严密、完整的体系，其理论基础也还不够完善，通过进一步深入的研究、必然会逐步完善，而且还会分化出一些次一级的分支学科。教练员、裁判员在开展体育运动、运动竞赛中虽然不是主体，但他们扮演不可缺少的角色，在体育运动、运动竞赛中具有重要的作用。因此，在体育科学体系分化的过程中，创建以教练员为研究对象的体育教练员学和以裁判员为研究对象的体育裁判员学亦是21世纪的必然发展趋势。5.3运动技术学科群组分化和发展趋势运动技术学科群组是以人体运动和各个竞技运动项目、健身运动项目为研究对象的一组分支学科。运动学是这组学科中的基础学科，它主要是研究人体运动动作、运动群、运动流的产生、发展，人掌握运动动作和形成运动技能的生理机制等，从而为体育教学、运动训练、身体锻炼提供理论基础。运动训练学是这组学科群中的重点学科，它主要是研究竞技运动训练的目的任务，运动训练的原理、原则、特点和方法，运动员在训练中的适应过程，运动训练过程中疲劳的产生和消除的方法，运动训练水平的测定，对运动员的思想教育等。同时，如何建立与市场经济相适应的运动训练体制，也是运动训练学所要研究的重要课题。随着竞技运动的迅猛发展，各国的专家、学者都非常重视这些方面的研究。从体育科学体系发展趋势看，众多的竞技运动项目、健身运动项目都将会作为专门的研究对象，均可分化成为运动学中的分支学科。同时，有许多具有我们中华民族特色的传统竞技、健身、养生项目，我们也应当积极组织科研人员进行研究，在继承我国体育文化遗产的基础上，使其推陈出新，努力创建具有中华民族特色的相应分支学科，这对于弘扬中国传统体育文化和完善体育科学体系都是颇有裨益的。5.4人文社会学科群组分化和发展趋势人文社会学科群组是由于体育科学与人文社会科学中的有关学科门类相互渗透而形成的一组分支学科，它既是体育科学的分支学科，也是社会科学某些门类的分支学科，具有交叉、边缘学科的性质。体育社会学是介于体育科学和社会科学之间的一门综合性学科，它主要是研究体育的社会现象，体育的社会属性与社会功能，体育的社会结构及其运行规律，体育在社会中的地位和价值，体育与社会政治、经济、文化等的关系，以及体育人才培养的社会基础与社会保障等。体育经济学是研究体育与社会经济的关系以及体育领域内经济问题的一门分支学科，它主要是研究体育在社会经济发展中的地位和作用，发展体育的社会经济条件，体育经费的筹备与分配，以及体育经济效益的评价等，随着体育经济学研究的深入，必然会化分出体育产业经济学、运动会经济学等一系列次一级的分支学科。体育美学是研究体育美的本质、特征和美的规律的学科，它研究的内容包括人在体育运动中的自然美与艺术美，体育运动对塑造人体美的作用，体育运动技术美、战术美的特征和规律，以及体育运动中的审美教育等。随着对体育美学研究的深入到21世纪亦将会分化出许多次一级的分支学科。5.5生物自然学科群组分化和发展趋势生物自然学科群组是由于体育科学与自然科学某些门类学科相互渗透而形成的一组边缘性分支学科。人是地球这个星球上进化程度最高级的生物体。人体运动是一种最高级的运动形式，但也包含了许多低级运动形式，体育运动是一种人体运动，因此，研究人体运动，必须充分利用机械运动、物理运动、化学运动、生物运动等已有的研究成果，也就是要借助力学、物理学、化学的某些理论和方法。由于力学、物理学、化学与生物学的交融和渗透，产生了生物力学、生物物理学、生物化学等边缘学科。体育科学引入力学、物理学、化学的理论和方法，直接来自于生物力学、生物物理学、生物化学，从而又派生出运动生物力学、运动生物物理学、运动生物化学等边缘、交叉学科。运动形态学、运动生理学、运动医学是人体解剖学、人体生理学、医学在体育领域中的具体运用，随着现代科学技术的发展，学科之间的相互渗透和交融，运动生理学也必将会分化出许多次一级的分支学科，如运动神经生理学、运动消化生理学、运动血液循环学、运动气体交换学等。运动解剖学、运动医学中的许多次一级的分支学科也将应运而生。体育生态学是在体育科学与生态学相互渗透和融合的基础上形成的一门边缘学科，这门新兴的边缘学科的主要任务是，研究体育运动与生态环境的关系，探索体育运动对人类生态环境的影响，以及生态环境对体育运动效果的作用，进而为改善人类生存的生态环境，提高运动技术水平和促进身心健康服务。上述这些生物自然学科21世纪都会有远大的发展前景。6结语体育科学自本世纪中期正式成为一门独立的学科以来，仅半个世纪的时间，由于与许多相关的学科相互融合和渗透，已经发展成为一个由一般基础学科、对象分类学科、运动技术学科、人文社会学科、生物自然学科等5人学科群组构成的、交叉、边缘分支学科层出不穷的学科门类。由于体育科学的发展和研究的深入，已为提高体育运动技术，促进人类身心健康和社会的文明进步作出了不可磨灭的贡献。预料随着现代科学技术的不断发展，科学之间的相互交融、渗透，到了21世纪在体育科学体系中，将会有更多的交叉、边缘学科应运而生。由此而推，体育科学发展的前景是无可估量的。
运动生物力学研究篇6
关键词：运动仿生；智能机器人；智能驱动材料；环境感知
中图分类号：Q811
文献标识码：a
文章编号：1005-2615（2012）05-0621-08
运动是动物的基本特征，动物的运动是其实现扑食逃逸、求偶繁衍等基本生存能力的关键。在百万年的演化和进化中，动物的运动能力——跑、游、跳、飞，均达到了令人类惊叹的地步。另一方面，对运动的控制和实现，也是人类科技发展和技术进步的主要表现之一。
自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展，获得了实现优异运动能力的核心技术，如环境感知、冗余信息处理、运动能力多变的机构、节能和分布式驱动等，这些技术不少已经为人们所感悟，并用于人类所创造的运动系统。相传早在大禹时期，中国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。同样的技术发明在四大文明古国均有历史记录或者考古发现。因此，可以说仿生的历史一直蕴含在人类的文明进化的过程中。
飞行一直是人类所追求的梦想，飞行技术的发展和进步，是仿生学成功的典范。16世纪初，意大利人达芬奇及其助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行，设计和制造了一架扑翼机。1891年，德国的工程师Lilienthal成功地进行了可重复的滑翔飞行。莱特兄弟发明带动力的飞行器，改变了人类运动的方式。两次世界大战的军事需求，促进了飞行仿生技术的发展，在世界大战期间和战后几十年来，飞机的机翼形状、机身外形、抗疲劳和稳定性设计等方面的设计进步，几乎都受到动物飞行翼、动物外形和结构特征的启发。
20世纪90年代初，各国都在为发展“仿生”相关交叉学科的基础研究作了精心长期的计划准备。美国在DaRpa，nSF，空军和海军等项目支持下，发展了一系列的高端仿生技术，如脑机接口技术、智能机器人技术、动物的运动控制等领域，同时还优先发展先进制造、先进材料、先进军事装备研究的长期计划；德国在DFG，BmBF等项目支持下，在仿生电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等领域投入了大量财力和人力。前苏联和俄罗斯一直把仿生作为主要的原创技术来源，其独特的对地观测系统源于昆虫复眼研究的结果，Frantsevich院士为此获得列宁勋章。英国、日本以及韩国等国都有相应的中长期计划，在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。这是一场在仿生科学技术研究领域内展开源头研究的全球性竞争，以便在21世纪的世界市场上占有主动地位。
国内20世纪50年代，以中科院生物物理所为核心，曾结合国家的安全目标，形成一个研究的小高潮，后因中断。2000年前，仿生研究还比较零散，主要代表包括吉林大学的任露泉、金属研究所的周本廉等。近年来国内仿生学研究发展迅猛，主要研究集中在材料、表面、运动等领域，形成群雄并起的局面。
在仿生的诸多领域中，运动仿生受到人们的格外重视。国内2003年10月第214次香山科学会议的主题是“飞行和游动的生物力学与仿生技术”，同年12月第220次香山科学会议的主题是“仿生学的科学意义与前沿”。路甬祥、童秉纲等9位中国科学院和中国工程院院士对中国仿生科学与工程的发展寄予殷切的期望。会后，国内的仿生研究进展很快，已经建立了不少以“仿生”为主题的研究机构。特别是运动仿生和智能机器人技术相结合，在国内形成了很好的研究氛围。研究涉及四足机器人、仿鱼机器人、仿人机器人、仿壁虎机器人、仿蝴蝶和仿鸟机器人、仿蟹机器人、仿蛇机器人等，国内从事自动化、机械电子、信息技术等领域的学者纷纷从不同的角度开展研究，形成了运动仿生和机器人研究的高潮。
在当前国家面临的特殊国际环境下，发展军用运动仿生对于形成非对称抗衡能力，促进科学的发展和技术的源头创新，是一个重要的选择。
本文从运动的生物学基础、仿生运动体的发展和存在问题及运动仿生的未来发展几个方面回顾和评述运动仿生面临的问题和发展机遇。
1运动仿生的生物学基础
动物运动所处的环境分为水中、空中和陆地上。部分动物具有海、陆、空全空间的运动能力，如东方龙虱，它可在水中游，在地上跑，还可在空中飞，这类动物的驱动和运动机构相当复杂，并存在运动驱动和机构切换的行为。
动物在不同的环境中运动，所面临的关键问题是不同的。在水中，主要问题是水对动物运动的阻力，不少海洋动物演化获得了出色的降低阻力的体表质构（微结构、材料和拓扑分布）。在空中，面临的主要问题是产生足够的升力平衡身体自重。因此，这类动物进化了轻质身体结构、高效驱动肌群、精巧的空气动力感知和控制技术。在陆上，动物形式多样，行为复杂，运动所面临的关键问题为克服自身的重力的同时适应陆地复杂多变的形态和环境。这种环境下，动物进化出了3种基本的运动模式——腿结构运动机构、无腿运动机构和滚动运动。
滚动运动：一般认为，轮子的发明和对滚动运动的利用是人类创造力的典型代表，事实上不少动物也利用滚动实现逃逸。活板门蛛在遇到猎蛛蜂攻击时，会把腿上的5个关节迅速收拢，8条腿将身体围成圈，身体会像轮子一样从沙丘上滚下。这个“车轮”每秒钟转动40多转，滚出2m远，时速可达40km/h。
无腿运动模式：自然界中以蛇为代表的无腿运动具有很好的环境适应性，蛇不仅能够在山地、草丛、树木等复杂表面上运动，甚至可以在水中游动。近十年来国内外不少团队从事蛇运动仿生的研究，取得了一批不错的成绩，但总体而言，仿蛇机器人的运动能力还远远落后于蛇本身的运动能力。
腿式运动机构是陆上动物运动机构的首选。从速度最高的猎豹、运动最灵活的羚羊、体重最大的大象，到挖洞而居的老鼠，均采用腿足机构为运动机构。按照机构的结构形式，腿足机构可分为直立运动机构和匍匐运动机构。按照腿足的数量，可分为四足、六足、八足和多足。按照所能够运动的表面的能力，或者脚底能否产生粘附性接触，可分为粘附动物和非粘附动物。粘附动物的脚底能够对所在运动表面产生粘附力，从而克服重力，是动物具有在垂直表面或者负表面（如天花板）上的运动能力。
图1对比了不同环境中运动所需要耗费的能量。出乎预料的是，同样质量下，游动所要耗费的能量最低，跑动消耗的能量最多。
生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。神经系统控制肌肉系统，产生对骨骼系统的作用力，以完成各种机械动作。
其中神经系统即包涵动物体内对运动行为的控制系统，也包含对环境的感知、多信息融合的决策系统。图2是运动相关神经系统的层次结构与相互关系。
