第二节 人体运动的动力学3

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1、课程名称：运动技术分析与诊断课次： 4授课对象：运动训练专业教学目的：了解人体运动的运动学分析授课内容：1人体运动中的力2牛顿运动定律及其在体育运动中的应用3动量定理和动量守恒定律在体育运动中的应用4人体转动力学在体育运动中的应用教学方法：讲授法教学重点：牛顿运动定律及其在体育运动中的应用教学难点：动量定理和动量守恒定律在体育运动中的应用时间安排：复习10分钟，导入5分钟，讲解65分钟，小结与答疑10分钟需用教具：多媒体设备人体运动中的参照系分为惯性参考性和非惯性参考系，是指以地球或 相对于地球静止不动的物体、或作匀速直线运动的物体作为参考系。 非惯性参考系是指相对于地球作变速运动的物体，或者

2、说以相对惯性 参照系做加速运动的物体作为参照系。人体运动中的坐标系主要有三 种：一维坐标系，用ox直线表示，如100m游泳就可近似的看成在 一维坐标上运动。二维坐标也叫平面坐标，由ox，oy构成的直角坐 标系，如跳远中人体运动的重心轨迹就可近似的看成是在一个平面内 的运动。三维坐标，又称立体坐标，它由ox，oy，oz组成的立体空 间坐标系，如投掷标枪，排球中的飘球就是典型的三维空间中的运动。人体运动的分类可以分为质点、刚体和多刚体，目前我国采用的 刚体类型主要有松田秀治人体模型、汉纳范人体模型。我们在质点的 研究中，主要是将质点看成是直线运动和曲线运动，直线运动分为匀 速直线运动、变速直线运动

3、和匀变速直线运动，其中自由落体和竖直上抛是匀变速直线运动中的两种特例。质点的曲线运动主要有圆周运 动和斜抛物体运动，斜抛物体中又分为平抛和斜抛。在刚体的运动类 型中主要有三种，平动、转动和复合运动，平动分为直线平动:如游 泳运动员，曲线平动:如跳伞运动员。转动以及复合运动在跳水和体 操中体现的比较多。人体运动的运动学特征，主要有时间、空间和时空，时间中包括 时刻和时间两个部分，而时空是弥补时间的不足，主要从轨迹、路程 和位移三个方面来体现，在研究中应注意路程是物体运动的轨迹，而 位移则是起点与终点的直线距离，时间和空间的叠加就是我们所讲的 时空特征，主要从速度、速率以及加速度来研究器械或人体的

4、时空特 征。第二节人体运动的动力学本节课主要从人体运动中常见的力、牛顿运动基本定律、动量定理和 动量守恒定律、人体运动的转动力学和人体运动中的功与能5个方面 来进行今天的人体运动的动力学学习。在人体运动的运动学中，我们讨论了如何描述人体或器械在空间 和时间上运动状态及其变化的规律，但这仅是一种外部几何性质的现 象描述，并没有阐明人体运动状态变化的原因。在运动技术研究中， 不仅需要掌握各种动作在时间、空间上所表现出来的差异特征，而且 更需要了解产生这些差异的内在原因，即研究人体或器械运动状态变 化与引起这些变化的力之间的关系。只有这样，才能有效地确定动作 的技术原理和改善运动技术动作的效果。这就

5、是本节课所要讲的人体 运动的动力学。主要包括力的特征、动量特征和能量特征三个方面。人体运动的动力学研究中，我们是以牛顿力学为基础的，采用力 学的研究方法对人体的运动进行研究。由于人体结构异常复杂，为了 简化起见，在进行的研究中我们仍然把人体简化为质点或刚体，当然， 在研究实际问题时，要考虑其局限性。一、人体运动中的力一力的概念人们对力的认识，首先是在日常生活中，从肌肉紧张和疲劳的感 觉中形成对力的初步认识。如举起一个重物，手臂肌肉会感到紧张， 坚持久了，会感到疲劳，就认为手臂在用力。在生活实践中，人们进 一步认识到，力不一定要与感觉联系在一起，不仅人可以对物体施力， 物体之间也能相互施力。不仅

