下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
如今，大家对生物力学知识在完善技术中的运用比较熟悉，其经典的案例是美国男子铁饼运动员威尔金斯在1976年突破70米大关打破世界纪录时的应用：（1）利用计算机数学模拟做出的技术诊断；（2）将左膝缠上弹力绷带以增加出手动作的支撑固定能力；（3）将左鞋底脚掌的纹路制成横纹以加强后蹬力；（4）把右鞋底脚掌的纹路制成环状纹以加快落地后的转动速度；（5）把右鞋加重一千克以增加进入旋转右腿摆动的转动动量……。
运动生物力学是研究体育运动中人体运动行为力学规律的科学（潘慧炬，1999），运动生物力学研究的核心是人体运动动作。因此，运动生物力学的基本任务是研究动作结构与运动功能之间的相互关系和动作技术的优选问题，即动作系的结构重建（李建设，1997）。研究人体运动技术的基本原理及其变化的原因和规律，实现运动技术的合理化和最佳化，以及探索运动技术、身体素质训练方法的有效性等方面，都需要从运动生物力学理论中找到依据。反之，运动技术发展的实践又为运动生物力学的研究提供了丰富的素材和重要的条件。
从近十年来国际、国内运动生物力学学术研讨会入选论文的研究内容构成情况来看，运动技术诊断与分析类的论文的比例大约为45％，其中全国运动生物力学交流大会约占49％，国际运动生物力学讨论会约占39％。可见，运动技术诊断与分析仍是当今国内外运动生物力学研究的一个主要领域。它对探索运动技术原理、推动运动技术的最佳化、以及防治运动损伤具有极其重要的意义（李世明，2005）。
运动技术的生物力学分析的基本方法包括运动学、动力学、功能解剖学、肌肉生物电量检测等，对运动技术进行生物力学分析的原则包括效率、效果和安全性。
（1）效率（efficiency）原则
运动效率是各项运动的客观指标，又是运动技术合理性程度的反映。因使用目的不同，历史上出现了多种人体运动效率定义。如运动能价、粗效率、纯效率、推进效率、代谢效率等等。在运动生物力学研究领域，对人体运动效率的计算争议较大，目前，下列方法被认为是较合理的（张秀丽，2003）。
在运动中，人体不仅对外作功（外功），肌肉本身也作功（内功）。人体运动效率是人体对内和对外作功的总量与人体在运动过程中耗能的总量之比。
η＝（W 外 ＋W 内 ）／（E 总 －E 安 ）
总之，效率是技术分析与评价的重要标准和原则，运动员可以用许多方法完成动作，什么是好的或正确的，效率是一条重要的标准。效率高（做功大，耗能少）的动作技术是好的或正确的。在运动训练学研究领域，效率原则又被称为经济性原则。提高人体运动效率的原则包括肌肉收缩速度或人体的运动速度为适合速度以及提高技术动作质量等（秦正光，1988）。
（2）效果（effect）原则
效果是动作所获得的结果和成绩。体育运动各项目的动作目标是不同的：有的是为了获得最大的距离（如田径远度项目），有的是为了获得最快的速度（如跑、划船、赛艇等）。因此，在分析运动技术时，要根据效果的原则进行评价（即运动训练学研究领域的实效性原则）。如在比较蹲踞式、挺身式、走步式跳远动作技术时，在同样的起跳条件下（起跳速度和角度），跳过的距离越远，技术越好。
在很多时候，运动技术的效率和效果原则是不能兼顾的。如在100米跑需要运动员发挥其最大的速度来实现最短完成时间，但这时的动作效率却是很低的。因此，在评价技术的过程中，要以动作任务为中心，兼顾其他原则。
（3）安全性原则
在效率和效果之外，安全性是评价运动技术优劣的一个重要的指标。容易引起运动员损伤的技术是不好的或不正确的技术。如在跳远技术发展的历程中，曾在20世纪70年代出现过“前空翻”跳远技术，尽管该技术创造的成绩还不错，但由于其危险性相当高，后被国际田联所禁止。
安全性原则不仅指预防身体运动器系的伤害，而且包括预防内脏器系、心血管和呼吸系统，以及神经系统等的伤害。因此，运动生物力学不仅对竞技运动成绩的提高有着重要的作用，对于全民健身运动及学校体育运动的开展也具有不可替代的作用。如通过跑步步态的研究，探讨应力性骨折、股后肌群拉伤等问题，通过研究网球运动员击球技术探讨网球运动员的腕、肘部的损伤问题等。
运动生物力学研究人体运动的力学规律以及运动状态改变的原因，因此，它不仅能帮助教练员和运动员对人体的各种运动动作有更深入的理解，而且能帮助教练员正确评价运动技术。
对运动技术的生物力学分析来说，竞技项目各要素间联系的层次性及研究任务各不相同，因而，在强调运动技术诊断的系统性的基础上，应清楚生物力学分析的层次性。李世明（2006）将运动技术的生物力学分析分为三个层次：肌肉力学分析、动力学分析、运动学分析，并对每个层次进行了细分。
刘卉（2010）则把动作技术分析分为主观的（定性的）、客观的（定量的）和预测的三个层次。绝大多数教练员在训练实践中采用各种主观评价技术，优秀的教练员总是具有高水平的“观察正在发生的事情”的能力。客观的动作技术分析是指从所关心的动作中收集运动学、动力学、肌电等测量数据，帮助运动员或教练员对专项技术进行更加深入和专业的思考。预测分析的一般目标是利用一个人或一件器材（系统）的计算机模型来预测变化，而这种变化是作为输入参数变化的结果而发生的。预测分析的过程就是对系统模拟和最优化操作的过程。
