《运动生物力学课讲稿：第四章(2007)讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运动生物力学课讲稿：第四章(2007)讲解（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 人体平衡的生物力学 重点：人体整体平衡的生物力学条件和特点 难点：人体平衡动作的力学原理 第一节 人体平衡动作的力学原理 n 一、基本概念 （一）力与力系 n 1 力是物体之间的相互作用，这种 作用可以改变物体的运动状态。人体运 动中的力主要是人体与地面、器械、流 体的相互作用。 n2 力的三要素：大小、方向、作用点 。力是矢量。 FA 力的单位： 国际单位制-牛顿(N) AB 3力系： 是反映作用于物体上的一组力。 在实际体育运动中，作用于人体的力 是非孤立的力，而是力系。 力 系 分 类 空间力系 平面力系 平面汇交力系 平面力偶系 平面平行力系 平面任意力系 平面特殊力系 空间任
2、意力系 空间特殊力系 平面汇交力系 平面力偶系 平面平行力系 说明： 汇交力系：作用线的延长线相交于一点 的力系。 平行力系：作用线互相平行的力系。 平衡力系：在力系作用下，物体的运动 状态不发生改变的力系。 F1 F2 F3 A 汇交力系 F1 F2 A 平行力系 B 力的合成、分解依据平行四边形法则( 三角形法则) Y X F 1 F2 R RF1 F2 R F1 F2 （二）约束、约束反力、主动力 1约束 是指阻止物体自由移动的限制 。这里涉及到自由体和非自由体。 在力的作用下可任意方向移动的物 体叫自由体，如：腾空运动的运动 员。反之叫非自由体。实际中遇到 大都是非自由体，物体相互接触
3、或 相互联系而使该物体的移动受的限 制，则称物体受到约束。 n2 约束反力 是指作用于物体的力，其大小 等于物体加在约束上的力，方向与 之相反。约束反力的方向总是同阻 碍物体运动的方向相反。 约束与约束反力 绳索,链条,皮带等柔性体对物 体的约束称为柔体约束。因柔体只 能承受拉力,不能承受压力,即只能 限制物体沿柔体伸长方向的运动,故 柔体的约束反力沿柔体的中心线背 离物体,表现为为拉力。 3体育运动中，常见的约束有三种： .无摩擦的理想约束。这种约束只阻止物体 沿接触面的法向（竖直方向）移动，如站在水 平地面上的运动员，其受的约束反力即地面给 它的弹力。 N .有摩擦的约束。 这种约束不仅阻
4、止物 体沿垂直表面方向移 动,而且阻止物体作水 平方向的移动，如跑 动中支撑腿的支撑反 力。 f N .物体与接触面无直接接触，而是通过 中间物体间接形成的约束。如吊环运动员通 过悬索作用于房顶；滑冰运动员通过冰刀施力于 冰面。 4 主动力 n 是指与约束反力性质相反的力 ，它使物体运动或有运动的趋势。 n 如：物体所受的重力，人或器械 对物体所施的推力、拉力等。 （三）力力 的的 可可 传传 性性 原原 理 理 n 力可沿其作用线任意移动，而 不改变其对物体的效应。 A B F F1 F2 （四）力的平移定理 n 1力矩、力偶矩 n 力矩：转动效果。 n 力偶：大小相等，方向相反。 n 力偶
5、矩：转动趋势。 力矩 n 定义：力与力臂的乘积冠以正、负号定义为力F 对O点的力矩。 O 转动的中心。称为力矩中 心，简称矩心 d 转动中心到力作用线之 间的距离称为力臂(注意单位) 表达式：Mo(F) = Fd 正负号规定：若力使物体绕矩心作逆时针 转向转动力矩取正号,反之取负号。 B O F2 d F1 F3 F4 问题：图示力F对O点的力矩应取什么符号？ 力偶 由大小相等、方向相反、不共线的两个力组 成的力系称为力偶。 力偶对物体的效应：只产生转动效应，而无移动效应。 O r F 力偶矩方向的规定： 右手螺旋法则 右手拇指指向外法线方向为 正(+),反之为 负(-) 力偶矩： 力偶使受力
