运动生物力学课讲稿第四章

运动生物力学课讲稿第四章第一节

人体平衡动作的力学原理

一、基本概念

（一）力与力系

1．力是物体之间的相互作用，这种作用可以改变物体的运动状态。人体运动中的力主要是人体与地面、器械、流体的相互作用。

第2页,共54页，2024年2月25日，星期天

2．

力的三要素：大小、方向、作用点。力是矢量。FA力的单位：国际单位制--牛顿(N)AB第3页,共54页，2024年2月25日，星期天3．力系：是反映作用于物体上的一组力。在实际体育运动中，作用于人体的力是非孤立的力，而是力系。

第4页,共54页，2024年2月25日，星期天力系分类空间力系平面力系平面汇交力系平面力偶系平面平行力系平面任意力系平面特殊力系空间任意力系空间特殊力系平面汇交力系平面力偶系平面平行力系第5页,共54页，2024年2月25日，星期天说明：①汇交力系：作用线的延长线相交于一点的力系。

②平行力系：作用线互相平行的力系。

③平衡力系：在力系作用下，物体的运动状态不发生改变的力系。F1F2F3A汇交力系F1F2A平行力系B第6页,共54页，2024年2月25日，星期天力的合成、分解依据平行四边形法则(三角形法则)YXF1F2RRF1F2RF1F2第7页,共54页，2024年2月25日，星期天（二）约束、约束反力、主动力

1．约束

是指阻止物体自由移动的限制。这里涉及到自由体和非自由体。在力的作用下可任意方向移动的物体叫自由体，如：腾空运动的运动员。反之叫非自由体。实际中遇到大都是非自由体，物体相互接触或相互联系而使该物体的移动受的限制，则称物体受到约束。第8页,共54页，2024年2月25日，星期天2．

约束反力是指作用于物体的力，其大小等于物体加在约束上的力，方向与之相反。约束反力的方向总是同阻碍物体运动的方向相反。第9页,共54页，2024年2月25日，星期天约束与约束反力

绳索,链条,皮带等柔性体对物体的约束称为柔体约束。因柔体只能承受拉力,不能承受压力,即只能限制物体沿柔体伸长方向的运动,故柔体的约束反力沿柔体的中心线背离物体,表现为为拉力。第10页,共54页，2024年2月25日，星期天

3．体育运动中，常见的约束有三种：①.无摩擦的理想约束。这种约束只阻止物体沿接触面的法向（竖直方向）移动，如站在水平地面上的运动员，其受的约束反力即地面给它的弹力。

N第11页,共54页，2024年2月25日，星期天②.有摩擦的约束。这种约束不仅阻止物体沿垂直表面方向移动,而且阻止物体作水平方向的移动，如跑动中支撑腿的支撑反力。fN第12页,共54页，2024年2月25日，星期天

③.物体与接触面无直接接触，而是通过中间物体间接形成的约束。如吊环运动员通过悬索作用于房顶；滑冰运动员通过冰刀施力于冰面。第13页,共54页，2024年2月25日，星期天4．

主动力

是指与约束反力性质相反的力，它使物体运动或有运动的趋势。

如：物体所受的重力，人或器械对物体所施的推力、拉力等。第14页,共54页，2024年2月25日，星期天（三）力的可传性原理

力可沿其作用线任意移动，而不改变其对物体的效应。ABFF1F2第15页,共54页，2024年2月25日，星期天（四）力的平移定理1．力矩、力偶矩①力矩：转动效果。②力偶：大小相等，方向相反。③力偶矩：转动趋势。第16页,共54页，2024年2月25日，星期天①力矩

定义：力与力臂的乘积冠以正、负号定义为力F对O点的力矩。O—转动的中心。称为力矩中心，简称矩心d—转动中心到力作用线之间的距离称为力臂(注意单位)表达式：Mo(F)=±F·d正负号规定：若力使物体绕矩心作逆时针转向转动力矩取正号,反之取负号。BOF2dF1F3F4问题：图示力F对O点的力矩应取什么符号？第17页,共54页，2024年2月25日，星期天②力偶

由大小相等、方向相反、不共线的两个力组成的力系称为力偶。力偶对物体的效应：只产生转动效应，而无移动效应。第18页,共54页，2024年2月25日，星期天OrF第19页,共54页，2024年2月25日，星期天

