《运动力学基础》PPT课件.ppt

第二章第二章 运动力学基础运动力学基础 1 u掌握运动中的力合力矩及其表现形式，掌握影响 人体平衡与稳定的因素。 u熟悉牛顿运动定律的在人体运动中的应用； u了解运动中力的合成与分解及其在人体运动中受 力分析中的应用。 学习目标 2 第一节第一节 运动中的力与力矩运动中的力与力矩 力是一个物体对另一 个物体的作用，是使物体 产生形变或线运动状态改 变的原因。 力矩则是力和力臂的乘 积，是使物体转动状态改 变的原因。 3 一、运动中的力一、运动中的力 若将人体整体看做 一个力学系统，则人体 内部各部分的相互作用 ，称为内力。外界作用 于人体的力称为外力。 （一）内力与外力的概念 外力：重力、支撑反作用力 等。 内力：骨骼肌张力、关节约 束力、韧带张力等，其中骨 骼肌的张力是人体内力中的 主动力。 4 运动中的内力和外力的关系 2、内力可以改变外力的大小 3、外力可用来增强内力 人体整体人体环节 骨骼肌张力 外力 内力 1、内力与外力是相对的 5 n要获得较大的反作用力作为人体运动的动力，必须加大人的蹬地 力，这又取决于人体肌肉活动引起的对地面作用力的大小。肌肉 活动是主动的，为了提高人体运动效果，最重要的是提高肌肉收 缩的力量（内力），以加大蹬地力从而得到一个大的反作用力（ 外力），使人体运动状态发生变化。 n另外，实践中采取一些措施，利用外部条件在一定程度上也可提 高地面对人体的作用力，例如，在跑些、跳鞋上安上钉子，起跑 时用起跑器等 。 6 跳高起跳过程中的外力作用 7 起跑过程中的外力作用 8 力量训练过程中人体肌肉收缩抵抗负荷的内 外力作用 9 （二）外力 器械的其他阻力 肢体推动运动器械进行训练时，除 要克服器械重力外，还需要克服器械的惯性力、摩擦 力或弹力所产生的阻力，其大小与肢体的推力大小相 等，方向相反。 10 意 义： 各种外力经常被用来作为康复训练/治疗 的负荷，选择的负荷要求与肢体运动的方向 和力量相适应，这是增强肌力训练的方法学 基础。 11 人体运动中所受到的外力 a. 重力 大小与方向： ，方向：指向地球心。 g=9.8m/s/s 12 b. 摩擦力 概念，和特性。 b1.静摩擦力和最大静摩擦力 b2.滑动摩擦力 13 c. 弹性力 概念：由物体发生形变产生的力。 弹性力的胡克定律： 人体运动中所受到的外力在 体育运动中的运用。 14 nd、支撑反作用力 n 人体处于支撑状态时，人体重力作用于支撑面上 ，支撑面又反作用于人体，这种反作用称为支撑反作 用力。如果人体处于静止状态，为静力性支撑反作用 力；如果人体局部环节有运动，则支撑反作用力会不 断变化，称为动力性支撑反作用力。 15 ne、流体作用力 n人体在空气和水中运动时，与流体发生接触，并相互 作用，流体对人体的作用即为流体作用力。 n人体在水中受到浮力作用，可以减轻肢体的重力作用 ，对于肌力不足或关节疼痛的患者，可以借助水的阻 力和浮力进行康复训练。 16 （三）内力 定义： 是指人体内部各组织器官间相互作用的力。各种内力总 要相互适应，以维持最佳活动，同时也不断和外力相抗衡以 适应人体生活的需要。 1）肌拉力 2）各组织器官间的被动阻力 3）各内脏器官的摩擦力 4）内脏器官和固定装置间的阻力 5）血液淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力，在分流时产 生的湍流等。 17 n1）肌拉力 这种力通过其在骨骼上的附着点， 可以维持人体姿势，引起人体内部各部分、各 环节间的相对运动。是人体内力中最重要的主 动力。 18 2）各组织器官间的被动阻力 当一肢体做屈曲或伸展运动时，其相反方 向的组织受到牵拉，尤其是拮抗肌的张力，此 时必须做相应松弛，以保证运动的完成。 19 n3）各内脏器官的摩擦力 例如胃肠蠕动时候肠袢 间的摩擦力（尽管很小），心脏搏动时与肺、纵 隔和胸廓间的摩擦力等。 4）内脏器官和固定装置间的阻力 如胃肠蠕动与 腹膜、肠系膜、大血管间的阻力，食管的蠕动与 纵隔间的阻力等。 5）血液淋巴液在管道内流动时产生的流体阻力 ，在分流时产生的湍流等。 20 1.