[编者按]生物力学是一门交叉学科，它研究机体内部（如血循环，血流，呼吸时的气流，消化道的运动以及分子力学问题等等）和外部运动（各种运动时肌肉、骨骼、关节及它们与外界相互作用）的力学现象。本文介绍了运动和劳动时的一些工程力学问题，原文作者是体育学院教授。现摘译介绍如下。本刊同样欢迎介绍其他交叉学科的稿件。
人类工程生物力学有三个任务：预防生病和创伤、提高劳动生产率和改善劳动条件。
本文主要所阐述的实用性工作是人类工程生物力学的一个主要部分。
怎样才能使螺丝刀简单实用些？
对于螺丝刀是主要工具的人，假若螺丝的结构不完善，并且工作姿势不正确，那么手将患不容易医治的病痛。当手臂伸直时使前臂转动得最有力量的肌肉——肱二头肌——实际上并不起作用，所以以手臂伸直姿势握螺丝刀的人通常患有各种关节毛病，主诉病痛率最高。
使用螺丝刀的工作效率也与手柄的式样和大小有关。这里在螺丝刀的工作端形成最大的旋转力矩是重要的。
可以吞出依靠增大手柄的直径可以提高旋转力矩，但是直径不能无限制地增大：在手中握住粗大的手柄是不方便的，除此之外手的握力被削弱，手和手柄之间的接触面积也减少。而这接触面积减少得越多，那么手茧出现得越迅速，手掌的血管将受压得越厉害。经常用这样的螺丝刀工作时，会导致慢性疾患。故应当进行手柄的直径对握力和接触面积影响的研究，设计出具有最佳尺寸和方便式样的螺丝刀手柄。
这样的手柄具有变化的横截面，其端部是球形的，为了改善与手的接触而挖出一些沟槽，在固定螺丝刀刀头的部位稍微增粗一点儿，这样不会使手指滑脱。以这种手柄工作使旋转力矩增加约两倍。
螺丝刀例子是典型的。现在让我们运用科学手段来分析它，在这里利用：
1）职业病的统计；2）揭示患病或难于使用物品的原因（可作肌电记录）；3）力学——模拟试验；4）握力、接触面积和手柄直径之间关系的实验研究；5）试验样品的设计；6）比较不同类型螺丝刀的效率。
这样，您就能最笼统地表达出人类工程生物力学是怎么回事。这里只举了一个最简单的例子。事实上一切都要复杂得多。
坐着的人
人是坐着的人。按照某些人的意见，应当这样称呼现代城市的居民。经常性地坐着并非无害。对于“坐着的”职业的人们所特有的一系列病是触目惊心的。幸好，某些病可以避免。
可惜，不存在适用于生活中各种场合下的万能座位，由于职业种类的关系座位应该是各种各样的。一个决定的因素是目光的方向：目光向下——对着工作台；目光向前——看道路、电影、乐谱架；目光向上或向下正像飞行员或者塔式吊车司机那样。
让我们讲一下在桌旁办公的位置。正确设计的工作位置应尽量避免五种不愉快的情况：
——脊椎节之间过大的静压力（后果：软骨增生，脊神经根炎，腰部痛）；
——臀部局部范围很大的压力（这将导致挤压动脉和毛细血管，因而引起下肢血液供应恶化）；
——在狭窄的骨盆部位瘀血（有生痔疮的危险）；
——背、颈和肩的肌肉过多的负荷（迅速的疲劳、肌炎）；
——由于眼睛到桌面的距离选择得不正确而目光过度紧张。
实际上，人几乎总是向前倾斜，这导致腰部脊柱前凸消失并增大脊椎节内部的压力。
小孩子比所有其他人做得合理，当他们一感到椅子不方便时，就不客气地把椅子向前倾斜着。孩子作得正确——保护着脊椎。而且为他们在椅子上做一个斜坐垫才好呢！这时工作既方便，而背部也不累。
需要在柔性小球上跑吗？
生物力学研究行走、跑动、跳跃的分支称为运动生物力学。鞋、地板、楼梯特别使人类工程生物力学专家有兴趣。
我们选了“越野赛跑鞋”为例子。
赛跑鞋的生物力学要求逐年地在学术交流会上被研讨，提交专著和数十篇论文，这一切仅在数年前仿佛是不可思议的。而一个原因在于25 ~ 50%的人停止从事赛跑或长时间中止训练是由于运动器官的伤痛，成批的鞋商迫切地开始创立自己的生物力学试验或者定购大的科学中心在这方面的研究成果。
全部复杂性在于赛跑鞋应该同时满足相对立的要求：很好地使冲击负荷缓冲而同时阻止脚掌在反蹬时不正确的侧向运动。
在腿蹬向地面时产生沿身体传播的独特的冲击波。为了记录这冲击波，必须进行相当复杂的实验。例如直接把传感器固定到骨头上（又一次谈到进行这种冒险试验的外国试验者），因为不这样的话不保证固定的刚性。
正是这种实验揭示了：在穿硬后跟鞋沿着镶木块地板快速行走时，脚跟部的加速度达到30 g（g是自由落体的加速度）。在小腿处加速度等于，而达到头部仅为1 g左右，也就是说，冲击波沿着身体传播的同时，逐渐衰减掉。那些身体减震性较差的人们常常诉说腰部痛。
原因究竟在哪里？
