Physics of the Human Body

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出版者:Springer Verlag
作者:Herman, Irving P.
出品人:
页数:857
译者:
出版时间:
价格:1300.00元
装帧:HRD
isbn号码:9783540296034
丛书系列:
图书标签:
  • 物理学
  • 人体
  • 生物物理学
  • 医学物理学
  • 健康
  • 科学
  • 解剖学
  • 生理学
  • 运动学
  • 生物力学
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具体描述

生物力学与人体运动分析:原理、方法与应用 导言 人体是一个复杂而精密的生物系统,其运动、结构和功能都受到物理学原理的深刻影响。本书深入探讨了生物力学这一交叉学科,聚焦于人体运动的物理基础、分析方法及其在生物医学、运动科学和康复医学中的广泛应用。我们旨在提供一个全面且严谨的框架,用以理解和量化人体系统的力学行为,从分子水平的生物材料性质到宏观的整体运动学。 第一部分:生物力学的基本物理学原理 本部分奠定理解人体力学行为的理论基础。我们将从牛顿力学和欧拉-拉格朗日力学出发,介绍应用于生物系统的基本概念,如力、力矩、应力、应变、功、能量和功率。 第一章:经典力学在生物系统中的应用 静力学与平衡: 详细分析人体在静态姿势下的受力情况,重点讨论关节处的反作用力、肌肉的张力与力矩的平衡。引入自由体图(Free Body Diagrams, FBD)的绘制方法,这是进行任何生物力学分析的第一步。讨论稳定性和不稳定性在姿势控制中的作用。 动力学基础: 阐述牛顿第二定律、转动惯量在描述人体运动时的具体体现。分析行走、跑步、跳跃等活动中身体质心(Center of Mass, COM)的轨迹和动力学特性。 功、能与功率: 能量守恒定律在人体运动效率分析中的应用。计算不同运动模式下肌肉系统做功的速率(功率),并探讨运动经济性(Economy of Motion)的物理学含义。 第二章:生物材料的力学特性 人体组织(骨骼、软骨、肌腱、韧带、肌肉)并非理想的弹性体,它们的力学响应复杂多变。本章着重于描述这些材料的本构关系。 应力-应变关系: 引入线弹性、粘弹性、粘塑性等模型,解释生物材料的各向异性。讨论如何通过拉伸试验、压缩试验来确定材料的杨氏模量、泊松比等关键参数。 骨骼力学: 深入探讨骨密度的变化如何影响其承载能力。分析骨骼的微观结构(皮质骨与松质骨)对宏观力学性能的贡献。讨论骨骼的适应性(Wolff's Law)的力学基础。 软组织力学: 详细分析肌腱和韧带的非线性应力-应变曲线,特别是其“松弛区”和“陡峭区”。探讨软骨作为粘弹性流体在关节负荷下的流变特性,及其在润滑和减震中的作用。 第二部分:运动学与运动动力学分析 本部分将分析人体运动的描述方法,并从力学角度解释运动产生的机制。 第三章:运动学——运动的几何描述 坐标系与关节定义: 建立描述人体运动的标准坐标系(如国际通用的ISB标准)。精确定义人体主要关节(髋、膝、踝、肩、肘)的运动学自由度(DOF)和旋转中心。 描述运动: 使用角度、角速度、角加速度来量化关节运动。对于三维运动,引入万向节锁(Gimbal Lock)问题及四元数(Quaternions)在关节角度表示中的应用。 运动捕捉技术基础: 简要介绍光学运动捕捉系统的基本原理,包括标记点追踪、三维重建和数据平滑处理方法。 第四章:运动动力学——力的作用与运动产生 逆动力学(Inverse Dynamics): 介绍如何利用运动学数据(位置、速度、加速度)结合牛顿-欧拉公式,从末端效应器(如脚与地面接触点)开始,逐级向上计算出各个关节力矩的产生过程。重点讲解地面反作用力(Ground Reaction Force, GRF)的测量与应用。 正向动力学(Forward Dynamics): 探讨在已知肌肉力、外力或关节力矩的情况下,如何通过运动学方程预测人体的运动轨迹。这在模拟和控制领域至关重要。 肌肉驱动模型: 介绍如何将肌肉视为驱动力源,建立肌肉拉力与关节力矩之间的关系。讨论主动力和被动力(如惯性力、重力)的分解。 第三部分:生物力学分析的应用领域 本部分将前两部分的理论工具应用于实际的生物医学和运动科学问题。 第五章:步态分析与行走机制 步态周期分解: 精确定义步态周期中的关键事件(如足跟着地、支撑期、摆动期)。分析双支撑期和单支撑期的力学特征。 生物力学效率: 探讨行走和跑步中的能量消耗机制。分析COM垂直和水平振荡的能量转换,解释高效运动的物理学基础。 步态异常分析: 应用运动学和动力学指标(如关节角度、力矩曲线)来诊断和量化步态缺陷,为矫形器设计和康复训练提供客观数据支持。 第六章:冲击载荷与损伤预防 冲击力学: 分析跑步、跳跃着地时对骨骼和关节产生的瞬时高载荷。讨论冲击载荷的峰值、持续时间和频率成分对组织损伤风险的影响。 生物力学风险评估: 针对特定运动(如橄榄球、篮球)或职业活动,识别高风险的运动模式。例如,膝关节前交叉韧带(ACL)损伤中,外翻力矩和扭转力矩的作用机制。 运动装备的优化: 从力学角度评估鞋类、护具对缓冲冲击、稳定关节的作用。分析材料和结构设计如何改变载荷传递路径。 第七章:关节和植入物的生物力学 关节承载分析: 评估膝关节和髋关节在不同活动(站立、爬楼梯、深蹲)下承受的静力学和动力学负荷。为外科手术植入物的长期稳定性提供力学依据。 人工关节的设计与失效: 探讨人工关节(如全髋关节置换)的应力屏蔽效应(Stress Shielding)及其对周围骨骼的影响。分析磨损和疲劳失效的力学机制。 生物力学与骨质疏松: 结合骨骼的应力-应变响应,解释机械载荷不足如何导致骨密度下降,以及如何通过设计适当的机械刺激来预防或延缓骨质疏松的进展。 结论 生物力学是连接生命科学与工程科学的桥梁。本书提供的物理和数学工具,使用户能够将复杂的生物现象转化为可量化、可预测的力学模型。未来,随着计算模型(如有限元分析)的成熟,结合先进的非侵入性测量技术,生物力学将继续在个性化医疗、康复工程和运动性能提升领域发挥不可替代的作用。

