运动生物力学(硕士生用)吉林体院杨路瑶硕士.ppt

运动生物力学 （硕士研究生用） 第一部分 运动生物力学基础 定义-运动生物力学的研究对象，研究 内容-运动生物力学的发展- 第一节人体运动系统生物材料的力学 特点 人体生物材料的力学特性（包括骨、 关节软骨、韧带、肌腱、关节和骨骼 肌的生物材料特性） 构成人体的材料是骨骼、肌肉、 肌腱、韧带及关节软骨等生物材料， 这些生物材料的力学性质，决定了人 体运动器官和运动系统的力学性质和 功能。 材料力学涉及到载荷，应力，应 变，应力应变曲线，强度，刚度等概 念。 载荷 人体在日常生活和体育运动中时刻受 到外力的作用，包括载荷和约束力， 载荷就是人体所受外力的一种。 载荷可分为：拉伸、压缩、弯曲、剪切、 扭转和复合载荷。 载荷的几种形式 应变 应变是量度物体形变程度的量，分为 线应变和剪应变。 应力 物体在受到外力作用而变形 时，其内部各质 点间的相互作用力发生变化。这种由于外 力作用而引起的固体内各质点之间相互作 用力的改变量，简称为内力。单位面积上 的内力称为平均应力，当面积趋近于0时平 均应力的极限称为应力。 应力分为垂直于截面的法向分力和沿着截面 方向的切向分力。 应力应变曲线 应力-应变曲线是描述材料力学性质的曲线。 它反映了材料在加载过程中受力和变形之间的关 系。 为了确定一种材料的力学性能，通常将该材料制作 成一定的形状称为“试件”，将此“试件”在专门 的仪器上施加载荷，直至破坏。在加载过程中连 续记录载荷和应变，绘制成曲线，纵坐标代表应 力（载荷），横坐标代表应变（变形），这就是 应力-应变曲线。 强度 结构破坏前所能承受的变形；结构破 坏前所能承受的载荷；结构在破坏前所能 贮存的能量； 在应力应变曲线上用极限断裂点来表示由 载荷和变形所表达的强度；整个曲线下方 的面积表示由贮存能量所表达的强度； 刚度 弹性范围内曲线的斜率表示结构的刚 度。 粘弹性材料的特点 若应变保持一定，则应力随着时间 的增加而下降，称为应力松弛 若应力保持一定，应变随着时间的 增加而增大，称为蠕变 对物体作周期性加载和卸载，加载 和卸载时的应力-应变曲线不重合 ，称为滞后 骨承受不同载荷的能力 肌肉活动对骨应力的影响 关节软骨的力学特性 润滑性能 肌腱韧带结构的生物力学特性 肌腱和韧带都由致密结缔组织构成，主要 含胶原纤维和弹性纤维。 胶原纤维和弹性纤维具有不同的力学性 质，胶原纤维承受载荷时变形小，抗拉力 强；弹性纤维承受载荷时弹性好，伸展性 好（变形较大）。 肌腱和韧带的力学性能取决于其组成中 两类纤维的比例。 胶原纤维与弹性纤维的应力应变曲 线 运动对韧带力学性质的影响 生物材料的力学特性 骨骼-各向异性-根据力学需要重建的结果 肌肉-希尔方程（收缩力和收缩速度的关系 ） 肌腱-变形小，抗拉力强（主要由胶元纤维 组成）起连接，传递力的作用。 韧带-大多数与肌腱相同，变形小，抗拉力 强，起加固关节作用，少数伸展性好，弹 性好（主要由弹性纤维组成） 运动对生物材料力学性能影响 运动对骨骼、肌肉、肌腱、韧带均其到加 强力学性能的作用，因为它们“按照力学需 要而重建”。 长期不运动或少运动，力学性能减弱，在 损伤后的恢复期间要注意训练的强度。 第二节人体运动的动作结构和动作 系统 动作结构概念：每个完整的特定动作 ，都有固有的特点，各个动作成分之 间都有着固定的联系，这是一个动作 区别于另一个动作的特征，动作的这 种固有特点和固定内在联系叫做动作 结构。动作结构包括运动学特征和动 力学特征。 运动学特征 运动学特征即动作形式和动作外貌，包括 空间特征、时间特征和时空特征。 空间特征是指位置坐标，运动轨迹，关节 角度等。 运动轨迹：动点随着时间在空间连续占 有的几何位置。 时间特征是指运动开始时刻，结束时刻， 运动持续的时间，动作的频率和节律。 时空特征指人体的位置和运动状态如 何随着时间而变化。 速度，加速度，角速度，角加速度等 参数定量的反映了时空特征。 动力学特征 动力学特征包括：惯性特征、力的特征和能量特 征。 惯性特征指质量和转动惯量 质量是惯性的量度，转动惯量是转动惯性的量度 力的特征指力和力矩，冲量和冲量矩 力是改变物体运动状态的原因，力矩是改变物体 转动状态的原因，冲量决定动量增量而冲量矩决 定动量矩的增量。 能量特征指功、能和功率。 动作系统 动作系统概念：大量单一动作按照一定的 规律组成为成套的技术动作，这些成套的 技术动作叫做动作系统。 动作 动作系统 运动行为 人体所完成的不是单纯的动作，而是有目 的的运动行为；为了达到最佳的运动效果 必须选择最合理的动作。 动作系统的合理性和运动行为的目的性是 一致的。(9.4) 动作 动作系统 运动行为 运动生物力学研究的框架 动作 动作结构 动作系统 动作系统的合理性 运动行为 运动行为的目的性 目前运动生物力学研究 最多的是动作结构和动 作系统 第三节人体运动的运动学 人体运动的运动学特征 人体质心-质心测定-质心特点-人体质心与 平衡 人体运动学参数-位移，速度，加速度，角 速度，角加速度-运动学参数特点 曲线运动 抛体运动及其特点 第四节 人体运动的动力学 牛顿定律及其应用 牛顿第一定律及其应用 合理利用惯性，提高运动效率 以适宜的均匀速度长跑 动作连贯不停顿完成举重动作 匀速运动可以节省能量 自行车 车 辆 牛顿第一定律及其应用之二 惯性 物体的固有属性 表现特点 保持原来的运动状态 抵抗改变运动状态 静止-运动 运动-静止 加速 减速 改变运动方向 表现出力的作用 牛顿第二定律及其应用 计算 F=ma 判断 牛顿第三定律及其应用 作用力与反作用力的关系 牛顿第三定律的应用 动量定理及其应用 动量定理 冲量=动量的增量 动量定理在体育运动中的应用 加大动量增量 缓冲(12-3) 功、能及其转换 机械能 能量守恒定律 第五节人体运动的转动力学 转动力学原理（刚体力学） 转动定律 M=I 应用举例 动量矩定理 M(t2-t1)=I 2-I 1 应用举 例 动量矩守恒定律M=0 M t=0 时， I =0，I1 1=I2 2=C 应用举例 人体各部分的动量矩守衡 第二部分 运动生物力学测试手段 动作结构 运动学特征动力学特征 空间特征 时间特征 时空特征 力的特征 惯性特征 能量特征 第一节 运动学参数测试 影像测量的原理与方法 照相-测定人体重