在神经系统中，大脑皮层还将整合来自视觉、听觉、嗅觉、方位觉等方面的信息，并结合身体内部的需求信息，例如饥饿感、求偶需求等，经信息整合，作出综合决策，确定干什么、往哪个方向等顶层任务。脊髓及外周神经信息和肌肉组成了运动的低级和基础单元，该部分常称为CpG层。很多基本的运动模式是在该层储存、记忆和调用执行的。ijspeert对动物和机器人的CpG做了很好的回顾，尽管结合具体动物已经开展了不少的研究，但已有研究和动物运动的特异性间的关系尚未建立。脑内运动相关核团间信息传输的网络及其神经信息的传输和相互作用规律的认识还非常有限。
图2提示人们，通过对动物运动神经系统信息的调控和干预，可能实现对动物运动行为的调控和干预。该类工作国内外都有相当的报道。
神经系统对肌肉的指令信号通过神经的运动终板传递到肌肉组织，肌肉把化学能转化为机械能，并通过伸肌和屈肌间的拮抗作用，是开链的杆机构具有一定的刚度，获得稳定的位置。这种分布式布局的驱动方式，使机构获得了多个自由度，为动物运动机构实现运动模式的多元化提供了可能性。
由动物骨骼组成的机构是实现动物运动的重要基础，起到承载和传递外力和内力、保护核心器官的作用。关节是骨骼间相对运动的部分，动物的关节在不同方向往往具有不同的约束，形成完全自由度和部分自由度。这种关节的设计是一般机械系统的设计难于模仿的。
力是使动物运动的核心因素，为此，国内外研究者往往关注动物运动中的生物力学规律，运动生物力学研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律。这里，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，动物体模型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，并影响系统的整体运动。
2仿生运动体——机器人的发展和存在的问题
运动仿生表现为机器人的研制和开发。在智能机器人技术领域，动物的超级运动能力为智能机器人的发展提供了很好的生物学模板。动物的粘附机制及其仿生为爬壁机器人的研制提供了全新的理念。动物的精细感知能力、多信息融合能力、分布驱动模式和高度的环境适应性为智能机器人的发展提供了很好的参照。在高端装备和制造方面，研究动物运动系统的特点，以期开发出和波士顿动力公司大狗相媲美的高负载多用途机器人；杆机构机器人的研制涉及机构与驱动、感知与信息融合、控制与通信、能源和节能等诸多方面。
杆机构机器人机构常用的有单腿机构（弹跳机器人）、双腿机构（仿人机器人）、四腿机构（进一步分为直立四足机构和匍匐四足机构，如仿狗机器人Bigdog，仿壁虎机器人）、多足机器人（仿昆虫六足机器人和仿蜘蛛八足机器人）。
单腿机器人国外mit开展了很好的工作，成为Boston动力公司Bigdog机器人的前期基础。徐杨生院士也有很好的工作。该类研究中机构的稳定性控制和合理的驱动是研究的重点。
双腿机器人国外以日本的工作最好。国内以黄强团队在仿人机器人方面的工作最为出色，某些性能和展示的内容和日本人的工作不相上下。这类机器人在动力学稳定性、上肢和躯体行为对机器人的影响等方面已经开展了大量的工作。现有研究多采用电机驱动，该种驱动模式限制了机器人运动能力的进一步提升。
四足机器人是杆机构机器人领域多年的研究热点和重点，比较大型的陆地动物也多为四足运动机构。机构学上该机器人机构是非连续约束变结构机构，接触冲击和机构变型给机器人运动学和动力学的分析及综合添加了难度；其基本运动步态有3角步态和对角步态，前者可实现静态稳定，或者需要在动力学层面才能稳定，在非结构环境下各腿间的运动协调是这类机器人面临的新问题。驱动方面现有研究有电机驱动、液压（气压）驱动和气动人工肌肉驱动等方式。
多足运动机构机器人稳定性更加容易保障，对腿失效的容错能力提高，但在驱动方面更多的是能耗和自身重量难于减轻的问题，运动协调控制将成为这类机器人的主要的问题。
以下是陆上四足机器人研究存在的主要问题：
2.1仿生的运动生物学基础匮乏
在感知方面，动物对周边环境的视觉、听觉、嗅觉等信号的作用范围及其融合方式上不够清楚、动物本姿感知与运动步态和运动方式的关系研究不够、动物脚底对运动反力及其方向的感知了解不足。动物在非结构复杂环境下感知与运动步态间的反馈调节机制几乎没有研究。在驱动方面，动物是分布式的肌肉驱动，而机器人是集中式驱动。如何采用尽量少的驱动，实现复杂多变的运动行为将是这类机器人发展的重要基础问题。动物学研究表明，动物的肌肉一肌腱一骨骼系统并非仅仅是简单的驱动，还肩负存储能量的功能，且冲击接触过程的能量可重复利用达70%。对动物运动神经控制系统的研究表明，动物对运动反力和外界环境的反馈有机械一力学的动力学反馈和神经一驱动调节的神经反馈两种不同的机制，前者适应于快速、简单和局部的反馈，或者适应性复杂、全局和有中枢神经调节的反馈。将这些机制应用于机器人的运动控制将简化其运动控制，并提高机器人的适应性和运动能力。
2.2对脚的研究不够
在动物运动中，脚具有感知接触力和接触状态、增加接触的稳定性、减少接触冲击力等多种功能。而目前机器人研究对脚的研究关注不够。如何提高脚的感知能力、接触适应性、增强脚的降低冲击和稳定性的能力，将是一个重要的方面。笔者在研究蝗虫脚掌降低冲击力、增加粘附接触能力的基础上，发明了一款柔性机器人脚，已经在所研究的四足机器人上使用。采用仿壁虎机器人关键的脚底刚毛阵列的制造技术，国外已经可实现10倍于壁虎脚底粘附力的碳纳米管阵列（美国CaSe的戴黎明），但阵列的力学性能还有待进一步深化研究。国内李清文和笔者合作正在研制类同的阵列。
2.3驱动单元和驱动系统落后
目前机器人驱动电机和电源占机器人质量的比重依然偏大，多数微电极度具有大减速比，测定效率低，能耗高。而且很多时候电机的输出方式与机器人的驱动需求不一致。发展高效、轻质的驱动方式、驱动系统和驱动模块，对未来机器人的发展，具有重要的引导作用。流体驱动可能成为机器人驱动的重要方式之一。智能驱动材料和驱动结构是一个长期但重要的研究方向，将为机器人的发展和性能的提升带来质的飞跃。
2.4环境感知技术不足
目前很多机器人采用的视觉及图像处理技术实现定位。但该系统耗时长，需要的资源多。发展高效快速的复眼视觉技术可为机器人视觉定位提供新的选择。多维的接触力学和状态的感知将是杆机构机器人必须发展的核心技术之一。
2.5控制系统的设计有待整合
目前人们对动物运动神经系统的认识远没有所想象的那么深入，这很大程度上源于缺乏跨学科的人才及跨学科交流的不足，而这种交流需要有一定的对方学科的知识，以便可以理解交叉学科的概念、内涵和行为方式，还需要有持续的坚持，才可能达到融合的程度。机器人运动的哪些方面需要按CpG模式？其适应到什么样的层次？不同控制级别的分工各相互交汇模式还有待于深化。
2.6电源与节能技术
受电池储能量限制的移动机器人工作能力不足是一个全世界都在进一步探索的问题。目前机器人的电机驱动系统减速比多在100以上，其中不少齿轮是滑动轴承支撑，一般而言效率低于50%。而且不少情况下电机减速系统的质量和电机的质量相当，这又反过来增加了对驱动力的需求。以电池为动力源的情况下，电池的质量往往大于其他系统质量的和。发展新的驱动方式、能源供给模式和节能驱动方式是机器人走向商业化和实用化的重要一步。
杆机构机器人作为机器人技术的一个重要方面，在没有道路的复杂非结构环境下具有难以替代的作用。
3运动仿生的未来发展
回顾动物运动的生物学机制和现有仿生机器人存在的问题，笔者大胆预测未来运动仿生的发展。
3.1先进环境感知技术与单元
动物的环境感知是触觉、视觉、味觉、听觉等多信息融合的过程，动物体内的感觉神经元具有分布式、种类多样、每个感觉神经元功能特定、纳米尺度等特点，动物感觉神经元的结构和功能特点为人们发展新的传感器技术提供了很好的启示。而结构更加小巧、灵敏度更高、分布广泛的传感器系统，迫切需要采用纳米技术实现传感器的设计、制造和包装。依次为基础传感信息的采集、传输和处理，对信息技术提出了新的课题和挑战。同时，纳米技术和信息技术在动物感知方面的模拟和仿生应用又为人们认识动物感觉神经系统的工作提供了更好的模板和可行性，帮助解释动物脑神经系统运算和选择的规律性。
3.2分布式驱动和智能驱动材料
驱动技术是机械系统进步的重要标志。从蒸气机、内燃机到电动机的技术革新，使机械系统的灵活性、能量利用效率和使用方便性得到了一次次飞跃和提升。尽管电机在体积、重量、传动效率等方面已得到很大的改进，但仍不能满足高性能机器人（特别是仿生机器人、微型机器人）高灵活性、高效率、高冗余度和高负载/质量比的需要，是机器人性能远落后于所仿生动物的主要原因之一。动物的分布式（肌肉）直接驱动是它们具有运动灵活性（驱动自由度多）、鲁棒性（具有动能代偿）、高效率（最佳位置力输出）和高驱动能量密度（传统微型飞行器电机和传动占总体重的30%～50%）的主要原因。微机电系统发展呼唤新型驱动材料和驱动部件的发明和创新，已成为未来材料、机械和电气工程交叉领域迫切需要解决的关键问题之一。
目前有望用于分布式驱动的材料包括形状记忆合金（Shapememoryalloy，Sma）、电磁致动材料（electromagneticbrake，em）、压电材料（piezoeletricmaterial）、电活化聚合物材料（elec-troactivepolymers，eaps）等，这些材料的工作频率和输出能量密度如图3所示，可见epam（一种eap材料）在10～104Hz范围内具有最好的比功率（能量输出/质量），此外，eap还有具有柔性、易于控制、性能类似于天然肌肉等特点。按工作原理，eaps可分为电子型和离子型两类。电子型eap靠电场驱动，所需电压相当高（场强约为150V/μm）；离子型eap是基于带电离子的迁移和扩散实现驱动的。离子交换聚合金材料（ionicpolymermetalliccomposite，ipmC）是一种离子型的eap材料。与其他驱动材料相比，ipmC驱动电压低、位移量大；其变形收缩能力超过质地脆硬的电学陶瓷100倍以上，而且在响应时间、低重量及弹性上大大超过形状记忆合金，成为近年来国内外研究的热点。
笔者认为，ipmC可能是一类有前景的驱动材料。其研究可归为：（1）ipmC仿肌肉材料的制备和特性；（2）ipmC的致动机理研究；（3）设计和应用技术研究。1992年，美国的Shahinpoor等、Sadeghipour等及日本的oguro等几乎同时独立发现ipmC的电致动特性。1998年Shahinpoor等人采用全氟磺酸聚合物（nafion）、1999年oguro等人采用全氟碳酸聚合物（Flemion）作为基底聚合物，在含pt和ag等金属离子复合物水溶液中进行离子吸附和交换，随后通过化学还原过程在基体表面深处形成一层金属纳米颗粒，分别制备了ipmC。
ipmC的致动机理比较复杂，尚没有公认的理论。但是许多针对某一具体实验现象的电学模型和力学模型的建立以及材料致动行为的研究提高了人们对于ipmC的理解。目前学者们认为，ipmC在结构上，基底nafion分子同时具有亲水和憎水基团，在成膜中内部形成了许多纳米尺度的微管道。外加电场作用下，微管道内的溶剂化离子定向迁移，导致nation薄膜本体的形变（位移），进而产生张力。因此，持续的水分子迁移是保证ipmC工作的必要条件。
ipmC驱动器的性能主要表现为：驱动电压低（低于10V，一般3V左右），输出位移大（弯曲位移超过32%），激励电压和频率对位移输出有明显影响。现有的ipmC驱动器主要存在两个缺点：（1）力输出较低；（2）离水工作时间较短，ipmC工作需要水合离子的参与，现有的ipmC适合用于水中或潮湿环境，对ipmC的进一步推广存在限制。近年的大量研究集中在上述方面，以便进一步提高ipmC的性能和工业应用的可能性。
