人体生物力学参数

第二章人体生物力学参数 教学目标 1 掌握人体惯性参数 运动学参数 动力学参数的基本特征以及各类参数的采集方法 2 理解运动生物力学参数特征 第一节人体惯性参数 包括人体整体以及环节的质量 质心 重心 位置 转动惯量及转动半径 一 人体惯性参数特征 一 人体惯性参数特征量 1 质量 用以描述物体保持原有运动状态的物理量 人体各环节的质量叫做各环节的绝对质量 各环节绝对质量与人体质量之比叫做各环节的相对质量 2 重量 环节绝对重量 相对重量 G mg 3 人体质心 重心 在生物力学上多用质心 质心 是物体的质量中心 重心 是物体各部分所受重力合力作用点 人体重心可分别用绝对值和相对值来表示 后者是前者与身高的比值 绝对重心与身高有关 相对重心与人体的体型有关 可以作为运动选材的指标 4 环节质心 重心 位置 描述人体环节质心 重心 位置 一般采用环节质心 重心 半径系数的概念 即近侧关节中心至环节质心 重心 的距离与环节长度的比值 5 转动惯量 是衡量物体 人体 转动惯性大小的物理量 用以描述物体保持原有转动状态的能力 J miri2思考 用体育实例说明影响因素 6 回转半径 转动半径 假设绕某转动轴的物体全部集中在离轴某距离的一点上 即用这一点来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 R 思考 1 我们刚才讲的是求质点的转动惯量 它是很简单的 如果让我们求人体或者一个物体的转动惯量 如何求 J miri2 2 如果物体的转动轴发生了平移 距离为d 在已知原转动轴 绕过质心 的转动惯量 如何求平移后转动轴的转动惯量 J1 J0md2 这就是转动的平行轴定理 通过物体质心的转动惯量最小 二 人体惯性参数的标准化 在人体惯性参数测量时 人体环节的划分和人体环节关节的判定是参数测量中的基础性技术环节 所以确定环节的划分方法十分重要 1 人体环节的划分 目前有两种划分依据 一种是以功能为依据 即以关节转动中心分界 并以两关节中心间的连线确定环节长度 德国 美国 一种是以尸体解剖为依据 即以骨性标志把人体分为若干环节 日本 前苏联 中国 各有优缺点 3 人体惯性参数模型 刚体模型 根据我们刚才所述依据和原则 建立的人体惯性参数模型 汉纳范模型 将人体分为15个环节 头 上躯干 下躯干 臂 前臂 手 2 大腿 小腿 足 2 苏联模型 将人体分为16个环节 头 上躯干 中躯干 下躯干 臂 前臂 手 2 大腿 小腿 足 2 中国人模型 将人体分为16个环节 头 颈 上躯干 下躯干 臂 前臂 手 2 大腿 小腿 足 2 目前国际上常用的模型 将人体分为14个环节 头颈 躯干 臂 前臂 手 2 大腿 小腿 足 2 三 人体惯性参数的特性 1 人体重心的位置 影响人体总重心的因素有六个 性别 总体上女性比男性的相对高度低0 5 2 年龄 一般来说儿童比成年人约高10 15 随着年龄的增长会下降 运动专项 体型 姿势 重心不一定要在人体上 前倾或者后屈 生理与心理 主要是内脏位置和血液的影响 二 人体惯性参数的测量 1 尸体解剖法 2 活体测量法 主要包括水侵法和注入法 3 放射性同位素测定法 4 CT法 5 MRI法 第二节运动学参数 一 运动学参数特征 人体的运动是在一定的时间和空间维度上进行的 人体运动的运动学是对人体运动的定量描述 研究人体在空间的几何位置随时间而变化的规律性 一 运动学参数 包括时间参数 空间参数 时空参数1 时间参数 1 时刻 瞬时性 2 时间 是运动结束时刻与开始时刻之间的间隔 3 频率 是动作重复性的度量 即单位时间内重复进行的动作次数 