基于应用的视角，我们可以将运动技术的生物力学分析分为技术原理分析、诊断分析和预测分析三个层次（如图2－3）。
（1）运动技术的生物力学原理分析
技术原理是运动实践与科学理论结合而形成的完成动作技术的基本规律，并随着理论与实践的不断发展而深化。它是运动技术生物力学分析的基础层，无论是诊断分析还是预测分析，都基于运动技术的原理分析。运动技术训练必须遵循运动技术的生物力学原理，力求实现各要素的总体最佳化，并根据运动员的个人特点区别对待。
图2－3 运动技术生物力学分析的层次
运动员通过肢体与外界相互作用，而产生自体位移或特定的动作，都是由运动员的身体活动引起的。因此，动作技术的生物力学原理就是由运动员身体活动的要素体现出来的。这些要素包括：身体姿位、关节角度；身体及肢体的位移、时间、速度及加速度；用力大小及方向，用力的稳定性及动态力的变化速率（力的梯度）；人体各环节的相互配合形式及方法；增大动力的利用率及减少阻力的技巧等（李良标，1991）。如刘卉（2002）对上肢鞭打动作技术原理的生物力学研究（北京体育大学博士学位论文），其研究结果对完善运动生物力学理论和研究方法，提高相关项目的运动成绩，预防运动性损伤，设计专项训练方法等都有直接的指导作用。
（2）运动技术的诊断分析
运动技术的生物力学诊断是指基于运动技术的原理，诊断者在科学诊断理论指导下，运用运动生物力学的理论与方法发现、描述（定量的）与评价运动员技术上存在的问题，并为运动员实现理想的或满意的技术状态提出指导意见和建议的活动。运动技术的生物力学研究大部分都属于这一层面上的研究。
运动技术的生物力学诊断的主要指标包括：动作特征（运动学），运动中的动力因素（动力学）或者是肌肉活动（肌电图）。因此，可以采取许多不同的方法来记录运动数据。例如：摄影或摄像（平面、三维）、肌电图、加速度计、力传感器或电子测角仪、测力台、足底压力测试，等等。
从分析的动作内容上看，运动技术的生物力学诊断分析包括：专项运动技术本身，如优秀跳远运动员的起跳技术特征；训练手段的诊断分析，如对专项训练手段与专项技术的比较研究，探讨专项训练手段与专项的契合程度；设计与改进训练方案，如在专项技术深入分析的基础上，重新认识专项技术概念，设计专项手段、方法，形成专项技术训练方案等。
（3）运动技术的预测分析
预测分析的一般目标是利用一个人或一件器材（系统）的计算机模型来预测变化，而这种变化是作为输入参数变化的结果而发生的。预测分析的过程就是对系统模拟和最优化的过程。计算机的模拟和最优化已经在体育和人体运动研究中得到了广泛的应用，其优点在于：增强了研究对象的安全性，增加了评价变化的速度，提高了预测最优化动作的潜力，以及与建立一个物理模型相比减少了成本（Vaughan，1984）。伍勰（2005）选取跳远起跳作为计算机模拟的动作对象，建立了内含颤摆质量的起跳力学模型，并在计算机上实施运动模拟。Hubbard和Alaways（1987）模拟了国际田联新规格标枪的飞行并确定了最佳出手参数。
当越来越多的人们认识到个人决策的弊端和综合决策的必要性时，必将迎来一个运动技术分析决策系统研究高潮（严波涛，2000）。为此，现代的运动技术诊断十分注重从系统的观念出发分析运动技术，为建立科学、有效的运动技术专家系统作准备（李世明，2005）。詹姆斯·海等人（1993）报道过跳远助跑技术分析的专家系统：输入录像解析参数，系统就会输出一份规则分析报告，其中包括适合该运动员个人的计算数值。这种系统是人类专家依据自己的知识（过去研究总结）创造的，可看作是一个简单的专家系统，但并不具有推理、学习和必要的“智能”解释功能（Lapham＆Bartlett，1995），因而它仅是一种非常有用的功能性工具。
运动技术的生物力学的研究内容包括三个层面：人体基本运动的生物力学，竞技技术提高的生物力学和健身与康复运动技术的生物力学，如下图。
图2－4 运动技术生物力学分析研究内容
人体基本运动生物力学分析基于运动生物力学的基本原理，研究和考察人体基本运动形式的目的、力学要求、动作效率、成绩提高、安全性等要素。掌握了人体基本运动形式的要素，有助于了解复杂和繁多的人体运动，是成绩提高与健身康复运动生物力学研究的基础。人体基本运动形式在各种日常人体运动中广泛应用，这些基本运动包括平衡（站立与倒下），滑动、下落与落地，走与跑、跳，操纵物体（握、拉、推、上举、下放、搬运），投掷、击打和接，爬与摆，空中动作等（Arthur E.Chapman，2008）。
所有运动项目的本质是运动技术和动作熟练性的竞争。运动生物力学研究的原始动因之一是提高竞技表现的水平，也就是直接为运动成绩提高而服务的。夏季奥运会有200个运动项目，几乎所有的运动项目研究均涉及运动技术的生物力学分析。但运动技术的生物力学分析则多用于技能类难美性和体能类速度力量性项群，如田径运动（跑、跳、投、竞走）、游泳、花样滑冰、跳板和跳台跳水等。
据统计，要成为一名优秀的世界级体操运动员，男子要掌握1200多个技术动作，女子要掌握800多个技术动作。也就是说，体操技术的生物力学是要研究1000多个具体动作的生物力学（理查得·C·尼尔森，1994）。基于成绩提高的运动技术生物力学研究的内容之多，由此可见一斑。
