生物力學

潘崧

早期的飛機在快速飛行時，機翼常常發生顫振，有時會因此造成折翼、墮機的嚴重事故。蜻蜓在飛行時卻很平穩。科學家研究證明，原來蜻蜓的翅膀上有兩塊較厚的對稱的翅痣，可以防止顫振的發生。于是飛機設計師們在機翼上的相應部分設置了兩塊仿型翼板。果然，改進的飛機快速飛行時就平穩得多了。這是現代科學—一生物力學研究成果在工業技術上應用的一個生動事例。

什么是生物力學

人們都知道自然科學中有力學和生物學，很多人并不了解還有生物力學。的確，按一般人理解，力學是研究物換星移、山崩地裂、江河奔流、機器轟鳴的非生命現象的；而生物學則是研究生命的起源、變異、遺傳、進化等。兩者似乎是“風馬牛不相及”的。

其實不然。任何生命的發生發展都是和力的作用分不開的。因此，僅僅從生物學本身去研究生物體的結構，就會有許多問題得不到解答。于是，人們開始用力學的原理去探索各種復雜的生命現象。我國三國時代的名醫華陀曾經提倡過“五禽戲”的拳法，說明他已覺察到摹仿各種禽類動作的受力方法，可以達到增強人的體質的目的。他的徒弟程普，照此方法練身，活到九十歲，牙齒不落一顆。意大利的偉大科學家伽里略已經發現人的骨頭受力之后會變得粗壯起來。德國的生理科學家馮·海曼考察了許多生物尸骨，發現骨面微隆的骨小梁，排列的方向都很有規則。于是他拿了一塊大腿骨請力學專家做應力實驗。實驗結果使馮·海曼大吃一驚：原來這些骨小梁排列的方向和骨骼受的主應力方向竟是完全一致，說明骨小梁隆起有一定走向，是因為受到應力作用的結果。現在，科學家們幾乎把人體206塊骨頭一一研究過了，他們發現：凡是受力大的地方，總是骨骼質密而粗壯；而受力小的地方，總是骨骼質松而細小。此外，科學家們還從力學觀點，研究了人體的皮膚、肌肉、血液以及神經系統等，證明了這些組織和液體的變化發展都和它們受力的狀況有直接關系。于是這門以力學的觀點和方法研究生命現象、或者從生物體中探尋力學規律并在科學和建設中加以應用的新學科——生物力學，受到人們廣泛注意。

生物力學的分支和應用

生物力學是研究生命的力學，所以有時也叫做生命力學。它研究范圍相當廣泛，凡是生物學和力學相聯系的部分，都是生物力學研究的內容。它的分支有幾十種。而生物力學研究的所有課題幾乎都和人類生活息息相關。例如：

研究骨頭、血管、肌肉、皮膚等力學特性的叫做生物材料力學。它可以為研究人體的發展變異和制造人工臟器提供重要的資料和數據。

研究人體血液、淋巴、胃液、痰、唾液、關節液等的叫做生物流體力學。這種研究對于診斷人體疾病有很重要的意義。如通過測定血液或唾液中的粘滯阻力，可以斷定是否有血液病或消化不良等。

研究人體運動時受力狀況的叫做生物運動力學。這種研究可以指導人們正確地進行體育鍛煉和體育醫療。例如打太極拳，在行云流水般的纏繞運動中，人體的皮膚、肌肉、骨頭、血管、臟器、神經都處在受力變形之中，科學測定表明，這時人體新陳代謝、血液循環加快，因此有活血化瘀之效、益壽延年之功。

研究生物體的合理的受力結構，在科學和建設中加以仿制，叫做力學仿生。許多生物體在長期演化過程中淘汰了不合理的部分，使自己肌體達到最佳狀況。對這些進行研究并加以利用，可以使我們的建設工作更加科學和合理。前面我們舉了根據蜻蜒翅膀改進飛機機翼的例子。又如，過去的魚雷前進速度較慢，因為它在行進中，周圍產生大量湍流，增加了阻力。而海豚卻游得很快。經過研究發現，海豚不僅有流線型體型，而且皮膚彈性好，高速游動時能適應水波狀況作波浪式起伏，因而避免了出現湍流。于是人們仿制海豚皮蒙于魚雷體外，大大增加了魚雷的射速。又如樹根符合應力最佳分布狀況，經過科學家的研究，為設計高煙囪、電視塔等建筑物提供了很好的資料。

生物力學雖然是一門新興學科，但它已經在醫療、體育、建筑、軍事、宇航等各個方面顯示了自己的生命力。生物力學的進一步發展，必將使人類的生產和生活進一步改觀。