6几种运动的力学原理.ppt

几 种 运 动 中 的 力 学 原 理,尤 明 庆 2008 年 11 月 10 日,几种运动中的力学原理,前言 人体的跳跃 荡秋千中的功能转换 自行车的稳定性 活力板的前进动力 逆风行船的策略,做个好人心正身安魂魄稳,行些善事天知地鋻鬼神亲,钦,梦,摄于1993年,朱建华，1963年4月1日生 1983年6月11日第五届全国运动会田径预选赛时，朱建华曾以2.37米打破跳高世界纪录 1984年6月10日在联邦德国以2.39米打破男子跳高世界纪录。这是12个月内第3次打破世界纪录 1984年第23届奥运会以2.31米获男子跳高铜牌,未如国人所愿获得金牌后，悲剧也就自然开始了。 朱建华是以悲剧的方式结束运动生涯的，在他告别体坛时，人们更多地认为他是一个失败者。 他没有获得过今天刘翔这样多的奖金和赞助，这样的包装和颂扬。很少有人意识到，在刘翔2004年夺取雅典奥运会冠军前，朱建华在洛杉矶奥运会上赢得的跳高铜牌，是中国男子运动员获得的唯一奥运田径奖牌。,人体运动的特殊性,与无生命的物体不同，人体运动受意识控制，也遵循力学普遍规律，却具有特殊的复杂性。 （1）人体是有限个部件用关节联结成的骨骼系统。 （2）各相邻部件之间存在肌肉联系，可施加作用力以改变相对运动状态。 （3）肌肉作用力受神经中枢控制。,立定跳跃的条件,刘延柱. 双足步行与跳跃的力学分析. 力学与实践，2008，30（3）：4751,跳 跃 的 力 学 定 义,将一个简单的弹簧一质点系统置于地面但不与地面固定，向下压缩弹簧突然松手，可以观察到质点在弹簧反力作用下向上运动和离地跳起的过程,单自由度弹簧一质点系统的运动是正弦规律的周期运动,质点从初始时刻向上的加速运动逐渐转变为减速，当向下的负加速度等于重力加速度时，向上的惯性力恰好与重力平衡，法向约束力为零，约束即被解除,人体原地跳跃过程也很相似，弹簧的作用由联结膝关节的肌肉实现 肌肉收缩产生张力控制膝关节角度的变化，使下肢从静止下蹲状态突然伸展，带动躯体以加速度垂直向上运动，然后逐渐减小为负值,要提高离地速度，起先必须用大力蹬地以获得最大的起始伸展速度。但随后的制动过程必须缓慢，因为过快的制动将使解除约束过早发生，致使人体尚未积累足够的垂直速度即离地跳起而影响成。,设人体质心的垂直加速度按简单的线性规律变化,N = 0 时跳离地面,计算跳离地面时速度,设人体质心的垂直加速度按简单的线性规律变化,起跳条件：a0 g, 即 N 2 mg,计算跳离地面时速度,腾空高度 H,助跑的作用,原地跳跃只是最简单的跳跃模式跳远、跳高、三级跳都是带助跑的跳跃 与静止状态下开始蹬地的原地跳跃不同，助跑的以碰撞形式用力踏地即使踏地过程极其短暂，碰撞冲量也足以使速度产生突变 腾空后初速度为垂直离地速度与水平助跑速度的合成优秀运动员能依据训练中取得的经验控制腾空速度的大小和角度，以取得跳远或跳高的最佳效果,与跳跃运动相反，竞走运动必须避免支承足离开地面的犯规动作。解除约束是由重心垂直加速度引起的，因此运动员必须力图避免重心上下波动，形成了竞走运动员独特的扭臀动作。,跳 高 姿 势 的 变 迁,赵致真. 横杆下钻过去的跳高. 力学与实践，2008，30（3）：101103,跳 高：以失败告终的比赛,2008北京奥运会 俄罗斯斯林诺夫 男子跳高冠军2.36米,跳 高：以失败告终的比赛,男子世界跳高纪录为2.45 米，而1896年第一届奥运会跳高成绩仅为1.81米。其原因并非人类弹跳能力的增强，而是充分掌握力学原理，不断改进跳高技术。,最初的跳高都是“自由式”，运动员沿垂直方向跑近横竿，用随意的动作腾空跨越。1839年加拿大运动员沃夫兰跳过了1.69米，这是公认的最早世界纪录。,生命源于火山,最初的跳高都是“自由式”，运动员沿垂直方向跑近横竿，用随意的动作腾空跨越。1839年加拿大运动员沃夫兰跳过了1.69米，这是公认的最早世界纪录。,生命源于火山,1864 年英国选手罗伯特 柯奇创造侧面助跑、两条腿交替过竿的跨越式技术，突破1.70米大关，标志着原始跳高的终结。1895年，美国选手斯韦尼在杆上急速转体，起跳腿和摆动腿做剪绞动作，称为剪式，跳出1.97米世界纪录并保持17年。