力偶矩方向的规定：右手螺旋法则右手拇指指向外法线方向为正(+),反之为负(-)③力偶矩：

力偶使受力偶作用的物体发生转动的趋势而产生的力矩称为力偶矩。

第20页,共54页，2024年2月25日，星期天FAOdFAOdlAO==

把力F作用线向某点O平移时，须附加一个力偶，此附加力偶的矩等于原力F对点O的矩。证明：2.力的平移定理：第21页,共54页，2024年2月25日，星期天举例：跑的受力分析

重力弹力摩擦力阻力阻力重力摩擦力弹力第22页,共54页，2024年2月25日，星期天

跑的后蹬动作的身体受力图

人体受4个力的作用：

G：重力；N：弹力；f：摩擦力；F：空气阻力。根据力的平移定理，可将N、F以及摩擦力三个力平移到重心O，并加上相应力偶矩，如图4-9所示，N′和力偶矩Nx代替N的作用，F′和Fh代替F的作用，

f′和

fH代替f的作用。

Fh+fH-Nx>0时人体向后旋转，

Fh+fH-Nx=0时人体不旋转，

Fh+fH-Nx<0时人体向前旋转。第23页,共54页，2024年2月25日，星期天（五）研究对象的受力分析

1．具体步骤为：

①确定研究对象；②画出受力图。

2．方法：我们所研究的对象主要为人体，在人体上画出主动力（重力及外加的力）和约束反力（所有外界物体与人体的接触作用。由于约束反力的方向不易判断，通常用约束反力的三个分量来代替，把未知的约束反力分解到直角坐标系中。3．举例：燕式平衡，单杠直臂悬垂，体操中‘旗’动作。

第24页,共54页，2024年2月25日，星期天燕式平衡受力分析GN第25页,共54页，2024年2月25日，星期天二、力的合成与分解

(一)合力与分力已知分力求合力叫力的合成，已知合力求分力叫力的分解。

(二)力的合成方法

1．平行四边形法则：同一点A作用的两个力

F1和F2，以其作邻边画平行四边形，则平行四边形的对角线即代表这两个力的合力。

2．

投影法：矢量在任意轴上的投影等于矢量各分量在同一轴上投影的代数和。

（三）力的分解第26页,共54页，2024年2月25日，星期天图示力合成方法：平行四边形法则和投影法F1RF1F2ARF２F1xF1y第27页,共54页，2024年2月25日，星期天三、力系的简化与平衡

将作用于物体上的力系用一个合力，另加相应的力矩来表示，这一过程称为力系的简化（了解）。

（一）共点力系的简化与平衡

（二）共面力系的简化与平衡

（三）空间力系的简化与平衡第28页,共54页，2024年2月25日，星期天COyxhBаP134.例题5RyRxPPAGа第29页,共54页，2024年2月25日，星期天第二节

人体整体平衡的生物

力学条件和特点

一、人体平衡的力学条件

人体平衡的力学条件是人体所受的合外力为零和合外力矩为零。表达式为：∑F=0，∑M=0

如：燕式平衡，单杠直臂悬垂。第30页,共54页，2024年2月25日，星期天二、人体平衡的类型

（一）人体重心的概念1．

研究人体重心的意义：评定一个体育动作的质量，分析其技术特征和纠正错误动作等，都需要从人体重心的变化规律去分析，无论是动力性的动作还是静力性的姿势，探索其运动规律时，都离不开人体重心。第31页,共54页，2024年2月25日，星期天3．

特点：人体重心不象物体那样恒定在一个点上，不仅在一段时内，要受肌肉和脂肪的增长或消退等因素的影响，即使在每一瞬间，也要受呼吸，消化、血液循环等因素的影响，特别是在体育运动中，要受人体姿势变化的制约，随姿势的改变，有时甚至移出体外。例如；体操中的“桥”，背跃式跳高的过杆动作等。2．

概念：人体全部环节所受重力的合力的作用点，就叫人体重心。第32页,共54页，2024年2月25日，星期天（二）人体平衡的分类1．

根据支点相对重心位置分类：①上支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体重心的上方。如：体操中的各类悬垂动作。②下支撑平衡：当人体处于平衡，且支撑点在人体重心的下方。下支撑平衡在体育动作中最为常见．如：站立，自由体操和平衡木的平衡动作以及田径、武术等。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下方。如：肋木侧身平衡。第33页,共54页，2024年2月25日，星期天2．根据平衡的稳度分类稳定平衡不稳定平衡随遇平衡有限度的稳定平衡第34页,共54页，2024年2月25日，星期天①稳定平衡：

