生物力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對生物體中的力學(xué)問題進行定量研究的生物物理學(xué)分支。
生物力學(xué)的研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、動量定律、質(zhì)量守恒三定律，并加上描寫物性的本構(gòu)方程。生物力學(xué)重點是研究與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。
生物力學(xué)依據(jù)研究對象的不同，可細分為生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)和運動生物力學(xué)等。
生物力學(xué)的發(fā)展簡史
生物力學(xué)一詞雖然在20世紀(jì)60年代才出現(xiàn)，但它所涉及的一些內(nèi)容，卻是古老的課題。例如，1582年前后伽利略得出擺長與周期的定量關(guān)系，并利用擺來測定人的脈搏率，用與脈搏合拍的擺長來表達脈搏率等。
1616年，英國生理學(xué)家哈維根據(jù)流體力學(xué)中的連續(xù)性原理，從理論上論證了血液循環(huán)的存在；到1661年，馬爾皮基在解剖青蛙時，在蛙肺中看到了微循環(huán)的存在，證實了哈維的論斷；博雷利在《論動物的運動》一書中討論了鳥飛、魚游和心臟以及腸的運動；歐拉在1775年寫了一篇關(guān)于波在動脈中傳播的論文；蘭姆在1898年預(yù)言動脈中存在高頻波，現(xiàn)已得到證實；材料力學(xué)中的揚氏模量就是英國物理學(xué)家托馬斯·揚為建立聲帶發(fā)音的彈性力學(xué)理論而提出的。
1733年，英國生理學(xué)家黑爾斯測量了馬的動脈血壓，并尋求血壓與失血的關(guān)系，解釋了心臟泵出的間歇流如何轉(zhuǎn)化成血管中的連續(xù)流，并他在血液流動中引進了外周阻力概念，并正確指出：產(chǎn)生這種阻力的主要部位在細血管處。其后泊肅葉確立了血液流動過程中壓降、流量和阻力的關(guān)系；夫蘭克解釋了心臟的力學(xué)問題；斯塔林提出了透過膜的傳質(zhì)定律，并解釋了人體中水的平衡問題。
克羅格由于在微循環(huán)力學(xué)方面的貢獻獲得1920年諾貝爾獎金。希爾因肌肉力學(xué)的工作獲得1922年諾貝爾獎金。他們的工作為60年代開始的生物力學(xué)的系統(tǒng)研究打下基礎(chǔ)。
到了20世紀(jì)60年代，一批工程科學(xué)家同生理學(xué)家合作，對生物學(xué)、生理學(xué)和醫(yī)學(xué)的有關(guān)問題，用工程的觀點和方法，進行了較為深入的研究，使生物力學(xué)逐漸成為了一門獨立的學(xué)科。其中有些課題的研究也逐漸發(fā)展成為生物力學(xué)的分支學(xué)科，如以研究生物材料的力學(xué)性能為主要內(nèi)容的生物流變學(xué)等。
中國的生物力學(xué)研究，有相當(dāng)一部分與中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)結(jié)合，因而在骨骼力學(xué)、脈搏波、無損檢測、推拿、氣功、生物軟組織等項目的研究中已形成自己的特色。
生物力學(xué)的研究內(nèi)容
生物的各個系統(tǒng)，特別是循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的動力學(xué)問題，是人們長期研究的對象。循環(huán)系統(tǒng)動力學(xué)主要研究血液在心臟、動脈、微血管、靜脈中流動，以及心臟、心瓣的力學(xué)問題。呼吸系統(tǒng)動力學(xué)主要研究在呼吸過程中，氣道內(nèi)氣體的流動和肺循環(huán)中血液的流動，以及氣血間氣體的交換。
