人体运动的生物力学分析

1、1,第三章 人体运动的生物力学分析(1),2,（一）平衡中的基本力学概念,1.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。 2.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。,一、运动中的平衡与姿势控制,3,3.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。 4.力系作用于物体上的若干个力 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

2、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。,4,平衡的力学条件：,对刚体上任意一点,5,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。,（二）平衡中的力学公理,6,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。,7,推论一 力的可传

3、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。,8,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。,9,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。,10,公理四 作用与反作用公理,两物

4、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。,11,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,13,1.自由体可以在

5、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。,（三）平衡中的约束与约束反力,14,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

6、的图形。,（四）平衡中的受力分析,15,3.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。,16,重力,弹力,摩擦力,阻力,弹力,跑的受力分析,17,18,（五）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

7、）。 人体重心变化的主要因素是身体姿势的改变。,19,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,20,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,21,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

8、比填入一栏内。见表41中具体的布拉温菲舍尔环节相对重心位置数据。,方法,22,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。,23,X,O,Y,24,（六）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

9、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）,（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。

10、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。,29,（七

11、）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。,30,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。,31,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,32,稳定角与平衡角,33,短跑起跑稳定角的变化(快速打破平衡),34,稳定系数（K） 稳定力矩与翻倒力矩的比值。（分k1,k=1,k1讨论),35,F,h,G,r,稳定系数的计

12、算,稳定系数（K） 稳定力矩与翻倒力矩的比值。（分k1,k=1,k1讨论),36,（八）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）。,37,3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,38,39,4心理因素： 心理因素会改变大

13、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。,40,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终处于

14、晃动状态，不过训练有素的选手晃动面积较小。,41,姿势稳定性因素,（九）人体稳定与姿势控制,42,评价动作的稳定性和技术的优劣（跑重心起伏与能量消耗）。 重心向运动方向的预先移动可缩短人体克服物理惯性的时间（但易失去平衡）。 力远离重心，能增加对人体和器械的作用力矩，可加大转动效果。 人体重心超出支撑面时，人体可以移动肢体建立新的支撑面。 动态状态下，惯性力使得人体重心在支撑面可以稳定，增加了技术的难度和观赏性。,重心与动作技术的关系,43,重心与动作技术1,44,重心与动作技术2,45,老年人的摔倒问题 约30%的65岁以上老人每年要摔倒1次，其中一半要摔倒几次。这些人群中10-15%会导致

15、严重损伤。 多数研究认为摔倒与平衡控制有关：感觉延迟，CNS的姿势调节能力下降；肌肉力量不足。,参考资料：J Appl. Biomech.1999，15（1）,一些相关的研究问题： 摔倒危险因素的确定； 不同干预策略的效果，尤其是运动干预； 年龄有关的肌肉骨骼和神经肌肉系统间的关系； 运动能力的变化和摔倒的关系； 年龄和相关疾病如何影响姿势稳定性。,人体稳定性研究热点,46,人体姿势控制研究,航空航天领域失重条件下的身体控制。 体操运动中落地的稳定性控制。 蹦床运动中的身体姿势控制。 射箭、射击运动中的身体控制。 运动中起动前的身体控制。 摔跤、柔道、拳击等运动中的控制。 举重运动中的身体控制

16、。 武术运动中的身体控制。 康复病人身体控制能力的训练。,47,平动：人体内任意两点的连线，在运动过程中始终保持平行。例如；滑冰运动员蹬冰后在直线上依惯性滑行，即为直线运动。,高台跳雪,二、人体与器械运动的运动学的分析,48,转动：人体内的各点都绕同一轴线（转轴）作圆周运动。 例如：投掷铁饼的旋转动作。,49,复合运动：既有平动又有转动的运动。 例如；走、跑、滑冰、滑雪都是一种复合运动，在研究中通常将复合运动分解为平动和转动两部分分别进行讨论，然后加以综合，以达到简化的。,乔依娜短跑,刘翔110米跨栏,50,抛体运动是一种曲线运动，它在空中运动的轨迹是抛物线。抛体运动广泛存在于体育运动项目中，

17、如篮球运动员投篮，铅球、铁饼、标枪的掷出，乃至人体在跳高、跳远、跨栏、跑步中重心的移动，都是抛物线。这种物体运动轨迹为抛物线的运动，称为抛体运动。,51,投掷.mpg 斜抛.mpg,52,Vx,Vy,L2,h3,L2,53,劳剑峰,于第八届亚运会预选赛上跳出8.40米，创新的亚洲纪录，助跑最高速度为10.99米/秒，腾起角约23度，空中采用挺走相间的技术。采用积极加速的方式助跑，到上板前两步达到最高速度。,54,1. 运动是相对于参照系而言的,参考系或称为参照系（frame of reference）：是指用来描述物体运动而选作参考的物体或物体系。,描述物体运动必须选取参考系(运动的相对性)。