人体在外力作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体自然恢复平衡位置，而不需要通过肌肉收缩恢复平衡。如果物体偏离平衡位置的结果是物体重心升高，则该平衡是稳定平衡，多数上支撑平衡属稳定平衡。如；单杠直臂悬垂（图4-1）。第35页,共54页，2024年2月25日，星期天②不稳定平衡：

人体在外力的作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体不仅不能回到原来的平衡位置，而是更加偏离平衡位置。如果物体偏离平衡位置的结果是物体重心降低，则该平衡是稳定平衡，多数上支撑平衡属不稳定平衡，仅在下支撑平衡动作中出现。如；单臂手倒立。第36页,共54页，2024年2月25日，星期天③随遇平衡：

人体在外力的作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体既不回到原来的平衡位置，也不继续偏离原位置，而是在新位置上保持平衡。在体育中很少见，但也有。如：连续完成的两个前滚翻。

第37页,共54页，2024年2月25日，星期天④有限度的稳定平衡：

人体在外力作用下，一定限度内偏离平衡位置，当外力撤除时，人体回到平衡状态，但如果偏离平衡位置超过某一限度时，人体失去平衡。如：太极拳中的推手。第38页,共54页，2024年2月25日，星期天三、人体平衡的稳定性（一）概念：人体平衡的稳定性是人体处于有限稳定平衡状态时，抵抗各种破坏平衡的作用而保持平衡的能力。第39页,共54页，2024年2月25日，星期天（二）影响平衡稳定性的力学因素

1、支撑面第40页,共54页，2024年2月25日，星期天（二）影响平衡稳定性的力学因素

2、重心高度

稳定角：重力作用线同重心与支撑面相应边界的连线之间的夹角。稳定角越大，稳定性越好；稳定角越小，稳定性越差；稳定角为零，人体处于临界状态。如蹲距式起跑‘预备’中运动员尽可能将重心抬高并前移，以减小前进方向的稳定角，以便快速破坏平衡。

θθ第41页,共54页，2024年2月25日，星期天3、体重

稳度系数：稳定力矩（重力矩）与翻倒力矩（外力矩）之比，常用来表示体重在平衡时的作用。稳度系数K=稳定力矩/翻倒力矩该系数表明了物体依靠重力抵抗翻到作用的能力。

第42页,共54页，2024年2月25日，星期天稳度系数：

K＞1，平衡不破坏；

K=1，临界状态；

K＜1，平衡被破坏。人体重力矩越大，稳定系数越大，破坏平衡所需的外界翻到力矩也越大，即人体平衡的稳定性越好。如:摔交、拳击、柔道项目中按体重分级的原因之一就在于此。第43页,共54页，2024年2月25日，星期天1m0.5m1m0.5m1m1mGGGFFFABABAB第44页,共54页，2024年2月25日，星期天四、人体平衡的生物学因素（一）人体不能绝对静止。由于呼吸活动和血液循环必然造成人体总重心时刻变化。（二）人体有效支撑面小于支撑面，由于人体软组织和力量不太大的肌肉无力平衡负荷，所以翻倒线永远位于支撑面边界之内，重力作用线未超过支撑面边界时，人体就要提前倾倒。（三）人体姿势的改变可调节平衡，人体在有翻倒趋势时往往会改变体姿，各环节会绕相邻关节发生位移。当人体失去平衡时，通过改变体姿，则可能会恢复平衡。（四）心理因素的影响，由于视觉因素造成心理紧张，造成收缩肌群无法协调工作导致人体失去平衡。典型的受心理因素影响的项目是平衡木。第45页,共54页，2024年2月25日，星期天第三节人体平衡动作的

生物力学分析

第46页,共54页，2024年2月25日，星期天

在考虑整体平衡的基础上，研究人体局部平衡有助于我们更深刻的了解肌肉参与工作的方式和程度，以便确定更科学合理的姿势，以几个基本平衡动作进行分析：

第47页,共54页，2024年2月25日，星期天一、燕式平衡

燕式平衡动作常见于体操、冰上运动和武术等项目中，它是以单脚支撑，身体处于水平状态的平衡动作。1．

受力分析：2．

人体平衡条件：3．

局部环节的肌肉作用：主要收缩肌群三角肌、斜方肌、臀大肌的作用，就是平衡相应环节的重力矩。4．

稳定性能：不稳定。第48页,共54页，2024年2月25日，星期天二、吊环十字支撑1．

受力分析：2．

平衡条件：3．

局部环节的肌肉作用：肩关节内收肌群（胸大肌和背阔肌）的拉力矩与身体重力矩保持平衡。肩胛下肌、大圆肌、三角肌等