,1912年美国大学生霍拉茵首创滚式 跳高纪录突破2米大关,1936年柏林奥运会上，美国选手阿尔布里顿用“肚皮朝下、骑跨横杆”的俯卧式技术飞掠2米而获得银牌，美国选手司蒂斯又在1941年以同样姿势跳出2.11米成绩，确立了俯卧式跳高在体坛上的统治地位。,中国倪志钦1970年创造2.29米世界纪录，民主德国阿克曼在1977年首次突破2米大关，是俯卧式跳高最后的辉煌与谢幕。,美国大学生福斯贝里在1968年墨西哥奥运会上，用怪异的“背朝横杆面朝天” 的“背越式”，跳过2.24米高度摘取金牌，引起轰动。,如日中天的俯卧式和初露头角的背越式并驾齐驱，人们对两者的优劣得失争论不休。 1972慕尼黑奥运会上，16岁的联邦德国女选手梅法特以背越式跳出1.92米成绩平世界纪录获得冠军。1980年莫斯科奥运会上，民主德国选手韦西克以背越式跳过2.36米获得金牌，并打破以俯卧式创造的世界纪录。此后，国际比赛上就很难看到俯卧式的身影了。 体育场上也是物竞天择、优胜劣汰。可以说背越式技术从根本上再造了跳高。,跳高动作从跨越式、滚式、俯卧式到背越式，也越来越合乎力学原理，越来越适合发挥人的潜能,跳跃者起跳后获得的重心高度和重心抛物线决定成败。过杆姿态，即身体各个部位的协调也很重要。,运动员能跳过横杆高度和三个距离有关：起跳离地一瞬间身体重心高度，跳跃使人体重心上升高度，以及人体重心腾起最高点至横杆间的距离。,背越式的革命性意义在于运动员的身体形成“反弓”和“背桥”，头、肩、背、腰、臀、腿部“分期分批，化整为零”依次滑过横杆，完全不同于其他跳高形式中身体必须在瞬间“一揽子”过杆。,背越式跳高另外一大优势是“J型”的弧线助跑。随着最后三、四步的曲率半径越来越小，人体起跳时便在惯性作用下沿切线飞出，获得转向横杆的角动量并自然成为水平姿势。,背越式跳高在起跳腿蹬伸之前，身体重心便在摆动腿的最后支撑中开始提升。因此，起跳腿是接过摆动腿产生的垂直初速度进行积累和叠加。这种“双动力起跳”是任何其他跳高技术都无法比拟的。,可能的最佳姿势？,耐心等待,如今跳高运动已经进入相对稳定期，1993年由古巴选手索托马约尔刷新的2.45米男子世界纪录无人挑战，1987年保加利亚选手科斯塔迪诺娃创造的2.09米女子世界纪录保持至今。明天会不会有新的跳高技术问世还很难逆料。1996年亚特兰大残奥会上，中国运动员候滨以一个京剧武生的折体飞越动作，创造了1.92米的世界纪录。,荡秋千的技巧和力学原理,荡 秋 千 历史悠久 地域广阔,蝶恋花 北宋 苏轼 花褪残红青杏小，燕子飞时，绿水人家绕。枝上柳绵吹又少，天涯何处无方（芳）草。 墙里秋千墙外道，墙外行人，墙里佳人笑。笑渐不闻声渐消（悄)，多情却被无情恼。,2008年10月11日第13届北京朝鲜族运动会在中央民族大学进行。77岁朝鲜族老人李凤子参加荡秋千比赛。,安全要紧,大理白族三月街开街仪式后，依照当地习俗举行规模盛大的集市和体育竞技,1 武际可从荡秋千说开去漫话共振力学与实践，2003，25(2)：7578 2 刘延柱再谈荡秋千兼谈自激振动力学与实践，2007，29(3)：9293 3 Case WB, Swanson MA（武箐译，杜忠仁校）对于荡秋千的动力学分析数理译丛，1991，1：6168 4 陈建平，陶秋帆，袁 健荡秋千动力学过程的数值模拟力学与实践，2008，30(2)：108110 5 吴军荡秋千中的物理学物理教师，2006，27(7)：51 6 贺承绪，张 可，谈应朝，等关于荡秋千的能量分析物理与工程，2005，15(1)：2526 7 龙佩林秋千摆荡技术的生物力学与解剖学分析北京体育大学学报，2002，25(2)：194197,尤明庆关于荡秋千力学原理的一个注记 力学与实践， 2008年11月2日投稿，2008年11月17日录用,人体重心的轨迹,荡秋千的技术要领是，双手抓紧悬索，双脚站稳踏板，在高处屈膝下蹲，在低处挺身直立，即可越荡越高。 其力学原理,人体重心的轨迹,A点: 人处于蹲姿,B-C: 站立克服重力做功，能量增加，速度？,A-B: 重力势能转换为动能，能量守恒,C-D:动能转换为重力势能，能量守恒,D: 从站姿转为蹲姿，系统能量减小；但是,动量矩守恒速度增加,人体重心的轨迹,动量矩守恒速度增加,自 行 车 的 稳 定 性,刘延柱. 趣谈自行车运动. 