尽管ipmC存在上述不足，它的独特性能和广泛应用潜力还是吸引了很多学者和工业界开展ipmC应用的尝试。美国JpL实验室和新墨西哥大学的人工肌肉研究所研究用ipmC做四爪抓取器，设计使用ipmC作为人体心脏或人工心脏的辅助压缩舒张装置。韩国Kim等人研制了ipmC驱动的八足机器人。日本公司eameX用ipmC驱动的人工鱼已经商业化，一次充电它可在鱼缸里游半年。Zhang等研制了能实现泳动、行走和漂浮的水下机器人；Yeom等研制了仿水母机器人。这些研究和研制展示了ipmC潜在的应用市场，也预示着科学把幻想变为现实的可能性。
仿生驱动领域关于分布式驱动的研究尚未开展，基于智能驱动材料的驱动单元的研究和研制还不能满足工程的需要。
3.3杆机构机器人与智能控制技术
美国在阿富汗战争中，毛驴战胜“悍马”，表明山地环境下杆机构动物的运动能力远胜于轮式运动系统。因此，美国DaRpa在原来BiGDoG（大狗）的基础上，近期又投入320万美元发展运动能力更强的LS3。中国和新疆也是高海拔的山地环境，而且也是分裂势力从事恐怖活动比较活跃的地区，有着和阿富汗类似的问题。同时，中印边境也是不够稳定的地区。保障山地环境的运输能力，对降低特种兵的体力消耗、提高作战能力有重要支持作用。外空探索是近来航天活动的主要内容之一。无论是月球探测、或者是火星探测等，具有高度环境适应性的移动机器人，是实现在外星球上运动的重要手段。杆机构机器人环境适应性好，具有较强的运动功能代偿能力，是外空探测机器人的重要候选机构。
仿壁虎杆机构机器人除了上述杆机构机器人的特点外，还能够借助于范德华力粘附机制，实现不依赖于空气压力的干式、自清洁、多次重复使用的粘附。这种粘附机制实现的抓取在卫星轨道上依然有效，因此本项目发展的干式粘附机器人手，能够在空间环境下，比较容易地实现对非合作目标的对接。例如，可以用该粘附机器人抓取其他先进国家的卫星和航天器，从而实现获取相关技术、木马植入等，为基于航天的信息战和反信息战提供一种选择。同时，可以用于航天站内物体在航天器上的固定（干式粘附）。仿壁虎机器人在特种侦察、杆机构机器人在救灾等领域也有需求。
对杆机构机器人运动、控制、驱动、节能等行为规律的认识，还将反过来促进对动物运动、控制和感知机制和行为方式的收入认识，为残障人士的康复提供帮助。
3.4动物运动规律的研究
对动物运动规律的揭示，在运动仿生研究中具有重要位置，是工程科学研究回馈和促进动物学研究的重要手段，也是动物学研究深化的必然需求。如在流体（水和空气）中运动的动物，其运动力学量的检测依然十分困难，现有实验研究以飞行翅一动物整体运动行为的观测为主，同时辅助流场观测和基于流场观测的数值分析计算，依次获得动物运动中和环境问力学相互作用的信息。发展载体无线的超低力学量测试技术，直接获得动物在流体中运动时生物力学规律，具有重要意义和价值。目前已知海洋动物具有出色的降低身体和水界面阻力的能力，初步的仿生实践证明，可减低飞机阻力5%，船舶阻力12%，有巨大的经济和环境效益。纳米尺度功能器件的制造难以通过传统的去材方法实现，生物的自组织生长制造技术一旦推广应用，将改变制造科学的面貌，成为节能、节材微纳器件制备的核心技术。
4结束语
从动物运动的生物学和仿生机器人的现状看，未来运动仿生发展的方向可以概括如下：
基于动物运动机构和驱动系统的生物机器人研究，科学问题是揭示动物运动相关脑区（核团）的相互关系、运动相关神经信息的传输规律和外界刺激下神经信息的演变规律。技术难点在于运动调控核团的精确定位方法和技术、阵列电极无干扰地定点植入技术、动物运动状态神经信息采集和调控的微型遥测遥控技术。
运动生物力学研究篇7
但是，总的说来，我国的物理学史和物理教育相结合的研究起步较晚，与国外同类研究相比还存在一定的差距.我国广大物理学史和物理教育工作者虽然在一定程度上认识到了物理学史的教育价值，大都赞同物理学史与物理教学相结合，但是理论研究基础薄弱，许多看法来源于经验体会，缺乏广泛的调查分析和理论上的论证.关于物理学史的引入大多还停留在“渗透”的阶段，对物理学史引入中学物理教学的作用缺乏具体实证性研究.
在传统的物理教学中，多数教师在物理学史教学方面采取简化处理的方式.简化处理会使科学探究过程消失，仅剩下物理学家的名字、事迹以及相关理论.笔者曾经对太原市一所中学“原子核结构模型”教学的实施状况做过考察，发现尽管教材中科学探究过程描述得非常详细，但教师的教学处理非常简单.有的教师把这些内容全部让学生阅读，只讲几位科学家提出的观点，有的教师只是在讲解知识的基础上在一个表格里列出物理学家的名字、理论提出的年代和主要观点让学生对原子结构理论的发展有一个大致理解，至于物理学家提出理论的背景、过程和方法都不在课堂上展开.被调查的教师都认为这一节知识点少，依靠学生阅读就可以，没有一个教师按照教材中知识的呈现顺序将物理学史作为教学设计与实施的线索展开教学.这说明由于长期受单纯注重知识传授观念的影响，教师对教材中大量融入物理学史的做法并不理解，他们在教学时简化的往往是科学探究过程中的重要因素，使得物理学史的文化内涵大大减弱.
通过这样的调查，笔者发现，虽然教师普遍对物理学史在物理教学中的重要性有很大程度的忽视，但由于种种原因，物理学史在培养学生科学素养方面是非常重要的，在新课程实施过程中还要充分发挥物理学史的文化教育价值.在太原市另一所中学的一节物理学史拓展课“牛顿第一定律的发现”上，笔者找到了答案，真正感受到了物理学史教学的魅力.以下是这节课的课堂实录和笔者的思考.
1课堂实录及点评
[用ppt展示亚里士多德、伽利略、牛顿等科学家]大家看照片，亚里士多德、伽利略、牛顿，这就是我们这节课要介绍的主人公，世界上不知道这三个人的人恐怕很少，因为他们对科学的发展做出了巨大的贡献，同学们都或多或少地知道一些他们的情况.现在请大家说说自己对亚里士多德的印象.
学生：他的观点是错的.
我们来看看伽利略是如何评价亚里士多德的.伽利略曾说：“老实说，我赞成看亚里士多德的著作，并精心进行研究，我只是责备那些把自己完全沦为亚里士多德奴隶的人.”从这句话可以看出伽利略对亚里士多德是如何评价呢？
学生：赞成看他的著作.
伽利略并没有鄙视亚里士多德，反而赞成看亚里士多德的著作.据历史记载，伽利略有段时间曾在大学里教书，讲授的正是亚里士多德著作中的内容，伽利略用“精心”形容自己的研究.在前面的学习中，大家有没有体验过伽利略的精心之处呢？
学生：自由落体研究，亚里士多德太主观，伽利略利用实验研究，数学推理……
亚里士多德的著作记载着这样一个结论：有力才有运动，力撤去运动就停止.（ppt展示“力是维持物体运动的原因”.）关于力和运动的关系，伽利略又展开一次“精心”的研究，等会儿让我们一起用我们的眼睛来观察伽利略究竟“精心”在哪里？
亚里士多德真的错了吗？我们不妨来演示一下生活中一个常见的现象：手表（有金属表链的手表）原来静止在桌面上，手一推，手表运动起来.（教师用手扶着，边推手表边解释.手一放开，手表慢慢停止运动.老师演示的时候，力稍微大些，让手表运动一段再停，用手在桌边接住！）
手表原来静止，当我用力推时，手表运动；手松开后，手表停止运动；亚里士多德的结论没错呀，手表受到力的作用时运动，撤去力后手表静止.（ppt展示一些生活现象）生活中类似于刚才的演示实验的现象很多，长期以来，人们的经验是：要使一个物体运动，必须推或拉.推拉停止，物体也就停止运动.距今2000多年以前，亚里士多德观察到生活中这些现象时，他凭直觉就得出，力是维持物体运动的原因，意思就是：有力才有运动，撤去力运动即停止；从刚才的演示我们也看到似乎有力才有运动，撤去力运动随即也就停止了.（ppt展示亚里士多德的结论.）
学生：手表运动了一段时间才静止的.
观察得很仔细.（跟当年的伽利略一样观察得很细致），手松开后，手表没有马上停下来.当初伽利略恰恰注意到了“那一段”，他认为如果撤去力，物体就停止运动，那么为什么有些物体会运动一段时间才停下来呢？他最早悟出了地球上物体运动时，都不可避免要受到摩擦力和空气阻力作用.他认为，物体之所以停下来是因为受到摩擦力的作用，物体停下来恰恰是因为力的作用，所以力不是用于维持运动，恰恰相反，这里的摩擦力却是物体产生减速的原因.
伽利略的精心研究表现在：观察认真.细微，微小变化的现象也观察到了.（ppt展示伽利略得出的一半结论）
到此，伽利略已经找到，导致物体运动停止的原因是由于摩擦力的作用，但他没有停留在这里，而是继续想象，如果没有摩擦力，那么物体会怎么运动呢？
学生：静止或匀速直线运动.
学情分析很多高一的学生看不起亚里士多德，甚至鄙视他.这位老师的设计意图：借着伽利略对亚里士多德的评价与学生对亚里士多德评价的冲突引出本节课讨论的范围；通过简单的演示实验引出本节课要讨论的确切问题，开始伽利略精心设计的研究过程.澄清学生对亚里士多德的误会，引导他们如何正确对待前人及其研究结论.
这个结论我们已经学过，但当年他是如何得出这个结论的呢？
学生：斜面，对接斜面.
我们一起来回顾一下，大家初中学过的伽利略理想实验――对接斜面（展示Flash），伽利略是怎样推理的？
（1）让一个小球从一个斜面的顶端滚下，紧接着又滚上另一个对接的斜面，同一个斜面，打磨得越光滑，小球上升的高度越接近原来的高度；故设想如果没有摩擦力，这个小球将达到跟原来同样的高度；摩擦力F=0的实验没有条件做，伽利略依据事实基础，进行了合理的外推.
（2）如果减小对接斜面的倾角，小球仍会达到统一高度，通过的路程呢？（需要经过更长的路程.）
（3）同理，如果再减小对接斜面的倾斜度，小球经过的路程就会越来越长.
（4）如果把对接斜面变成水平面，小球无法达到原来的高度，只能以原速度一直运动下去（无加速也无减速原因）.（3和4利用合理外推思想）
（板书，提炼伽利略的研究方法.）
伽利略利用这个斜面实验成功地得到力不是维持物体运动的原因，了已经被人们接受了2000多年的亚里士多德的错误结论.我们知道伽利略这个实验是个理想实验，并非真实的实验（因为在地球上不能达到完全没有摩擦的条件），这是伽利略用自己的大脑想象出来的，（语气加强，转话锋）任何想象都离不开现实，绝不能凭空想象，那么大家知道伽利略当时依据的是什么现实呢？
学生：……
伽利略17岁那年，当时他还在医学院读书时，有一次在教堂做礼拜，风吹进教堂，导致教堂内的吊灯摆动，他回去就立即做了个实验，（演示伽利略针和单摆实验）这是一个简单的摆球，一端固定，将摆球拉向一边，由静止释放小球，摆球会摆动到另一边，用水平尺子标记其高度.大家知道伽利略从这个实验得到多个结论，那就是摆球运动到右边时，能达到同高度的位置吗？（演示：摆球拉到左边，与尺子同高度的地方，静止释放小球）小球运动到右边等高的地方吗？（摆动两次后，教师顺手抓住小球.）
接着，伽利略在悬挂小球悬点的正下方，固定一根针，当球往右边摆动时，碰到针，他还会摆到相同的高度吗？（教师演示，学生观察并回答）
当时伽利略用一根针多次改变小球的悬点，重复实验.在当时的测量条件下，伽利略得出的结论是：摆球能上升到原来的高度.
（演示过程与学生共同得出结论，培养学生实验观察与归纳能力.）
下面我们用Flash慢放展示一下刚才的实验，在一定点o悬挂一单摆，在o的正下方o1用钉子改变单摆的运动路线，将摆球拉到离竖直位置一定距离的左侧a点，释放小球，小球将摆到竖直位置的右侧与a点等高的B点；保持释放点a的位置不变，提高针的位置至o2，小球运动到右边等高的C点，针位置继续升高，至o点，小球运动到右边D点.a、B、C、D四点等高，除了这个结论外，大家比较这三次运动，还看出什么规律？
学生：针的位置越高，摆球运动轨迹越长，运动越远.
