人体平衡的生物力学 •一、基本概念 （一）力与力系 1．力是物体之间的相互作用人体运动中的力主要是人体与地面、器械、流体的相互作用 2．力的三要素：大小、方向、作用点力是矢量 3．力系：是反映作用于物体上的一组力 ① 汇交力系：作用线的延长线相交于一点的力系 ② 平行力系：作用线互相平行的力系 ③ 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 （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离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• 2、 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 体育运动常见的约束种类 • ① 无摩擦的理想约束• ② 有摩擦的约束 • ③ 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 主动力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，如物体所受的重力，人或器械对物体所施的推力、拉力等 （三）力的可传性原理 • 力可沿其作用线任意移动，而不改变其对物体的效应 （四）力的平移定理 • 1．力矩、力偶矩 • ①力矩：是量度力对物体作用是产生转动效果的物理量 • ②力偶：是指一对大小相等、方向相反的平行力如司机的方向盘，拧开自来水，体操中的腹回环也近似力偶力偶中的二力之和为零 • ③力偶矩：使物体发生转动的趋势的力偶产生的力矩。
其方向判定方法同力矩 • 2．力的平移定理 力可平行于自身移动到任意一点，但需增加一力偶，其力偶矩等于原力对于新作用点的力矩 •举例：跑的受力分析 • 讨论：弹力N促进身体向前旋转；摩擦力与空气阻力使身体向后旋转增大或减小身体前倾角会有怎样的效果？ （五）研究对象的受力分析 • 1．具体步骤为：确定研究对象；画出受力图 • 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 • 3．举例：燕式平衡，单杠直臂悬垂，体操中‘旗’动作 二、 力的合成与分解 • (一)合力与分力 已知分力求合力叫力的合成，已知合力求分力叫力的分解。
• (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 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 （三）力的分解 三、力系的简化与平衡 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 • （一）共点力系的简化与平衡 • （二）共面力系的简化与平衡 • （三）空间力系的简化与平衡 人体整体平衡的生物力学条件和特点 • 一、 人体平衡的力学条件 人体平衡的力学条件是人体所受的合外力为零和合外力矩为零表达式为： ∑F=0，∑M=0 如：燕式平衡，单杠直臂悬垂。
二、 人体平衡的类型 •（一）人体重心的概念 研究人体重心的意义：评定一个体育动作的质量，分析其技术特征和纠正错误动作等，都需要从人体重心的变化规律去分析，无论是动力性的动作还是静力性的姿势，探索其运动规律时，都离不开人体重心 • 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• 3．特点：人体重心不象物体那样恒定在一个点上，不仅在一段时间内，要受肌肉和脂肪的增长或消退等因素的影响，即使在每仪瞬间，也要受呼吸，消化、血液循环等因素的影响，特别是在体育运动中，要受人体姿势变化的制约，随姿势的改变，有时甚至移出体外例如；体操中的“桥”，背跃式跳高的过杆动作等 （二）人体平衡的分类 •1．根据支点相对重心位置分类： •1） 上支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体重心的上方如，体操中的各类悬垂动作 •2）下支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体重心的下方下支撑平衡在体育动作中最为常见，如站立，自由体操和平衡木的平衡动作以及田径、武术等。
•3）混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，这时有的支撑点在人体重心上方，有的支撑点在人体重心下方如肋木侧身平衡 2．根据平衡的稳度分类 • ①稳定平衡 • ②不稳定平衡• ③随遇平衡 • ④有限度的稳定平衡 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 • 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 •3．体重 该系数表明了物体依靠重力抵抗翻到作用的能力。
K＞1，平衡不破坏；K=1，临界状态；K＜1平衡被破坏人体重量力矩越大，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，原因就在于此 四、人体平衡的特点 •（一） 人体不能绝对静止 •（二） 人体有效支撑面小于支撑面•（三）人体具有一定的自身平衡调节能力•（四）人体平衡受心理因素的影响 •（五）人体平衡动作消耗肌肉的生理功 人体平衡动作的生物力学分析 •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：重力、地面对人体的支持力N 2、人体平衡条件：∑F=N—G=0，N=G • 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：燕式平衡为单腿支撑，支撑面小，身体处于不稳定状态，在该动作中，由于头和躯干的水平位，使身体重心有向前的趋势，可能使身体重心垂线超出支撑面而失去平衡。
二、吊环十字支撑 • 1、受力分析：受重力和吊环对人体的拉力 • 2、平衡条件： • 3、局部环节的肌肉作用：肩关节内收肌群（胸大肌和背阔肌）的拉力矩与身体重力矩保持平衡肩胛下肌、大圆肌、三角肌等都起了作用 • 4、稳定性能：根据平衡分类，该动作是属于上支撑的稳定平衡，但由于身体的重力大，重力臂长，重力矩大，必须有强大肌肉力量才能完成，因此该姿势是不稳定的 三、直角支撑 • 1、受力分析：受重力和器械对人体的作用力N1、N2 • 2、整体平衡条件：N1=N2=G/2 • 3、局部环节的肌肉作用：肩关节和肘关节周围的肌肉起固定作用，完成此动作必须使腹肌将骨盆固定在水平位，从而来发挥髂腰肌，股直肌，缝匠肌，股四头肌的拉力矩和下肢重力矩的平衡。
• 4、稳定性：该动作属于下支撑平衡，由于下肢的重力矩使身体有顺时针转动的趋势，在两臂能支撑的前提下，腹肌对完成动作起主要作用 四、力量训练颈后负铃动作 • 1、受力分析：受重力，杠铃对人体的作用力P和地面对人体的作用力N • 2、平衡条件：ΣF=N—P—G=0 • 3、局部肌肉作用：臀大肌、股四头肌、小腿三头肌等的力量和人体重力以及杠铃重力相平衡，并且还要借助腰背力量、腹肌、竖脊肌固定控制能力 • 4、稳定性分析：深蹲时，身体需前倾杠铃的重力矩加大，完成动作必费力，反之，则省力 五、起跑动作 •（一）站立式 •（二）蹲距式 • 1、受力分析：重力、地面对人体四肢的支持力。
• 2、局部肌肉工作：髋、膝、踝都处于屈曲状态所有的伸肌处于拉长状态 • 3、稳定性能：在蹲距式起跑中，根据采用起跑器的不同，身体平衡的稳定性不同，普通式较稳定，拉长式最稳定，接近式最不稳定• 六、技巧造型动作•1、受力分析： A、B两人重力G1G2，A所受支撑反作用力N1和N2• 2、整体平衡条件： • 3、局部环节的肌肉作用：运动员上肢外展、侧斜上举，主要工作肌群是三角肌、前锯肌、斜方肌、肱二头肌等，各肌群作近固定静力等长手收缩 A运动员下肢屈膝腿髂腰肌、股直肌、股二头肌等各肌群作近固定静力等长手收缩支撑斜直腿身伸肌群、臀大肌、股四头肌等远固定静力收缩• 4、稳定性： A、B两运动员重力的合力必须作用在A运动员的两支撑腿 之间， B运动员不能过分后倾，否则上肢拉力加大，完成难度增大，影响造型动作的稳定 •作业 • 1、理解力的平移定理和力的可传性原理，并举例说明？ • 2、对人体跑的蹬伸动作进行受力分析？• 3、运动员站立时两脚开立为0.5米，重心离地面高度为1.0米，蹲着的重心高度为0.3米，试分别计算站立时与蹲着时人体对左右方向的稳定角？ 此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！ 。