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读后感

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用户评价

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《Physics of the Human Body》这本书,它真的让我对“活着”这件事有了全新的认识。我一直觉得身体就是生物化学的集合,但这本书让我看到了隐藏在生物体内的强大物理力量。它把那些原本高不可攀的物理学原理,巧妙地融入到我们日常的身体运作中,让我们能够以一种全新的视角去理解自己。 书中对摩擦力的描述,让我尤其印象深刻。我们关节的运动,血液在血管中的流动,甚至是我们呼吸时空气的进出,都离不开摩擦力的存在。作者分析了摩擦力在维持人体结构稳定和运动协调中的作用,以及过大的摩擦力可能带来的问题,这让我对日常的一些细微之处有了更深的体会。 我也很喜欢书中关于热力学定律在人体内的应用。能量的产生和消耗,体温的维持,都遵循着热力学的基本原理。我意识到,我们身体的每一次活动,都是在进行着能量的转换和传递,而且这个过程总是伴随着能量的损耗,这让我对“节能”有了更深刻的理解。 更让我惊喜的是,书中竟然能用物理学的概念来解释一些看似非常“生物”的现象,比如细胞膜的通透性,蛋白质的折叠,甚至DNA的结构稳定性。作者通过引入量子力学和统计力学的一些概念,来阐述这些微观层面的运作机制,让我看到了物理学在解释生命现象上的强大穿透力。 总而言之,《Physics of the Human Body》这本书,它不仅仅是一本书,更是一种思维方式的转变。它用物理学的逻辑和语言,描绘了人体这个最复杂的“机器”的运行图景,让我对生命的奇妙和精妙,有了更深刻的敬畏和理解。