合力与分力 一个力如果它产生的效 果与几个力共同作用的效果相同，则这 个力就叫那几个力的合力，而那几个力 就叫这个力的分力。 2.力的合成 求几个已知力的合力，叫 力的合成。 3.力的分解 力的分解是力的合成的逆 运算。 （四）力的合成与分解 平行四边形 法则是力的 合成与分解 的基础 21 掌握物体受力的分析方法 n确定受力分析对象，取出隔离体 n确定场力（重力、电磁场力等） n确定所有外力：动力，阻力（摩擦力、 空气阻力等），接触力等。 n画受力分析图 22 a b c d 23 当骨骼肌在某一平面产生力作 用时，可将肌力分解为两个垂 直分量：一个沿着骨轴线作用 ，另一个垂直骨轴线。前者起 稳固关节的作用，因而叫稳固 分量，后者是使骨产生转动的 分量，所以叫转动分量。 24 1、力的时间累积效应 作用于物体的合外力与其作用时间的乘积（Ft ），称为力的冲量。而将运动物体或人体具有的“运 动量”，即质量与速度的乘积（m v），称为动量。 动量定理：物体动量的增量等于其所受的冲量。 （五）力的时间和空间累积效应 25 动量定理和动量守恒定律： 1. 动量与冲量的概念 动量（矢量性） n ，单位：米.千克/秒（m. kg / s）。 冲量（矢量性） n 单位：牛顿.秒（N. s） 26 冲量的几何含义： S=F*t t F S 27 动量定理 物体在运动过程中，在某段时间内动量的改变 ，等于所受合外力在这段时间内的冲量。即： 28 动量定理在运动中的应用 1、在投掷项目中，为了增加器械的出手速度，即增加器械的 出手动量，应增加在最后用力阶段对器械的冲量。这要求 在发挥最大力量的同时，延长力的作用时间。 2、若要减少对人体的冲力，就得延长力作用的时间 ，各种落地缓冲动作就是典型的例子。 29 2、力的空间累积效应 力与力作用方向上移动距离的乘积（FS），称 力对物体作了功。力作用方向与其引起的物体运动 方向改变一致，力对物体所做的功为正功。物体的 运动方向与力的作用方向相反，这时力所做的功为 负功。功的国际单位是焦耳（J）。 30 通常讲骨骼肌做功，是指骨骼肌做的机械功。肌 将其贮存的化学能转化为机械能，克服阻力使环节及 外界物体产生位移。 等长收缩运动中，环节不产生位移，没有做机械 功，此时骨骼肌消耗的能量完成了“生理功”。 功和能之间是可以相互转换的，能的量值是通过 做功来确定的，力对物体做的功等于物体机械能（动 能和势能）的增量。 31 力矩（M）是作用于物体或人体的合力（F）与支点到力 作用线距离（d）的乘积，即M=F。 一种情况：即大小相等，方向相反，作用线互相平行但 不重合的两个力作用在同一物体上，虽然其合力为零，但物 体同样会转动，这一对力称为力偶，其产生的转动力矩称为 力偶矩。 另一种情况：物体在无支撑情况下受到力的作用，这个 力若不通过物体的重心，也会引起物体的转动，这个力称为 偏心力，由其产生的转动力矩称为偏心矩。 力矩、力偶矩和偏心矩是人体或物体转动的条件。 二、运动中的力矩二、运动中的力矩 32 一一 、人体的简化、人体的简化 根据人体运动的特征，可将人体运动模型简化为：质点 、刚体和多刚体系统等运动模型。 1、质点：具有一定质量， 忽略其大小形态的几何点。 研究地球绕太阳运动， 地球可以当作质点 研究地球的自转， 地球就不能当作质点 第二节第二节 牛顿运动定律及其应用牛顿运动定律及其应用 33 2、刚体 是由相互间距离始终保持 不变的许多质点组成的连续 体，它有一定形状、占据空 间一定位置，是由实际物体 抽象出来的力学简化模型。 在运动生物力学中，把人体 看作是一个多刚体系统。 34 人体简化以后的运动形式 人体运动的形式多种多样。 n把人体简化成质点：分为直线运动和曲线运动。 n把人体简化成刚体：分为平动、转动和复合运动。 35 v牛顿第一定律：任何物体在不受外力作用（或所受合外力为 零）时，物体将保持静止或匀速直线运动状态不变。物体的这 种性质称为惯性。 v牛顿第二定律：物体加速度（a）的大小与物体所受合外力（ F）的大小成正比，与物体的质量（m）成反比，即F=ma。 v牛顿第三定律（作用力与反作用力）：两个物体相互作用时 ，物体甲对物体乙的作用力，F1与F2大小相等、方向相反、沿 同一直线，即F1 = -F2。 