6、偶作用的物体发生转动的趋势 而产生的力矩称为力偶矩。 F A O d F A O d l A O= 把力F 作用线向某点O 平移时，须附加一个力偶， 此附加力偶的矩等于原力F 对点O 的矩。 证明： 2.力的平移定理： 举例：跑的受力分析 重 力 弹 力 摩 擦 力 阻力 n阻 力 n重力 n摩擦 力 n弹力 跑的后蹬动作的身体受力图 人体受4个力的作用： nG：重力；N：弹力；f：摩擦力；F：空气 阻力。 n根据力的平移定理，可将N、F以及摩擦力 三个力平移到重心O，并加上相应力偶矩 ，如图4-9所示，N和力偶矩Nx代替N的作 用，F和F h 代替F的作用， f和 f H代替f 的作用。 n
7、 F h+ f H- Nx0时人体向后旋转， F h+ f H- Nx=0时人体不旋转， F h+ f H- Nx0时 人体向前旋转。 （五）研究对象的受力分析五）研究对象的受力分析 n1具体步骤为： 确定研究对象；画出受力图。 n 2方法： 我们所研究的对象主要为人体，在人 体上画出主动力（重力及外加的力）和约束 反力（所有外界物体与人体的接触作用。由 于约束反力的方向不易判断，通常用约束反 力的三个分量来代替，把未知的约束反力分 解到直角坐标系中。 n3举例：燕式平衡，单杠直臂悬垂，体操中 旗动作。 燕式平衡受力分析 G N 二、力的合成与分解 n (一)合力与分力 已知分力求合力叫力的合
8、成，已知合力求分 力叫力的分解。 n (二)力的合成方法 1平行四边形法则：同一点A作用的两个力 F1和F2，以其作邻边画平行四边形，则平 行四边形的对角线即代表这两个力的合力 。 n 2 投影法：矢量在任意轴上的投影等于矢 量各分量在同一轴上投影的代数和。 n （三）力的分解 n图示力合成方法：平行四边形法则和投影法 F 1 RF1 F2 A R F F 1x F 1y 三、力系的简化与平衡三、力系的简化与平衡 n将作用于物体上的力系用一个合力，另加 相应的力矩来表示，这一过程称为力系的 简化（了解）。 n （一）共点力系的简化与平衡 n （二）共面力系的简化与平衡 n （三）空间力系的简化
9、与平衡 C O y x h B P134. 例题5 Ry Rx P P A G 第二节 人体整体平衡的生物 力学条件和特点 n 一、人体平衡的力学条件 n 人体平衡的力学条件是人 n 体所受的合外力为零和合外力 n 矩为零。表达式为： n F=0，M=0 n 如：燕式平衡，单杠直臂悬垂。 二、人体平衡的类型 n（一）人体重心的概念 n1 研究人体重心的意义： n 评定一个体育动作的质量，分析 n 其技术特征和纠正错误动作等，都需 n 要从人体重心的变化规律去分析，无 n 论是动力性的动作还是静力性的姿 n 势，探索其运动规律时，都离不开人 n 体重心。 n3 特点：人体重心不象物体那样恒定在
10、n 一个点上，不仅在一段时内， n 要受肌肉和脂肪的增长或消退 n 等因素的影响，即使在每一瞬 n 间，也要受呼吸，消化、血液 n 循环等因素的影响，特别是在 n 体育运动中，要受人体姿势变 n 化的制约，随姿势的改变，有 n 时甚至移出体外。 n 例如；体操中的“桥”，背跃式跳高的 n 过杆动作等。 2 概念：人体全部环节所受重力的 合力的作用点， 就叫人体重心。 （二）人体平衡的分类 n1 根据支点相对重心位置分类： n上支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人 n 体重心的上方。 n 如：体操中的各类悬垂动作。 n下支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人 n 体重心的下方。下支撑平衡在体
