运动生物力学52136PPT课件

第一章运动生物力学概述 生物力学 运动生物力学SportBiomechanics 1 学科交叉使运动生物力学成为独立学科 运动生物力学学科形成模式图 力学是研究物体机械运动规律的学科 即物体在时间和空间上的位置变化及其产生变化的原因 生物力学是应用于生物体的力学 对于生命器官生物力学有助于人们了解其正常功能 预言其本身变更而引起的变化 并提出人为干预的方法 因此 诊断 外科手术和修复术都与生物力学息息相关 运动生物力学是研究人体运动的生物力学规律的学科 是运动科学的重要组成部分 Biomechanicsisthestudyofforcesandtheireffectsonlivingsystems 研究核心 人体运动动作研究方法 生物学方法 解剖 生理学方法 力学方法 系统科学方法研究目标 揭示人体运动器系的生物力学特性和人体运动动作的规律 运动技术的合理性和更佳化 为提高运动技术水平和成绩 防止损伤和健身指导服务 2 运动生物力学学科在体育运动中的作为 1 提高体育运动成绩 主要作用 提高运动技术水平 主要表现在两个方面 教师和教练员应用力学知识指正学生和运动员完成的运动 提高技能水平 定性方法 或者生物力学研究者发现新的或更有效技术以完成运动项目 定量方法 例如 学生不能完成前滚翻 你可以给以两个建议 一是低头含胸团身 并在滚动中保持 二是向前上方蹬地 1968年墨西哥奥运会上的背越式跳高技术改进运动装备 例如1953 BudHeld增加标枪的表面积 提高了标枪成绩 到1984年达到104 80m 1986新规则限制 但随后又在压力中心方面有所改变 标枪记录还是到了98 48m 提高训练的科学化 技术分析帮助教师 教练员确定学生和运动员需要改进训练的地方 PerformanceImprovement 运动员休息时 能刺激运动员身体加快红细胞的生成 推动氧气向肌肉流动 可以让身体全面放松 CAT 150便携式低氧帐篷 氧分压与人体红细胞携氧能力的关系 虚拟现实护目镜 虚拟现实护目镜 VRgoggles 接收到其运动情况的现场反馈 借助于这种反馈 运动员可以实时看到赛艇是否偏离了正确方向 通过实时地展开自我评估 赛艇划手可以不断提升他们的理想队形 米卡萨MVA200排球 由8块皮而不是传统的18块皮缝合而成的 并在球体上呈花瓣状缝合 当新的双层结构 是聚氨酯泡沫塑料的外层和柔软微纤材料制成的织物内层结合后 这种新设计限制了手掌心流向排球的汗液量 从而使选手加强了对球的控制力 压花设计看似微不足道 但有助于降低排球周围的空气阻力 从而使排球路线更具空气动力学轨迹 这样就会发出最难接的球 但声音却不那么响亮 Speedo第四代鲨鱼皮 LZRRacer经独立测试证明 新泳衣能减少4 的阻力 并可以减少5 的氧气消耗 成绩提高2 使此它成为世界最快的泳衣 达到了先前难以达到的浮力和滑动能力 回望早期的奥运会 要说有 恍若隔世 之感的确毫不夸张 我们恰好从体育这个特殊的尺度上 看到一个 世纪 的距离到底有多远 而带来这一 天壤之别 的主因 便是现代科学技术的发展 意味深长的是 现代奥运会创办的初始动机 恰恰是为了摆脱工业社会技术的异化和人的主体地位缺失 呼唤人的自然属性回归 但百年奥运却走过了一条不断与科技结合 直到对科技高度依赖的道路 这究竟是逻辑的困境 还是历史的必然 1936年柏林奥运会 田坛巨星欧文斯在煤渣跑道上为自己的起跑精心 挖坑 而花去十多分钟时间 我们很难设想如果欧文斯跑在今天全塑胶的 塔当 跑道上会创造什么成绩 当年跳高的横杆上搭一块白毛巾 