人体平衡的生物力学分析.ppt

1 第五章运动生物力学应用 第一节人体平衡的生物力学分析 2 一 人体平衡中重心的概念 人体重心是人体各环节受重力的集中点 COG 而人体质心则是质量的中心 COM 人体重心变化的主要因素是身体姿势的改变 3 原理 力矩合成原理公式中 X Y分别为总重心的横 纵坐标Pi为环节相对重量xi yi为环节质心的横 纵坐标 在相片上测量人体重心的原理和方法 4 环节相对重量和半径系数 l L r l L Pi Pi P 近侧端 远侧端 5 以人体左下角边缘处O点为原点绘出直角坐标系 OXY 确定各环节点位置 确定头和手的重心位置 头的重心在耳廓上缘中点正面观时在两眉间 手的重心在中指的掌指关节处 连接关节点构成人体棍图 开始测量各环节的相片长度 以毫米为单位 填入环节长度一栏内 把各环节重心至近侧端距离占环节长度的百分比填入 一栏内 见表4 1中具体的布拉温 菲舍尔环节相对重心位置数据 方法 6 环节长度乘以环节相对重心位置百分比 填入环节质近侧端实长一栏内 按环节质心到近侧端实际长度一栏的数据 在照片上的环节上点出环节质心位置 头手的位置不必计算 可以直接点出 从照片上测量各环节质心的坐标 把人体模型中已知的环节相对重量数据添入表内 P 计算出各环节对轴之矩Px Py 求出Px Py的和 即为人体总重心位置 在照片上点出总重心 7 X O Y 8 二 人体平衡的分类 上支撑平衡 悬垂平衡 下支撑平衡 倒立平衡 混合支撑平衡 肋木侧平衡 1 根据人体重心与支撑点的位置关系 2 根据平衡的稳定性 稳度 保持平衡的能力 稳定平衡 吊袋 悬垂 有限度的稳定平衡 人下支撑平衡 不稳定平衡 单臂倒立 随遇平衡 球的平衡 平衡 物体的运动状态不变 它包括静止和匀速直线运动 包括静态平衡和动态平衡 二 人体平衡的分类 1 根据支点相对于人体重心的位置不同 将人体平衡分为以下3种 1 上支撑平衡 当人体处于平衡 且支点在人体重心的上方 这种平衡状态称为上支撑平衡 如体操中的各种悬垂动作 2 下支撑平衡 当人体处于平衡 且支点在人体重心的下方 这种平衡状态称为下支撑平衡 例如 站立 平衡木上的平衡动作及田径 游泳 举重等各类平衡动作 3 混合支撑平衡 是一种多支撑点的平衡状态 这时有的支撑点在人体重心上方 有的支撑点在人体重心的下方 例如 肋木侧身平衡 根据平衡的稳定程度把人体平衡分为4种 1 稳定平衡 其特点是当偏离平衡位置时 重心升高 产生的重力矩使物体向平衡位置运动 回到平衡位置后 合力为零 合力矩为零 2 不稳定平衡 其特点是偏离平衡位置时 重心降低 产生的重力矩使物体继续倾倒 仅在下支撑平衡动作出现 3 有限度的稳定平衡 其特点是在一定限度内的偏离平衡位置时 人体重心升高 产生的重力矩使人体向平衡位置移动 最终恢复平衡 但超出某一定限度的偏离平衡位置时 人体重心降低 产生的重力矩使人体更加偏离平衡位置 4 随遇平衡 其特点是偏离原来位置时 重心高度不变 不产生使物体位置移动的重力矩 13 三 平衡中的基本力学概念 1 力作用的效果 运动状态发生变化或形状发生改变 力使物体运动状态发生变化的效应称为力的外效应或运动效应 力使物体形状发生改变的效应称为力的内效应或变形效应 14 2 刚体 在任何情况下形状和大小始终不变的物体 刚体内任意两点的距离始终保持不变 刚体是一个理想化的力学模型 3 力系 作用于物体上的若干个力 一组力 若两力系对同一物体作用效果相同 等效力系 一个复杂力系用一个简单力系等效替换的过程 力系的简化 若一个力系可用一个力等效替换 则该力叫合力 力系中的各力叫分力 若作用于物体上的力系使物体保持平衡 则该力系称为平衡力系 此时力系所满足的条件称平衡条件 15 1 自由体 可以在空间作任意运动的物体 2 非自由体 由于受到周围物体的限制 或阻碍 而不能作任意运动的物体 3 约束 事先对物体的运动所加的限制条件 4 约束反力 约束作用于非自由体的力 简称 约束力或反力 除约束力外 非自由体上所受到的所有促使物体运动或有运动趋的力 称为主动力 约束力是由主动力引起的 故它是一种被动力 4 平衡中的约束与约束反力 16 平衡的力学条件 对刚体上任意一点 17 公理一二力平衡公理 作用于刚体上的两个力 使刚体平衡的必要与充分条件是 这两个力大小相等 方向相反 沿同一条直线 此公理提供了一种最简单的平衡力系 对于刚体此条件是充要条件 但对变形体只是必要条件而不是充分条件 5 平衡中的力学公理 18 公理二加减平衡力系公理 在作用于刚体上的已知力系上 加上或去掉任意个平衡力系 不改变原力系对刚体的作用效果 