6、人的手可以举起重物，拴在树上的绳子 同样可以悬吊重物。经过长期的生活实践人们认识到，力是物体对物 体的作用，物体间力的作用是相互的。力作用在物体上会产生一定的效应用力推静止的小车，可使它运动起来；用球拍击球可使球改变运 动的快慢和方向；当用力扣球时，不但使球改变了运动状态，而且使 球形状出发生了变化。所以，力的作用可使物体改变运动状态或产生形变，这就是力的 作用效应。前者称为外效应，后者称为内效应。影响力的作用效应的 因素有力的大小、方向和作用点，称为力的三要素，只要改变其中任 何一要素，都会使力的作用效应发生改变。因此，在分析问题时，确 定一个力的效应，必须同时确定力的三个要素。由于力具有方

7、向性，是矢量，在几何上可把力表示为一段带箭头 的线段。线段的长度代表力的大小，箭头所指的方问代表力的方向， 线段的起点代表力的作用点。力的合成与分解遵循平行四边形法则。（二）人体运动的内力在研究人体运动时，首先要确定研究对象。若将人体看作一个力 学系统，那么，人体内部各部分相互作用的力称为人体内力。（例如， 肌肉力、韧带张力、关节约束力、软骨应力、骨的应力）等都用于人 体的内力。由于内力是一个力学系统内部各个部分之间的作用力，虽 可引起系统内部各部分的相对运动，但不能引起人体整体运动状态的 改变。正如人不能抓住自己的头发提起自己一样，举重运动员力大无 比却无法自举其身。（三）人体运动的外力如果

8、把人体看成一个力学系统，那么来自人体外界作用于人体的 力称为人体外力。（例如，重力、支撑反作用力、摩擦力等）只有外 力才能引起整个人体运动状态的变化。如果人体失去与其他物体的相 互作用，人既不能走路又不能跑、即不可能改变自己在空间的位置。二者的关系内力和外力的概念是相对的。如何确定某个力是内力或是外力， 取决于人们选取的研究对象。由于研究对象的不同，同一个力，既可 看作内力又可以看作为外力。例如，重力对人体来说是外力，然而对地球一一行星来说是内力， 重力作为人体的外力来说，能改变人的位置和运动，但不能影响地球 绕其自轴旋转、绕太阳旋转。对人体整体而言，肌张力是内力；然而对作用于人体的环节而 言

9、肌张力又是外力，肱肌张力对前臂而言是外力，而对整个上臂而言 肱肌张力又是内力。人体内力与外力是相互联系的，内力是人体运动的必要条件，但 内力只有通过外力才能使人体产生整体运动。例如：蹬地时，是依靠 人的肌力使下肢各关节伸直，在伸直的过程中给地面以作用力。同时， 地面又以反作用力（外力）作用于人体。而这个外力可改变人体的运动 状态。这个事实告诉我们：内力和外力相互联系。（三）人体在运动中所受到的外力1. 重力人体重力即地球对人体的引力，是一种非接触的力，是人体各部分所受地球引力的合成。人体重力的作用点为人体的重心，其方向向 下，指向地心。重力的大小也叫重量。在物理学中，重量与质量是两个不同的概念

10、。 它们的区别在于：质量是物体内含物质的多少，是惯性大小的量度，是物质本身的属性，其大小不随物体位置的变化而变化；重量是物体所受地球吸引力的大小，是产生重力加速度的原因， 其大小随物体位置的改变而变化。同一物体在不同的纬度或高度上， 其重量不同。例如在赤道上重力加速度为9.78m/中重量最小，而在 两极重力加速度最大9.83m/s2，但是在计算中我们常取g=9. 8m/s2体育运动中利用自身体重或额外加载训练随处可见。如高抬腿跑 时，腿上绑上沙袋；肩扛杠铃下蹲、起跳，或穿上沙背心跑跳等，利 用额外加载物体的重量附加于人体而增大训练的效果。2. 弹性力发生形变的物体要恢复原来的形状而作用在与它相

11、接触的物体 上的力，叫做弹性力。所以弹性力发生在直接接触的物体之间，并以 物体发生形变为先决条件。如在人体作用下，跳水跳板、撑竿跳高中的弹性竿、体操中的单 杠、双杠及高低杠等体育器械都会发生一定的形变。产生的弹性力可 作用在人体上，加大人体运动的速度或动作幅度。3. 摩擦力两相互接触的物体作相对运动或有相对运动趋势时产生的力称为摩擦力。物体所受的摩擦力的方向总是与其运动趋势)的方向相反。摩擦力分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力。(1) 静摩擦力：相互接触的两物体有相对滑动趋势，而又保持相 对静止时，在接触面上产生阻止其出现相对滑动的力称为静摩擦力。如下图中的水平面时物体的静摩擦力和斜面时物体