最常见的原因是平底脚或者初起的关节增生——一种关节病。健康人膝关节的传递系数，也就是“出口处”——股骨的信号幅值与“入口处”——小腿的信号幅值之比大约等于0.55，在患关节增生时传递系数急剧增大、甚至膝关节停止减缓冲击负荷。在这种情况下背部发痛，而应当治疗腿。正确地配好的鞋子可以得到很多好处。对于运动员来说很有兴趣的新产品是具有充气缓冲鞋底的鞋子。空气被充入赛跑鞋的空心鞋底，结果好像是在柔性球上跑步。
显然，弹性鞋底很好地减缓冲击负荷。但是产生了另外不愉快的事——脚掌的侧向（外侧）运动增大了。这原因是由于在跑步时脚掌以外缘着地，尔后压力中心转到大拇指一侧。如果从后面看大腿，那么小腿的纵轴线与脚掌间的角度被改变。大约八分之一的赛跑运动员脚掌的侧向运动过大，在这种情况下小腿的前表面通常会痛。相反，8%从事赛跑的人们脚掌的侧向运动非常小，因此对运动器官的冲击负荷就增大了。脚掌从外到内脚弓的翻转几乎没有，因而冲击被减缓得很小。在大多数情况里姿势通过选择合适的鞋子而容易矫正。
这种鞋的研制其代价比以后的治疗便宜得多。如果我们希望5亿人进行健身跑步，那么，预防他们当中的1亿人因鞋子不合适的跑步而引起运动器官的病患出现会没有意义吗？
工作而不疲劳
让我们看一个例子。
在电子计算机的终端设备、打字机、排字盘和电报收发装置都有用于信息输入的键盘。操作员在一班时间里操作运动的数目达几万次。在这种情况中职业病（肌肉的痉挛，或者抽搐，痛觉麻痹）是不少见的。那罪过有三个主要因素：键码不恰当的分布，操作员不正确的运动方向，加在键码上的力量与它的移动（揿平）之间不协调。
如果从上方看女打字员，显然键盘的长度比肩宽小得多。在这样的条件下工作时，如果把双肘停在它们的自然位置，这就必然导致把手腕相对于前臂厉害地转向一侧。类似的姿势如此不方便，以至于操作人员通常本能地把双肘向两侧和向前抬起。这时图上所示的角度。减小一些，工作变得方便一些，然而肩部肌肉承受的负荷提高了。此外，手腕和前臂沿着纵轴线旋转到几乎不能再转。这就破坏了人类工程学的基本准则之工作区间应在可能的运动范围中间。
这样，我们得出一个可忧的结论：从多种观点看来，键盘传统的配置是不合适的。怎么办？可能的办法之一是将键盘分为两部分，两个面稍微向外倾斜。不用说，在这种键盘上，功能要求某种改进，然而双手将处在方便得多的姿势。
键的运动方向同样应与手指的自然运动相一致。键应该与键盘平面成斜角移动，而无论在怎样的情况下不垂直于键盘平面。加在键上的压力与键的揿入程度之间的关系应该依据键盘上的工作特性来决定。
关于振动的两句话
保护人类免受振动的课题是如此重要和现实，以致全苏科技委员会组织了以科学院院士К. B. 符拉罗夫（Фволов）为主席、关于这个主题的科学协会。
现代人类随时必须与各种类型的振动打交道——在运输当中、在生产当中、在生活当中。有时振动可能是有益的，它可以补偿不得已的活动不足（运动不足）。但是振动的作用往往会导致严重且危险的、简直可称为振动病的病患。振动对人类的作用和防震保护的器材这是一个大而独立的谈论主题。所以我们关于这个人类工程生物力学最重要的方向只是提到一下。
安全负荷
现在我们将说一下力学的忍耐性问题。这样一来，通常意味着生物力学中研究力学负荷（加速度、力）许可极限的一个分支、在力学负荷许可极限的作用下不会引起创伤和生病。无论是这种研究的重要性还是复杂性都是不言而喻的，要知道破坏性试验是不容许的。所以为了做出某一个结论，必须对各种间接研究——利用人体模型、动物研究所得的结果、医学统计资料、导致创伤情况的分析、数学模拟试验等等进行综合。研究范围非常广泛——从前面已提到过的椅子和鞋子直到降落伞和海军陆战队弹射飞行器的工具。
在过去，当开始掌握安全帽和头盔生产的时候，它们的机械强度首先使设计人员注意。只要头盔仍完整无恙时，对于头部发生什么情况，似乎就不用特别担心。这样的帽子很好地防护了穿透性创伤，但是在突然加速时（比如说，急剧的刹车和停顿），只能是加重了创伤，须知戴头盔时头部质量和惯性矩都增大了。综合大量的客观数据后得到了忍耐性限度（相对于脑震荡）与头的加速度大小和加速持续性之间的经验关系。当然，这限度仅仅是大致的估定：人们之间的各别差异是非常大的。但是正是在类似的关系基础上建立起确定头部所允许的加速度极限的标准。至于头盔的保护性能是以把负荷的有效值降低到忍耐性限度以下水平的能力为标志的。
这就意味着保护人类的任何系统都应该是综合性的。在汽车里提高头盔或某些安全带的防护性能是没有意义的。假若在汽车的力学负荷下，用头盔和安全带保护时，说不定另一部位将受到损伤。例如，这受伤的部位一般将是颈椎，很遗憾，颈椎受损伤将具有悲惨的后果。这种场合好的保护物是充气的有领肩坎。充气的有领肩坎使头保持在接近正常的姿势。这样的保护肩坎适宜于所有乘摩托车的人穿。
[Hαукα u Жuэнь，1985年3期]