认真观察，摆球的运动轨迹aB、aC、aD，对大家有什么启发？这个轨迹跟哪个实验类似呢？
学生：哦，那个斜面实验.（ppt展示斜面实验示意图与摆球轨迹的比较），伽利略的想象实验灵感来源于此.
他将这个现象与斜面运动联系在一起.伽利略指出，对于斜面会得出同样的结论.（ppt展示伽利略的结论）
伽利略设计的实验虽是想象中的，但却是建立在可靠的事实基础上.把研究的事物理想化，就可以更加突出事物的主要特征，化繁为简，易于认识其规律.理想实验是一种重要的物理方法，以事实为依据，将实验和逻辑推理统一.伽利略的这一自然科学新方法，有力地促进了物理学的发展，他因此被誉为是“经典物理学的奠基人”.
理想化模型对科学研究仍然具有重要的意义.与伽利略同时代的法国科学家笛卡儿，把伽利略的结论推广到没有重力、没有摩擦力、没有空气阻力的更理想的情况，进一步补充和完善了伽利略的观点，指出：如果没有其他原因，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向.（ppt展示笛卡尔图片及其结论）
学情分析学生早已熟悉伽利略的理想斜面，但对于力与运动关系的研究过程不清楚.设计意图：借着研究历史的重演，带着学生与科学家进行对话，重点体验伽利略的研究过程的精彩之处，引导学生感悟其研究方法.此时教师的引导作用十分重要，做不好的话，就变成很无味的陈述，需要巧妙地引导学生回归物理学发展历史，亲自参与整个过程的研究.
1.1牛顿第一定律
依据伽利略和笛卡尔的研究结果，同学们能用自己的语言概括一下两位科学家的结论吗？（使学生感受到很难用简单的语言概括，此时引入牛顿的结论）
伽利略和笛卡尔等人的正确结论在隔了一代人之后，由牛顿用简洁而准确的语言总结出该定律.
（ppt展示牛顿第一定律）一切物体总保持匀速直线运动或静止，直到有外力迫使它改变这种状态为止.
用通俗的语言来说就是，如果物体所受外力为零，那么原来静止的保持静止；原来运动的，将一直匀速运动下去，直到加入外力；另一方面，外力加进来后，就改变了原来的运动状态（速度的大小或方向发生变化）.牛顿的结论是否比前人更深刻、更丰富呢？（ppt展示“意义”）我们一起来看一下，后半句指出力是改变运动状态的原因，这是重述前人的结论，同时也指出了物体不受力时的运动规律，补充说明一下，完全不受力的物体在地球上存在吗？不存在，所以不受力指的是所受合外力为零.回过来，前半句：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，指出了一切物体都具有的性质――惯性.（ppt展示惯性，教师解释惯性的概念）惯性：是物体抵制运动状态改变的固有倾向，就是不想改变原来的状态，故与人的惰性是非常类似的.也就是说，若原来静止的，就不想动；原来若以某一个速度运动，就趋于保持这一速度运动.
仔细分析前后两句话，点出了两个概念――力和惯性，这两个概念是什么关系呢？
学生：……
惯性：总企图保持原来运动状态；力：一参与就要改变运动状态.二者是对立的，但又统一在牛顿第一定律里面，对立统一关系.
学情预设估计此时学生对牛顿第一定律的体会不深刻，所以借着解读牛顿第一定律所包含的两个概念，一方面让学生了解定律的内容，另一方面引导学生欣赏牛顿的高明之处.
1.2惯性
让我们来完整地认识一下惯性.惯性，解释为惯性或惰性.惯性是物体抵制运动状态改变的固有倾向.
一切物体都有惯性，对我们来说是利还是弊呢？（分别展示相扑运动员与小孩的照片，要求学生想象这个小孩冲向相扑运动员，后果会是如何？学生回答后，把大家的想象模拟一下――展示小孩撞一个胖人的影片.）.胖人原来是静止的，后来还是，他的运动状态不容易改变；小孩原来向前运动，后来向后摔倒，运动状态容易改变.胖人的运动状态不容易改变意味着什么呢？
保持原来的运动状态本领大，也就是惯性大；所以不同物体惯性大小是不一样的.那么惯性大小究竟由什么因素决定呢？请大家带着这个问题，看一组图片.（ppt展示体操运动员与相扑运动员.）
当你看到体操队员时，要求你用几个词来形容她，你会用什么词？相扑运动员呢？
学生：苗条，灵活……
依你们判断，体操运动员的身躯能否当相扑运动员？
学生：不可以.
为什么不可以？
学生：太苗条，不够重……
为何相扑运动员都需要很胖？这其中有什么物理道理呢？
学生：……
相扑运动员如果苗条的话容易被搬倒，也就是原来静止的状态容易被改变（由静变动），即物体惯性小.相扑运动员需要有很大的惯性，运动状态才不容易被改变.那么惯性大小跟什么因素有关呢？
学生：重量，质量……
（用月球上的例子排除重量的影响因素，从而得出结论）惯性大小用质量来度量，质量越大，惯性越大；质量越小，惯性越小.所以体操运动员为了能够有灵活的动作表现，质量就要小，需要苗条；而相扑运动员则不希望被别人摔倒，质量就要大……
1.3惯性的应用与防止
首先请同学们讲一些关于惯性印象深刻的经历.下面给大家播放一段刹车模拟录像，大家看的同时思考影片中包含了哪些物理现象？刹车时存在哪些安全隐患？并提出你的意见来防止这些隐患.
学生观看并提问.（教师边引导边播放相应的ppt）
安全带：当汽车急剧减速时，前座安全带将人紧紧限制在座位上，不至于发生危险.
头靠：避免撞车时的鞭打效应（颈部的剧烈运动）.
气囊：车辆发生碰撞，人会前倾；气囊在碰撞时释放并充气，减小对人的冲击力.
1.4课堂小结
今天这节课，我们花了很多时间跟大家一起回忆牛顿第一定律研究的历史，读历史的目的是使人明智，从中看到经验，我们共同经历了伽利略的“观察-实际实验-理想实验-合理外推”的研究方法；牛顿第一定律的内容及其意义，惯性（惰性），质量是惯性的量度，惯性的应用及其防止.
2对物理学史教育的思考
2.1物理学史中有丰富的物理文化教育资源，物理学家就是物理文化的代表
从整节课堂进程来看，以伽利略的科学探究过程为线索，向学生展示伽利略在质疑-实验设计-理想实验-合理外推中的艰难与曲折，对学生进行了科学方法、科学精神教育，揭示了科学研究中求真、理性、怀疑、实证、精确、继承、合作、求善臻美等特征，促进了学生对物理学本质和物理文化的理解，并且自然地与价值观教育融合在一起，这是一节成功的物理学史拓展课，让我们真正感受到了物理学史的文化内涵.作为历史上著名的一位物理学家，伽利略的研究过程就是对物理文化的生动阐释，学生通过对物理学家的了解，能够充分感受到物理学家的人格魅力和文化品性，因此，物理学家就成为学生的文化榜样.
2.2要理解物理文化必须让学生真正进入物理历史场域
笔者也曾听过几节设计物理学史内容的课，但感觉不到这种震撼，也没有这节课中热烈的互动，教师虽然也在展示科学历史过程，但大多数学生只是作为一个旁听者听着有趣的故事.正像问卷调查显示的那样，物理历史内容并没有受到足够的重视，物理学史的文化建构功能远没得到发挥.而这一节课学生不仅是物理学历史过程中的听众，而且是作为一个思考者真正“进入”到物理学家的研究过程中，进入了物理历史场域.通过听这节课，笔者深深感到：只有学生真正“进入”到物理历史场域，才能与科学家进行跨时空的对话，才能设身处地理解物理学家的所想、所做，物理历史场域中的特定价值追求、规范和思维与行为方式才能真正触及学生的内心深处.
从这节课的组织过程看，科学探究背景、物理学家实验设计、科学研究详细过程的介绍，以及让学生充分发表自己的观点和感想的教学方式、精彩的多媒体手段都是帮助学生进入历史场域的有效手段.介绍科学研究的背景，能帮助学生从当时的社会、科学、技术发展出发历史地看待物理学家的研究，实验设施的展示能让学生感受到历史的真实性，而展示科学研究的详细过程（包括科学家的想法、感受、遇到的关键事件）使学生能感受到“作为一个人”的物理学家的存在.在教学中让学生发表自己的观点和感想，形成互动，则是提供了学生和“历史上的物理学家”、“同伴”对话的机会.以视频为主的多媒体技术运用更是把历史生动地再现于学生面前，为学生进入物理历史场域创造了很好的情境.