所有這些工作，包括生物材料的流變性質(zhì)和動力學(xué)的研究，不僅有助于對人體生理、病理過程的了解，而且還能為人工臟器的設(shè)計和制造提供科學(xué)依據(jù)。生物力學(xué)還研究植物體液的輸運。
環(huán)境對生理的影響也是生物力學(xué)的一個研究內(nèi)容。眾所周知，氧對生物體的發(fā)育有很大影響，在缺氧環(huán)境下生物體發(fā)育較慢，在富氧環(huán)境下發(fā)育較快。即使在短期內(nèi)，環(huán)境的影響也是明顯的。實驗表明：在含10%的氧氣、壓力為一個大氣壓的環(huán)境中的幼鼠，即使只生活24小時，在直徑為15～30微米的肺小動脈壁下，也會出現(xiàn)大量的纖維細胞。若延續(xù)4～7天，纖維細胞則會過渡為典型的平滑肌細胞，這無疑會影響肺循環(huán)中血液的流動。又如處于高加速度狀態(tài)中的人，其血液的慣性會有明顯的改變，懸垂器官會偏離原位，從而改變體內(nèi)血液的流動狀態(tài)。
在設(shè)計水中航行的工具時，經(jīng)常需要考慮佳外形、佳推進方式和佳操縱方式。由于自然選擇，具有這些優(yōu)點的水生物較易生存下來。因此，研究某些水生物的運動可以得到一些值得借鑒的知識。
例如，海豚是一種較高級的動物，它具有高效率的推進機制和很好的外形，特別是它的皮膚，分為兩層，其間充滿了彈性纖維和脂肪組織，具有特殊的減阻特性，在高速游動時能夠保持層流邊界層狀態(tài)，這是因為它的皮膚對邊界層中壓力梯度變化十分敏感，能作適當(dāng)?shù)膹椥宰冃我越档湍鎵禾荻?，因而在高速游動時，表皮能產(chǎn)生波狀運動以抑制端流的出現(xiàn)。又如纖毛蟲的運動是通過纖毛的特殊運動實現(xiàn)的，在人的呼吸道內(nèi)也保持有這種低級生物的運動方式，即利用纖毛排除呼吸道內(nèi)的某些異物?？傊?，研究大自然中生物運動的意義是很明顯的。
人體各器官、系統(tǒng)，特別是心臟-循環(huán)系統(tǒng)和肺臟-呼吸系統(tǒng)的動力學(xué)問題、生物系統(tǒng)和環(huán)境之間的熱力學(xué)平衡問題、特異功能問題等也是當(dāng)前研究的熱點。生物力學(xué)的研究，不僅涉及醫(yī)學(xué)、體育運動方面，而且已深入交通安全、宇航、軍事科學(xué)的有關(guān)方面。
生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈塑性理論、斷裂力學(xué)的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問題。
在近似分析中，人與動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態(tài)參數(shù)都可應(yīng)用材料力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)公式。但是，無論在形態(tài)還是力學(xué)性質(zhì)上，骨頭都是各向異性的。20世紀(jì)70年代以來，對骨骼的力學(xué)性質(zhì)已有許多理論與實踐研究，如組合桿假設(shè)，二相假設(shè)等，有限元法、斷裂力學(xué)、應(yīng)力套方法和先測彈力法等檢測技術(shù)都已應(yīng)用于骨力學(xué)研究。
骨是一種復(fù)合材料，它的強度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關(guān)。骨是骨膠原纖維和無機晶體的組合物。骨板由縱向纖維和環(huán)向纖維構(gòu)成，骨質(zhì)中的無機晶體使骨強度大大提高，體現(xiàn)了骨以少的結(jié)構(gòu)材料來承受大外力的功能適應(yīng)性。