目前，世界上的生物力学研究趋势已经向应用生物力学的理论与实践及矫形康复治疗倾斜，且应用生物力学的研究已经和竞技运动技术的研究并驾齐驱了（黄岩，2006）。尤其是随着老龄化社会的到来，如何提高大众及特殊群体的生活与生存质量，成为国家和社会关注的焦点。在美国及日本等发达国家，由于国家和社会的关注与投入，健康与康复的生物力学研究越来越多地出现在运动生物力学的研究领域。
在国内，尽管国家投入的重点依然是提高运动技术水平的生物力学领域，但在健康与康复生物力学研究领域已有可喜的进步。如吴剑等（2006）对青少年女性穿不同鞋行走时足底压力分布的研究，丁瑞等（2007）研究了简化24式太极拳对老年人平衡能力的影响，等等。
1887年，美国人麦布里奇（Muybridge）采用24台照相机和自行设计的连续电子控制开关拍下了奔跑中的动物和人的连续动作图片，这一事件是运动技术测量与分析具有里程碑意义的开端，开创了利用电影图片分析人体运动的广阔前景。为了利用图像分析技术来研究人体运动，德国解剖学家布拉温和费舍尔（1889）完成了人体环节质量的测定，使人体运动学研究进入定量分析阶段。法国人阿玛尔（Amar，1916）则研制了第一台可以测定垂直和水平方向的二维测力台，从而部分解决了人体在运动中所受外力和内力的测定问题。莱芒德（Du Bois Reymond）在加伐尼（Galvni）等人的实验基础上于1841年确立了肌电测量方法，这种方法是在活体上研究肌肉收缩特性与运动配合的唯一手段。
可以说，以蒸汽机所带来的工业革命为基础，整个19世纪的生物力学发展主要是以运动测量工具的进步为特征（B.M.Nigg，1994）。随着现代科学技术的突飞猛进，运动技术诊断的测量技术也随之越来越呈现出现代化的特征，即多功能、遥测、小型化、无损伤、自动化的特征。并形成了运动学、动力学和肌电测量三大运动技术生物力学测量方法，以及作为三者综合的多机同步测量技术。
（1）运动学测量
运动学参数测量是指测量运动的时间特征、空间特征、时空特征的参数，如运动轨迹、持续时间、速度、加速度等。随着传感器技术的快速发展，目前有多种测量人体运动学指标的测量仪器，如测量关节角度的测角仪、激光测速系统（如德国的AVEG－sport测速系统，可测量100米跑等直线运动项目的速度）、雷达测速仪（如SPEEDCHEK雷达测速仪，可测量网球发球速度）、全球定位系统（如GPS，可测量长距离的赛艇、公路自行车等项目的速度）等。但在运动技术的运动学研究领域，应用最广的还是影像拍摄与解析技术。
影像解析的方法是采用摄影机或摄像机记录下人体运动过程，再通过相关的解析软件，计算获得人体重心、关节、环节、器械等运动点的运动学参数，用以对运动技术进行分析，并对运动技术的教学和训练进行指导。
20世纪90年代以前，影像解析主要是运用高速摄影（如美国的ILP－16、Locam高速摄影机、国产CHUN FENG高速摄影机等）记录人体运动的技术动作，对拍摄的高速影片使用运动解析仪（如ST－87影片解析仪、GP－2000影片解析仪等）进行解析。
20世纪90年代以后，随着录像技术及计算机技术的不断发展，录像解析技术得到重视和发展。不同于影片拍摄、解析技术，录像拍摄价格低廉、便用方便、反馈速度更快，相应解析软件（如爱捷、SIMI、Ariel等运动录像解析系统）功能更为强大，尤其是数字化、高清晰、高速摄像机（头）的出现（100－200场／秒，如日本的JVC9800摄像机以及美国PULNIX公司生产的TM－6710CL高速摄像头等），录像解析已广泛应用于运动技术的运动学分析。但其精度较差的问题依然没有得到很好的解决。
为了解决快速反馈的问题，红外拍摄和图像自动识别系统仪器得到不断的完善和应用。如瑞典生产的Qualisys三维运动分析系统、美国产的Motion Analysis System和Peak5系统、英国的Vicon运动分析系统等。但这些运动分析系统对测试环境与条件要求更高，更适合实验室研究。
（2）动力学测量
力是人体各种运动状态发生变化的原因，因此，对于力学量的测量有助于我们深入认识人体运动的规律。合理的技术有利于最大限度的提高动力的利用率而减小阻力。运动技术分析中的动力学测定包括对人体惯性特征、动力特征以及运动能量特征的描述，动力学参数获得的主要途径包括三维测力台、测力平板、足底压力测量鞋垫、等动肌力测试系统、（力学）传感技术。
人对地面的作用力是分析运动的重要参数，其中用的最广泛的是三维测力台（如瑞士产Kistler系列、美国AMTI公司生产的LG6－4系列等）。测力台测量的是足部整体压力的信息，除三个方向的力以外，多数三维测力台还可以测定X、Y、Z三个轴向的转矩以及压力中心，因此，又称为六分量测力台。目前，测力台已广泛应用于人体运动技术分析、下肢爆发力测试、人体平衡和稳定能力评价、步态分析、下肢关节受力分析等多方面研究。
