人体运动的力学基础
（一）骨与关节的运动学基础
骨、关节和肌肉共同组成了运动系统。在运动系统中，骨起着支撑和杠杆作用，骨骼肌是运动的动力，关节则是运动的枢纽，在三者的协调配合下，人体完成各种各样的动作。
1.骨的运动学基础
骨的力学功能包括支撑功能、杠杆功能和保护功能。
①支撑功能：骨是全身最坚硬的组织，支撑机体维持一定的形状和姿势，并负荷身体的自身重量和附加重量。
②杠杆功能：运动系统的各种机械运动均是在神经系统的支配下，通过骨骼肌的收缩、牵拉骨围绕关节而产生的。骨杠杆和机械杠杆的原理相同，也分为省力杠杆、平衡杠杆和速度杠杆。
③保护功能：某些骨按照一定的方式相连接围成体腔或腔隙，以保护脏器和软组织，维持血管形态和避免神经受压。
2.骨的生物力学特征
①骨受载荷形式：载荷指作用于人体的外力。根据力和力矩作用于骨的方向不同，可将骨受到的载荷分为拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转和复合载荷。运动过程中，骨骼肌通过肌腱施力于骨，力对骨的作用往往都是多方向的，故骨所受的载荷基本都是复合载荷。
②骨的功能适应性：骨具有能够适应其载荷的最优化的形状和结构，并能随着它受到的应力和应变进行外表再造和内部再造。骨的外部形状改变称为外表再造，骨的疏密度、矿物含量、X线的暗度即密度的改变称为内部再造。
适当的载荷对骨的发育具有积极影响，而过载则会阻碍骨的生长，引起骨疲劳甚至骨折。因此，长期系统科学的运动训练能够使骨径变粗、骨密质增厚等。但儿童、青少年时期应避免过大负重和静力性负荷训练。
3.关节的运动学基础
骨连结分为直接连结和间接连结。
①直接连结：骨与骨之间借纤维结缔组织、软骨或骨直接相连，连接紧密牢固，活动性较小或完全不活动。
②间接连结：又称关节，是骨与骨之间借/膜性结缔组织囊相连。骨之间有腔隙和滑液，有较大的活动性。间接连结是骨连结的主要形式。
4.关节的生物力学特征
关节是骨与骨相连的枢纽，为骨杠杆提供支点。根据关节面的形状，可以将关节分为4种类型：球窝关节、椭圆关节、鞍状关节和滑车关节。不同类型的关节，其活动范围不同。关节面的形状、韧带的强度、骨骼肌的力量和关节负压共同影响着关节的灵活性和稳定性。其中，关节面的形状决定了关节的运动轴，也决定了关节的活动范围。
5.上肢关节运动学
①肩关节复合体的运动：包括肩胛骨运动、盂肱关节运动、胸锁关节运动、肩胛胸壁关节运动。
肩胛骨可做外展、内收、上旋、下旋、上升和下降运动。肩胛骨的外展运动即肩胛前伸（含胸动作），肩胛骨的内收运动即肩胛后缩（扩胸动作）。肩胛骨的上旋运动即肩胛骨上部保持不动而肩胛下角向外上方旋转，如上肢外展动作；肩胛骨的下旋运动即肩胛骨上部保持不动而肩胛下角向内下方旋转，如上肢内收动作。肩胛骨的上升运动即肩胛骨向上移动（耸肩动作），肩胛骨的下降运动即肩胛骨向下运动（耸肩后放松，肩胛骨回落）。
盂肱关节是全身最灵活的关节，活动范围很大，可做屈、伸、外展、内收、内旋和外旋运动。盂肱关节的外展和内收运动是肱骨在冠状面上绕矢状轴的旋转运动，健康盂肱关节外展可达120°，肩胛骨同时上旋可使盂肱关节完全外展。屈伸运动是肱骨在矢状面上绕冠状轴的运动，健康的盂肱关节前屈可达120°，主动后伸可达65°，被动后伸可达80°。内旋和外旋是肱骨在水平面上绕垂直轴的旋转。
②肘关节的运动：包括前臂屈伸和旋前旋后运动。肘关节的屈曲运动是前臂弯曲靠近上臂。成年人肘关节后伸角度为0°，儿童和部分成人可有10°～15°的后伸角度。前臂旋前的中立位是“拇指向上”位，即完全旋前或旋后的中立位置。
③腕关节的运动：包括手掌的屈、伸、外展（桡偏）、内收（尺偏）运动。
6.下肢关节运动学
①髋关节的运动：包括屈、伸、外展、内收、旋外、旋内。髋关节的屈曲运动即下肢上抬靠近腹部。膝关节伸展时，髋关节可屈曲90°左右，这与个体的柔韧性有关。膝关节屈曲时，髋关节可屈曲120°左右。髋关节的内收和外展运动是股骨在冠状面上绕矢状轴的旋转运动，内旋和外旋是股骨在水平面上绕垂直轴的旋转。
