人体是由各器官系统组成的有机整体，体育锻炼增强体质包括许多科学规律，体育锻炼的科学化、定量化与锻炼效果密切相关，不同性别、体质、年龄的人，其锻炼的内容、方法、运动负荷、运动强度等均有不同的科学要求。参加体育锻炼，增强身体素质以及提高运动成绩必须遵循科学的规律。
一、新陈代谢
新陈代谢是指生物体与周围环境之间不断地进行物质交换和能量交换以及生物体内物质和能量的转变过程。新陈代谢是生物体内所进行的全部化学反应的总和，是生物体最基本的特征。
新陈代谢包括物质代谢和能量代谢两个方面，二者密不可分，在物质代谢的过程中伴随着能量代谢。
新陈代谢又可分为同化作用和异化作用两个方面。同化作用（又叫合成代谢）是指生物体从外界环境中摄取营养物质，将其转变为自身的组成物质，并且储存能量的过程。异化作用（又叫分解代谢）是指生物体通过呼吸作用，分解自身的一部分组成物质，释放能量，并把分解的终产物排出体外的过程。同化作用和异化作用是相互依存、不可分割的，没有同化作用就不可能产生新的生活物质，就不能储存能量，异化作用就无法进行；没有异化作用就不能释放能量，同化作用也就无法进行。可以说，同化作用是异化作用的前提，异化作用是同化作用的动力。
新陈代谢的正常进行为生命活动提供了动力，代谢一旦停止，生命也就结束了。
二、人体运动的肌肉工作
（一）肌肉概貌
人体的运动是由运动系统实现的，运动系统由206块骨骼和400多块肌肉以及关节等构成。骨骼构成人体的支架，关节使各部位骨骼联系越来，而最终是由肌肉的收缩、放松来实现人体的各种运动。
1.肌肉的结构
组成肌肉的基本单位是肌纤维，许多肌纤维排列成肌束，表面被肌束膜包绕，许多肌束聚集在一起构成一块肌肉。在肌肉的化学成分中，约3/4是水，1/4是固体物，同时肌肉中有着丰富的毛细血管及神经纤维，保证肌肉的氧气和养料供应及神经协调指挥。肌纤维是一根长圆柱形细胞，每条肌纤维外面包有一层薄膜叫肌内膜。肌纤维内除肌浆外，中间有许多根圆柱状上面带有横纹的肌原纤维。肌原纤维是由粗细不同的两种蛋白质微丝构成。粗微丝由肌球蛋白构成；而细微丝则是以肌动蛋白为主，还有肌钙蛋白和原肌球蛋白等共同构成。肌肉的收缩就是由这两种蛋白质微丝相对滑行而实现的。体育锻炼能使肌肉结实粗壮，锻炼能使肌纤维中的蛋白质含量增加，从而使肌纤维增粗。
2.肌肉的成分和收缩形式
一块肌肉由几种组织构成，其中肌组织和结缔组织分别构成肌肉的两种成分——收缩成分和弹性成分。肌纤维是肌肉的收缩成分，通过肌纤维的主动收缩放松，实现各种运动；肌肉中的结缔组织是肌肉中的弹性成分，它与收缩成分成并列或串联存在。肌肉在完成各种动作时，就整块肌肉的长度来说，可以发生长度的变化，也可以不发生变化，因此可以将肌肉的收缩形式划分为多种形式，这里仅简单介绍向心肌肉收缩、等长收缩和超等长肌肉收缩三种形式。
（1）向心肌肉收缩是肌肉长度发生缩短的收缩形式，在力量练习中属于最普通的一种，例如利用哑铃、沙袋、杠铃、拉力器等锻炼肌肉均属此类。目前已有多种运动练习器，锻炼增加力量的效果比一般向心练习方法要好。
（2）等长收缩。当肌肉收缩产生的张力与外力相等，或是维持身体某一种姿势时，肌纤维虽积极收缩，但肌肉的总长度没有改变，这种收缩称为等长肌肉收缩。肌肉处于等长收缩时，从整块肌肉外观看，肌肉长度不变，但实际上肌肉的收缩成分是处在收缩中而使弹性成分拉长，从而使整块肌肉长度保持不变。