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《Physics of the Human Body》这本书,它就像是一个打开了新世界大门的钥匙,让我看到了身体原本隐藏的、却又无处不在的物理学本质。我一直以为物理学是实验室里高深的学问,跟我们日常生活中的身体没什么关联,但这本书完全颠覆了我的想法。 我最感兴趣的是书中关于生物电现象的讲解。神经信号的传递,肌肉的收缩,甚至心跳的节律,这些都离不开电的参与。作者用清晰易懂的语言,解释了离子通道的开合如何产生电位差,以及这些电信号是如何在体内传递的。这让我意识到,我们的身体本身就是一个精密的生物电化学系统,每一次思考,每一次行动,都伴随着微小的电流在涌动。 书中对声音和光学的阐述也让我非常着迷。耳朵是如何捕捉声波并将其转化为我们能理解的声音,眼睛又是如何通过屈光系统将外界的光线聚焦在视网膜上,形成图像。这些日常的感官体验,在作者的解释下,变得充满了科学的魅力。我仿佛能看到光线在我的眼睛里穿梭,声波在我的耳道里回荡。 我还惊喜地发现,书中竟然涉及到了疾病的物理学解释。例如,某些疾病的发生发展,可能与细胞的机械性能改变有关,或者与体内某些物质的扩散过程失衡有关。这种从物理学的角度去理解疾病,让我觉得眼前一亮,它为医学的研究提供了新的思路和方法。 总的来说,《Physics of the Human Body》这本书,它不仅仅是提供知识,更重要的是它启发了我思考。它用物理学的语言,解读了生命体的奥秘,让我不再仅仅把身体看作是血肉之躯,而是将其视为一个由无数物理定律支撑的、精巧绝伦的工程奇迹。

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《Physics of the Human Body》这本书,它真的让我重新认识了“身体”这个概念。我一直觉得人体是个很生物学的东西,但这本书彻底打破了我的固有思维。它用一种我从未想过的方式,将物理学那些看似遥远的定律,带到了我们身体的每一个角落,每一个细胞。 书中对流体力学在血液循环中的应用的阐述,让我惊叹不已。之前我只知道血液会流淌,但从来没有想过这背后涉及到湍流、粘度和压力梯度的复杂计算。作者通过详细的分析,解释了心脏是如何像一台高效的泵,克服血管的阻力,将血液输送到身体的每一个角落,保证了氧气和营养物质的供给。这种对生命过程的量化描述,让我觉得更加真实和震撼。 另外,书中对生物力学的深入剖析,也让我大开眼界。无论是我们行走、奔跑时的步态分析,还是举起重物时肌肉的协同发力,亦或是关节在运动时的受力模型,作者都用物理学的原理进行了详尽的解释。这让我更加理解了为什么有些动作容易受伤,以及如何通过调整姿势来优化运动效率,甚至可以说是为我的日常健身提供了科学的指导。 我还特别关注了书中关于温度调节的部分。人体在寒冷和炎热环境中如何通过辐射、对流、传导等物理过程来维持恒定的体温,以及汗液蒸发所带走的热量,这些看似简单的生理现象,背后都蕴含着复杂的物理学原理。这种对生命过程的物理学解释,让我对人体的适应能力有了更深的认识。 总而言之,《Physics of the Human Body》这本书,它不仅仅是一本书,更像是一个开启新视角的钥匙,让我从一个全新的维度去审视我们赖以生存的身体。它用严谨的科学态度,揭示了生命背后那些隐藏的物理规律,让我对生命的运行方式有了更深层次的理解和感悟。