那是为了让运动员在暮色苍茫中能看清横杆高度 而落地时更没有今天 海绵包 上 软着陆 的潇洒 体操运动的开拓者们没赶上在安装了弹簧和橡胶立柱的地板上腾跳 绿茵场的前辈在泥泞中鏖战时更不会奢望有活动草坪与整体移动的足球场 和昨天的金牌得主相比 今天奥运冠军们的自然体能未必有明显的增强 我们运动成绩的不断突破 很大程度上依靠运动环境和条件的改善 而一个时代科学技术搭建的舞台 最大限度调动和发挥了人体的潜能 赵致真 奥运中的科技之光 如果说体育技术有高下优劣之分的话 鉴别标准只能是符不符合科学原理 人虽然贵为 万物之灵 但人体的一切运动却必须遵循基本的力学规律 随着跨越式 剪式 滚式 俯卧式跳高的演进 身体重心升起同样高度却可以越过更高的横杆 到了福斯贝里发明 背越式 运动员的重心甚至可以从横杆下钻过去 既往跳高的大部分经验从此一笔勾销 三级跳远中的 跑跳式 将有效水平速度保持到最后一跳 因此取代了 高跳型 技术 长跑运动中身体匀速直线性更好的 梅花鹿 式跑取代了大起大落的 袋鼠式 跑和快慢不均的 驼鸟式 跑 铅球投掷中加长做功距离的背向滑步技术取代垫步技术 体操和跳水动作中对身体转动惯量的精确把握 带来了花样百出的空翻和旋转 跳台滑雪运动中两只滑雪板呈V字形排开能在空气中获得更好的升阻比 因此取代了滑雪板的平行姿势 体育器械的运动更是力学定律最直观的演示 标枪滑翔性的提高带来成绩的不断刷新 但霍恩把手中的 飞行器 投掷到104米开外而威胁到赛场安全时 科学又能 略施小计 将标枪重心前移4厘米而 勒住 投掷的 缰绳 旋转中的马格努斯力创造了神奇的香蕉球 弧圈球 体育技术的每一项进步 无不伴随着对运动力学更深刻的理解和应用 从而改变着体育竞赛的形态和面貌 赵致真 奥运中的科技之光 人类文明因劳动使用的材料而划分为石器时代 青铜器时代和铁器时代 奥运百年间体育器械材料的变革同样具有划时代意义 一个经典的例证是撑竿跳高的变迁 当竹竿 金属竿取代坚硬沉重 没有弹性的木竿 撑竿跳高的成绩曾节节攀升 待到轻巧而富有弹性的玻璃纤维 碳纤维竿问世后 由于助跑速度的增加和动能 势能转换效率的大幅度提高 带来了撑竿跳高成绩戏剧性的突破 乌克兰选手布勃卡把人类体育运动的高度上限标定到6 14米 铝合金 钛金属取代钢铁 特别更轻 更强的碳纤维广泛使用后 自行车几乎发生脱胎换骨的变化 赛艇 雪橇 滑雪板等运动器械也为之面目一新 碳纤维制成的网球拍 羽毛球拍不但强度增加重量减轻并且 甜点 扩大 海绵拍的登场对乒乓球运动的意义更不待言 工欲善其事 必先利其器 新材料 新工艺给体育运动带来了翻天覆地的变化 同前 运动员的 行头装束 更有着鲜明的时代印记 奥运会初创的年代 选手们在赛场上都穿着日常生活的便装 男子宽衣大袖 女子长裙及地 经过百年嬗变 运动服已经成为服装行业中的 独立王国 2000年悉尼运会上 澳大利亚选手弗里曼穿着被称为 第二层皮肤 的连体运动衣夺得400米跑金牌 她体验到了一种 切入空气 的欣快 号称 鱼雷 的泳坛名将索普身穿仿生技术的 鲨鱼皮 游泳衣在400米自由泳中一路领先 泳装表面微型棘齿产生的细小涡流能有效减少前进中的 压差阻力 至于篮球明星乔丹脚下的 气垫鞋 短跑名将约翰逊的 金缕鞋 琼斯的 水晶鞋 刘翔的 红色魔鞋 都为公众津津乐道和耳熟能详 现代体育防护用具则从头到脚 一直 武装到了牙齿 高科技新型材料和人体工程学 运动力学的结合 共同打造了体育健儿的披挂 战靴和征衣 对时间和距离的准确计量是体育运动 可比性 的基础 1896年第一届雅典奥运会上使用的手动马表 百米赛的计时误差达0 