运动生物力学多媒体教学5第五章.ppt

第五章 人体运动的转动力学,人体各环节的运动都是绕关节轴的转动。人体走、跑、跳等动作是通过环节的转动来实现的。 在研究人体的转动问题时，人体各个组成部分可自由移动，形状也可改变。为了研究人体运动的规律性，必须在一定条件下将人体当作刚体处理。,5.1体育运动中人体转动动作的类型,1、转动轴与转动的类型 刚体转动时，刚体上的各点都做圆周运动，形成大小不等的同心圆，各圆的中心都位于同一直线上，这条直线叫做转动轴。,如果转动轴的位置和方向相对于某一参照系是固定的，称固定轴；绕固定轴的转动叫定轴转动。 如果转动轴的位置和方向相对某一参照系是变化的，称动轴；绕动轴的转动叫动轴转动，又叫瞬轴转动。,2、人体转动的转动轴, 实体轴 当人体绕固定在地面上的运动器械转动时，器械就是人体转动的实体轴。 非实体轴 非实体轴是人体局部肢体或整体转动时所绕的位于人体内部的某特定的直线。如通过关节中心点的关节轴以及人体的基本轴。,当人体作为一个整体发生转动时，是通过人体总重心的三个相互垂直的轴，来判断人体的转动情况的。以人的总重心为原点建立的三维直角坐标系的三条轴线，即为人体的基本轴。人体在完成空翻转体等动作时，人体的基本轴的空间方位相对于人体是不改变的。,3、人体转动动作的基本形式, 有支点有实体轴的转动 人体整体绕固定在地面上的运动器械的转动，即为有支点有实体轴的转动。如体操动作中不脱离器械握点的摆动、回环；类的动作。人体的重心轨迹近似为一圆或一圆弧。 有支点无实体轴的转动 人体局部肢体或整体绕通过人体内部的非实休轴的转动，即为有支点无实体轴的转动。如花样滑冰运动员冰上旋转、投掷铁饼、链球的旋转动作以及篮球运动员的转体动作等。支点又可分固定和不固定的两种。 无支点无实体轴的空间单轴转动 无支点无实体轴的空中多轴向复合运动,无支点无实体轴的空间单轴转动,无支点无实体轴的空中多轴向复合运动,5.2转动运动学,R,转动刚体上各点的转动角速度和线速度,例题讲解:P123,5.3 转动动力学,1. 形成人体转动的力学条件 人体转动，一种是人体局部肢体在肌肉力的作用下，牵引骨骼绕关节轴的转动，一种是人体整体绕人体基本运动轴的转动。,绕关节轴的转动,人体整体绕人体基本运动轴的转动,从力学观点出发，转动的产生必须保证合外力矩不为零。 合外力矩的概念（在静力学中结束过的内容） 合力矩的方向*,在人体转动时几种情况： 绕实体轴的转动合外力矩不等于零，肌肉力矩和重力矩之和不等于零。 肢体绕关节轴转动力矩不等于零，阻力（包括重力矩）与肌肉力矩。 人体整体转动： 对一个轴、两个轴和三个轴的合外力矩分别不等于零。,2、人体转动惯量 转动惯量的概念（与平动物体质量的概念对应） 描述物体转动时保持原来转动状态能力的物理量。 I为转动惯量，m每个质点的质量，r为转动半径，单位：Kgm2 对一个物体来讲： 注意：转动惯量大小必须指明是对哪个轴的。,研究人体转动问题时，必须通过测量来确定。 通常将人体简化为规则体（模型），利用数学计算。,正是人体转动惯量的这种可变性，使人体可以根据不同的动作目的，调整身体的姿势，以改变转动惯量来达到自我控制的目的。在体育运动中，利用人体转动惯量的可变性，可以通过变换转动轴或通过改变身体姿势来改变转动惯量，以完成各种高难度动作。, 平行轴定理 刚体对O轴（任意轴）的转动惯量等于刚体对通过其质心轴，并且与O（任意轴）平行的I轴的转动惯量，加上刚体的质量与两平行轴之间的距离平方的乘积。,大腿绕髋关节额状轴的转动惯量, 回转半径 假如绕某转动轴的物体的全部质量集中在离轴某一距离的点上，即用这个点代表整个物体的质量，这时它的转动惯量如果恰好与原物体相对此轴的转动惯量相等，则称这个距离为回转半径。即：,人体转动惯量的特点 质量分布不均匀 人体的转动惯量每时每刻都在变化，因为人体质量分布因血液循环、呼吸的影响随时都在变化，尤其是运动时，人体转动惯量会随不同位置的转轴和身体姿势的改变而发生相应的改变。 