该公理是力系简化的理论依据 19 推论一力的可传性原理 作用在刚体上的力可沿其作用线任意移动 而不改变该力对刚体的作用 作用于刚体上的力的三要素为 大小 方向 作用线 作用于刚体上的力是 滑动矢量 20 公理三力的平行四边形法则 作用于物体某一点的两个力的合力 亦作用于同一点上 其大小和方向可由这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线来确定 即 它是力系简化的基础 21 推论二三力平衡汇交定理 当刚体受三个力作用而平衡时 若其中任何两力的作用线相交于一点 则其余一力的作用线亦必交于同一点 且三力的作用线在同一平面内 说明不平行三力平衡的必要条件 即 三力平衡必汇交 三力汇交不一定平衡 22 公理四作用与反作用公理 两物体间相互作用的作用力和反作用力总是同时存在 大小相等 方向相反 沿同一直线 分别作用在这两个物体上 它是受力分析必需遵循的原则 23 公理五刚化原理 当变形体在已知力系作用下处于平衡时 如果把该物体变成刚体 则平衡状态保持不变 它建立了刚体力学与变形体力学的联系 力可平行于自身移动到任意一点 但需增加一个力偶 其力偶矩等于原力对新作用点的力矩 如所示 物体在点A受一个力F 若在任一点B加上一对平衡力和 并使3个力的大小相等 作用线互相平行 则和正好构成一对力偶 它对物体只起转动作用 因此 作用于点A的力可用作用于点B的力和力偶矩M来代替 推论三力的平移定理 25 解决力学问题时 首先要选定需要进行研究的物体 即确定研究对象 然后考查和分析它的受力情况 这个过程称为进行受力分析 1 分离体 把研究对象解除约束 从周围物体中分离出来 画出简图 2 受力图 将分离体所受的主动力和约束反力以力矢表示在分离体上所得到的图形 6 平衡中的受力分析 26 3 受力分析的步骤 确定研究对象 取分离体 先画主动力 明确研究对象所受周围的约束 进一步明确约束类型 什么约束画什么约束反力 必要时需用二力平衡共线 三力平衡汇交等条件确定某些反力的指向或作用线的方位 注意 1 受力图只画研究对象的简图和所受的全部力 2 每画一力都要有依据 不多不漏 3 不要画错力的方向 反力要和约束性质相符 物体间的相互约束力要符合作用与反作用公理 27 重力 弹力 摩擦力 阻力 田劲运动员后蹬动作的受力分析 F G Fh FN X h H FN G F Ff FfH FNx O O 28 刘翔冲刺撞线瞬间 29 30 稳定系数 K 稳定力矩与翻倒力矩的比值 分k 1 k 1 k 1讨论 31 四 影响人体稳定的因素 测量指标 是人体动态平衡指标 K是人体静态平衡指标 支撑面大小 重心高低 稳定角 重力线与重心到支撑面边缘连线的夹角 稳定系数 K 稳定力矩与翻倒力矩的比值 32 支撑面 由支撑点和他们所围成的面积 支撑面大小与稳定性的关系 33 稳定角 重心垂直投影线和重心与支撑面边缘相应点连线的夹角 即物体在某一方向上的稳定程度的判定指标 平衡角 某方向上的稳定角之和 稳定角 平衡角 34 稳定角与平衡角 35 短跑起跑稳定角的变化 快速打破平衡 36 F h G r 稳定系数的计算 稳定系数 K 稳定力矩与翻倒力矩的比值 分k 1 k 1 k 1讨论 h F 力矩 M Gr r 37 M mglK M F侧 34 3N 四两拨千斤 38 五 影响人体平衡与稳定的生物学因素 1 人体不能绝对静止 呼吸循环使人体重心不是定点 而是波动的面 射击 肌肉张力任何时候不能恒定 因而人的姿势不可能严格不变 肌肉疲劳时更明显 2 人体不是形状不变的刚体 人的有效支撑面积小于 理论 支撑面 边缘软组织 人体有翻倒趋势时 会反射性地改变身体姿势 一般是总重心向不适位移的相反方向移动 补偿动作 39 3 人体内力作用 在静力平衡中 肌力 外力 外力矩维持平衡 肌力大小是影响稳定的重要因素 达瓦孜 人体补偿作用 40 4 心理因素 心理因素会改变大脑及其下部对肌紧张的调节能力 从而影响平衡 5 神经感官因素 感觉传入 判断的准确性 神经对肌肉的控制能力 各中枢活动间的协调 41 连续10多年垄断手枪速射金牌的德国运动员舒曼 被誉为射击场上的 机器人 这一 美称 的要旨在于 机器人 具有 刚体 的稳定性 而人作为两足支撑 有血有肉的 活体 只能在 动态 中维持平衡 因此 稳定 是相对的 不稳定是绝对的 射击运动员据枪瞄准时可以屏住呼吸 却不能 屏住 心跳和血液循环 身材越高的运动员重心越高 越要随时通过小脑来综合视觉 内耳前庭和半规管传来的信息 指挥肌肉骨骼系统确保身体的 静力平衡 足底压力中心测试表明 运动员的重心轨迹始