木材和昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構(gòu)成的復(fù)合材料，它與由很細的玻璃纖維嵌在合成樹脂中構(gòu)成的玻璃鋼的力學(xué)性質(zhì)類似。動物與植物是由多糖、蛋白質(zhì)類脂等構(gòu)成的高聚物，應(yīng)用橡膠和塑料的高聚物理論可得出蛋白質(zhì)和多糖的力學(xué)性質(zhì)。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識不僅可用于由氨基酸組成的蛋白質(zhì)，也可用來分析有關(guān)細胞的力學(xué)性質(zhì)。如細胞分裂時微絲的作用力，肌絲的工作方式和工作原理及細胞膜的力學(xué)性質(zhì)等。
生物流體力學(xué)是研究生物心血管系統(tǒng)、消化呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、內(nèi)分泌以及游泳、飛行等與水動力學(xué)、空氣動力學(xué)、邊界層理論和流變學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。它一般將生物材料分為體液、硬組織和軟組織，肌肉則屬較為特殊的一類。
體液中以血液為研究的重點，主要研究血液的粘性和影響粘性的因素(如管徑、有形成分和紅細胞)，以及流動中紅細胞在管系支管中的比積分配問題，紅細胞本身的力學(xué)性質(zhì)，紅細胞之間的相互作用，紅細胞與管壁的作用等。人和動物體內(nèi)血液的流動、植物體液的輸運等與流體力學(xué)中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動型式相近。
在分析血液力學(xué)性質(zhì)時，血液在大血管流動的情況下，可將血液看作均質(zhì)流體。由于微血管直徑與紅細胞直徑相當(dāng)在微循環(huán)分析時，則可將血液看作兩相流體。當(dāng)然，血管越細，血液的非牛頓特性越顯著。
人體內(nèi)血液的流動大都屬于層流，在血液流動很快或血管很粗的部位容易產(chǎn)生湍流。在主動脈中，以峰值速度運動的血液勉強處于層流狀態(tài)，但在許多情況下會轉(zhuǎn)變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流；而通過毛細血管壁的物質(zhì)交換則是一種滲流。對于血液流動這樣的內(nèi)流，因心臟的搏動血液流動具有波動性，又因血管富有彈性故流動邊界呈不固定型。因此，體內(nèi)血液的流動狀態(tài)是比較復(fù)雜的。
對于軟組織，則以研究它的流變性質(zhì)，建立本構(gòu)關(guān)系為主，因為本構(gòu)關(guān)系不單是進一步分析它的力學(xué)問題的基礎(chǔ)，而且具有臨床意義。對于硬組織，除了研究它的流變性質(zhì)外，對骨骼的消長與應(yīng)力的關(guān)系也進行了大量研究。
流體力學(xué)的知識也用于動物游泳的研究。如魚的體型呈流線型，且易撓曲，可通過興波自我推進。水洞實驗表明，在魚游動時的流體邊界層內(nèi)，速度梯度很大，因而克服流體的粘性阻力的功率也大。
小生物和單細胞的游動，也是外流問題。鞭毛的波動和纖毛的拍打推動細胞表面的流體，使細胞向前運動。精子用鞭毛游動，水的慣性可以忽略，其水動力正比于精子的相對游動速度。原生動物在液體中運動，其所受阻力可以根據(jù)計算流場中小顆粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。
此外，空氣動力學(xué)的原理與方法常用來研究動物的飛行。飛機和飛行動物飛行功率由兩部分組成：零升力功率和誘導(dǎo)功率。前者用來克服邊界層內(nèi)的空氣粘性阻力；后者用來向下加速空氣，以提供大小等于飛機或飛行動物重量的升力。鳥在空中可以通過前后拍翅來調(diào)節(jié)滑翔角度，這與滑翔機襟翼調(diào)節(jié)的作用一樣。風(fēng)洞已用于研究飛行動物的飛行特性，如禿鷲、蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機非常相似。