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这本书的标题《Physics of the Human Body》本身就勾起了我极大的好奇心。一直以来,我对身体的运作原理都抱有浓厚的兴趣,而物理学作为一门研究物质运动规律的科学,总让我觉得它能够提供一个更深层、更基础的视角来理解我们自身。我设想这本书会详细解析人体内发生的各种物理现象,从细胞层面的分子运动,到宏观层面的运动学和力学,再到能量的转化和传递。 我尤其期待书中能够深入探讨人体是如何维持其复杂的结构和功能的。例如,骨骼是如何支撑身体的,肌肉是如何产生力量的,血液是如何在血管中流动的,以及神经信号是如何以电脉冲的形式传递的。这些都涉及到力学、流体力学、电磁学等物理学分支的知识。我希望书中能够用清晰易懂的语言,结合生动的插图或模型,来解释这些复杂的过程,让我能够直观地理解。 此外,我也对书中可能涉及的生物物理学概念感到兴奋。例如,声音是如何产生和传播的,眼睛是如何成像的,以及味觉和嗅觉的感官机制。这些都离不开物理学的原理。我希望这本书能够填补我在这些方面的知识空白,让我不再仅仅满足于描述性的了解,而是能够触及到现象背后的根本原因。 对于那些可能对健康和运动科学感兴趣的读者来说,这本书无疑会提供宝贵的见解。比如,了解人体关节的受力分析,有助于理解运动损伤的原因和预防;理解能量代谢的物理模型,可以帮助更有效地进行体重管理和运动训练。我期望书中能够提供一些实用的应用案例,将抽象的物理原理与日常生活紧密联系起来。 总之,《Physics of the Human Body》这本书的出现,让我看到了一个将严谨的科学原理与人体奥秘相结合的绝佳机会。我期待着它能够以一种引人入胜的方式,揭示隐藏在我们身体内部的物理学奇迹,让我对生命有一个全新的认识和理解。

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读完《Physics of the Human Body》这本书,我可以说它绝对颠覆了我对人体理解的传统模式。我一直以为,要了解人体,只需要生物学和医学知识就足够了,但这本书证明了物理学才是理解生命运作的基石。它不仅仅是关于我们身体“是什么”,更是关于我们身体“如何运作”的深度解析。 书中对于能量转化的描述尤为让我印象深刻。从食物中获取的化学能如何通过一系列复杂的生化反应转化为维持生命活动所需的机械能、热能,甚至电能,作者用严谨的物理学公式和清晰的逻辑链条,将这个看似“魔法”的过程变得无比清晰。我能感受到,每一次呼吸、每一次心跳,背后都遵循着热力学定律,每一次肌肉的收缩,都是能量在高效地传递和转化。 令我惊喜的是,书中对感官世界的物理学解释。视觉、听觉、触觉,这些我们习以为常的体验,在作者的笔下,都变成了精妙的物理实验。光线如何在眼睛的晶状体中折射,声波如何在内耳中转化为神经信号,压力如何被皮肤的机械感受器感知,这些都让我茅塞顿开,原来我们感知世界的方式,本身就是一场物理学的盛宴。 这本书的伟大之处还在于,它成功地将宏观世界与微观世界的物理原理巧妙地连接起来。从细胞膜上的离子通道的电化学平衡,到整个骨骼系统的应力分布,作者都能够找到恰当的物理模型来解释。这种跨尺度的理解,让我对人体的复杂性有了更深刻的敬畏。 总而言之,《Physics of the Human Body》这本书不是一本枯燥的教科书,而是一本能够激发你对自身产生无限好奇心的入门指南。它用物理学的语言,重新讲述了生命的篇章,让我不仅看到了身体的脆弱,更看到了它蕴含的强大而精妙的物理智慧。

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