运动生物力学研究篇8
关键词：物理规律；物理思维；方法
众所周知，物理学是整个自然学科中最重要、最基础的学科。物理教学最重要的是培养学生的学习兴趣，渗透物理的学科思维，让学生能真正学懂物理。
一、伽利略对自由落体运动的研究
1.通过逻辑推理的方法揭示了亚里士多德重物下落快的错误；
2.从“自由落体运动应该是最简单的”认识出发，猜想v∝x和v∝t两种可能性，但经过推理判定v∝x不正确；
3.从逻辑推理得出检验v∝t即是检验x∝t2；
4.巧妙设计斜面实验检验x∝t2；
5.得出结论：所有物体下落时加速度都是一样的。
伽利略的科学方法：对现象的一般观察―提出假设―运用逻辑（包括数学）得出推论―通过实验对推论进行检验―对假说进行修正和推广，伽利略的科学方法的核心是把实验和逻辑推理（包括数学推演）和谐结合起来。
二、匀变速直线运动的位移与时间的关系
1.从匀速直线运动的位移与v-t图线下围成的矩形面积的对应关系出发，猜想匀变速直线运动是否也有类似的关系？
2.通过瞬时速度估算物体的位移。在时间间隔比较小、精确程度要求比较低时，可以这样估算。
3.利用极限思想得出v-t图线下面四边形的面积代表匀变速直线运动的位移。
科学方法：v-t图线下面四边形的面积代表匀变速直线运动的位移，实质是一种计算极限的方法。把物体运动的时间无限细分，在每一份时间微元内，速度的变化量很小，可以忽略这种微小变化，认为物体在做匀速直线运动，因此，根据已有知识位移可求，接下来把所有时间内的位移相加，即“无限求和”，则总的位移就可以知道。利用极限思想、微分思想解决物理问题的科学思维方法。
三、曲线运动研究方法
1.通过科学观察和实验的方法，提出曲线运动的概念。
2.通过建立平面直角坐标系的数学方法，利用分解的思想研究曲线运动的位移。
3.通过列举圆周运动的实例引出研究曲线运动速度方向的课题。
4.通过猜想、实验和理论探究的方法明确曲线运动的方向及其研究方法。
5.通过观察、演示实验、用数学方法研究小蜡块的运动，类比力的合成与分解提出分运动、合运动、运动的合成与分解的概念，归纳出研究曲线运动的方法。
6.通过演示实验的方法说明物体做曲线运动的条件。
在对曲线运动的研究中包含的科学思想和物理学方法：对现象的一般观察―提出猜想―进行实验探究―得出结论―再用数学的方法和极限的思想进一步理论探究和验证。
在研究平抛运动时，应用运动的合成与分解的方法和牛顿第二定律确定抛体运动的位置和速度，并用数学方法得到轨迹方程，这是一种重视理论分析与演绎思维的方式，有利于培养学生利用所学知识和方法解决实际问题的能力。
四、牛顿发现万有引力定律
1.根据开普勒行星运动定律思考：行星为什么绕太阳运动？
2.提出假设：太阳对行星的引力使行星绕太阳运动。
3.推导太阳对行星的引力特点。
4.猜想：“天上”与“人间”的力可能出于同一本源。
5.月地检验得出：重力与地球与月球间的引力属于同一种力。
6.进一步推广：万有引力定律。
7.运用科学观察和科学实验验证万有引力定律理论。
牛顿得出万有引力的过程中所用到的科学思维方法：用到了假设、猜想、简化模型、演绎推理等科学方法。将假设猜想、演绎推理、实验检验完美结合起来。
五、库仑定律
库仑认为两电荷之间的作用力与两电荷的电量也成正比关系，并利用一个带电金属小球和另一个不带电的完全相同的金属小球接触，前者的电量会分给后者一半的结论，得出了电荷间的作用力与电荷量的乘积成正比的关系。
库仑通过实验得出：“两个带有同种类型电荷的小球之间的排斥力与这两个小球中心之间的距离平方成反比。”库仑定律建立过程中的科学方法：类比两质点之间万有引力的计算形式猜想两电荷之间作用力的决定因素；利用两个完全相同的带电金属球接触电量的分配关系得到电荷之间的作用力与电量之间的关系；利用扭秤实验，结合扭力与静电力平衡得到同种电荷之间的作用力与电荷间距离的平方成反比关系；利用电摆实验，结合动力学的方法得到异种电荷之间的作用力与电荷间距离的平方成反比关系。
参考文献：
运动生物力学研究篇9
关键词：抗氧化；抗氧化剂；氧化应激；自由基
中图分类号：G804.3文章编号：1009783X（2012）06055609文献标志码：a
氧化应激（oxidativestress，oS）是指机体在遭受辐射、高温、运动及其他刺激时，体内高活性分子如活性氧自由基（reactiveoxygenspecies，RoS）和活性氮自由基（reactivenitrogenspecies，RnS）产生过多（后统称RoS），机体氧化程度超出其清除能力，体内氧化与抗氧化稳态失衡，倾向于氧化，导致组织损伤、炎性细胞浸润的生理过程。正常人体氧化还原态势处于动态平衡，而当体内氧耗量（〖aKV・〗o2）增加，活性氧生成增多，打破氧化还原稳态，即出现氧化应激状态。氧化应激是由自由基在体内产生的一种生理应激反应，被认为是导致衰老和疾病的重要因素之一。体育运动是引发氧化应激的重要应激源（exerciseinducedoxidativestress）。运动过程中，机体〖aKV・〗o2增10～20倍，骨骼肌细胞氧流量增加更多，高达200倍。运动中摄取的氧，2%～5%会通过不同途径生成活性氧，其中大部分在线粒体中生成。过去20年研究表明，剧烈运动过程中，生成的自由基不断增加并超过机体抗氧化系统的清除能力，造成氧化应激。氧化应激水平取决于机体抗氧化体系的抗氧化能力，该体系由机体自身合成的抗氧化物质及通过饮食补充获取的抗氧化物质共同构成抗氧化防线[1]。RoS的生成可能造成组织氧化损伤，包括蛋白质裂解、Dna断裂、细胞膜改变等，影响细胞的正常功能，引发疲劳的发生和发展，最终影响运动能力甚至健康。同时，适度运动引起的自由基生成增加，以及一些相关细胞因子的表达也是一种刺激信号，并通过信号传导系统来促进机体线粒体生物能的合成和机体抗氧化能力的提高。运动引起RoS生成的增加通过信号传导系统提高机体的适应能力，这在运动对健康促进方面扮演着重要角色，通过不同措施减少运动中机体氧化应激水平，也可能会降低由RoS介导的运动与适应。大强度长时间的竞技体育运动中，氧化应激、炎症反应、免疫水平和运动能力之间关系紧密；因此，运动员通过科学合理补充外源性营养补剂来提高自身抗氧化能力，防止过度氧化应激造成的机体损伤和炎症反应，减缓运动中疲劳的发生发展，提高运动能力，一直是运动科学领域研究的重要课题。
1抗氧化剂在体育领域中的研究与应用
1.1维生素e
Ve又称生育酚，属于脂溶性维生素，有多种亚型结构，其中α型生育酚天然含量丰富、活性更强。Ve（主要指α型生育酚）主要定位在细胞膜上，并和线粒体内膜结合，位于电子传递系统的位点上[1]，骨骼肌上Ve的含量明显要高，大约是肝、心和肺部的50%（约20～30nmol/g）。Ve补充在运动科学领域的研究已经有几十年的历史，不管是从动物实验还是人体实验，都有大量的研究。medani等[2]研究发现，补充Ve对骨骼肌Ve含量有影响。受试者连续30d、每天补充800iU（800mg）Ve，15d后血浆α型生育酚增加3倍，γ型生育酚降低74%，并维持该水平不变，30d后肌肉活检发现，α型生育酚显著增加（53%），γ型生育酚和比基础值显著降低，（37.6±7.0）vs（57.3±12.1）nmol/g，p
作为细胞膜主要抗氧化成分的Ve如果不足，增加了运动大鼠对自由基的敏感性，导致疲劳过早产生（耐力水平减低40%）和膜脆性增加[3]，Ve不足可以抑制骨骼肌线粒体呼吸[4]。Jackson等[5]对生育酚摄入不足及外源性补充对肌肉收缩功能的影响进行了研究。雄性大鼠和雌性小鼠喂养标准化饮食，Ve不足的饮食含有500μg/kg硒，补充Ve的标准饮食含有240mg/kg的α型生育酚，连续喂养42～45d。在大鼠和小鼠中，喂养生育酚缺乏饮食的动物伴随肌肉收缩损伤敏感性的增加，而补充生育酚明显提高了对这种损伤的防护作用。尽管肌酸激酶（CK）和乳酸脱氢酶（LDH）的增加表明了生育酚补充对肌肉损伤的保护，但是似乎对肌肉脂质过氧化没有影响，肌肉收缩引起的损伤似乎和自由基介导无关。warren[6]等研究了补充Ve对骨骼肌损伤和自由基对膜损失的影响，主要通过研究血浆酶的改变来反映。研究发现，补充Ve后，骨骼肌对氧化应激的敏感性明显减低，但是没有缓解因离心运动引起的肌肉损伤。由此可知，Ve补充可能对防止自由基损伤有益，而由离心运动引其肌肉损伤可能不是由RoS介导的。而Kumar等[7]发现，对力竭性耐力运动的雌性大鼠补充60d生育酚完全阻止了自由基介导的脂质过氧化的增加。他们还报道，控制对照组大鼠心肌组织脂质过氧化增加而未增加生育酚补充的情况下，观察到5周的生育酚补充缓解了由于运动引起的心肌脂质过氧化的增加[8]。研究认为，补充Ve可以减少动物在耐力性运动中氧化应激损伤，并且这种保护并不是提高SoD的活性，而是通过直接清除自由基、抑制脂质过氧化物酶及过氧化物酶有关的过氧化物还原等途径实现。任绮等[9]研究了Ve补充对耐力运动大鼠心血管相关指标的影响，发现急性力竭运动的应激可引起大鼠心肌细胞形态结构变化，耐力运动及补充Ve对大鼠血清noS活性、tnFα（α肿瘤坏死因子）浓度的影响显著，研究认为耐力运动和Ve干预对一次性大强度运动引起的心肌损伤具有保护作用。
在有关研究[4]中，分别给大鼠喂养3种饮食：Ve缺乏饮食、含有40iU/kgVe的饮食和含有400iU/kgVe的饮食，并且比较了肝线粒体呼吸情况。结果发现，喂养400iU/kgVe饮食的大鼠线粒体功能最佳。另外，补充Ve的群体肝细胞和线粒体脂质过氧化水平最低，尤其是naDpH（还原型辅酶Ⅱ）生成减少。宋吉锐等[10]通过大鼠动物实验研究发现，维生素e补充可降低骨骼肌细胞线粒体mDa的含量，细胞线粒体超氧化物歧化酶（SoD）活性增加，这意味着骨骼肌细胞抗氧化能力提高，对抗RoS导致肌肉损伤的能力增加；因此，认为通过维生素e的抗氧化作用，Ve完成了对运动性骨骼肌损伤的预防和保护作用。罗吉伟等[11]研究了反复力竭运动后大鼠骨骼肌线粒体超微结构改变及维生素e的保护作用。研究首先建立4周反复力竭运动模型，力竭组大鼠骨骼肌肌丝排列紊乱，线粒体肿胀和空泡变性，但补充Ve组大鼠骨骼肌超微结构并未发现上述病变或者变性；因此，研究认为反复长期力竭运动影响骨骼肌正常形态结构甚至导致骨骼肌细胞坏死、线粒体形态异常等，补充Ve对反复力竭运动大鼠骨骼肌线粒体具有保护作用，减少反复力竭收缩骨骼肌的坏死丢失。
从上述动物实验研究来看，Ve补充似乎对肝脏、心肌运动造成的氧化应激有良好的影响；但是对骨骼肌损伤的保护方面，还存在一些需要解决的问题：运动引起氧化应激造成的骨骼肌损伤的生理机制是否和抗氧化不足有直接关系；骨骼肌线粒体损伤和离心运动引起的损伤的关系等，这些问题都有待于进一步研究。
虽然，很多动物实验研究已经表明，Ve的补充可以减低氧化应激带来的损伤，但是对Ve补充对人体运动引起氧化应激影响的研究还十分有限，且结论不一致。有研究表明，有训练的游泳运动员补充6个月的Ve（900iU/D）并未改变游泳成绩，也没有改变血浆乳酸含量。Goldfarb等[12]对一些训练过和未接受训练过的男性受试者进行研究，发现4周的Ve补充（800iU/D）没有改变80%〖aKV・〗o2max跑步所需要的功率，而另外一些些受试者补充6周Ve（400iU/D）对蹬车时间、游泳时间和跑步时间产生影响。另外，〖aKV・〗o2max、体适能指标等都未发生改变[13]。Volek等[14]对18名受试者进行安慰对照实验，研究离心运动后补充Ve对肌肉恢复情况的影响，其结果认为，6周的Ve补充（1200iU/d）并不能缓解离心运动后膜损伤的标记物，对肌肉离心运动时的运动表现也无影响。Viitala等[15]分析了pubmed和SportDiscussdatabases2个数据库中自1985―2003年期间人体补充维生素e的相关研究，其结果认为，Ve补充并不降低人体运动引起的脂质过氧化水平，对运动能力有益影响的结论也很难统一。