2至0 5秒 这相当于2米到5米的距离 今天终点线上的摄像仪能通过每秒2000次的缝隙扫描 将计时精度提高到千分之一秒 起跑线上抢跑百分之一秒就会被 捉拿归案 游泳池终点触摸屏则 一触即发 并精确到毫秒 测量投掷 跳远距离的皮尺 钢卷尺早已送进了历史博物馆 激光测距仪能够瞬时判读出比赛成绩 灵敏的超声风速仪早已取代了机械风速仪 在网球 羽毛球赛场上 雷达测速仪当场显示运动员击球的速度 而明察秋毫的 鹰眼 则能随时回放网球 足球在三维空间的运动轨迹和准确落点 各种新颖别致的光电仪器在赛场上层出迭见 使运动数据的粗放式测量变得日益快捷 精准和可靠 人类的体育运动本质上是将体内的化学能转变为机械能 随着对有氧运动和无氧运动的深入了解 不同运动的供能机制日益明确清晰 高原训练 有效增加了运动员最大摄氧量和血液对氧的携带能力 不同种族和个体的肌肉结构中 快速的 白肌 和耐久的 红肌 天生有一定比例 适合不同类型的运动 遗传的追寻 骨龄的辨析 皮纹的解读 选材就是对 运动苗子 的发现和预测 诚然 没有谁脖子上戴着金牌降生 但更多人却生下来就注定得不了金牌 现代医学已经为各类运动员的科学选材提供了一整套量化的依据 计算机作为一切高科技的基本工具 对体育运动的影响已经无孔不入 竞赛场上常常 知彼难 知己更难 1982年 美国队就将中国女排历次比赛的影像资料输入计算机并分析出 战术弱点 使中国姑娘在遭到 暗算 后一度受挫 而运动员对自己的技术动作往往 当局者迷 教练员也很难用肉眼辨别清楚 计算机诊断 却能定量分析出一招一式的缺陷 计算机远程监控可以根据赛场采集的数据在万里之外 运筹帷幄 新动作的设计往往先在计算机上构思和演算 充分论证可行性和必要条件 至于科学制定训练负荷 查阅世界优秀选手和经典赛事的档案资料 更是计算机的 家常便饭 美国上个世纪七十年代奥运会上输给苏联后 狠下决心在科罗拉多等地建立三个奥林匹克训练中心 配备最先进的科研 训练设施 调集大批优秀教练员和科学家 每年集训15000名拔尖运动员 成了美国 奥运金牌的摇篮 这种 大而全 的高科技密集体育训练基地已经被德国 法国 澳大利亚 日本 韩国争相效法 不过一百年来 始终有人怀着深深的忧虑和戒惧 试图阻止科技从体育舞台的边缘向中心挺进 并主张拆散体育和科技的联姻 恢复奥运赛场上真正的 原生态 其实人和动物的最大区别在于 智慧 也许只有加入了智慧的元素 体育运动才真正打上了 人的烙印 使体育不只是停留在 原始的肌肉收缩 层面 科学作为人类智慧的结晶 本来是体育的一部分 更聪明的人比 四肢发达头脑简单 的人拥有更多取得胜利的机会 何况当突飞猛进的现代科学在一百年间彻底改变了人类的全部生活 怎么可能将体育划为 科学免进 的 保护区 至于兴奋剂等奥运史上的弊端和丑闻 不过是人对科技的错误应用 解决的途径也只能靠科技发展 如何让更多的第三世界运动员同样享受现代科技的恩惠 已经成为奥运议事日程的重要课题 谁也无法 开历史的倒车 对百年奥运的抚今追昔和 忆苦思甜 足以使人相信 没有科技 奥运会成不了今天的气候 离开科技 体育将陷入原始和瘫痪 在体育运动成绩日益逼近人类极限的今天 从某种意义上说 体育的竞争就是高科技的竞争 技不如人 也许首先是 科技不如人 而科技和体育的 共生关系 将继续伴随奥运会走向明天 同前竞技体育运动的目标是更快 更高 更强 其中绝大部分都和力学有关 所以本书的主题大致上可以说是 竞技体育与力学学科的关系 这本书涉及体育科技的方方面面 包括 时间与距离的检测 球的旋转与球在空气中的阻力与轨迹问题 跳水运动与身体旋转问题 