生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支.

　　生物力学的研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等),从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等.生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律,并加上描写物性的本构方程.生物力学重点是研究与生理学、医学有关的力学问题.

　　生物力学依据研究对象的不同,可细分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等.

　　生物力学的发展简史

　　生物力学一词虽然在20世纪60年代才出现,但它所涉及的一些内容,却是古老的课题.例如,1582年前后伽利略得出摆长与周期的定量关系,并利用摆来测定人的脉搏率,用与脉搏合拍的摆长来表达脉搏率等.

　　1616年,英国生理学家哈维根据流体力学中的连续性原理,从理论上论证了血液循环的存在；到1661年,马尔皮基在解剖青蛙时,在蛙肺中看到了微循环的存在,证实了哈维的论断；博雷利在《论动物的运动》一书中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动；欧拉在1775年写了一篇关于波在动脉中传播的论文；兰姆在1898年预言动脉中存在高频波,现已得到证实；材料力学中著名的扬氏模量就是英国物理学家托马斯·扬为建立声带发音的弹性力学理论而提出的.

　　1733年,英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压,并寻求血压与失血的关系,解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流,并他在血液流动中引进了外周阻力概念,并正确指出：产生这种阻力的主要部位在细血管处.其后泊肃叶确立了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系；夫兰克解释了心脏的力学问题；斯塔林提出了透过膜的传质定律,并解释了人体中水的平衡问题.

　　克罗格由于在微循环力学方面的贡献获得1920年诺贝尔奖金.希尔因肌肉力学的工作获得1922年诺贝尔奖金.他们的工作为60年代开始的生物力学的系统研究打下基础.

　　到了20世纪60年代,一批工程科学家同生理学家合作,对生物学、生理学和医学的有关问题,用工程的观点和方法,进行了较为深入的研究,使生物力学逐渐成为了一门独立的学科.其中有些课题的研究也逐渐发展成为生物力学的分支学科,如以研究生物材料的力学性能为主要内容的生物流变学等.

　　中国的生物力学研究,有相当一部分与中国传统医学结合,因而在骨骼力学、脉搏波、无损检测、推拿、气功、生物软组织等项目的研究中已形成自己的特色.

　　生物力学的研究内容

　　生物的各个系统,特别是循环系统和呼吸系统的动力学问题,是人们长期研究的对象.循环系统动力学主要研究血液在心脏、动脉、微血管、静脉中流动,以及心脏、心瓣的力学问题.呼吸系统动力学主要研究在呼吸过程中,气道内气体的流动和肺循环中血液的流动,以及气血间气体的交换.

　　所有这些工作,包括生物材料的流变性质和动力学的研究,不仅有助于对人体生理、病理过程的了解,而且还能为人工脏器的设计和制造提供科学依据.生物力学还研究植物体液的输运.

　　环境对生理的影响也是生物力学的一个研究内容.众所周知,氧对生物体的发育有很大影响,在缺氧环境下生物体发育较慢,在富氧环境下发育较快.即使在短期内,环境的影响也是明显的.实验表明：在含10%的氧气、压力为一个大气压的环境中的幼鼠,即使只生活24小时,在直径为15～30微米的肺小动脉壁下,也会出现大量的纤维细胞.若延续4～7天,纤维细胞则会过渡为典型的平滑肌细胞,这无疑会影响肺循环中血液的流动.又如处于高加速度状态中的人,其血液的惯性会有明显的改变,悬垂器官会偏离原位,从而改变体内血液的流动状态.

　　在设计水中航行的工具时,经常需要考虑最佳外形、最佳推进方式和最佳操纵方式.由于自然选择,具有这些优点的水生物较易生存下来.因此,研究某些水生物的运动可以得到一些值得借鉴的知识.

　　例如,海豚是一种较高级的动物,它具有高效率的推进机制和很好的外形,特别是它的皮肤,分为两层,其间充满了弹性纤维和脂肪组织,具有特殊的减阻特性,在高速游动时能够保持层流边界层状态,这是因为它的皮肤对边界层中压力梯度变化十分敏感,能作适当的弹性变形以降低逆压梯度,因而在高速游动时,表皮能产生波状运动以抑制端流的出现.又如纤毛虫的运动是通过纤毛的特殊运动实现的,在人的呼吸道内也保持有这种低级生物的运动方式,即利用纤毛排除呼吸道内的某些异物.总之,研究大自然中生物运动的意义是很明显的.

　　人体各器官、系统,特别是心脏-循环系统和肺脏-呼吸系统的动力学问题、生物系统和环境之间的热力学平衡问题、特异功能问题等也是当前研究的热点.生物力学的研究,不仅涉及医学、体育运动方面,而且已深入交通安全、宇航、军事科学的有关方面.

　　生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法,研究生物组织和器官中与之相关的力学问题.

　　在近似分析中,人与动物骨头的压缩、拉伸、断裂的强度理论及其状态参数都可应用材料力学的标准公式.但是,无论在形态还是力学性质上,骨头都是各向异性的.20世纪70年代以来,对骨骼的力学性质已有许多理论与实践研究,如组合杆假设,二相假设等,有限元法、断裂力学、应力套方法和先测弹力法等检测技术都已应用于骨力学研究.

　　骨是一种复合材料,它的强度不仅与骨的构造也与材料本身相关.骨是骨胶原纤维和无机晶体的组合物.骨板由纵向纤维和环向纤维构成,骨质中的无机晶体使骨强度大大提高,体现了骨以最少的结构材料来承受最大外力的功能适应性.

　　木材和昆虫表皮都是纤维嵌入其他材料中构成的复合材料,它与由很细的玻璃纤维嵌在合成树脂中构成的玻璃钢的力学性质类似.动物与植物是由多糖、蛋白质类脂等构成的高聚物,应用橡胶和塑料的高聚物理论可得出蛋白质和多糖的力学性质.粘弹性及弹性变形、弹性模量等知识不仅可用于由氨基酸组成的蛋白质,也可用来分析有关细胞的力学性质.如细胞分裂时微丝的作用力,肌丝的工作方式和工作原理及细胞膜的力学性质等.

　　生物流体力学是研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论和流变学有关的力学问题.它一般将生物材料分为体液、硬组织和软组织,肌肉则属较为特殊的一类.

　　体液中以血液为研究的重点,主要研究血液的粘性和影响粘性的因素(如管径、有形成分和红细胞),以及流动中红细胞在管系支管中的比积分配问题,红细胞本身的力学性质,红细胞之间的相互作用,红细胞与管壁的作用等.人和动物体内血液的流动、植物体液的输运等与流体力学中的层流、湍流、渗流和两相流等流动型式相近.

　　在分析血液力学性质时,血液在大血管流动的情况下,可将血液看作均质流体.由于微血管直径与红细胞直径相当在微循环分析时,则可将血液看作两相流体.当然,血管越细,血液的非牛顿特性越显著.

　　人体内血液的流动大都属于层流,在血液流动很快或血管很