运动生物力学的原理与应用.ppt

運動生物力學的原理與應用,美和技術學院 廖逢錦 博士 97.05.25,何謂運動生物力學?,運動生物力學(Biomechanics): 是運動學(Kinematics)和生物力學(Kinesiology)整合而成的一門科學。 運動生物力學:是描寫、分析與評估人體運動時，身體之內在與外在力量，以及這些力量所造成影響的一門科學(Hay,1993),運動生物力學架構圖,運動生物力學的發展方向,找尋各種運動的最佳技術:定性分析與定量分析 探究肌肉骨骼系統的最佳用力方式 : 槓桿原理、力學特性、 協調。 運動器材方面的研究 : 增進成績、預防傷害(跑鞋.標槍) 研究方法的發展 : 同步分析、資料修勻的方法 生物力學儀器的發展 : 儀器不斷更新、資料處理時間縮短,運動學(Kinematics),只描述物體運動，不考慮引起運動之原因力之研究。 運動學之參數( Kinematic parameter) 時間(Time) 位移(Displacement) 速度(Velocity) V=x /t 加速度(Acceleration) a=V /t,動力學(Kinetics),討探力與運動之間關係的研究 牛頓第二運動定律 F = ma 衝量動量等式定律 F t = m V,平衡與穩定原理 (Principles of balance and stability),重心 平衡的種類 影響平衡的因素 力矩,人體重心（一）,重心(Center of gravity , COG) 身體各部位受到地球引力的作用,把各個部位的引力加起來，這些引力合力的作用點就是COG。 重心受年齡、性別、身體結構的影響 COG是身體最大肌力所在，是產生大力量的原點。 人體站立時重心在第二薦椎前方一吋處。,人體重心（二）,平衡的種類,穩定平衡 無論物體如何移動，其重心一定上升，如單槓懸垂.雙槓槓上支撐。 不穩定平衡 物體原來姿勢，不增加位移，位置稍有傾斜，重心會下降，如起跑姿勢，手倒立。 隨遇平衡 如物體移動，仍為平衡者，物體位置變動時，重心既不升高，也不降低，如不倒翁。,影響平衡的因素,重心在支撐基底面內 支撑基底:身體和支撐表面之間所圍成的面積。 物體重心在基底面內，亦即重心線在基底面內，此物體就穩定平衡，重心線愈靠近基底邊線，愈不穩定。 基底面大小 重量 重心高度 : 重心愈靠近基底，愈穩定。 迴旋 : 向前迴旋運動，增加物體穩定性。,力矩原理之應用,推門: 擲鐵餅: 翹翹板: 單槓大迴環 下降時，身體充份伸展，使重心遠離握點，加大力臂 上升時，身體稍微彎曲，使重心接近握點，縮小力臂 向下力矩大於向上力矩，故能旋轉不停,運動 (Motion),平移運動(translatory motion) 當外力施加於物體質心時，該物體沿直線移動。 不管外力作用於物體的何處，該物體僅能做線性運動。 轉動運動 (rotary motion) 發生於當外力施加於物體偏離重心的位置時。 不管外力作用於物體何處，物體只能做轉動性移動。 速度 （velocity） 表示單位時間內移動的距離。 加速度指單位時間內速度的增加量。 減速度指單位時間內速度的減少量。,動量 （Momentum） 一個運動中的物體之直線動量，等於物體質量與其速度的乘積。 直線動量()m(質量)V(速度)。 影響直線動量的因素包括物體的質量與物體的速度 要改變一個物體的動量，就必需給予一個動量，一個正的(加速)力量可使動量增加，一個負的(減速)力量會使物體的動量減少，如果淨力量為零，則物體的動量不會改變。,衝量(Impulse) 衝量 J= F t 表示作用力 (F) 持續作用一段時間t的累積效應。 力量與力量作用時間的乘積稱為衝量。 衝量-動量定理 F t = m V 一個力量的衝量等於其所產生之動量變化。在相同動量條件下，力量與力量的作用時間成反比。 因此，只要衝量保持不變，可以用時間來換取力量。 牛頓運動定律（Newtons Laws）,牛頓的運動定律 (Laws of Motion),慣性定律 (the law of inertia) 說明動者恆動,靜者恆靜的物理概念。 加速度定律(the law of acceleration) F=ma,作用力為質量與加速度的乘積。 反作用力定律(the law of counterforce) 當甲物以一作用力撞擊乙物時,乙物也會以相等大小,方向相反之作用力,回作用在甲物上。,槓桿(Levers)的運作模式, Lever:是一種簡單的機械，其設計是為了提供一個力量時，可用來改變力量大小及方向。 目的:省力而不利於速度，費力而利於速度 第一型槓桿(First class lever) 第二型槓桿(Second class lever) 第三型槓桿(Third class lever),第一型槓桿,支點可以移動位置，以達不同目的 機械效益小，利於速度而不利於力量；反之，利於力量而不利於速度。 機械效益:力臂/阻力臂 阻力矩=阻力阻力臂 力矩=力力臂,第二型槓桿,重點位於支點與力點之間，力臂永遠大於阻力臂。 利於力量而不利於速度與運動範圍。 角力、柔道之大小外刈動作、摔動作。,臀摔的槓桿原理,第三型槓桿,力點在重點和支點之間，力臂小於阻力臂。 利於速度、運動範圍，不利於力量。 持拍、棒、棍擊球的動作；划船、撐竿動作；踢球動作。,走路的生物力學（一）,Stride length：同一腳兩次接處地面間的距離。 Stride frequency：時間內的步數。 Gait cycle：步行周期 在單一步行周期內，每一腳都會經歷兩階段。 Stance phase (站立周期) Single support phase Double support phase Swing phase (擺動周期),走路的生物力學（二）,Stance phase (站立周期) Heel strike Foot flat Mid stance Heel off Toe off Swing phase (擺動周期) Initial swing（加速） Mid swing Terminal swing（減速）,跑步和走路的差異,跑需要較大的平衡 無雙支撐期 飛程期 跑需要較大的肌力 肌肉必須快速而有力的收縮 跑需要較大的動作範圍（旋轉） 跨步與跑步動作幅度大且快 跑時軀幹較前傾,走路與跑步GRF比較圖,游泳的生物力學,浮力 (Buoyancy) 即身體浸入水中時，使身體飄浮的力量。 浮力大小需視骨骼與肌肉佔總重量的比例而定。 根據阿基米德原理(Archimedes principle)，作用於沈入液體中物體的浮力大小等於其所排出液體等體積的重量。 推進力 (Propelling force) 阻力 (Resistive forces) 皮膚阻力（表面摩擦力）。 身體在水面上下移動時產生的水波阻力（波浪阻力）。 漩渦產生的阻力（亂流阻力）。,蛙泳窄蹬腿為何較快？,有效的人體力學之基本原則,物體靠近身體重心 較寬的支撐基底 足部的位置隨著運動方向而調整 舉起物體時應避免扭轉 儘可能以推、拉、旋轉、滑等方式來代替抬起物體。 使用 Power position,Power Position,Power Position,使用“power position”的動作要點 膝微彎 上身前傾 背打直 胸和頭保持正直,謝謝聆聽