運動生物力學(xué)是用靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)等研究人體運動的學(xué)科。用理論力學(xué)的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領(lǐng)域。
在運動生物力學(xué)的研究中，首先要建立人體力學(xué)模型，通常把人設(shè)想為由有限個以球鉸聯(lián)結(jié)的鏈系統(tǒng)。因為人體各相鄰分體之間存在肌肉作用力，所以人體力學(xué)模型應(yīng)是包含肌肉動力系統(tǒng)的特殊剛體系。人與動物的骨骼和肌肉的受力狀態(tài)，如手提重物時手臂骨骼與二頭肌的受力，脊柱與脊柱肌的受力等可用靜力學(xué)方程求解。
在人體運動中，應(yīng)用層動學(xué)和動力學(xué)的基本原理、方程去分析計算運動員跑、跳、投擲等多種運動項目的極限能力，其結(jié)果與奧林匹克運動會的記錄非常相近。在創(chuàng)傷生物力學(xué)方面，以動力學(xué)的觀點應(yīng)用有限元法，計算頭部和頸部受沖擊時的頻率響應(yīng)并建立創(chuàng)傷模型，從而改進頭部和頸部的防護并可加快創(chuàng)傷的治療。
生物力學(xué)的研究特點
進行生物力學(xué)的研究首先要了解生物材料的幾何特點，進而測定組織或材料的力學(xué)性質(zhì)，確定本構(gòu)方程、導(dǎo)出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件并求解。對于上述邊界問題的解，需用生理實驗去驗證。若有必要，還需另立數(shù)學(xué)模型求解，以期理論與實驗相一致。
生物力學(xué)與其他力學(xué)分支重要的差別是：其研究的對象是生物體。因此，在研究生物力學(xué)問題時，實驗對象所處的環(huán)境十分重要。作為實驗對象的生物材料，有在體和離體之分。在體生物材料一般處于受力狀態(tài)(如血管、肌肉)，一旦游離出來則處于自由狀態(tài)，即非生理狀態(tài)(如血管、肌肉一旦游離，當(dāng)即明顯收縮變短)。兩種狀態(tài)材料的實驗結(jié)果差異較大。
在體實驗分為麻醉狀態(tài)和非麻醉狀態(tài)兩種情況。至于離體實驗，在對象游離出來后，根據(jù)要求可以按整體正位進行實驗，或進一步加工成試件進行實驗。不同的實驗條件和加工條件，對實驗結(jié)果的影響很大。這正是生物力學(xué)研究的特點。
生物力學(xué)的研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、動量定律、質(zhì)量守恒三定律，并加上描寫物性的本構(gòu)方程。生物力學(xué)重點是研究與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。
生物力學(xué)依據(jù)研究對象的不同，可細分為生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)和運動生物力學(xué)等。
生物力學(xué)的發(fā)展簡史
生物力學(xué)一詞雖然在20世紀(jì)60年代才出現(xiàn)，但它所涉及的一些內(nèi)容，卻是古老的課題。例如，1582年前后伽利略得出擺長與周期的定量關(guān)系，并利用擺來測定人的脈搏率，用與脈搏合拍的擺長來表達脈搏率等。
1616年，英國生理學(xué)家哈維根據(jù)流體力學(xué)中的連續(xù)性原理，從理論上論證了血液循環(huán)的存在；到1661年，馬爾皮基在解剖青蛙時，在蛙肺中看到了微循環(huán)的存在，證實了哈維的論斷；博雷利在《論動物的運動》一書中討論了鳥飛、魚游和心臟以及腸的運動；歐拉在1775年寫了一篇關(guān)于波在動脈中傳播的論文；蘭姆在1898年預(yù)言動脈中存在高頻波，現(xiàn)已得到證實；材料力學(xué)中的揚氏模量就是英國物理學(xué)家托馬斯·揚為建立聲帶發(fā)音的彈性力學(xué)理論而提出的。
