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漫谈人体的运动

漫谈人体的运动

刘延柱

人体是个复杂的大系统

生命离不开运动，人类的一切活动都离不开运动，竞技场上奥运

健儿们的运动更是牵动着亿万人的心。与无生命的物体不同，人体的

运动是受意识控制的运动，虽然也遵循力学普遍规律，但却具有特殊

的复杂性。从动力学研究的观点出发，这种特殊性可以归纳为：

（1）人体的“硬件”是由有限个部件用关节联结成的骨骼系统。

（2）各相邻部件之间存在肌肉联系，可施加作用力以改变相对运

动状态。

（3）肌肉作用力受神经中枢“软件”的控制。因此，人体是由骨

骼、肌肉和神经三个子系统构成的复杂大系统。除了各部件的机械运

动以外，各相邻部件之间的肌肉控制力矩，感觉器官接收的输入信息

和传递给肌肉的输出信息等都是比机械运动数量大得多的未知变量。

它们的变化规律已超出了经典力学的研究范围。

经典力学有用武之地吗？

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由伽里略、牛顿奠基的经典力学发展至今已经达到尽善尽美的程

度。宇宙万物的宏观运动无不可用经典力学解释，当然也应包括人体

的运动在内。问题在于按经典力学普遍原理列出的动力学方程的数目

远小于未知变量的数目。在这些未知变量中，引起困惑的肌肉收缩力

和神经信息不是经典力学的研究对象，也难以被运动者本身感知，只

有肌肉活动所引起的后果，即相邻部件的相对位置变动可以被感知和

控制。体操运动员做一个高难动作时，他只关心手臂或腿的位置是否

正确，不会去想关节上应加多大的肌肉收缩力或传递多大的神经脉冲。

只要不追究肌肉施力的生物物理过程，并且假定运动者对肌肉的控制

机能足够健全，人的主观意志就能通过肢体的相对运动体现出来。将

相对运动规律作为附加的约束条件列出，就能从经典力学微分方程解

出躯干运动的变化规律。这种研究方法十分有效，可以正确地解释人

体运动和指导体育实践。

猫的翻身与运动员的腾空

猫的空中翻身与动量矩守恒原理的矛盾使人困惑不解，流行一时

的挥尾巴解释也由于无尾猫转体实验成功而宣告无效。细致观察可以

发现，猫在翻转过程中前半身相对后半身作方向相反的圆锥运动，使

总动量矩保持为零。引入这种相对运动的计算结果与摄影记录完全吻

合。

与猫的翻身类似，跳远运动员在空中向下挥臂能使双足抬高而改

善成绩；宇航员利用双臂或双腿的协调动作能改变在空间中的方位。

现在已能编制出人体腾空运动的仿真软件，作为体操、跳水和技巧运

动员完成高难动作的计算机辅助工具。

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单杠上的自激摆动

悬挂在单杠上的运动员是一个复摆，但依靠收腹、屈臂和鞭打的

联合动作能使稳定的平衡状态变为不稳定，产生振幅愈来愈大的摆动。

这种称作振浪的体操动作是一种典型的自激振动。运动员根据自身摆

动的位置控制肢体的动作。将这种协调关系写成约束条件，从动力学

方程解出摆动规律，从而可以说明，正确的振浪动作使摆幅增大，错

误动作反使摆动衰减。

直立的人体为何不倒

直立的人体是一个倒置的复摆，若不加控制是典型的不稳定平衡。

人一旦感觉到重心有向一侧偏移的趋势，就立刻控制足底支承力的作

用点向同一侧移动，同时向另一侧做弯腰动作以维持平衡。将这种协

调动作写作约束条件，可以分析出，由不稳定平衡如何转变为平衡。

由于重心水平运动的动力来自足底的静摩擦，因此受到地面能够提供