人体和动物实验的研究结果差异使研究人员对Ve在运动中的补充产生了众多疑问，认为这种差异可能是实验设计本身造成的，也可能是人体和动物本身差异引起的。人体实验和动物实验之间的实验控制和实验设计本身并不存在可比性，所以，从实验结果来看，并不能明确说明Ve补充对抗氧化应激造成的影响。最近，maret等[16]提出，在体内，Ve主要是清除过氧基（peroxylradical，Roo），它作为脂溶性抗氧化物质，主要是维持膜性结构中长链不饱和脂肪酸的完整性，并维持其正常的流动性、渗透性等生物膜活性。他们还提出，不同的抗氧化物质在正常环境中相互影响，使它们具有相当高的抗氧化效率，以至于在检测中被氧化的脂质水平可能被抑制，所以仅从脂质过氧化水平来判断其抗氧化效果还需要进一步考证。
1.2维生素C
VC属于水溶性维生素，是最重要的细胞外液抗氧化物质，在胞质内也可发挥其抗氧化的作用[17]。VC在RoS产生多的地方越丰富，这种现象称为抗氧化应激适应[17]。在细胞外液，VC可清除RoS；在细胞内，VC阻止Ve和GSH遇到RoS后生成它们的活性形式发挥作用[18]。VC结合Cu+后极易被氧化，具有较强的还原性。灵长类动物包括人类因不能合成VC，所以VC补充必须经膳食摄入。
运动员补充VC已经进行了很多研究，尤其在防止氧化应激损伤和对运动能力影响等方面都进行了较为深入的研究和讨论。补充VC有助于维持组织内VC水平充足，而VC补充与肌肉酸痛之间的关系研究早在19世纪50年代就已经开展。早期研究认为，VC补充可以减少运动后的延迟性肌肉酸痛（DomS）。Graeme等[19]研究了补充VC与延迟性肌肉酸痛的关系，该实验通过下坡跑来造成DomS，连续14d下坡跑，跑前补充VC1g/d，4d后安慰对照组mDa升高，而VC组未见明显升高，并发现VC组肌肉酸痛的恢复时间延长；因此，研究者认为，VC补充减弱了自由基的生成，但对DomS无影响，并且认为VC补充可能延迟了肌肉功能的恢复。而Bryer等[20]研究高剂量补充VC对离心运动后骨骼肌的影响，研究采取安慰对照实验，其结果发现，补充VC组其力量、关节活动幅度等没有影响；但是肌肉酸痛明显减低，推迟CK的升高，血液中谷胱甘肽氧化减少，肌肉功能影响不明显。thompson等[21]也研究了VC补充与肌肉恢复情况的影响，认为VC补充和自由基生成与不适宜的运动引起的恢复延迟无关，运动后补充的VC不能被足够地运送到所需要的部位，故对恢复过程提高无影响。同样的一项研究也认为，抗氧化补充对运动引起的肌肉损伤和恢复无影响，但存在性别差异[22]。到了20世纪，研究却得到不同的结果，tompson等[23]研究发现，90min穿梭跑前2h一次性补充1000mgVC，血浆VC含量增加，但是对运动后肌肉酸痛的发展并不存在影响。由于VC补充与肌肉酸痛关系的研究较少，且实验因素控制较难，很难总结出令人信服的结论，人们似乎从理论上更倾向于认为VC补充可以减少运动后肌肉酸痛的发生发展。
虽然VC可能防止运动引起的氧化应激，但是和一些单独对VC影响的研究相比，研究结论似乎没有像Ve那样的研究令人信服[24]。在研究设计实验中，Ve摄入不足的大鼠，并不改变VC不足大鼠力竭跑的时间，补充VC并不能消除Ve不足带来的危害[25]。最近也有发现，篮球运动员运动引起的血浆VC的不足，通过多种抗氧化剂联合补充（鸡尾酒式，600mgs生育酚、1000mg维生素、32mgβ胡萝卜素）可有效减低氧化应激水平[26]。而Goldfarb等[27]在另外一项研究中认为，VC补充可以减弱运动引起的蛋白质氧化，并和剂量有关，但是对脂质过氧化和谷胱甘肽氧化还原态无影响。而一项对马拉松运动员的研究发现，补充含有VC（1000mg/d，21d，含有其他成分抗氧化剂）的复合抗氧化剂，虽然减低了脂质过氧化水平，但是对运动引起的炎症标志物无明显影响[28]。michael等[29]最近通过补充外源性VC的研究中认为：防御内源性RoS的生成是由运动介导的，抗氧化补给阻碍了这种影响；运动引起的氧化应激改善胰岛素抵抗并引起适宜反应促进内源性防御体系的提高，抗氧化补给可能阻碍机体运动对健康的促进作用。
20世纪70年代已经有一些研究VC补充与运动能力之间的关系，但到目前为止，VC和运动之间的影响关系机制还是不甚清楚。Get等[30]发现，对于空军战士在训练期间连续12周补充VC后和安慰对照组相比，并未提高跑步测试成绩。而在另外一方面，Howald等[31]在一项实验室力竭性实验中发现，和安慰对照组相比，每天补充100mg后，其w170实验时的功率显著提高。20世纪80年代，2项研究报道VC补充对无氧能力没有益处[32]。Buzina和Suboticanec的研究似乎提供了VC补充对运动能力影响不同的解释。他们研究证实VC和有氧能力相关，但是他们也注意到，这种关系在血浆VC水平低下的受试者中最强。这些数据似乎提示，VC补充能对运动能力的有益影响可能只发生在VC摄入不足的受试者身上。Vanderbeek等也发现，限制VC饮食7d后虽然有氧功并未下降，但是发现在VC摄入不足情况下，血乳酸开始堆积时的心率明显提高。这些可能提示，VC补充可能在VC摄入不足的情况下，对运动能力的影响的效果显著，而单独VC补充，可能因其他因素限制对运动能力影响的观察。
1.3槲皮素
槲皮素（quercetin，3，3′，4′，5，7五羟基黄酮）是一种典型的类黄酮，在水果蔬菜中，尤其是苹果、洋葱、大蒜中含量丰富[33]，它的生理特性来自疏水共价键结构，它的化学特性来自酚羟基供电子能力（还原能力）。然而，临床资料显示，槲皮素除了抗氧化外，还有广泛的生物学效应，包括抗炎症、抗癌、兴奋、保护心肌和神经兴奋作用[3334]。槲皮素对体能（physicalperformance）有良好的作用。来自大鼠体内外的实验研究表明，槲皮素对体能和神经机能有联合生物效应，包括抗氧化[33]、抗炎症活性[33]、中枢兴奋性[35]，最使人振奋的是具有提高大鼠骨骼肌和大脑线粒体生物合成（mitochondrialbiogenesis）的作用[36]。槲皮素强的抗氧化能力可能对运动耐力有积极意义，槲皮素的化学结构使其具有大的自由基清除能力，尤其是羟基替代物的存在和邻苯二酚类B环（catecholtypeBring）的存在[33]。虽然某些自由基的生成可能对于正常肌肉适应是必要的；但是，大强度或者超长时间运动可能适得其反，并引起啮齿类动物的疲劳[37]。对于抗炎症特性，研究表明，槲皮素可以调控细胞内信号的传导，包括通过抑制炎症前κB细胞核转录因子（proinflammatorytranscriptionfactornuclearfactorkappaB，nFκB）的激活而抑制炎症信号级联放大作用[33]。大强度非正常的或者离心运动易使肌肉损伤并引起炎症反应。细胞培养研究和体内动物实验研究对于槲皮素抗炎症效果提供了很好的证据[33]。然而，来自人体实验的证据还不足，如nieman等研究了连续3d骑车后，进行超长耐力跑后槲皮素对炎症的影响，发现除了白细胞、iL8、iL10mRna表达降低外，槲皮素并不能减弱肌肉损伤、炎症的标记物水平，肌肉细胞因子mRna和血浆细胞因子水平降低[38]。而Davis等通过大鼠实验证明，短期槲皮素喂养提高最大耐力水平和身体活动能力[36]。每天12.5g和25g槲皮素连续7d喂养提高了70%〖aKV・〗o2max强度跑台运动的力竭时间，分别提高36%和37%，高剂量槲皮素喂养也提高轮椅志愿者的活动能力，这些对身体机能方面的益处可能与大脑和线粒体能源物质合成增加及中枢兴奋作用有关。槲皮素多重的生物效应将是运动科学未来一个热点研究物质。
1.4芦丁
芦丁（rutin）又称为维生素p，是重要的黄酮类化合物，它和槲皮素的化学结构区别是a苯环上3号位羟基被糖基取代。芦丁被证实有较强的抗氧化性，具有较强的氧自由基清除特性，主要用作食品、化妆品的添加剂，同时也对运动引起的氧化损伤起到防御和保护作用。熊正英等[39]通过建立大鼠疲劳实验模型，发现胃灌注芦荟水的大鼠骨骼肌mDa生成减少，骨骼肌SoD等抗氧化酶活性增加，并且大鼠力竭运动时间明显增加，而芦荟水是一种芦丁含量高的多成分抗氧化植物提取液。付俊录[40]的研究似乎提示芦丁补充提高运动能力的部分原因：芦丁补充可以提高大鼠肌、肝糖原的含量，并且促进运动后力竭大鼠肌、肝糖原的恢复。
金越等[41]比较了芦丁、槲皮素和异槲皮素的抗氧化能力，在纯化学体系中，芦丁的抗氧化能力最强，而在生物反应体系中，槲皮素抗氧化能力最强；在生物体系内，他们的抗氧化能力受它们结构影响并呈明显的剂量依赖性和糖基结构依赖性。
1.5白藜芦醇
白藜芦醇（resveratrol，Res）是一种多酚类化合物，其药理活性极为广泛，特别是对心血管系统的作用，尤以抗癌、抗炎、抗氧化等作用比较明显，研究表明，该药的作用与其抗氧化特性有关，在运动医学领域有着广阔的应用前景。张琳等[42]研究了大运动量训练对红细胞膜自由基代谢状况发生变化的可能原因及Res对其影响。研究表明，大强度训练后红细胞脂质过氧化物生成增加，而Res补充在一定程度上对训练中增加的RoS具有清除作用，训练大鼠大强度运动后atpase活性提高，在一定程度上改善内皮细胞no的分泌，有利于大运动量训练后红细胞膜功能的恢复。同样，何黛等[43]研究了白藜芦醇对力竭运动大鼠抗氧化效应的影响，补充白藜芦醇的力竭训练大鼠，其血清SoD、GSHpx、GSH、Cat活性增高，其中SoD、GSHpx、Cat相比运动组有显著差异性（p
1.6大豆异黄酮
大豆异黄酮（soyisoflavones）是一种有弱雌激素活性的化合物，广泛存在于豆科植物中，由于其具有抗氧化、抗癌、提高免疫力、防止心血管疾病和调节骨代谢等生物作用而受到广泛关注，但体育科学应用方面研究还较少。江芸等[46]研究了人体在疲劳应激下补充大豆异黄酮对抗氧化能力的影响。26名健康受试者被分为实验组和安慰对照组，21d补充大豆异黄酮后进行自行车应激疲劳实验，结果显示，实验组疲劳应激下Cat、GSHpX、SoD活性升高，且明显比对照组要高。研究认为，大豆异黄酮能明显增强应激机体的抗氧化能力，减少机体RoS产生，具有一定的抗氧化效应。Young等[47]研究绝经大鼠补充大豆异黄酮对运动引起的氧化应激和抗氧化保护影响，其研究发现补充大豆异黄酮联合运动可以有效控制体重增加，增加了血浆三价铁的还原能力（浓度），但对SoD活性和Dna损伤没有影响。研究认为，大豆异黄酮补充结合运动可以有效控制体重和血脂水平，防止绝经后运动引起的氧化应激。虽然有一些研究表明，大豆异黄酮补充可以改善绝经后妇女体重的增加并提高体能；但是LindaKok等[48]的研究似乎不支持这一结果，在LindaKok对202名年龄在60～75岁绝经妇女长达1年的双盲随机分组对照实验研究中发现，Bmi和腰臀比都未发生变化，握力和对照组相比虽然有所下降，但未观察到显著性差异，所以，研究人员不认为大豆异黄酮补充对绝经妇女体成分和体能有良好的影响。
1.7其他抗氧化补剂及抗氧化复合补剂
