第一章 身边的力学 漫谈人体的运动与力学 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？由伽俐略、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。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...