12、的静摩擦力。(2) 滑动摩擦力：当两个物体相互接触并发生相对滑动时二物 的接触面上产生阻碍物体相对滑动的力，称为滑动摩擦力。F =MN 滑动摩擦力等于u乘以N,其中u是滑动摩察系数，而N 则为物体所受的正压力。(3) 滚动摩擦力当物体沿接触面滚动时，所产生阻碍滚动的力称为滚动摩擦力。F =W K/R滚动摩擦力等于w乘以k除以R,其中w为圆柱的重量， k为滚动摩擦系数，而R则为圆柱的半径。在体育运动中摩擦力是普遍存在的。人之所以能走、能跑，靠的就是 鞋底和地面之间的摩擦力，可以说，没有这种摩擦力，人就寸步难行。所以，在体育中，人们往往利用摩擦力来增大运动效果。例如，在跑鞋上加鞋钉或鞋底上制做不同

13、的花纹来增大摩擦力，在体 操项目中使用镁粉、松香粉就是为了改变摩擦系数，以增大摩擦力； 在滑雪板上涂油，在自行车轴上灌润滑油、在游泳项目中身上涂油， 则是为了减小摩擦力。4. 支撑反作用力人体处于支撑状态时，力作用于支点上，支点又反作用于人体， 这种作用力称为支撑反作用力。1) 静力性支撑反作用力：由于受到重力对支点产生的压力，支点 则对人体产生一个反作用力，它是一种约束反力，称静力性支撑反作 用力。例如：人体站在地面静止不动，重力使人体压向地面，而地面的 反作用力作用于人体，这就是静力性支撑反作用力，两个力大小相等， 因而维持着人体的平衡。2) 动力性支撑反作用力：人体处于支撑状态，而人体局

14、部环节 做加速运动，其结果给支点以作用力，支点则给人体一个反作用力， 称动力性支撑反作用力。其中局部环节加速度主要有三种：A加速垂直离开支点：人体站立时，文撑反作用力等于体重， 当两臂向上上加速离开支点时，则支撑反作用力便大于体重RP), 增大的值与运动环节质量及其加速度成正比。经常发生在人体垂直向 上摆臂、蹬离地面时。也加速垂度朝向支点 人体站立时，突然下蹲:向下加速)，则支 撑反作用力便小于体重(RP)，减小的值与运动的环节的质量及其加 速度成正比，在人体各种下蹲动作中可以见到。c-加速斜向离开支点：加速度斜向离开支点，支撑反作用力也 会增大，并与水平面成一定角度。如蹬地跑时，这时支撑反作

15、用力(R) 按力的分解可分为两个外力，其中水平分力推动人体前进，而垂直分力对抗重力。体育实践中利用摆臂、摆腿提高支撑反作用力的例子屡见不鲜。 研究表明.手臂摆动在不同姿势纵跳的最大力值中以放在体前、体侧 上摆效果较好，而躯干在不同姿势纵跳的最大值中以躯于稍弯或半弯 为好。（五）流体作用力（介质作用力）运动员从事的体育运动或运动器械绝大多数在空气中或水中进 行，其中空气、水就是介质。既然人或器械在介质内进行运动，必然 要与介质发生接触，并相互作用，这种作用主要表现在动态作用方面。 如铁饼、标枪出手时微逆风时器械获得上举力；跳台上划雪运动员腾 空时人体受到的上举力，游泳时手臂划水对介质发生作用，介

16、质同时 对手臂以反作用推动人体前进。这些都是流体作用力。从空气动力学的理论和实验中知道迎面空气阻加大小与物体截 面积s、流体密度P、迎面阻力系数C，以及物体对流体的相对速度 有关。当跑速为5. 1m/s时（马拉松运动员的跑速），空气阻力约为8. 82N；当跑速为1010.12m/s时（高级短跑运动员的跑速），空气 阻力约为24.7-41.5N。因而从事研究高速运动时，介质作为一种阻力 是不可忽视的。如高山滑雪运动员在以30 m/s速度下沿时，下垂双 臂阻力就增大50 N。由此对知，在这种运动时选择最合适的动作对减小介质阻力是有着极重要的意义。(6)向心力：在运动学中已讲过，物体作匀近圆周运动时的向心 加速度。它的大小等于V2/R,方向指向圆心，这个加速度称向心加 速度。有