VC和Ve常一起用来确定抗氧化对运动的影响，这种联合抗氧化补剂被认为比单一的VC或者Ve更有效，但研究结果似乎不一致。petersen等[49]发现，500mgVC和400mgVe混合补剂在下坡跑练习前补充，连续14d，和安慰对照组相比，并没有发现有益的影响。2组受试者细胞因子（iL1、iL6）的增加、淋巴细胞反应及血液CK的增加都一样，运动后24h，CK高达900iU/L。Kante等研究了由593mgVe，1000mgVC和30mgβ胡萝卜素组成的联合抗氧化补剂对下坡跑的影响，运动30min后发现，干预组和对照组对运动的反应和补充后的反应，呼出气戊烷和血清mDa含量都一样，补充组呼出气体戊烷和血清mDa含量的基础值较低。而Schroder等[26]对职业篮球运动员在赛季也进行了32d相同成分的抗氧化补充，发现脂质过氧化物水平降低，这意味着氧化应激减低，并且他们还观察到，服安慰剂的对照组血浆VC水平显著低于正常水平。张慧[50]研究了大强度运动后联合应用抗氧化剂（Ve600mg/d、VC500mg/d、硒200μg/d）机体总抗氧化能力的变化，研究认为应用联合抗氧化剂能有效提高大强度运动后机体总抗氧化能力。杨帆等[51]研究了口服维生素复合制剂对大强度运动士兵抗氧化能力的影响，也发现抗氧化联合剂能有效提高机体抗氧化能力，减轻大强度运动引起的氧化应激、脂质过氧化损伤，遗憾的是该研究并未对运动能力影响进行研究。nelson等对铁人三项运动员进行抗氧化营养干预，研究进行6周，复合抗氧化剂包含270mgVe，600mgVC和100mg辅酶Q，研究中对肌肉疲劳和最大摄氧量进行评估。研究发现，以45%mVC进行重复离心收缩9min～10min后，联合抗氧化剂的补充并未影响有氧能力，也未影响肌肉疲劳情况（通过核磁共振光谱测试能量耗竭和电刺激肌肉收缩情况）[32]。也有人研究单独补充Q10（辅酶Q）对短时超大强度运动能力的影响，Faff等[52]研究发现，和补充前相比，30d、每天100mgQ10补充对3个全力蹬车的功率和最高功率都有显著影响，而服用安慰剂组没有显著变化。Sen等[53]研究了运动中补充n乙酰半胱氨酸（naC）对血液谷胱甘肽水平的影响，谷胱甘肽（GSH）是一种重要的抗氧化剂，而n乙酰半胱氨酸被认为能保护GSH并维持其抗氧化能力。受试者在测试前2d和测试当天各补充800mg的naC。测试采取最大蹬车测试，和补充前相比，补充naC后的最大负荷测试GSSG（氧化型谷胱甘肽）和mDa水平显著降低，补充也引起更高的超氧阴离子清除能力。Childs等[54]按照每kg体重12.5g和10g的标准把VC与naC提供给受试者，且在肘关节离心运动后补充，该运动可引起肌肉酸痛。结果显示，补充组脂质过氧化水平和8异构前列腺素（8isopGF2α）水平明显增高。研究人员推测，损伤后立即给予VC和naC补充提供了氧化应激水平。研究还指出，抗氧化补充可能对运动引起的肌肉损伤的恢复存在负面影响。然而肌肉损伤情况（CK、乳酸脱氢酶和肌红蛋白）和安慰对照组相比，没有差异。这和Jakeman等[55]的研究结果相反，他们也使用相似的运动应激，发现运动前VC补充引起肌肉力量更快恢复。
由上述分析可见，传统抗氧化补剂如VC、Ve依然是运动中抗氧补剂的主要产品及研究热点，但是一些纯生物提取物如槲皮素、大豆异黄酮等纯生物化学物质已经越来越受到科研人员的关注。从目前的研究来看，虽然联合补剂因其剂量、组合、实验对象、实验方法等的差别造成研究结果的差异，也增加了不同实验结果之间比较的难度，但复合抗氧化补剂的效果似乎要优于单一的抗氧化补剂；因此，美国一些学者提出了以多种抗氧化剂组成网络强化剂为主的“鸡尾酒”配方，这种“鸡尾酒”除了含有Ve、VC等抗氧化剂外，还加入叶酸等物质。
2当前抗氧化补充研究热点及问题
2.1自由基损伤、炎症与抗氧化补充
大强度急性运动造成细胞微细结构损伤，所引起的炎症反应可能与延迟性肌肉酸痛有关，氧化应激增加了对组织的损坏，炎症反应中由粒细胞产生的自由基加深了组织氧化应激损伤[56]。许多慢性疾病都与RoS、noS的过量生成和轻度炎症有关，适量的运动对许多慢性病如冠心病、高血压、糖尿病、肥胖及肺部疾病有良好的治疗效果。在过去直至现在，研究人员也一直对外源性抗氧化补充对健康、疾病、运动能力和训练适应的益处及自由基与炎症反应之间的关系产生浓厚的兴趣。炎症反应是机体免于系统对抗外来入侵的病毒、细菌入侵的重要过程。活性氧与促炎症细胞因子常常在炎症部位同时出现，已有研究证明，活性氧不仅是杀死病原体也是损伤组织的终末效应分子，同时也是炎症的触发剂，活性氧可能通过nFκB等信号系统诱导炎症因子的表达；而促炎症细胞因子tnF、iL1等又可以诱导活性氧的生成，从而构成恶性循环。外源性抗氧化剂补充是否可以减低或者阻断这种循环呢，离心运动往往加重骨骼肌损伤，Vassilakopoulos等[57]、Fischer等[58]的研究表明，联合性抗氧化剂（VC+Ve）的补充可以减缓炎症反应，在这些研究中，离心运动造成骨骼肌损伤和炎症水平最低。而Davison等[59]研究了以60%〖aKV・〗o2max运动2h中补充VC对血浆iL6的影响，研究表明，在运动中补充VC对运动后中度训练水平的运动员血浆iL6水平无影响，对血浆皮质醇也无影响。在他们的另一项研究中[60]，连续2周，每天1000mg的VC补充对训练水平良好的自行车运动员运动后血浆iL6也无影响，VC补充也未减少了血浆皮质醇的浓度，作为氧化应激标志物的血浆mDa，运动后也无变化。上述研究似乎暗示，联合性抗氧化剂的抗炎症效果似乎更好，而Hagobian等[61]认为，这种阴性结果可能与受试者的体能水平有关，未训练、体能水平较低受试者对抗氧化补充更敏感。已经有研究表明，耐力训练可能提高内源抗氧化剂的活性和抗氧化能力[6263]。一些研究探讨了抗氧化剂补充对长时间（1.5～2.5h）中高强度跑步后炎症反应和氧化应激情况，其结果似乎模棱两可。在thompson等[64]的研究中，2周时间内每次运动前补充400mgVe，减轻了2h运动后血清iL6水平，但是血清C反应蛋白（CRp）、皮质醇和mDa浓度没有变化。相反的，补充VC（1000mg/d）1周或者3d（400mg/d）[21]并没有减弱长时间运动后血清iL6、皮质醇和丙二醛的浓度[65]。还有一项研究，3d内每天在超长时间运动前补充Ve（400mg/d），虽然血清iL6和皮质醇浓度增加，但是和对照组相比并没有显著差异。从上述研究可以看出，运动训练可能增加机体的抗氧化能力，受试者的训练水平和健康状况可能直接影响抗氧化补充干预对自由基损伤及炎症水平的观察，而这些研究中并未详述受试者信息。
2.2运动引起的氧化应激与运动适应
过去研究一直认为，运动引起的RoS生成增加对机体生理机能有不良的影响，它们可能会影响机体的运动能力（通过影响骨骼肌收缩功能、骨骼肌损伤或者疲劳、线粒体酶的破坏等），所以大多数研究都集中在如何减少运动后自由基水平和这些物质带来的损害。虽然，无氧或者有氧运动可能引起过度的促氧化物质产生，但是目前的资料并不能证明氧化应激和疾病或者健康方面存在因果关系。相反，从内稳态平衡理论来讲，低水平的氧化应激对于不同的生理机能是必要的。内稳态理论是指生物系统置于生化、毒素、放射等环境中所表现出来的动态反应，这种反应一般呈钟形。运动能提高RoS的生成，这是任何单纯的一次运动中不可避免的事实。RoS浓度的增加、引发的脂质过氧化损伤、Dna及蛋白质氧化损伤等已经有很多报道；但是并非任何运动都可以引发这种负面反应，已有研究表明，长时间有规律的适度运动，可对机体产生良好的刺激，提高机体的适应水平，这也是运动有利于健康的生理学基础；因此，Radak等[6667]等最早提出运动引起自由生成增加所形成的内稳态变化反应。Jill在机体存在自由基的产生与对抗现象的基础上提出氧化还原内稳态的概念。他们认为，机体内环境氧化和抗氧化处于动态平衡当中，而运动引起自由基生成增加是扰动该内稳态平衡的关键过程，也是运动本身对机体发挥影响的过程之一。有规律的体育运动通过自由基生成的适度增加而提高机体抗氧化能力和生物系统的自我修复能力；但是长时间剧烈运动超过机体的抗氧化能力，造成抗氧化能力的不足及自我修复能力的降低。我国学者刘乘宜提出内稳态训练理论，并且把机体氧化还原内稳态分为不同层次的稳态水平，认为运动员的成绩由内稳态的品质决定[68]。同一稳态下机体氧化能力与还原能力本身是一个相对稳定的对抗体系，表现为微观上机体氧化能力与还原能力在不同条件下2种能力的不同变化，即自由基平稳系统在同一稳态水平的移动。潘华山等进一步研究了外源性补充抗氧化剂对自由基稳态水平的影响，其结果认为，氧化能力是自由基稳态水平移动的先导因素，外源性引发抗氧化能力提高对自由基累积无负反馈效应[69]。长期的运动训练重复不断地提高RnoS的生成，其结果是上调了机体抗氧化体系，伴随着氧化还原平衡的移动，机体更能适应还原状态下的环境[7072]。这样，在运动中，通过RnoS，为机体提供了一种适应性保护。这种情况和运动训练中的超负荷原则相似，为了引起机体更高的适应水平，生理刺激必须超过最低阈值，如果达到了这种负荷，机体就会不断适应并最终提高健康和运动水平。
2.3抗氧化补充对运动能力的影响
运动员补充抗氧化物质对运动能力影响的研究很多，但是由于研究中抗氧化补剂成分及质量不同，造成不同的研究结果，一些研究显示单一成分的补充没有多种组合的效果好[7375]，况且，受试者的年龄、训练水平、营养状况及体质等都可能影响研究结果。目前，大量的研究结果都倾向于表明，外源性抗氧化补充可以减低机体的氧化应激损伤，虽然这些研究结果因受试者健康水平、抗氧化补剂剂量、补充方式等方面的差异造成研究结果的差异，但从有限的资料来看，还不能找到外源性抗氧化剂对运动能力的促进作用的有力证据。就大部分研究来讲，抗氧化补充并不能提高非营养不足受试者的运动能力或者体能。反之，抗氧化补充防止或消除因运动引起的自由基对健康的负面影响；因此，抗氧化补充帮助运动员保持适宜的健康水平，而这对达到最佳运动成绩是一个关键的条件，这对于大强度训练和比赛期间的运动员也尤其重要。该期间机体存在更大的抗氧化需求[76]，此种情况下，正常饮食的抗氧化往往不足，抗氧化物质的补充，可以保护运动员免于运动期间因自由基引起的肌肉损伤或者起到综合保护效应。虽然，抗氧化补充对健康可能存在一定的益处，但是和运动能力之间似乎没有必然联系。对于运动员来讲，身体健康是取得优异成绩的基础；但是优异的成绩受到很多因素影响，很难说有益于健康的抗氧化补剂必然能提高运动能力，但是也不能说抗氧化补充对成绩没有帮助。从一定角度来讲，合理的抗氧化补充可以提高机体的健康水平，从而为创造优异成绩打下良好基础；因此，可以这样解释：抗氧化补充通过防止抗氧化不足和自由基对组织的损伤尤其是肌肉组织来对运动员发挥有益的作用。
但是，每种抗氧剂实质上就是一个氧化还原反应，在某种环境下通过该反应来保护并防止的自由基生成，而在另外一种情况下可能促使自由基的生成，所以需要注意的是，因为抗氧化补剂有促氧化影响，尤其剂量较大时，一些研究已经证实，由于长期槲皮素干预降低了大鼠谷胱甘肽浓度和谷胱甘肽还原酶的活性[77]。进一步来说，和补充抗氧化化合物相比，食品的抗氧化物质往往是一种平衡的生化状态。Ryan等[78]在研究了补充白藜芦醇对老龄大鼠离心运动后腓肠肌的影响，结果发现，补充白藜芦醇降低了老龄大鼠离心运动后脂质过氧化水平，提高了骨骼肌过氧化氢酶、mn超氧化物歧化酶的活性，研究认为，日常饮食补充白藜芦醇可以抑制老龄大鼠离心运动中的氧化应激水平。
2.4抗氧化补充与线粒体生物合成
线粒体是真核细胞内一种具有遗传半自主性的细胞器，是细胞的能量加工厂，在氧气的参与下，通过氧化磷酸化作用产生能量，为细胞进行各种生命活动提供所需的能量；另外，线粒体与细胞中其他许多重要生命活动密切相关，如调节细胞内外氧化还原电势处于正常水平、维持体内电解质离子平衡稳态、RoS的生成与消除，以及细胞凋亡等。耐力运动中，线粒体正常功能的维持与保护是影响耐力成绩的重要因素，长期耐力训练可使线粒体数量增多，线粒体体积增大。长时间大强度运动中，如果受到其他过度生理刺激引起骨骼肌内线粒体数量减少或功能降低将会导致运动耐力下降。研究表明，运动、电刺激、长时间的耐力训练或者补充抗氧化补剂都会诱导线粒体生物合成（mitochondrialbiogenesis）增加[79]。