11、n 育动作中最为常见 n 如： 站立，自由体操和平衡木的平衡 n 动作以及田径、武术等。 n混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态， n 这时有的支撑点在人体重心上方， n 有的支撑点在人体重心下方。 n 如：肋木侧身平衡。 2根据平衡的稳度分类 n稳定平衡 n不稳定平衡 n随遇平衡 n有限度的稳定平衡 稳定平衡： n 人体在外力作用下，偏离平衡 位置后，当外力撤除时，人体自然 恢复平衡位置，而不需要通过肌肉 收缩恢复平衡。如果物体偏离平衡 位置的结果是物体重心升高，则该 平衡是稳定平衡，多数上支撑平衡 属稳定平衡。 n 如；单杠直臂悬垂（图4-1）。 不稳定平衡： n 人体在外力的作用下，偏
12、离平 衡位置后，当外力撤除时，人体不 仅不能回到原来的平衡位置，而是 更加偏离平衡位置。如果物体偏离 平衡位置的结果是物体重心降低， 则该平衡是稳定平衡，多数上支撑 平衡属不稳定平衡，仅在下支撑平 衡动作中出现。 n 如；单臂手倒立。 随遇平衡： n 人体在外力的作用下，偏离平 衡位置后，当外力撤除时，人体既 不回到原来的平衡位置，也不继续 偏离原位置，而是在新位置上保持 平衡。在体育中很少见，但也有。 n 如：连续完成的两个前滚翻。 有限度的稳定平衡： n 人体在外力作用下，一定限度 内偏离平衡位置，当外力撤除时， 人体回到平衡状态，但如果偏离平 衡位置超过某一限度时，人体失去 平衡。 n
13、如：太极拳中的推手。 三、人体平衡的稳定性 （一）概念： 人体平衡的稳定性是人体处于 有限稳定平衡状态时，抵抗各种破 坏平衡的作用而保持平衡的能力。 （二）影响平衡稳定性的力学因素 1、支撑面 （二）影响平衡稳定性的力学因素 2、重心高度 稳定角：重力作用线同重心与支 撑面相应边界的连线之间的夹角。稳 定角越大，稳定性越好；稳定角越小 ，稳定性越差；稳定角为零，人体处 于临界状态。如蹲距式起跑预备中 运动员尽可能将重心抬高并前移，以 减小前进方向的稳定角，以便快速破 坏平衡。 n3、体重 n稳度系数：稳定力矩（重力矩）与翻倒力 矩（外力矩）之比，常用来表示体重在平 衡时的作用。 n 稳度系数K
14、=稳定力矩/翻倒力矩 n该系数表明了物体依靠重力抵抗翻到作用 的能力。 n稳度系数： n K1，平衡不破坏； K= 1， 临界状态； K1，平衡被破坏。 人体重力矩越大，稳定系数越大， 破坏平衡所需的外界翻到力矩也越大，即 人体平衡的稳定性越好。 如:摔交、拳击、柔道项目中按体重分级 的原因之一就在于此。 1m 0.5m 1m 0.5m 1m 1m G G G F F F A B A B A B 四、人体平衡的生物学因素 n（一）人体不能绝对静止。由于呼吸活动和血液 循环必然造成人体总重心时刻变化。 n（二）人体有效支撑面小于支撑面，由于人体软 组织和力量不太大的肌肉无力平衡负荷，所以翻 倒线
15、永远位于支撑面边界之内，重力作用线未超 过支撑面边界时，人体就要提前倾倒。 n（三）人体姿势的改变可调节平衡，人体在有翻 倒趋势时往往会改变体姿，各环节会绕相邻关节 发生位移。当人体失去平衡时，通过改变体姿， 则可能会恢复平衡。 n（四）心理因素的影响，由于视觉因素造成心理 紧张，造成收缩肌群无法协调工作导致人体失去 平衡。典型的受心理因素影响的项目是平衡木。 第三节 人体平衡动作 的 生物力学分析 在考虑整体平衡的基础上，研 究人体局部平衡有助于我们更深刻 的了解肌肉参与工作的方式和程度 ，以便确定更科学合理的姿势，以 几个基本平衡动作进行分析： 一、燕式平衡 燕式平衡动作常见于体操、冰上运动和武术等 项目中，它是以单脚支撑，身体处于水平状态的平 衡动作。 1 受力分析： 2 人体平衡条件： 3 局部环节的肌肉作用：主 要收缩肌群三角肌、斜方肌、 臀大肌的作用，就是平衡相应 环节的重力矩。 4 稳定性能：不稳定。 二、吊环十字支撑 1 受