为了更好地了解足底压力的具体分布情况，人们开始采用足底压力测试平板（如德国Novel Emed系统和比利时RS－Scan系统）和足底压力鞋垫（如比利时F－Scan测力鞋垫和德国Pedar测力鞋垫）来准确测量和记录该表面的动态压力分布。它们现已开始用于走、跑及各种动作过程的足底压力分布情况分析，以解决鞋的设计、步态、平衡与稳定等研究领域的问题。其不足之处在于成本较高，相对脆弱，因此，还远不如测力台普及。
人体关节肌群收缩力是人体运动的基本动力，目前关节力的测量工具主要采用等动肌力测试系统（如美国的Cybex系统、Biodex系统）。它可以提供不同速度下，等动、等长和等张条件下，上下肢各关节的峰值力矩、平均力矩以及达到这些峰值的时间。目前，等速测试在国内外已广泛用于肌肉力量评定、训练和运动器官系统损伤防治与康复上。如在动作技术诊断中，可通过力量测试找出动作过程中肌群力量的薄弱环节，更加准确地对动作错误进行确诊，提出有效的改进方案。但也有人认为“在评价运动员肌力和成绩方面，等动力量测试仪有其局限性，这些仪器并不能用于精确界定运动员在运动准备阶段或运动过程中的机能特征和可能存在的缺陷”（M.C.Ciff，2000）。
（3）肌电测量（EMG）与肌动测量（MMG）
自1851年法国科学家Dubois Reymond最先检测到人体肌肉收缩能产生电信号起，人们就不断地进行肌电的研究。在运动技术的肌电研究中，肌电的测试方法是采用肌电仪，测量运动员在运动过程中有关肌群生物电的变化曲线和数值，从而分析运动员各肌群在动作过程中的活动状态，来研究其动作技术的方法。
在体育科研中，肌电的测量更多的是采用对运动员没有损伤的表面肌电测量。表面肌电信号是在肌肉表面通过表面电极引导记录下来的神经肌肉活动时的一维时间序列信号，即肌电图（EMG），其变化与参与活动的运动单位数量！活动模式和代谢状态等因素有关，能够实时地！准确地在非损伤的状态下反映肌肉的活动和功能状态。肌电图可以测出动作中对抗肌群、协同肌群的生物电的变化，根据测试结果，可以确定动作中各肌群的发力程度、发力顺序和时机等，还可通过肌电信号的处理获得有关肌力量值，从而对动作技术进行更为精细的研究。
很早就有人用肌电图的指标来研究肌张力水平，然而，肌力与肌电间的数量关系是很难确定的，不同肌肉间的肌电干扰，肌电幅值与肌力的即时对应关系等，我们还不是很清楚。因此，肌电测试在运动技术分析中应用较多的还是定性分析方面。尽管由于表面电极干扰因素多，在通过肌电精确测定其肌肉力量方面还不是很理想，但随着遥控技术和相关计算机软件的开发与应用，肌电方法的测试精度在不断提高，对人体运动的干扰减少，并且能够通过对肌电曲线进行积分等计算获得一定的定量指标，从而对肌肉工作机制进行分析。当前，运动实践中的肌电测量大多采用无损伤类的表面肌电遥测技术（如芬兰Mega ME6000，美国Noraxon等肌电测量系统）。
近年来，一种新的生物信号被用来研究肌肉的功能，称为肌动图或肌音图（mechanomyography，MMG），MMG是一种简单且非侵入式测量肌肉功能的方法，与EMG主要测量工作肌肉的电活动信号不同，MMG信号记录的是肌肉收缩时侧向振动（lateral oscillations）的力学现象，也就是力学特征上的改变。国外许多研究已证实，肌动图可以观察到肌肉收缩在力学上的激活型式。已有研究证明（Jared W.Coburn）EMG与MMG在评价肌肉疲劳时的不同效果，相对而言，MMG更适合对运动肌的疲劳程度的评价。在国内，刘宇（2007）以肌动图为研究工具，探讨了老年人肌力流失对肌肉质量、最大肌力与爆发力的影响。
运动生物力学研究以力学参数的测量为基础，从运动技术测量角度出发，可将运动技术的生物力学参数分为运动学参数、动力学参数、肌电参数等。客观认识和把握这些参数的特殊性将有助于我们在运动技术生物力学分析中更科学地界定运动技术的差异并合理解释这种差异产生的原因。
（1）运动生物力学参数的非线性
在经典力学中自变量与因变量，“原因”与“结果”之间往往存在着严格的比例关系，例如处于弹性限度内的弹簧，其变形与所受的外力成正比：F＝－kx，即虎克定律。其中F与x两个变量之间的关系为线性关系，也就是外力与形变x之间的比例关系，由比例系数K确定。
但生物系统一般具有非线性的特征，运动中的人体也是这样。由于牵拉骨杠杆运动的主要原动肌——骨骼肌的收缩是非线性的（Hill，1938；Gordon等，1966），因而为完成运动动作需要的多肌群协同运动也是非线性的。而叠加原理不适用于非线性系统，即使我们对每一块肌肉的力学特性已充分掌握仍不能据此判定总体的力学特征。可见运动生物力学参数的非线性特征，将给运动生物力学的研究带来一定的困难。
（2）运动生物力学参数的随机分散性特征（不可重复性）
生物现象具有概率的性质，体育运动中的人体运动学参数也不例外。其原因不仅在于任何运动动作都是在若干肌群按照一定的动作程序，牵拉骨杠杆在关节铰链形成机械的位移完成的，而且这种机械位移又是在生理、生化的机制下产生的，全部进程都受到神经与体液的控制。因此，即使最优秀的运动员，也无法使自己的技术动作的全部参数按照自己的意愿完全重复出来。
体育动作的不可重复性的本质在于生物活体的运动生物力学参数的随机分散性。人体在体育运动中又无时无刻不受到来自环境、竞技对手以及机体内部的干扰，使运动员的技术动作偏离预定的动作规范，也使与该运动动作相关的运动生物力学参数偏离其给定值，需要不时加以修正。