1733年，英國生理學(xué)家黑爾斯測量了馬的動脈血壓，并尋求血壓與失血的關(guān)系，解釋了心臟泵出的間歇流如何轉(zhuǎn)化成血管中的連續(xù)流，并他在血液流動中引進了外周阻力概念，并正確指出：產(chǎn)生這種阻力的主要部位在細血管處。其后泊肅葉確立了血液流動過程中壓降、流量和阻力的關(guān)系；夫蘭克解釋了心臟的力學(xué)問題；斯塔林提出了透過膜的傳質(zhì)定律，并解釋了人體中水的平衡問題。
克羅格由于在微循環(huán)力學(xué)方面的貢獻獲得1920年諾貝爾獎金。希爾因肌肉力學(xué)的工作獲得1922年諾貝爾獎金。他們的工作為60年代開始的生物力學(xué)的系統(tǒng)研究打下基礎(chǔ)。
到了20世紀(jì)60年代，一批工程科學(xué)家同生理學(xué)家合作，對生物學(xué)、生理學(xué)和醫(yī)學(xué)的有關(guān)問題，用工程的觀點和方法，進行了較為深入的研究，使生物力學(xué)逐漸成為了一門獨立的學(xué)科。其中有些課題的研究也逐漸發(fā)展成為生物力學(xué)的分支學(xué)科，如以研究生物材料的力學(xué)性能為主要內(nèi)容的生物流變學(xué)等。
中國的生物力學(xué)研究，有相當(dāng)一部分與中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)結(jié)合，因而在骨骼力學(xué)、脈搏波、無損檢測、推拿、氣功、生物軟組織等項目的研究中已形成自己的特色。
生物力學(xué)的研究內(nèi)容
生物的各個系統(tǒng)，特別是循環(huán)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的動力學(xué)問題，是人們長期研究的對象。循環(huán)系統(tǒng)動力學(xué)主要研究血液在心臟、動脈、微血管、靜脈中流動，以及心臟、心瓣的力學(xué)問題。呼吸系統(tǒng)動力學(xué)主要研究在呼吸過程中，氣道內(nèi)氣體的流動和肺循環(huán)中血液的流動，以及氣血間氣體的交換。
所有這些工作，包括生物材料的流變性質(zhì)和動力學(xué)的研究，不僅有助于對人體生理、病理過程的了解，而且還能為人工臟器的設(shè)計和制造提供科學(xué)依據(jù)。生物力學(xué)還研究植物體液的輸運。
環(huán)境對生理的影響也是生物力學(xué)的一個研究內(nèi)容。眾所周知，氧對生物體的發(fā)育有很大影響，在缺氧環(huán)境下生物體發(fā)育較慢，在富氧環(huán)境下發(fā)育較快。即使在短期內(nèi)，環(huán)境的影響也是明顯的。實驗表明：在含10%的氧氣、壓力為一個大氣壓的環(huán)境中的幼鼠，即使只生活24小時，在直徑為15～30微米的肺小動脈壁下，也會出現(xiàn)大量的纖維細胞。若延續(xù)4～7天，纖維細胞則會過渡為典型的平滑肌細胞，這無疑會影響肺循環(huán)中血液的流動。又如處于高加速度狀態(tài)中的人，其血液的慣性會有明顯的改變，懸垂器官會偏離原位，從而改變體內(nèi)血液的流動狀態(tài)。
在設(shè)計水中航行的工具時，經(jīng)常需要考慮佳外形、佳推進方式和佳操縱方式。由于自然選擇，具有這些優(yōu)點的水生物較易生存下來。因此，研究某些水生物的運動可以得到一些值得借鑒的知識。
例如，海豚是一種較高級的動物，它具有高效率的推進機制和很好的外形，特別是它的皮膚，分為兩層，其間充滿了彈性纖維和脂肪組織，具有特殊的減阻特性，在高速游動時能夠保持層流邊界層狀態(tài)，這是因為它的皮膚對邊界層中壓力梯度變化十分敏感，能作適當(dāng)?shù)膹椥宰冃我越档湍鎵禾荻?，因而在高速游動時，表皮能產(chǎn)生波狀運動以抑制端流的出現(xiàn)。又如纖毛蟲的運動是通過纖毛的特殊運動實現(xiàn)的，在人的呼吸道內(nèi)也保持有這種低級生物的運動方式，即利用纖毛排除呼吸道內(nèi)的某些異物?？傊?，研究大自然中生物運動的意義是很明顯的。