18、,参考系可任选，不同参考系中物体的运动参数（如速度等）将可能不同。,(一) 确定参照系和坐标系才能描述运动,55,惯性参照系：太阳参考系、地心参考系、地面参考系。 体育运动中较多采用固定于地面上的标志物、标志线来描述人体或器械的整体运动状况。,2. 描述体育运动常用参考系,非惯性参照系：质心参考系、运动人体（物体）参考系。 体育运动中较多采用运动者本身的质心、其他运动人体或物体来描述人体肢体运动状态或对物体运动状态进行比较。,体育运动中选定参照系就可以定性地表述人体或器械处于运动还是静止状态，人体肢体的运动状态，两个或以上运动物体的状态比较。,56,质点的绝对运动、相对运动和牵连运动 绝对运动

19、：动点相对静止参考系的运动 相对运动：动点相对动参考系的运动 牵连运动：动参考系相对静参考系的运动,三种运动之间关系,乘电梯问题，投掷问题,57,相对运动（relative motion）：在不同参考系中观察同一物体运动。,相对运动,58,3. 定量描述物体的运动需要建立坐标系,坐标系为参考系的数学抽象。 参考系选定后，坐标系还可任选。 同一运动，在不同坐标系中，数学表述可不同。,坐标系（coordinate system）：固结在参考系上的一组有刻度的射线、曲线或角度。,常用坐标系 （笛卡尔）直角坐标系（ x , y , z ） 球极坐标系（ r, ） 柱坐标系（, , z ）,59,如右图

20、所示，柱坐标系中的三个坐标变量是 r、z。与直角坐标系相同，柱坐标系中也有一个z变量。各变量的变化范围是：0 r +, 0 2 其中 x=rcos y=rsin z=z,柱坐标系,60,球坐标系,球坐标是一种三维坐标。分别有原点、方位角、仰角、距离构成。 设P（x，y，z）为空间内一点，则点P也可用这样三个有次序的数r，来确定，其中r为原点O与点P间的距离，为有向线段与z轴正向所夹的角，为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段的角，这里M为点P在xOy面上的投影。这样的三个数r，叫做点P的球面坐标，这里r，的变化范围为 r0,+), 0, 2, 0, . r = 常数，即以原点为心的球面；

21、 = 常数，即以原点为顶点、z轴为轴的圆锥面； = 常数，即过z轴的半平面。 其中 x=rsincos y=rsinsin z=rcos,61,体育运动中常选用直角坐标系来定量描述人体或物体的运动状况。,一维坐标系（x） 运动中的各种距离的获得多数采用一维坐标系。 二维坐标系(x,y） 运动中讨论人体或物体在平面上的定量运动参数。 三维坐标系(x,y,z） 运动中讨论人体或物体在空间上的定量运动参数。,62,质点模型（简单模型）平动运动学 质点系模型（瘦化模型） 平动运动学 刚体系模型（退化模型） 转动运动学 人体实体模型（计算机模拟的基础）,人体物理模型,63,轨迹曲线（重心轨迹曲线） 获得

22、x、y方向的位移数据,1. 图形描述,位移时间曲线 获得位移的变化规律数据,速度时间曲线 获得速度的变化规律数据,加速度时间曲线 获得加速度的变化规律数据,(二) 人体（物体）运动学测量后的描述,64,2. 数学（理论力学）描述,匀速直线运动（略）,抛物体运动（抛点等于、高于、低于落点）,变速直线运动（匀变速、非匀变速） （略）,圆周运动（匀速、变速） （略）,自然物体运动（多数）-一些时刻、时间段的数学表述。,65,3.表格法：男子排球助跑起跳技术运动学参数,66,男子排球空中击球动作的三维分析,67,男子100米栏最高栏间速度及速度值,68,（三） 动作技术运动学分析的基本方法,1.定性分

23、析 2.定量分析 了解动作技术的一般过程（划分动作技术的范围、划分动作阶段、确定动作技术的特征画面、明确各动作阶段的相互影响及其作用） 明确动作技术本身的目的（运动目的、动作目的） 明确动作技术的关键环节 揭示动作技术的运动学特征 做出结论（结合力学原理进行评价、对比分析进行诊断）,69,跳高技术的运动学分析,70,1993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。许

24、多田径专家和运动生物力学家都大声呼好，认为这才是人类跳高的最佳模式。,71,72,我国优秀跳高运动员黄海强起跳技术的运动学分析,73,跳远动作的阶段划分与各阶段任务 跳远技术根据其动作的结构特征一般分为相互衔接的四个部分：助跑、起跳、腾空和落地。 1.助跑：助跑的目的时获得水平速度，并为准确踏板和快速有力的起跳做准备。 2.起跳：起跳的作用是在尽量保持水平速度的同时获得垂直速度，创造尽可能大的腾起初速度。 3.腾空：运动员进入腾空阶段后，唯一的任务是采取合适的身体姿势，准备落地。 4.落地：从起跳后，运动员身体重心的轨迹已经决定。但在跳远时，身体重心的落点要比足跟的落点更远一些。因此，减小身体重心落点和足跟落点的距离是落地技术的主要任务之一。,74,跳远技术的生物力学分析（挺身式跳远为例） 1.起跳动作 （1）着地缓冲。起跳脚着地时，足跟与足掌几乎同时接触地面。着地瞬间，身体角度为90O107O 角，小腿与地面的夹角约65O 角左右，膝关节角度为175O178O 角。接着起跳脚屈膝缓冲，积极前移身体，为