跳高运动的运动员的重心问题 运动的安全性与防护问题 游泳的阻力与游泳服的改进问题 自行车赛的空气阻力问题 撑杆跳的撑竿改进问题 运动场地和设施问题 等等等等 来自书的序言 2 损伤预防和康复减少损伤的技巧通过更好地认识作用在组织上的力和设法减小这些力的作用 来达到预防和改善急慢性损伤的目的 精确地计算作用在人体组织上的内力是一件困难的事情 1 改进器材设备 如鞋 垫子等 2 改进运动技术 如对运动技术中力的分析 确定适当的用力角度等 康复的手段损伤治疗仪器的开发 电 磁 光等物理学领域 损伤治疗方法的正确使用需要对骨 关节 韧带 肌腱和骨骼肌力学特性的了解 Whymassagecanhelptreatinjury Whatisthebestwayliftingaheavybox InjuryPreventionandRehabilitation interestsofhealth scienceprofessionals Healthandfitnessspecialists physicaltherapists orthopedicsurgeons 3 运动生物力学学科发展简介 早期各方面学者对人体运动的关注 阿里斯多德 达芬奇 维伯兄弟 麦布里奇 布拉温和费舍尔 希尔 伯恩斯坦 冯元桢形成了运动生物力学发展的三个流派 力学流派 美国 德国为代表机能解剖学流派 原苏联为代表生理学流派 日本为代表 1967年第一届国际生物力学学术讨论会 瑞士 73年成立ISB 1982年成立国际运动生物力学学会 ISBS 我国运动生物力学发展1956年邀请前苏联贝柯夫在北京体院讲授研究生课程引入运动生物力学内容 1959年引进原苏联 运动生物力学 教材 顿斯柯依 同年在北体举办第一期运动生物力学教师进修班 1976年后的快速发展 学科交叉 专家讲学 1980年成立中国体育科学学会 设运动生物力学分会 我国运动生物力学现状全国运动生物力学研讨会已经进行了11届 2005年8月在我国召开国际运动生物力学研讨会 23届 学科人群分布在体育院校 体育科学研究所 普通高校 国际运动生物力学研讨会 a 基础研究以学科理论和新测量技术为方法手段 更深入地揭示人体运动的生物力学规律 特别是运动动作的神经 肌肉控制与反馈机制 4 运动生物力学学科的发展趋势 b 应用研究以直接为运动训练提供服务 解决运动训练 体育锻炼相关问题为主要方向 兼以设计运动器材与康复用品 c 方法学与测试手段研究以开发运动生物力学测量仪器和应用力学 生物学新技术 新理论为主要方向 1 期刊 1 Bone NewYork USA 骨2 ClinicalBiomechanics UK 临床生物力学3 ComputersmethodsandProgramsinbiomedicine TheNetherlands 生物医学中的计算机方法和程序4 GaitandPosture UK 步态姿势5 JournalofAppliedBiomechanics USA 应用生物力学杂志6 Journalofbackandmusculo skeletalrehabilitation TheNetherlands 背和肌肉骨骼康复杂志 5 运动生物力学资源 7 JournalofBimechanicalEnginecring USA 生物力学工程杂志8 JournalofBiomechanics USA 生物力学杂志9 JournalofElectromyographyandkinesiology TheNetherlancls 肌电图和人体运动学杂志