（3）运动动作的相对最佳化特征
运动员在训练和比赛条件下的运动行为，总是由共同保证最好成绩的大量局部动作按一定的时序组合而成。好的成绩需要最佳组合方案，这个方案包括整个动作系统效能最佳、子系统内部效能最佳以及构成技术动作的基本单元——原动肌、对抗肌、协同肌等肌肉的最佳工作状态。
然而，体育运动是按一定规则进行的，也受到环境和对手的影响，动作系统及其子系统的运作不可能在力学、解剖学和生理学条件上都符合肌肉的最佳状态。即使在某一瞬间、某一局部（子系统）符合了某块肌肉（或子系统）的最佳状态，也不可能在全部时相、在所有的肌群的配合上，符合最佳状态。因此，在生物力学研究中，我们追求的将只能是动作本身的相对最佳化及在此基础上的动作系统的相对最佳化。
（4）运动能力单项极值指标的不可计测性特征（相对性）
生物系统的运动能力（即运动素质）的单项极限指标的不可计测性，指的是在人体生物材料的极限指标不可计测和人体功能的极值无法获取。人体功能代偿能力的储备性是人体功能极限指标无法准确量测的生理依据。运动训练的结果，一方面可以增加有机体代偿能力的总储备量，使生物活体的各项单项极值指标的绝对值向有利方向发生进行性改变；另一方面，有利于增强人体调节其功能储备的能力，使其动作技术指标不断接近他自身运动能力的各项极限指标。
尽管绝对极限指标不可计测，但从相对极限指标的数值上可以对绝对极限指标作定性的、定向的估价，所以广泛测定运动员的相对极限指标是运动生物力学研究的重要方面。
（5）反馈与生物信息的相对稳定性特征
人体系统在运动中举手投足乃至身体姿势的保持，无不是在神经—体液系统的控制调节下完成的。受控部分（如骨路肌）中感受器（如肌梭）能及时感知受控部分力学参数的变比，并将该信息馈送到控制中心去修正、调整控制量，使效应器动作愈加精确。人体中的反馈在大多数场合取负反馈的方式，即反馈信息的效果是抑制控制部分活动。负反馈网络能反抗外界干扰所引起的系统变化，使运动中的机体保持相对恒定，达到某种规定的状态，从而完成规定动作。
在运动实践中，运动员通过训练，能够不断地完善其负反馈系统，使之在扰动下快速响应，技术动作很快趋于目标值。因此在进行生物力学研究时，应选择训练有素的运动员作为测试对象——他们的生物力学参数的分散性较小，更容易很快达到稳定值，所获参数也比较可靠。
（6）群体信息的统计学特征
在体育运动中，不但作为个体的运动员带有随机分散性的生物力学参数服从统计规律，而且运动员与运动员之间，此一届与上一届竞赛之间，作为某一运动项目的群体之间，他们的生物力学参数也同样服从统计规律。
作为群体中的每—个个体、任何运动员无论在机能解剖形态、生理、心理反应尽管有着千差万别，但就总体而言，相互间是“大同小异”，是可以类比的。由此，运用统计学的方法，诸如假设检验、回归分析、判别分析和聚类分析等进行生物力学的分析研究是运动生物力学方法论的重要分支。
运动生物力学的研究方法可分为测量方法和分析方法两部分，将测量结果进行分析整理，并建立它们之间的关系的方法称为分析方法。在运动生物力学研究中，在采用不同的测量方法获得各种动作技术的生物力学参数之后，通过对比、实验、统计、层次分析、灰色关联分析、模型与模拟等方法，对运动技术进行分析，寻找技术缺陷，提出改进措施或训练手段，从而完善运动技术。
（1）比较方法
对比方法是对不同个体的动作或不同的技术，以及不同的训练方法（手段）进行对比分析，寻求其差异，探讨这种差异产生的原因及可能的影响，以深入认识技术特征，指导改进和完善动作技术的方法。比较的方法是运动技术生物力学分析的最基本的方法，使用工具和仪器可简可繁，研究深度可深可浅，广泛应用于各种运动项目、各种技术动作的诊断与分析。
对比可以在相同动作之间、不同动作之间、不同动作的相同环节之间、不同动作的动作特征之间进行，也可以在正误技术之间、优劣技术之间、成败技术之间、前后动作之间进行，但研究动作技术或训练规律时，应用更多的是群体对比的方法。群体对比的方法可以用于横向的比较（优秀运动员与一般运动员之间群体的对比，不同组别之间的对比，男女群体的对比），也可以进行纵向的比较（如实验前后等）。一组对象完成技术状况的集中趋势往往反映该组总体的技术水平，通过组与组的对比就能找出不同级别间的差异（通过差异显著性检验），为进一步分析造成差异的原因、探讨技术的客观规律提供参数。
（2）实验方法
实验方法是人们根据研究目的，人为地控制或模拟体育训练和比赛中的现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下去研究动作技术规律性的方法。这种方法通常把实验对象根据需要分为实验组和对照组等不同的组别，或者对同一组实验对象分别采用几种不同的方法进行教学训练实验，通过运动生物力学参数的前测、后测，实现组内及组间的比较，以找出不同组别或方法之间的差异，并根据生物力学原理对这些差异产生的原因进行分析。