人體各器官、系統(tǒng)，特別是心臟-循環(huán)系統(tǒng)和肺臟-呼吸系統(tǒng)的動力學(xué)問題、生物系統(tǒng)和環(huán)境之間的熱力學(xué)平衡問題、特異功能問題等也是當(dāng)前研究的熱點。生物力學(xué)的研究，不僅涉及醫(yī)學(xué)、體育運動方面，而且已深入交通安全、宇航、軍事科學(xué)的有關(guān)方面。
生物固體力學(xué)是利用材料力學(xué)、彈塑性理論、斷裂力學(xué)的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關(guān)的力學(xué)問題。
在近似分析中，人與動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態(tài)參數(shù)都可應(yīng)用材料力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)公式。但是，無論在形態(tài)還是力學(xué)性質(zhì)上，骨頭都是各向異性的。20世紀(jì)70年代以來，對骨骼的力學(xué)性質(zhì)已有許多理論與實踐研究，如組合桿假設(shè)，二相假設(shè)等，有限元法、斷裂力學(xué)、應(yīng)力套方法和先測彈力法等檢測技術(shù)都已應(yīng)用于骨力學(xué)研究。
骨是一種復(fù)合材料，它的強度不僅與骨的構(gòu)造也與材料本身相關(guān)。骨是骨膠原纖維和無機晶體的組合物。骨板由縱向纖維和環(huán)向纖維構(gòu)成，骨質(zhì)中的無機晶體使骨強度大大提高，體現(xiàn)了骨以少的結(jié)構(gòu)材料來承受大外力的功能適應(yīng)性。
木材和昆蟲表皮都是纖維嵌入其他材料中構(gòu)成的復(fù)合材料，它與由很細的玻璃纖維嵌在合成樹脂中構(gòu)成的玻璃鋼的力學(xué)性質(zhì)類似。動物與植物是由多糖、蛋白質(zhì)類脂等構(gòu)成的高聚物，應(yīng)用橡膠和塑料的高聚物理論可得出蛋白質(zhì)和多糖的力學(xué)性質(zhì)。粘彈性及彈性變形、彈性模量等知識不僅可用于由氨基酸組成的蛋白質(zhì)，也可用來分析有關(guān)細胞的力學(xué)性質(zhì)。如細胞分裂時微絲的作用力，肌絲的工作方式和工作原理及細胞膜的力學(xué)性質(zhì)等。
生物流體力學(xué)是研究生物心血管系統(tǒng)、消化呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、內(nèi)分泌以及游泳、飛行等與水動力學(xué)、空氣動力學(xué)、邊界層理論和流變學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。它一般將生物材料分為體液、硬組織和軟組織，肌肉則屬較為特殊的一類。
體液中以血液為研究的重點，主要研究血液的粘性和影響粘性的因素(如管徑、有形成分和紅細胞)，以及流動中紅細胞在管系支管中的比積分配問題，紅細胞本身的力學(xué)性質(zhì)，紅細胞之間的相互作用，紅細胞與管壁的作用等。人和動物體內(nèi)血液的流動、植物體液的輸運等與流體力學(xué)中的層流、湍流、滲流和兩相流等流動型式相近。
在分析血液力學(xué)性質(zhì)時，血液在大血管流動的情況下，可將血液看作均質(zhì)流體。由于微血管直徑與紅細胞直徑相當(dāng)在微循環(huán)分析時，則可將血液看作兩相流體。當(dāng)然，血管越細，血液的非牛頓特性越顯著。
人體內(nèi)血液的流動大都屬于層流，在血液流動很快或血管很粗的部位容易產(chǎn)生湍流。在主動脈中，以峰值速度運動的血液勉強處于層流狀態(tài)，但在許多情況下會轉(zhuǎn)變成湍流。尿道中的尿流往往是湍流；而通過毛細血管壁的物質(zhì)交換則是一種滲流。對于血液流動這樣的內(nèi)流，因心臟的搏動血液流動具有波動性，又因血管富有彈性故流動邊界呈不固定型。因此，體內(nèi)血液的流動狀態(tài)是比較復(fù)雜的。