力学与实践，2008，30（3）：100101,另据部分网上材料,三转一响,飞鸽、永久 和上海凤凰,交通工具 运动休闲,英国人劳埃德 斯科特骑着一辆老式自行车从澳大利亚的珀斯开始超长马拉松式骑行。他将从珀斯出发，穿越澳大利亚大陆，骑向东海岸的悉尼。,自行车 为什么前进 为什么不倒 双手脱把 也能不倒,当然是摩擦力，转轮与地面的摩擦力。 关键：转轴延长线与地面的交点与转轮在地面上接触点不重合,若自行车整体向左倾斜 那么：,转弯需要向心力，自行车将承受离心力 前轮转弯还需要陀螺力矩，也可以平衡自行车倾斜产生的重力力矩,自行车前轮受力分析： W 和 N,前轮左转,若自行车整体向左倾斜 那么：,人可以调节自行车前轮的方向， 人也可以调节自身重心的位置，使得,自行车前轮受力分析： W 和 N,前轮左转,活力板 Vigor Board,滑 板,刘延柱，苗应恺. 活力板运动的动力学分析. 力学与实践，2008，30（3）：6062,活力板为什么能向前运动？,活力板分前后两部分，中间用轴联结。前后板可以绕水平的联结轴相对转动，底部通过轮架安装滑轮，轮架可绕倾斜的转轴自由旋转。 运动者双脚分别站在前后板上，依靠身体的扭动或摆动就可以向前滑动和转弯。,活力板为什么能向前运动？,人身体运动，但双脚与活力板相对静止，存在相互作用力；活力板受到人双脚和地面的作用力，对活力板而言都是外力；人活力板系统所受到的外力只有地面对活力板滚轮的作用力。,讨论人体驱动活力板运动时需要分清三个对象： 人，活力板和人体活力板构成的系统。,活力板为什么能向前运动？,活力板为什么能向前运动？,潮平两岸阔风正一帆悬,疾风吹飞帆 倏忽南与北,Reaching is the term used when the boat is at 90 degrees, or side-on, to the wind. IT can be broken down into 3 further terms:,close reach is when the wind is blowing at a 3/4 angle to the bow of the boat; beam reach is when the wind is blowing at exactly right angles to the boat and broad reach is when the wind is blowing at a 3/4 angle to the stern of the boat.,Running is the term used when the boat is being sailed in the same direction as the wind, ie the wind is blowing directly to the stern of the boat,Beating is the term used when the boat is sailing as much into the wind as it can get stern of the boat,The term tacking is used to describe the line that a sailor sails his boat to make progress into wind. Tacking is a continuous zig-zagging at approximately 45 degrees into wind on each tack. As its impossible for a sailboat to sail directly into the wind, this is the most efficient way of making headway,逆风行船的操作要领： 利用船舵将船身，即龙骨调整至与风向成45度角左右 调整帆的位置，使之正好平分风向与船龙骨所构成的夹角。,风对帆的作用力主体垂直于帆面。作用方向也是朝向右后方的。 因此，帆船似乎应该顺着帆传递的作用力方向往右后方移动。 那么帆船逆风行驶的关键是：帆船的形状！,帆产生的向右后方作用力分解为沿龙骨方向的作用力PT和垂直于龙骨方向的作用力PR。 力PT推动帆船向 45度方向前进； 力PR推动帆船向135度方向