这种方法属于“走出系统”的方法，其核心是控制条件，对活体系统进行孤立或分离，设法使多个输入中只有一个输入作为变量，尽量使其他输入不变。在多个输出中只测定一个特定的输出，对其他输出则设法予以抑制，同时尽可能切断反馈回路，人为地使一个多变量、多回路闭环控制系统暂时变为单变量开环系统，以探讨这个输入变量对系统行为产生的影响。如王保成（2001）对短跑技术专门练习的创新与教学训练效果的实验比较研究。
（3）统计方法
运动技术生物力学参数具有随机分散的特点，统计学方法则能在一定程度上帮助我们从表面繁杂的数据中寻找人体运动内在本质的规律。如我们可以通过统计学原理中关于众数、均数、中数的统计方法来研究动作的集中趋势，也可以通过T检验来实现不同组别运动员技术参数的对比，利用相关分析来探讨大量技术参数之间的关系，利用因子分析探讨某个技术因素受众多因素的制约情况等。
在运用统计学处理运动生物力学研究中的大量数据时，一定不能盲目套用计算公式而不注意它们的适用条件，这样不仅不会提高实验设计和结果分析的科学性，相反，还有可能导致错误的结论（李世明，2004）。例如，关于运动技术研究的样本量问题，Cohen（1988）和Li Li（1999）的研究表明：在运动技术方面，5人的样本含量己包含了运动员整体技术特点的80％以上，因而，即使要对高水平运动员进行技术诊断，样本含量也不应低于5。
（4）层次分析法
层次分析法（Analytic Hierarchy Process简称AHP）是将决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。层次分析法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。
运动技术的层次分析最早由海等人（Hay et al，1988，1995）应用于复杂运动过程的技术分析。它是一种因果递推，逐次细化分解，最终根据统计比较和相关程度确定运动项目的技术重点，供专项运动训练参考。如董晋（2007）使用层次分析的方法，分析了造成我国优秀女子举重运动员抓举失败的技术环节和技术细节。
（5）灰色关联分析法
灰色关联分析方法，是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，亦即“灰色关联度”，作为衡量因素间关联程度的一种方法。灰色系统理论提出了对各子系统进行灰色关联度分析的概念，意图透过一定的方法，去寻求系统中各子系统（或因素）之间的数值关系。因此，灰色关联度分析对于一个系统发展变化态势提供了量化的度量，非常适合动态历程分析。
在运动技术分析的过程中，尤其是优秀运动员的技术分析中，我们常常会遇到小样本的情况，这就使基于大样本的统计方法的应用受到一定的限制。而灰色理论分析由于样本量要求少，允许数据为非典型分布，成为解决这样小样本问题的很好的办法。如王志强（1999）对影响短跑支撑阶段水平速度的运动学指标的灰色关联分析，确定了哪些肢体运动学参数对水平速度的影响更大，进而明确哪些技术环节是短跑技术的关键技术。
（6）模型与模拟方法
在对现象的了解和分析变得困难时，通常使用简化了的模型（力争代表现实）模拟现实的方法来解决。它是增加对产生现象的机制了解的一个有力工具。因此，在运动生物力学研究领域已广泛地应用着模型，模型与实验数据的结合已经成为一种有力的科学研究工具。模型可以使我们了解系统内各变量的关系，理解组成系统的重要变量的相互作用，以及如何调控这些关系。如McMahon＆Greene（1979）建立了一个跑的生物力学模型，以确定不同地面的跑的最佳运动形式模型；Ballreice＆Bruggemann（1986）根据上板速度和起跳角度等指标预测跳远成绩。
在体育运动中，很重要的一点是要了解为了完成某一所希望的动作，人体各环节应如何运动。但是，这一实验性的工作往往不能直接在运动员身上进行，因为这将在不同程度上带有一定的危险性。因此，利用计算机仿真技术来模拟人体的运动，并借助于计算机来完成这一实验工作正好为我们提供了一条理想的途径。模拟是指在一个数学模型上进行实验的过程，在工程、宇航、制造等研究领域都有广泛的应用。目前这种通过建立各种人体与其他物体相互作用的动力学模型，来模拟研究动作技术的方法，已经广泛应用于跳高（Dapena，1981；洪嘉振，1989）、跳远（Ramey等，1981；伍勰，2005）、空翻（Van Gheluwe，1978，1979，1981）等运动项目，使运动生物力学研究能够从理论上揭示其动作技术的客观规律，有效地提高研究层次与水平。
（7）系统研究方法
系统研究方法是将对象放在系统中，分析系统和要素、要素和要素、系统和环境之间的联系和作用。系统研究方法有如下原则，一是整体性原则，着眼整体动作系，在整体中研究具体动作。二是系统优化原则，它包括了三个含义：（1）系统优化中首先局部效应服从整体效应；（2）系统多级优化原则，即是说每个层次上都进行优化，包括选择目标、确定评价标准、制定可行方案、建立和运用模型、综合分析，对于运动技术也要对构成该运动的整体的各个局部技术进行优化选择，并对各个局部之间的连接方法进行优化选择；（3）系统方法的模型化原则，模型化原则是系统实现优化的必经途径，是系统方法不可缺少的基本原则，离开模型化，系统方法不能成为一种现代化的科学方法。