主要针对周期性动作 2 空间参数 1 路程 质点运动轨迹的全长 标量 2 位移 运动的直线量度 矢量 3 角位移 矢量 3 时空参数 1 速度 矢量 位移与时间的比值 2 速率 标量 路程与时间的比值 3 角速度 矢量 4 加速度 矢量 单位时间内速度的变化量 5 角加速度 矢量 二 运动学参数相对特征 在研究问题时 涉及位移 速度 加速度等都是相对于选定的参考系而言 只有确定了参考系 这些量才有确定的意义 这一性质特征可概括为相对性 主要指参考系和坐标系 1 参考系 1 惯性参考系 是指以地球或者相对于地球静止不动的物体或做匀速直线运动的物体作为参考系 通常又称为静参考系 2 非惯性参考系 是指以相对于地球做变速运动的物体 或者说以相对于惯性参考系做变速运动的物体作为参考系 通常称为动参考系 2 坐标系 具有参考原点 参考方向 参考单位的参考系 常用的有三种 1 一维坐标系 如滑冰运动 2 二维坐标系 如跳远运动在平面问题中 还可引用极坐标轴 3 三维坐标系 三 运动学参数的瞬时性特征 瞬时性是指人体在某一时刻或通过运动轨迹某一点时的运动学特征 瞬时运动学可以了解运动关键点的特征与指标 比平均指标有更详细的认识 具有平均指标不可替代的作用 1 瞬时速度与平均速度 瞬时速度是人体在某一时刻或通过运动轨迹某一点时的速度 2 瞬时加速度与平均加速度 瞬时加速度是指人体运动在某一时刻或某一位置的加速度 V 平均加速度 速度 加速度一般在直线运动中用到 曲线运动不用这些参数 二 运动学参数的采集 这部分了解 第三节动力学参数 一 动力学参数 一 力 力的三要素 大小 方向 作用点 矢量 力的合成与分解遵循平行四边形法则 1 人体内力与外力 关键是看研究的对象的选定 2 人体受力特点 人体受力按受力面可分为集中力和分布力 点和面得区别 人体受力基本都是分布力 一般简单为集中力 根据力的作用线与人体质心的位置关系 人体受力又可分为正心力 如重力 和偏心力 如摩擦力 3 体育运动中常见的人体外力 人体重力 是非接触力 分人体重心 环节重心 弹力 产生于直接接触的物体之间 以物体相互接触并发生形变为先决条件 是接触力 摩擦力 分静摩擦力 滑动摩擦力和滚动摩擦力 举例体育支撑反作用力 分为静力性 重力产生 和动力性支撑反作用力 由于人体局部做变速运动产生 二 力矩 力矩是使物体 人体 转动状态发生改变的原因 用M表示 M r F力矩是矢量 方向用右手螺旋定则确定 在平面力系中 往往把形成逆时针方向转动效果的力矩定义为 正 力矩 把形成顺时针方向转动效果的力矩定义为 负 力矩 三 动量 动量是用以描述物体在一定运动状态下具有的 运动量 p mv动量是矢量 方向为速度的方向 四 动量矩 动量是一个十分重要的物理量 在研究碰撞 打击这一类问题时非常重要 在研究物体 人体 转动时 我们引用动量矩 又称角动量 L J 动量矩是矢量 方向与角速度一致 五 冲量 力在时间上的积累用冲量表示 I F t1 t0 前提 力为恒力 冲量是矢量 方向与力的方向一致 但是实际中 人运动中受的力为变力 所以一般用积分表示 I 思考 1 动量与恒外力和作用时间有什么关系 图 2 动量与变外力和作用时间有什么关系 图 3 动量与冲量有什么关系 从而引出一个重要的定律 动量定律 F t t0 mvt mv0即 物体动量的变化等于合外力的冲量 思考 1 更高 更快 更强 的本质是追求什么物理量 举例 跳高 H 2 增加冲量的方法有哪些 图 3 在投掷项目中 为了增加出手速度 即增加出手动量 应增加用力过程中对器械的冲量 举例 4 若为了减少对人体的冲力 就需要