對于軟組織，則以研究它的流變性質(zhì)，建立本構(gòu)關(guān)系為主，因為本構(gòu)關(guān)系不單是進一步分析它的力學(xué)問題的基礎(chǔ)，而且具有臨床意義。對于硬組織，除了研究它的流變性質(zhì)外，對骨骼的消長與應(yīng)力的關(guān)系也進行了大量研究。
流體力學(xué)的知識也用于動物游泳的研究。如魚的體型呈流線型，且易撓曲，可通過興波自我推進。水洞實驗表明，在魚游動時的流體邊界層內(nèi)，速度梯度很大，因而克服流體的粘性阻力的功率也大。
小生物和單細胞的游動，也是外流問題。鞭毛的波動和纖毛的拍打推動細胞表面的流體，使細胞向前運動。精子用鞭毛游動，水的慣性可以忽略，其水動力正比于精子的相對游動速度。原生動物在液體中運動，其所受阻力可以根據(jù)計算流場中小顆粒的阻力公式(斯托克斯定律)得出。
此外，空氣動力學(xué)的原理與方法常用來研究動物的飛行。飛機和飛行動物飛行功率由兩部分組成：零升力功率和誘導(dǎo)功率。前者用來克服邊界層內(nèi)的空氣粘性阻力；后者用來向下加速空氣，以提供大小等于飛機或飛行動物重量的升力。鳥在空中可以通過前后拍翅來調(diào)節(jié)滑翔角度，這與滑翔機襟翼調(diào)節(jié)的作用一樣。風(fēng)洞已用于研究飛行動物的飛行特性，如禿鷲、蝙蝠的滑行性能與模型滑翔機非常相似。
運動生物力學(xué)是用靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的基本原理結(jié)合解剖學(xué)、生理學(xué)等研究人體運動的學(xué)科。用理論力學(xué)的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領(lǐng)域。
在運動生物力學(xué)的研究中，首先要建立人體力學(xué)模型，通常把人設(shè)想為由有限個以球鉸聯(lián)結(jié)的鏈系統(tǒng)。因為人體各相鄰分體之間存在肌肉作用力，所以人體力學(xué)模型應(yīng)是包含肌肉動力系統(tǒng)的特殊剛體系。人與動物的骨骼和肌肉的受力狀態(tài)，如手提重物時手臂骨骼與二頭肌的受力，脊柱與脊柱肌的受力等可用靜力學(xué)方程求解。
在人體運動中，應(yīng)用層動學(xué)和動力學(xué)的基本原理、方程去分析計算運動員跑、跳、投擲等多種運動項目的極限能力，其結(jié)果與奧林匹克運動會的記錄非常相近。在創(chuàng)傷生物力學(xué)方面，以動力學(xué)的觀點應(yīng)用有限元法，計算頭部和頸部受沖擊時的頻率響應(yīng)并建立創(chuàng)傷模型，從而改進頭部和頸部的防護并可加快創(chuàng)傷的治療。
生物力學(xué)的研究特點
進行生物力學(xué)的研究首先要了解生物材料的幾何特點，進而測定組織或材料的力學(xué)性質(zhì)，確定本構(gòu)方程、導(dǎo)出主要微分方程和積分方程、確定邊界條件并求解。對于上述邊界問題的解，需用生理實驗去驗證。若有必要，還需另立數(shù)學(xué)模型求解，以期理論與實驗相一致。
生物力學(xué)與其他力學(xué)分支重要的差別是：其研究的對象是生物體。因此，在研究生物力學(xué)問題時，實驗對象所處的環(huán)境十分重要。作為實驗對象的生物材料，有在體和離體之分。在體生物材料一般處于受力狀態(tài)(如血管、肌肉)，一旦游離出來則處于自由狀態(tài)，即非生理狀態(tài)(如血管、肌肉一旦游離，當(dāng)即明顯收縮變短)。兩種狀態(tài)材料的實驗結(jié)果差異較大。
在體實驗分為麻醉狀態(tài)和非麻醉狀態(tài)兩種情況。至于離體實驗，在對象游離出來后，根據(jù)要求可以按整體正位進行實驗，或進一步加工成試件進行實驗。不同的實驗條件和加工條件，對實驗結(jié)果的影響很大。這正是生物力學(xué)研究的特點。