总的来说，系统方法是研究理念的进步，它基于运动生物力学研究方法中的物理学方法和生物学方法，并综合了上述两种方法进行研究的原则，使我们对事物的认识从以实体为中心过渡到以系统为中心。
（1）相关概念与理论
所谓还原，是一种把复杂的系统（或者现象、过程）层层分解为其组成部分的过程。还原论认为，复杂系统可以通过它各个组成部分的行为及其相互作用来加以解释。还原论方法是迄今为止自然科学研究的最基本的方法，人们习惯于以“静止的、孤立的”观点考察组成系统诸要素的行为和性质，然后将这些性质“组装”起来形成对整个系统的描述。与还原论相反的是整体论，这种哲学认为，将系统打碎成为它的组成部分的做法是受限制的，对于高度复杂的系统，这种做法就行不通，因此我们应该以整体的系统论观点来考察事物。
“过去的三个世纪以来，西方科学思想的主要倾向是还原论。的确，‘分析’这个词在最广泛的范围中被使用，这种情况也清楚地显明，科学家习惯上是毫无怀疑地把一个问题拿来进行分解，然后再解决它的。但是，有些问题只能通过综合才能解决。它们在性质上是综合或‘整体的’。”（保罗·戴维斯，《上帝与新物理学》，湖南科学技术出版社，1996年）。
物理、化学研究，大多数情况下可以使用还原论方法进行，并且这种研究方法大多数情况下（限于简单的一元线性关系）可以得出精确的结论。但生物体（人或动物）与无机物质之不同，就在于生物体身上还存在大量的能量和信息。因此，在科学研究中，在对一元线性关系的研究，或在简化模型的前提下，使研究对象变成一元线性关系，或二元以至多元线性关系进行研究，使用还原论的方法可以得出精确的结论或接近正确的结论；但对于人体这样的复杂的多元线性关系或多元非线性关系，往往使用整体论研究方法更具直观性——尽管整体论的结论不够精确，但可以解决实际生活中存在的许多问题（比如中医）。有的科学研究同时使用整体论和还原论的研究方法，视不同阶段分别用之。初始阶段往往使用还原论方法进行分拆，然后将还原论之结论进行整合，并考虑彼此间的相互作用，形成系统论（整体论）。
（2）整体论的凸显
运动技术的生物力学研究的主要目的是探求人体行为的内部机制与外部性状之间的联系。但由于人体运动是一个高度非线性的、模糊的和变异性极大的复杂系统，影响人体运动行为的扰动因素太多，使得这种动作结构与运动功能之间的因果分析变得相当困难。此外，人体巨系统在运动时的生物力学参量区别于机械力学参量，一是参量特征复杂，二是参量间关系复杂。前者表现为参量的非线性、时变性、涨落性、不可重复性、相对性和拒测性；后者表现为参量间的并行关系因果关系、反馈关系、控制关系以及影响人体整体运动行为的常规参量和敏感参量（李建设，1999）。这种人体运动生物力学特点的复杂性需要整体论的理论与方法来解决。
人体是一个完整的整体，人体运动是整个身体的功能，深入探讨人体运动规律时，运动生物力学必须与运动生理学、运动生物化学、运动技能学、运动营养学等其他研究人体运动的学科结合起来，互相交叉、互相联系（金季春，2010）。例如，在研究蹬踏自行车最佳频率时要结合运动生理学的最大摄氧量等，生理、生化是研究体内能量供应的，生物力学则是研究体外功率的，两者的结合是必然趋势。MarleneJ.Adrian（1980）提出了他的整体论观点——每个人都能学习收集数据的技术，但是，较高层次的认识需要解释数据的技术，可以肯定的是解释数据需要整体的眼光，否则，我们可能不会认识结果的意义。
在运动技术生物力学研究经历了近百年的较为充分的“分析”（还原论）之后，牛顿力学理论与方法应用于人体的不完备性，生物学理论与方法的不充分性和系统科学理论与方法对边界条件的不确定性的问题已被学界认识到，而运动技术生物力学研究将由此进入到“决策方法的综合”（整体论）。而服务于专项技术的专家系统的产生将代表着运动生物力学研究发展的重大进步（拉菲姆和巴特利特，1995）。
（1）动作系统研究
世界上的一切事物都是作为系统而存在的，运动技术也不例外。而系统分析或系统方法，是一种根据客观事物所具有的系统特征，从事物的整体出发，着眼于整体与部分，整体与结构及层次，结构与功能、系统与环境等的相互联系和相互作用，求得优化的整体目标的现代科学方法。系统分析的方法也是运动生物力学的基本方法之一。
为了保证最好成绩，大量局部动作结成的整体行为就是动作系统（顿斯柯依，1982）。动作系统的理论是探讨由若干个动作元有序组合的动作群体所构成的动作系统的结构、功能、控制与演化的理论。张国棣（2000）指出，从理论意义上看，此理论可以阐释动作系统中各动作元之间相互联系与作用，系统稳定与变异，系统优化与控制等诸种关系或机制，帮助我们认识运动行为形成与发展的生物力学原理；由应用价值上看，它可以作为评判运动行为特征参数信度和价值的依据，并可指导如何运用这些参数为运动实践服务。
鉴于过去少有人对与动作系统结构有关的一些基础理论性问题进行探讨，周家颖（2006）对动作系统结构的定义、要素、分类、结构与功能的关系以及动作系统结构形成与发展过程中的一些辨证关系进行了阐述，并指出辨证、系统和科学地认识动作系统结构是我们正确把握动作系统规律的必备条件，也是我们进一步揭示人体运动规律和探求动作技术优化规律的根本途径。随着体育科学的进一步发展，关于动作系统的理论研究肯定会继续深入和拓宽，并对动作技术分析水平及促进竞技运动水平的提高产生良好的作用（张国棣，2000）。