线粒体生物合成的激活涉及到抗氧化酶的调控。研究发现，过氧化酶体增殖激活受体（pGC1α）与线粒体生物合成关系密切，是线粒体再生的一个重要调节因子，可以诱导线粒体的生物合成，提高线粒体呼吸，而pGC1α需要SoD、谷胱甘肽（Gpx）和过氧化氢酶的生成。越来越多的证据表明，RoS在调控骨骼肌线粒体生物合成中扮有重要角色[80-81]。当RoS长期升高后，可能使线粒体生物合成提高这种适应性反应过渡到氧化应激的病例状态。有研究表明，兔子骨骼肌收缩过程中，RoS生成水平增加，这种短暂的、小幅度的生理性提高可能涉及到运动后线粒体生物合成增加。8周补充VC给训练中的大鼠，结果完全阻止了运动引起骨骼肌线粒体合成的几种标志物的增加，阻止了抗氧化酶的活性，包括Gpx1和线粒体中mnSoD[82]；因此，VC补充可能阻止了运动训练引起的运动能力的提高[83]。同样，有研究表明，健康的男性受试者4周运动中补充Ve和VC的复合抗氧化补剂，发现阻止了线粒体生物合成的几种标志物、抗氧化酶和胰岛素敏感性的增加[29]。natalie等[84]也发现，Ve+α辛硫酸补充使安静大鼠和产期训练大鼠pGC1αmRna、pGC1α、CoXⅣ及柠檬酸脱氢酶减少，这提示，不管训练与否，Ve+α辛硫酸抑制了线粒体的生物合成。虽然，wandley等[85]研究了高剂量VC补充对急性运动引起的大鼠骨骼肌线粒体生物合成情况的影响，结果发现并未阻止线粒体生物合成和抗氧化酶的活性；但作者推测，短期（几天）和长期（数周）补充VC对线粒体生物合成的影响可能是不同的。〖BF〗
最近一些研究表明，一些黄酮类补充可以促进线粒体生物合成，这无疑为运动抗氧化补充带来了曙光。这些类黄酮物质主要包括白藜芦醇、大豆异黄酮、茶多酚、表没食子儿茶酚等。大鼠每天200～400mg/kg体重标准补充白藜芦醇15周，诱使pGC1а和SiRt1（沉默信号调节因子，silentinformationregulator1）激活，结果显著提高了线粒体密度和耐力跑能力[83]。茶多酚补充可以提高老龄大鼠体能和骨骼肌线粒体功能[8687]。细胞培养研究表明，大豆异黄酮诱使pGC1α、转录辅助因子SiRt1和线粒体生物合成激活[88]。其他研究表明，没食子儿茶酚（eGCG）在线粒体内累积并发挥抗细胞调亡的效应[89]，类黄酮诱使线粒体氧化磷酸化解偶联，抑制线粒体膜脂质过氧化[90-91]。最近一些研究表明：槲皮素补充对运动能力和线粒体生物合成有着更加积极和显著的影响。动物实验表明，不运动大鼠进行7d的槲皮素喂养（12.5和25mg/kg），比目鱼肌pGC1α和SiRt1的mRna表达增加2～3倍，细胞色素C的浓度增加18%～32%，跑台力竭跑时间增加37%[36]。人体实验也有令人惊喜的发现：11名优秀自行车运动员进行6周槲皮素补充，和安慰对照组相比，其30km时间测试的成绩提高了1.7%[92]。一项随机安慰对照实验研究40名有训练自行车运动员补充槲皮素对线粒体生物合成的影响，虽然未得到阳性的结果；但是，结果显示，2组pGC1α和SiRt1表达有差异[9394]。David等[95]研究了槲皮素补充对未训练男性受试者骨骼肌线粒体合成的影响，结果发现，2周的槲皮素补充（1000mg/d）明显提高了未训练男性受试者12min耐力跑成绩，而与线粒体生物合成相关的4个基因的Dna和Rna的相对复制数目中度增加。虽然一项对39名有训练自行车运动员补充槲皮素对运动能力的影响研究显示，和服用安慰剂组相比，1000mg/d槲皮素补充对线粒体生物合成的mRna表达没有影响[96]；但研究人员认为，槲皮素补充可能对未训练人群的影响要比训练人群的影响较大，这可能在于线粒体的密度。有训练或者训练水平较高的人，其阻止线粒体水平较高，槲皮素的补充可能对其影响较小，而对于未训练人群，其结果相反。
3结语
自由基的产生与清除是机体代谢的内容之一，也是机体实现众多生命活动的触动剂和激发器。运动中生成的自由基是联系运动与适应及运动与健康之间的重要纽带；但运动中过多的自由基生成所引起的氧化应激影响机体正常生理机能并可能影响运动能力。运动中外源性的抗氧化补充，有助于消除过度氧化应激带来的不利影响，但其生理效应随着抗氧化产品的不同有着不同的结论和争议。同时，因研究对象、方法、干预剂量的差别，增加了对不同研究结果之间比较的难度。目前，抗氧化补充与抗炎症之间的关系研究、抗氧化补充对运动能力的影响以及抗氧化联合补剂的研究依旧是研究热点。而天然黄酮类抗氧化剂不仅有抗氧化、抗炎症等多重作用，还可能通过对线粒体生物合成的影响而影响运动能力，这将是未来运动补剂研发中非常有前景的研究内容之一。
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运动生物力学研究篇10
关键词物理学史中学物理教学过程方法目标
中图分类号：G633.7文献标识码：a
《九年义务教育物理课程标准》将课程的性质定义为“让学生学习初步的物理知识与技能、经历基本的科学探究过程、受到科学态度和科学精神的熏陶……”。《普通高中物理课程标准》将课程的性质定义为“有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的能力与热情……为终身发展，形成科学的世界观和科学价值观打下基础。”可见，两本标准中均将课程目标定为三维，除要求学习基本的物理知识与技能，还要求体验科学探究过程，了解科学研究方法，增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情；认识物理学对科技进步以及文化、经济和社会发展的影响；为终身发展，形成科学世界观和科学价值观打下基础。那么，如何在物理教材教法中充分体现和贯彻课程标准的要求；学生怎样才能体验科学探究过程，了解科学研究方法；就成为我们要认真研究的课题。本文就物理学史引入中学物理教学在展示探索过程、掌握科学方法方面的特殊作用做一些探讨，并试着做一节教学设计以供参考。
1作用概述
（1）有助与学生掌握科学探究的过程。为改变我国传统重结论、轻过程的教学方式和学习者，重学会、轻会学的现状。《课标》加入了“过程方法”面的目标要求。现代心理学研究指出，学生的学习过程不仅是一个接受知识的过程，而且是一个发现问题、分析问题、解决问题的过程。强调科学探究是一个人的学习、成长、发展、创造所必须经历的过程，是一个人的能力、智慧发展的内在要求。然而就目前来看，探究对学生而言，是一个新事物，学生很可能并不清楚七个探究要素的具体含义，因此有必要通过实例给学生一些探究程序方面的指导。物理学史记述了物理实验和理论的发生、发展过程，描述了物理学家的思维过程，可以很好地为学生提供参照。以此帮助学生揭示出科学探究的常见程序：提出问题―猜想与假设―制定计划与设计实验―收集证据―分析与论证―评估―交流合作。使学生从中领略到什么是科学探究，以及科学的本质究竟是什么。
（2）有助与学生掌握科学研究方法。韩愈曾说：“师者，所以传道、授业、解惑也”。“道”即方法，被排在了所有教育任务的最前面。可见，掌握学科知识固然重要，然而了解知识的来源则更加重要。这里的科学方法不是指“解题方法”，而是发现问题、提出问题、解决问题的方法，是“科学发现”与“科学创新”的方法。科学家在科学探索过程中留下了大量关于科学研究方法的宝贵经验。他们在取得伟大成就的过程中，运用的科学研究方法和实验构思精巧绝伦，为我们提供了不尽的科学方法和教育素材。“亲历”物理学重要概念、理论的产生和发展过程，可以深刻理解研究方法的重要作用，培养正确运用这些科学方法的能力。可见，物理学史对物理科学方法教育有着特殊的作用。
2案例分析
以牛顿第一定律这节课为例，通过合理的史料选择和精心的教学设计，再现该问题的提出与探索过程。让学生在与前辈科学家“一起探究科学”的过程中，学习他们的科学研究方法，并在该过程中培养学生正确运用这些科学方法的能力。
2.1通过观察提出问题
由教师在课堂用手推动讲桌上的黑板擦给其一速度，看它的运动情况。通过该演示，自然地引出问题，一个静止的物体，要想使其运动起来，有哪些方法？
让学生对其身边已有现象进行分析，体会物理知识就在身边，同时这也是人类对世界的最初认识。
2.2猜想与假设
学生会根据生活经验和已有知识对运动与力的关系做出自己的判断。教师对学生各种假设不做任何评价。当学生分别表达各自的观点后，让学生相互讨论，对自己的想法进行反思。
介绍，早在2000多年前人类就开始关注运动问题，研究运动是怎样产生的，运动保持下去的条件。亚里士多德提出了自己的观点“力是维持物体运动的原因”，他的根据是马车在马拉的情况下才一直运动下去。
学生思考：亚里士多德这里采用的研究方法是什么？了解观察法是一种普遍的研究方法之一。
2.3设计实验
亚里士多德的观察法是有缺陷的，观察法看到的是事物的表面现象，难以正确的得知隐藏在现象背后的规律。因为自然界的因果关系是复杂的，既有一因多果，又有多因一果，而理想的一因一果对应少之又少。影响马车运动的原因很多，例如，摩擦力因为不可明显观察而被排除在研究视野之外了，也就难以得出正确结论。
学生思考：如何才能解决观察法遗漏摩擦力的问题？使学生明白，仅仅依靠观察法研究自然规律是有局限的。
伽利略伟大地提出了将“实验”这一方法引入物理学，为物理学的发展开辟了道路。
学生思考：研究力与运动关系时关键因素是什么？如何排除其他因素对研究的影响？
伽利略在已知摩擦力存在的条件下进行的，他采取了控制或消除其他影响因素，凸显主要影响因素的方法。他在斜面实验中让摩擦力成为唯一的影响因素，这样就出现了简单的因果对应关系。
2.4收集数据、分析论证
伽利略斜面实验的重点在于调节摩擦力的大小并观测对下滑距离的影响。发现摩擦力越小，小球能滚得越远或能够达到的高度越接近原高度。
科学猜想：假如平面没有摩擦力，滑块的运动情况又会如何？
要得到正确的结论还要研究没有摩擦力时小球从斜面滚下来的情况，但摩擦力是没办法消除的，伽利略想到了理想实验。理想实验又称思想实验或抽象实验，以科学实验为基础，以逻辑法则为依据，由思维来开展实验，是带有浓厚的物理学色彩的逻辑推理。理想实验与普通实验的目的相同，区别在于将条件理想化，这并不影响研究对象的本质和特征，所以伽利略斜面实验中将摩擦力理想化为零是合理的。摩擦力越小小球能滚的越远，能够达到的高度就越接近原高度（等高原理，是由单摆实验得出）。按此趋势，摩擦力完全消除小球就可以达到原高度，如果在水平面小球就再也达不到原高度，沿水平面以恒定的速度持续运行下去。
依据思维推论，如果平面绝对光滑，可以得知：物体将以不变的速度，永远运动下去。但是，伽利略又同时认为，等速圆周运动也是惯性运动，并进而论证行星正是由于按圆周轨道作等速运动才能永恒地运转，而他的直线运动实际上只限于沿着水平面的运动，所以并没有正确表达惯性定律。
2.5交流合作
笛卡尔继承了伽利略的研究成果的同时又指出了他的不足。指出，除非物体受到外应的作用，物体将永远保持其静止或运动状态，并且还特地声明，惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动，而只保持在直线上运动。
牛顿在伽利略与笛卡尔惯性原理的基础上提出了运动第一定律：
“每个物体继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种运动状态。”
把伽利略惯性原理中“……沿水平平面运动……无限的继续进行……”的模糊提法，明确表述为“沿一直线作等速运动”。充分强调了运动物体在没有受到其他物体作用条件下保持速度大小、方向都不变的特性。
2.6课堂小结
请同学们说说这节课的收获，包括知识的，方法的。
2.7作业
阅读课文或其他材料填写下列表格，并思考各位科学家的贡献。
在本节课的教学设计中，通过对学生生活经验的质疑，引发矛盾冲突，紧接着介绍伽利略的思想，再让学生科学探究，最后在老师的帮助下，共同驳斥亚里士多德的错误观点，得出牛顿第一运动定律，这既让学生了解了科学发展的历史，体会到知识的形成过程，同时又以伽利略的推理思想对学生进行了科学态度和科学方法的教育。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部.九年义务教育课程标准[m].北：北京师范大学出版社，2001.
[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[m].北京：人民教育出版社，2003.
[3]张宪魁.物理科学方法教育[m].青岛：青岛海事大学出版社，2000：215-219.