②骨盆的运动：包括前倾、后倾、侧倾。骨盆前倾时腰椎前凸角度变大，骨盆后倾时腰椎前凸角度变小。
③膝关节的运动：主要运动形式是屈和伸。在屈膝状态下，膝关节可以进行稍微的旋内和旋外。膝关节的伸展运动即小腿后表面远离大腿后表面的运动，反之为膝关节的屈曲运动。
④踝关节的运动：包括背屈（伸）、跖屈、外翻、内翻、内收和外展。背屈即足背靠近小腿前表面的运动（勾脚动作），跖屈即绷脚动作。
（二）骨骼肌的运动学基础
1.骨骼肌的特性
（1）物理特性
①伸展性：肌在外力作用下可被拉长，为肌的弹性。
②弹性：当作用于肌的外力去除后，肌又恢复到原来形状，为肌的弹性。
③黏滞性：肌活动时由于肌浆内部各分子之间的相互摩擦产生的阻力为黏滞性。
肌的物理特性受温度的影响。当肌肉温度升高时，肌肉的黏滞性下降，伸展性和弹性增加。
（2）生理特性
①兴奋性：骨骼肌可以兴奋组织，即具有对刺激产生兴奋的能力。
②传导性：当骨骼肌细胞肌膜的一处兴奋后，以动作电位（局部电流）的形式沿着肌膜传遍整个细胞膜，并迅速传导到肌细胞深处，引起肌细胞收缩。
③收缩性：肌受到刺激产生兴奋后，即产生肌细胞的收缩反应。
2.骨骼肌的运动形式
骨骼肌收缩产生两种基本的运动形式：动力性运动和静力性运动。
（1）动力性运动
动力性运动又称等张收缩，是指产生了动作的肌肉运动形式。动力性运动又分为向心运动和离心运动。
①向心运动：也称向心收缩（Concentric Contraction），是指肌肉收缩时肌力大于阻力，肌肉长度缩短，两端附着点相互靠近，如肱二头肌做向心收缩时形成屈肘动作。
②离心运动：也称离心收缩（Eccentric Contraction），是指肌肉收缩时肌力小于阻力，使原先缩短的肌纤维被缓慢拉长，两端附着点相互远离。离心运动是在肌肉产生张力的同时被拉长。这将促发拮抗肌的收缩，起到对抗重力、稳定身体、缓冲和减速的作用。如从高处跳下落地的过程，需要股四头肌做离心运动，起到减缓下落速度和缓冲震荡的作用。
近年来，针对离心训练机制的研究不断深入，结合肌肉工作原理来看，离心训练具有耗能低、负荷大、改善神经肌肉调节的特点，在运动控制中起关键作用，在提高肌肉力量方面的训练效果优于向心训练。这使得离心训练成为力量训练和康复练习中的重要方法之一。
肌肉做离心运动时，耗氧需求相对较低，这对不能进行高强度运动锻炼的人群来说是一项较好的练习手段。离心运动训练多采用下坡走、下楼梯、慢蹲、离心功率自行车的方式进行。研究表明，离心运动可以安全有效地应用在慢性心脏病、慢性阻塞性肺病、肌少症、前交叉韧带术后、癌症幸存者、2型糖尿病以及神经系统疾病的康复训练中。
实际上，多数运动情况下，肌肉不是单纯地做离心或向心运动，而是先做离心运动紧接着再做向心运动。如上楼梯时膝关节的运动过程是先屈膝再伸膝，屈膝时股四头肌做离心收缩，伸膝时股四头肌做向心收缩。离心和向心运动的结合称为拉长-缩短周期。骨骼肌在拉长的基础上再收缩变短，可以将拉长时蓄积的弹性势能迅速发挥出来，产生更大的力量，但也更容易造成肌肉疲劳。基于拉长-缩短理论原理，出现了超等长训练方法，用于提高肌肉力量和爆发力。
（2）静力性运动
静力性运动也称等长运动或等长收缩（Isometric Contraction），是指肌肉收缩时肌力等于阻力，肌肉长度不变，不产生关节活动。日常坐、站时，肌肉均在做等长收缩，来维持身体姿势。
临床康复治疗时，常将等长运动作为练习肌肉力量的方式，用于损伤早期制动情况下，起到预防失用性肌萎缩、促进血液循环的作用。
（3）运动形式对肌结构的影响
不同的运动形式和运动强度，对骨骼肌的结构和功能影响不同。
耐力训练主要引起的肌结构变化是慢肌纤维选择性肥大，肌红蛋白增加，线粒体体积增大、含量增加，ATP酶活性增加，毛细血管网增多；主要引起的肌功能变化是：肌肉耐力增加，抗疲劳能力增强。对于耐力训练而言，选择的阻力负荷应以20次动作以上为宜。
抗阻力量训练主要引起的肌结构变化是快肌纤维选择性肥大，募集的神经元增多，肌蛋白质合成增加，无氧酵解能力提高，线粒体相对减少，肌结缔组织增厚；主要引起的肌功能变化是：肌肉最大力量增加，爆发力增强。