（3）超等长肌肉收缩是肌肉先进行离心收缩后紧接着进行向心收缩的形式。例如跳起落地紧接着再向上跳，此时股四头肌先在落地时离心收缩（被拉长），紧接着又立刻作猛烈向心收缩实现向上跳起。在各种练习中，如跳深、连续双足或单足跳、多级跳等均属此类。这类练习对肌肉锻炼价值颇大，又称离心向心收缩或弹性离心练习。
（二）影响肌肉收缩力量的因素
1.肌肉的生理横断面
肌肉生理横断面增大是由于肌纤维增粗造成，负重肌肉力量练习对增大肌肉生理横断面有良好效果。
2.肌群的协调能力
在现实生活中，一个不经常锻炼的人，最大用力时大约只能动员60%的肌纤维参加活动，而经常锻炼的运动员，则可动员90%的肌纤维活动，力量当然就大。
3.肌肉收缩前的初长度
肌肉收缩时的力量与收缩时肌肉所处的长度状态有关。正确的运动技术多包含这一因素，如投掷标枪前的引枪，踢球前摆动腿的后摆等均是为了取得最佳的初长度。因此，掌握正确规范的运动技术动作，也是发挥最大肌肉力量的重要条件。
4.肌肉收缩的代谢适应
肌肉的收缩放松有赖于能量的供应，经常进行力量锻炼，能使肌肉产生一系列的代谢适应性变化，如肌肉中毛细血管网的增加，能源物质和肌糖元等含量的增加，肌肉内各种酶活性提高等，从而保证肌力的发挥。
（三）肌纤维类型与运动
运动生理学家通过对人类肌纤维类型的研究，证明肌纤维类型的不同百分比组成与运动能力存在密切相关。从基本运动能力看，肌肉的最大收缩速度、爆发力、纵跳高度与快肌纤维的百分比和相对面积成正相关；而肌肉的静力耐力却与肌肉中慢肌纤维的百分比组成呈正相关。
三、人体运动的能量
机体在物质代谢过程中伴随着能量释放，能量储存、转移和利用的过程称为能量代谢。机体的一切活动均需能量。体内的糖、脂肪、蛋白质通过生物氧化而释放能量，所释放的总能量大部分以热的形式释放于体外。运动中时间越长，能量消耗就越多，运动强度越大，运动时间越长，能量消耗就越多，需要的营养物质也就越多。人体运动时的直接能源是来自体内一种特殊的高能磷酸化合物——三磷酸腺苷（ATP），ATP再合成的途径有三种，也就是说人体内存在着三种能量系统。
（一）磷酸原系统
磷酸原系统（三磷酸腺苷—磷酸肌酸，简称ATP-CP）是由细胞内的ATP和CP这两种高能磷化物构成。它的特点是供能绝对值不大，持续时间很短，但是它供能快速，ATP是细胞唯一能直接利用的能源，其能量输出的功率也很高。在体育运动中短跑（100～200米）、跳高、旋转、冲刺等爆发性的动作，全部依靠ATP-CP的储备供能。
（二）乳酸能系统（无氧糖酵解系统）
当人体肌肉快速运动时间持续较长后（超过8～10秒），磷酸原系统供能能力已不能及时供给ATP，于是动用肌糖元进行无氧酵解供能，这一过程产生乳酸，放出的能量被ADP（二磷酸腺苷）接受，再由ADP合成ATP。它是机体处于缺氧的情况下的主要能量来源。乳酸能系统对人体供应能量，它的作用与磷酸原系统一样，能在暂时缺氧的情况下迅速供能，如田径运动中的400米、800米跑主要靠乳酸能系统来供能。
（三）有氧供能系统
人体运动在氧供应充分的条件下，由糖和脂肪有氧代谢供能，分解成二氧化碳和水，同时产生大量的能量，使ADP再合成ATP。有氧氧化系统生成丰富的ATP，且不生成乳酸这类导致疲劳的副产品，这一供能能力主要和人体心肺功能有关，是耐力素质的基础。田径运动中的长跑项目、马拉松等主要靠有氧氧化供能。要提高有氧供能系统供能能力，主要宜采用较长时间的中等或较低强度的匀速跑，或较长段落的中速间歇训练等。
四、人体中的氧供应