必须进行实际测量 随人体姿势的变化而改变,影响人体转动惯量的因素： 人体的质量 身体形态（身高和胸围等等） 身体姿势（动作变化） 转动轴的位置,转动惯量的变化对转动角速度的影响,作业：P151：1,3,4,5,9,5.4支撑状态下的人体转动动作,1. 转动定律（与牛顿第二定律对应）,所有转动力学量与平动力学量对应,2. 动量矩定理,Mt为冲量矩，它的意义是表示外力矩对物体转动的累积效应。 I为动量矩，它是表示刚体的转动状态。 不同时刻刚体动量矩的变化是外力引起冲量矩的作用结果。外力矩越大，作用时间越长，刚体转动状态的变化也越大。,动量矩定理的应用,1. 对人体局部肢体(环节)的运动 人体的各种运动状态都以骨杠杆的转动为基础，而骨杠杆的转动状态的变化，则是肌肉拉力矩的作用结果。在体育动作中为增大环节的转动效果，通常可采用如下途径：,（1）增大肌力矩：,增大肌肉对环节的拉力矩，可以增大环节绕相应关节的转动角速度或角加速度。而肌力矩的增大一方面可增大肌肉收缩力；另一方面增大肌力臂。肌力随肌肉是收缩而变化，肌力臂随肌拉力角而变化。故臀部肌肉强壮的黑人善于跳跃就是这个原因。,黑人运动员肌肉特点,（2）减小转动惯量,当肌力矩一定时，减小环节或环节系对某轴的转动惯量，可以达到增大转动角速度或角加速度的目的。故此，在环节绕关节轴的转动时，通常采用参与转动的环节或环节系的质量尽可能靠近转轴的方法。以减小它们对转轴的转动惯量，从而提高转动角速度或角加速度。,例如； 短跑运动员在摆腿时，通常需折叠大，小腿，以减小下肢对髋轴的转动惯量，从而快速前摆。而上肢也是在肩关节内摆动，采用屈前臂，以减小上肢对肩关节的转动惯量而快速摆动。,跑步动作中大小腿的折叠,2人体整体的运动,（1） 利用运动中身体某点的制动： 例如，跳跃的制动踏跳，结果是人体绕制动点转过一个角位移，使人体获得尽可能大的起跳速度的同时，获得尽可能最佳的角度，从而跳得更高更远。,跨栏起跨时的支撑脚制动作用,投掷标枪的左侧制动,（2） 增大偏心力矩的作用 人体受偏心力作用时，将对质心产生偏心力矩，此力矩将使人体产生对质心的角加速度。例如在完成前空翻动作时，地面对人体的支撑反作用力F通过人体重心后方，力的作用线至身体重心的力臂为R，偏心力矩M=FR。根据动量矩定理，在蹬地阶段人体将获得一定的动量矩，并以此动量矩进入腾空，从而有利于完成前空翻动作。,F,d,跳水起跳产生的偏心力矩,（3） 利用动量矩的转移 运动过程中方向不断变化，但对动量矩的影响不大。人体整体在绕某轴或基本轴的转动时，往往还伴随着部分环节绕基本轴的转动，故此，人体可通过调节各环节的运动形式，以实现动量矩在身体内的传递和转移。动量矩在身体内的传递和转移主要是利用某些身体环节的突然制动，从而使这些环节原以获得的动量矩向相邻环节传递和转移。,如图：投掷的上肢用力,1,2,5.5人体无支撑状态下的转动动作,动量矩守恒定律 无支持状态为人体腾空状态。除重力以外，将人体看成一个整体系统，那么它受到的合外力矩为0，其总动量矩将保持不变即为动量矩守恒定律。,动量矩守恒定律的应用 肢体的相向运动 腾空状态下（不计空气阻力），人体一部分肢体以一定的动量矩绕转轴的某一方向转动时，另一部分肢体就会以大小相等的动量矩绕同一转轴相反方向转动，这种现象称为“相向运动”。这时的动量矩矢量和等于0。,肢体的相向运动的实例,空中角速度的变化 由于角动量为常量,所有转动的角速度与转动惯量成反比. 腾空后的团身减小转动惯量,加快转动的角速度.,茹可夫转椅实验,不同的团身(转动惯量)对翻转速度的影响,5.6转动作用在体育中的应用,1. 定向作用 当动量矩等于一个恒量时，即动量守恒。如果转动惯量保持不变,则角速度保持不变。因此，转动物体在不受外力矩作用时，具有保持其转轴方向不变的特性，称为转动体的定向作用。,铁饼和标