（2）神经网络模型技术
运动技术分析是运动训练中的一项必不可少的工作，一个完整的技术分析过程是由观察—分析—综合决策构成。100多年来，运动技术分析研究的发展首先得益于测量工具和仪器的改进，以完成观察和收集运动信息资料，其次得益于现代科学研究方法的应用（如统计、比较、模似、优化、系统科学等），以对运动信息资料进行归纳整理，得出较为客观的和有说服力的结论。
然而，由于人体是一个复杂系统，一种分析方法往往只能适应其某一方面特性，而对其他特性几乎是全然没有考虑，因而其结果看似精确（定量化）但并不可靠。而研究结论的得出和运动技术的解释也必然受到研究者个人因素（专业知识和理解）的影响。因而对人脑功能的模拟将成为今后运动技术分析研究发展方向，而神经网络技术恰恰为研究者提供了这一工具（严波涛，2000）。
严波涛（1999）第一次将神经网络模型成功地应用于专项技术分析中，他利用神经网络模型在输人铁饼运动员相关技术参数的基础上，预测与诊断运动员的成绩表现，其研究成果对指导运动员技术训练具有理论与应用价值。其后，刘宇（2008）则采用神经网络模型也成功地预测了纵跳时下肢关节内力矩。
由于神经网络技术具有学习、较强适应环境能力、容错性以及处理模糊的、概率的、含噪的和不相容信息能力，能够通过样本模式学习获得决策规则——这种特性与教练员指导运动员训练过程有着极大的相似性，也可避免个人分析因知识的缺陷而形成主观和片面的结论。因而，使用神经网络技术建立运动技术分析的决策系统有着广阔的前景（Lapham＆Bartlett，1995）。
（3）能量法的应用
能量守恒是自然界的普遍法则。在人体运动过程中，机械能、生理能与人体运动形式三者之间有着必然的内在联系。在运动生物力学学科发展过程中，运动学、动力学理论和方法已经成为分析人体运动技术的重要工具，惟独能量学研究手段没有得到应有的重视（严波涛，2009）。而抛开神经控制论与热力学的观点，仅依靠运动学与动力学，是不足以完整地阐明身体运动的现象与规律的。因此，能量法是使生物力学与生理学结合起来的桥梁，是从能量使用、转化及利用率的观点完整分析人体运动效率、技术合理性的必不可少的组成部分。
从运动生物力学角度探讨机械能、生理能与人体运动形式三者之间的内在联系，将有助于建立完整的人体运动能量测量和评价体系，对运动协调、运动模式形成和运动技术分析有显著的理论支撑意义（严波涛，2009）。特别是对于一些体能项目（如长跑、自行车等），运动中能量变化过程的研究十分重要（郑秀瑗，1998）。
在运动技术生物力学研究领域，能量法的应用主要集中在运动能耗与动作模式的关系以及动作分析和计算机模拟的优化上。如Ward Smith（1985）运用能量平衡方程研究跑步，其计算结果与实际奥运会纪录仅有1％左右的误差。诸多研究证明（Huat等，2004；Elliott等，2004），人体运动模式与能耗节省有密切关系，这是自然选择和人类进化结果。而Marcus G Pandy（2000）则采用能量优化准则，对步行运动进行了人体运动动力学模拟。
Massaad等人（2007）的研究发现，有意识压低身体重心上下起伏幅度的跑并不节省能量，重心适中的上下起伏能有效地把身体动能转换为肌肉弹性势能，在蹬起时能有效地转换成身体运动动能。
（4）运动控制研究
运动生物力学今后的发展趋势是：从原来的单纯的对人体运动的描述性研究（动作分析）到深入到内在机理的探讨（洪友廉，2009）。而没有神经肌肉生理学、解剖学以及运动控制等领域的理论支持，仅从生物力学角度出发是不可能对运动技术的基本机制有一个深入认识的。为此，运动生物力学开始与运动生理学、运动心理学合作，对人体运动控制与协调机制进行研究。
由于协调就是头、躯干、肢体的运动模式，因此，在研究动作控制时，有一个重要的问题就是，神经系统怎么控制肌肉和关节以产生这种模式的。俄国生理学和生物力学大师N.A.Bernstein（1896—1966）指出，为了实现一种完美的协调运动，神经系统必须解决自由度问题（控制系统中独立因素或成分的数量以及每一个成分的动作方式数量）；而控制的问题就是，一个有效而经济的控制系统应怎样设计，才能把有很多自由度的复杂系统限定在一个特定方式下运动。
从生物力学角度讲，人体运动通常是多肢体的复合运动，肢体运动是由关节肌力矩（joint moment or joint torque）控制和决定的。在运动控制与发展过程中，神经肌肉系统就是通过肌肉收缩力矩的调节与控制，达到对外力矩（外在环境）和被动的、由运动产生的反作用力矩的控制、平衡与适应，进而完成或发展出一个有效率和协调的肢体运动（刘宇，2010）。
肢体运动的动力学分析方法可以对引起和控制运动的关节力矩及各分量进行分析，以便帮助我们更好地理解有关运动控制和运动协调等问题。而运动生物力学在运动控制方面所做的工作，就可以通过运用多肢体运动的动力学方法对肢体运动控制的关节力矩进行分析与探讨，以深入理解运动技术的模式与机制。