在组成人体健康的众多因素中，决定人体氧供应能力的心肺功能是健康的重要因素，同时对人体运动能力也有重要影响。
（一）氧运输系统在运动中的重要作用
氧运输系统对人的健康及生命活动有十分重要的作用，它把氧气从人体外吸入体内并运送到各器官组织，供人体生命活动的需要。
氧运输系统由呼吸系统、血液与心血管系统组成。呼吸系统把氧气从体外吸入体内，氧气进入血液与血液中的红蛋白结合，由心脏这个血液循环的动力站不停推动，使血液流遍全身，将氧气送到各器官组织。人体从外界环境中摄取氧的能力受运输系统各个环节功能的制约。
氧运输系统的第一个环节是肺的呼吸运动，实现肺与外界环境的气体交换及肺泡与肺毛细血管血液之间的气体交换。肺活量是衡量人体呼吸机能的重要指标。肺活量是指尽最大可能深吸气后做最大可能的呼气所呼出的气体量。健康成年男性肺活量大约是3500～4000毫升，女性约为2500～3500毫升。
氧气的运输任务主要依靠血红蛋白，我国健康男性每100毫升血液中血红蛋白含量约12～15克，女性约11～14克。
在整个氧运输系统中，心血管系统的功能处在最重要的地位，心脏是推动血液不断向前流动的动力，血管则是血液流动的管道，起着运输血液与物质交换的重要作用。心脏通过舒缩活动将血液不停地射入血管，使血管内的血液不停流动，以保证全身各组织器官代谢的需要。健康成年人每分钟心跳约75次。心脏每搏动一次大约向血管射血70毫升（称每搏输出量），心脏每分钟大约向血管射血5升（称每分输出量）。心脏射出的血液在血管内流动时对血管壁有侧压力，这就是血压。我国健康成年人安静时收缩压约为10.2～12.2千帕（100～120毫米汞柱）、舒张压为6.1～9.2千帕（60～80毫米汞柱）。血压可随年龄、性别和体内生理状况的变化而有所变动。
正是上述呼吸系统、血液和心血管系统共同组成人体氧运输系统，保证了生命活动对氧的需要。
（二）氧运输系统功能的重要标志——最大吸氧量
衡量人体氧运输系统功能的强弱，除了可用呼吸系统或心血管系统的一些指标外，常用的衡量氧运输系统整体功能的综合性指标就是最大吸氧量。
1.最大吸氧量概念及正常值
最大吸氧量是指人体在剧烈运动时，呼吸和循环系统功能达到最大能力时人体每分钟所摄取的氧量。简单地说，就是运动时每分钟所能够吸入并被身体利用的氧的最大量。最大吸氧量直接反映个人的最大有氧代谢能力，标志一个人氧运输系统功能的强弱。最大吸氧量受年龄、性别、健康状况、训练水平、疾病以及遗传等多方面因素的影响。普通健康人最大吸氧量为每分钟2～3升，而经常锻炼的人或运动员可达4～5升，优秀的耐力运动员甚至可以达到6～7升以上。
2.最大吸氧量与运动能力
运动时，肌肉的激烈活动使得机体对氧的需要比平时大大增加，因此人体的最大摄氧量能力的高低直接影响运功能力，尤其是以有氧代谢为主的耐力性运动与最大吸氧量关系更紧密，因此，经常运动的人比不经常运动者最大吸氧量要大，而在不同项目的运动中，耐力性要求越高运动项目的运动员最大吸氧量越高。要使锻炼能增进最大吸氧量，运动强度应适宜，过大的强度会使无氧代谢成分增加，对增进最大吸氧量效果不明显，而强度过小对机体影响又太轻微。
五、运动时能源物质的消耗与补充
人体运动时利用ATP，最终消耗糖、脂肪和蛋白质。
（一）糖与脂肪供能特点及比例
糖和脂肪是运动中合成人体ATP的主要来源，但不同持续时间和强度的运动，两者供能特点及比例也不相同，糖能进行无氧酵解和有氧代谢，这一特点使不同运动中两者供能比例不同。影响供能比例的主要因素是：