二、牛顿运动定律二、牛顿运动定律 36 运动中很多动作可以借助惯性完成，巧妙地利用 惯性，不但省力且减少能量消耗，减少运动性疲劳。 因此，人体活动中保持动作的连贯性和动作间的连续 性能起到省力的作用。 例如，康复治疗中偏瘫患者自主从仰卧位到侧卧 位，可以利用健侧肢体的惯性完成体位转换例子。 三、牛顿运动定律在人体运动中的应用三、牛顿运动定律在人体运动中的应用 （一）运动中合理利用惯性可以省力 37 指在人体在克服外界阻力负荷运动时，需要遵循由 大肌群首先活动，逐步过渡到中小肌群活动。 因为大肌群能产生较大的力或力矩，有利于克服阻 力物体的惯性，可以有效预防运动开始时的中小肌群的 损伤。 例如，搬动较重物体时应用下蹲通过大腿的肌群用 力来克服重物的惯性，而不应用弯腰通过腰部肌群的用 力克服重物的惯性。由于腰部肌群的力量弱，弯腰搬重 物易导致腰部肌的急性损伤。 （二）克服重物惯性需要遵循骨骼肌活动顺序原理 38 运动中，要使人体运动速度增加或减小，需要 外界对人体的作用力增加或减小。根据作用力与反 作用力定律，外界物体对人体的作用力增加或减小 时，人体对外界的作用力也需要增加或减小。 （三）增加人体对外界的作用力可以增大外界对人 体的反作用力 39 第三节第三节 平衡与稳定平衡与稳定 一个物体如果受到几个力的作用，这几个力称为力 系。力系平衡的条件因力系的不同而有所差异，力系通 常有以下4种情况。 1.共点、共线力系 2.平面汇交力系 3.平面平行力系 4.空间一般力系 一、力系平衡条件与人体平衡类型一、力系平衡条件与人体平衡类型 （一）力系的平衡条件 40 平衡 重心与支撑点关系 平衡稳定程度 上支撑平衡 下支撑平衡 混合支撑平衡 稳定平衡 有限稳定平衡 不稳定平衡 随遇平衡 人体平衡的类型 （二）人体平衡的类型 41 （二）人体平衡的类型 一级平衡 二级平衡 三级平衡 42 稳定性是指人体和物体抵抗各种干扰作用保持平 衡的能力。 1、静态稳定性 人体静止时抵抗各种干扰的能力。 2、动态稳定性 人体重心偏移平衡位置后，干扰因 素除去时，人体仍能恢复到初始平衡范围。 二、稳定性及其影响因素二、稳定性及其影响因素 （一）稳定性 43 1.影响人体下支撑稳定性的 因素 支撑面大小:支撑面大，稳 定度大；支撑面小，稳定度 小。 重心的高低:在支撑面不变 的情况下，人体的重心位置 低，稳定度大；重心位置高 ，稳定度小。 （二）影响人体下支撑稳定性的因素与评价指标 44 n（1）定义：整个人体所受重力的合力的作用点 ，叫人体重心。 n它位于身体正中面上第三骶椎上缘前方7厘米处 ，大约在身高的55%56%。 人体重心 45 （2）人体重心位置 n正常站立姿势下人体重心位置。 46 v人体重心位置，人体重心位置随人体姿势变化而改变。 47 人体重心的变化 48 n人体重心可移动出身体之外。 49 n为了训练平衡功能差的患者的平衡能力，开始训 练时，可以先练习坐位（重心低支撑面较大）平 衡，完成后练习立位平衡时，可先分开双腿以加 大支撑面使重心比较低，练习静态和动态平衡， 达到一定效果后，再逐渐过渡到并足训练。 应 用 50 F h G r 51 2、人体下支撑稳定性的评价指标 （1）稳定角：稳定角是指重力作用线和重心至支 撑面边缘相应点的连线间的夹角。 重心高度相同，支撑面 越大，稳定角越大；支撑面 相同，重心越高，稳定角越 小。稳定角越大，物体的稳 定度越大， 52 53 54 （2）稳定系数：稳定系数是指稳定力矩与倾倒力矩 之比值。稳定系数表明物体依靠重力抵抗平衡受破坏 的能力，稳定系数大于1时，物体能抵抗外来翻倒力 矩，平衡不被破坏；稳定系数小于1时，物体抵抗不 住外来的翻倒力矩，平衡将遭到破坏，即物体会翻倒 。 55 F h G r 稳定系数的计算 56 n结论： K1，K1时，物体本身重力产生的恢复力矩 足以对抗倾倒， n当K1时，物体恢复力矩对抗不了倾倒力 矩，物体倾倒，平衡破坏。 n所以，物体越重，其稳定力矩越大，抗倾 倒的能力越强。 57 q人体不能绝对静止：人体的呼吸、循环运动使得人 体重心不是定点。另一方面人体肌张力任何时候不能 恒定。 q人体形状可变：由于人体支撑面边缘均为软组织， 有效支撑面面积要小于“理论”支撑面的面积。 q人体