1.运动强度和运动持续时间
时间短、强度大的运动主要是消耗糖，因为时间短，强度大的运动主要是无氧代谢过程；而持续时间长，强度小的运动则脂肪的消耗比例大。
2.膳食的类型
从营养学观点来看，合理的饮食足以保证有效的机体活动，经常食用牛奶、肉、鱼、蔬菜、水果和粮食制品，都能满足从事力量或耐力锻炼的需要；当进行力量项目锻炼时，蛋白质和无机盐的需要量可以略为增加。运动比赛前食用含糖高一些的食物，有助于比赛开始后糖能源的补给和利用。
（二）运动竞赛前的糖充填
在运动竞赛开始前若干天，通过调整膳食结构，使肌糖原含量增加，称糖充填。这对提高运动能力，取得良好成绩有重要意义。
（三）赛前饮食原则
有些同学在参加各类运动竞赛前不知如何安排饮食，有时因为饮食不当而造成运动成绩的下降。下面介绍赛前饮食的6项原则：
（1）赛前宜吃易消化吸收的食物，少吃脂肪肉类，以免比赛时腹部有饱胀感而影响成绩。饮食的量约8成饱既好。
（2）赛前饮食中的**摄入量应适宜，一般和平常摄入量相当既可。
（3）勿食刺激性食品。
（4）赛前食物的种类最好和平时相同，要为参赛者所熟悉，以符合临赛前心理因素的要求。
（5）用餐应在赛前2～3小时。
（6）适当饮用咖啡和茶，有助于运动时脂肪能源的利用。
六、运动后能量物质的恢复
运动时体内代谢过程加强，以不断满足运动时能量的消耗，运动中及运动停止后，能量物质需要不断进行补充、恢复，能量物质的恢复过程大致可分为三个阶段：第一阶段是运动进行中，恢复过程就已开始。这时机体进行运动消耗的同时也进行能量物质的恢复补充，但由于锻炼中消耗多，此时的恢复跟不上消耗的量，因此能量物质储备逐渐下降。第二阶段是运动结束后，此时体内能量物质消耗逐渐减少，而恢复过程却不断加强，直至恢复到锻炼前的水平。第三阶段是超量恢复阶段，能量物质恢复到原水平时并未停止，而是继续恢复补充，在这一阶段中，能量物质的恢复可超过原来储备的水平，比运动前能量物质的储备量还要多，称超量恢复。如果经常坚持体育锻炼，体内能量物质不断消耗，而恢复能达到更高程度，体质就不断增强。
七、有机体的超量恢复
人体在运动中承受了超量负荷，身体内各种能量物质逐渐消耗，在运动后不仅可以恢复到原有水平，而且还会超过原来的水平，这种现象叫“超量恢复”。超量恢复的程度与运动负荷的大小有关，据国内外学者研究证明：在一定范围内运动超负荷越大，能量物质消耗越多，“超量恢复”就越明显。“超量恢复”原理是人体机能在体育运动中不断得到提高的理论依据。如果身体锻炼时间很短，而运动强度又不大，对有机体的刺激很小，就不会引起有机体的反应或者反应很小。这种运动负荷小的身体锻炼，不能起到有效地增强体质，增进健康的作用；只有机体运动达到一定程度的负荷，经过足够的休息和营养补充后，“超量恢复”才会产生。
超量恢复出现的早晚，与运动量大小、疲劳程度以及营养供给有关。运用人体超量恢复的规律来指导身体锻炼应注意以下三种情况：
（1）身体锻炼时间较短且运动强度不大，不会引起机体较大的反应，超量恢复不显著。
（2）重复进行身体锻炼的间歇时间要掌握好。如果间歇时间过短，且身体又长期处于疲劳状态，对健康是不利的。怎样正确确定两次练习之间的间歇，常用测量心率的方法来控制，例如：练习后的心率达到140～170次/分，间歇时待心率恢复到100～120次/分左右再进行下一次练习较为合适。
（3）要根据各自的身体条件、年龄和锻炼基础，合理安排运动量和持续时间，既能引起机体超量恢复，又不至于造成机体过于疲劳。