运动力学基础

1、运动学基础,第二章 运动力学基础,目录,第一节 运动中的力与力矩 第二节 人体运动的动力学 第三节 人体运动的静力学 第四节 人体运动的转动力学 第五节 骨与关节生物力学,重点与难点,重点：力、力矩、稳定角、人体转动惯量的概念；骨的杠杆作用；关节的类型及运动。常见的外力和内力；力的合成和分解；人体平衡的条件；骨与关节生物力学特征。 难点：牛顿运动定律、转动定律及其应用。,人体和物体的运动在运动形式上多种多样，千差万别。这种差别主要表现在时间和空间两个主要方面，其形成的原因是人体或物体受到的力和力矩不同。,LOREM IPSUM DOLOR,第一节,运动中的力与力矩,一、运动中的力 力是一个物体

2、对另一个物体的作用，是使物体产生形变或线运动状态改变的原因。 力矩则是力和力臂的乘积，是使物体转动状态改变的原因。,内力 外力,LOREM IPSUM DOLOR,（一）外力 重力 是地球对人体或物体的引力，是一种非接触力。 摩擦力 是两相互接触的物体做相对运动（线运动或滚动）或有相对运动趋势时产生的力。 支撑反作用力 人体重力作用于支撑面上，支撑面又反作用于人体。 流体作用力 人体在空气和水中运动时，必然与流体发生接触并相互作用，流体对人体的作用即为流体作用力。 器械的阻力,LOREM IPSUM DOLOR,（二）内力 1. 肌拉力 骨骼肌借助肌腱附着于骨，产生对骨的拉力维持人体姿势，引起

3、人体内各部分、各环节的相对运动，是人体内力中最重要的主动力。,LOREM IPSUM DOLOR,肌拉力线 喙肱肌拉力线 位于肩关节冠状轴前方、 矢状轴内侧， 使肩关节内收和屈。 肱肌位于肘关节中心 运动轴的冠状轴前方， 能使肘关节屈。,LOREM IPSUM,2. 组织弹力 当机体拉伸、压缩、扭转时会发生形变，弹力是机体形变做功的能力。 希尔三元素模型:可收缩成分：相当于骨骼肌中肌纤维成分;串联弹性元：主要是位于骨骼肌两端的肌腱；并联弹性元：包裹在整个骨骼肌表面和肌束、肌纤维表面的结缔组织。,3. 其他内力 人体内各组织器官具有不同的形态、结构和生物力学特性。人体由于各种运动过程引起这些组织

4、器官发生形态、位置改变时，可以产生摩擦力、流体阻力等。,如血流阻力,（三）力的合成与分解 1. 合力与分力 一个力如果它产生的效果与几个力共同作用的效果相同，则这个力就叫那几个力的合力，而那几个力就叫这个力的分力。 力的平行四边形定则,LOREM IPSUM DOLOR,LOREM IPSUM DOLOR,2. 力的合成 求几个已知力的合力，叫力的合成。 3.力的分解 力的分解是力的合成的逆运算。 肌力分解及其作用,LOREM IPSUM,（四）力的时间与空间积累效应 1. 力的时间累积效应 合外力与其作用时间的乘积（Ft ）称为力的冲量。 质量与速度的乘积（m v）称为动量。 动量定理 ：物

5、体动量的增量等于其所受的冲量。,LOREM IPSUM DOLOR,（1）人体运动中为了减小外界的冲击力，通常需要延长外力的作用时间。 如落地缓冲。 （2）为了给物体或人体强大的冲力，要求与物体或人体接触（撞击）的时间要短。 如用锤子钉钉子。 （3）增大作用力和延长力的作用时间，可以使人体或器械获得更大的速度。 如投掷垒球 。,2. 力的空间累积效应 力与力作用方向上移动距离的乘积（FS），是力的空间累积效应，在力学上称力对物体做了功。 动能定理：力对物体做的功等于物体机械能（动能和势能）的增量。,LOREM IPSUM DOLOR,LOREM IPSUM,二、运动中的力矩 力矩（M）是作用于

6、物体或人体的合力（F）与支点到力作用线距离（d）的乘积， 即M=F。 分析：手握球做屈肘动作产生的力矩,第二节,人体运动的动力学,LOREM IPSUM DOLOR,一、牛顿运动定律 （一）牛顿第一定律 任何物体在不受外力作用（或所受合外力为零）时将保持静止或匀速直线运动状态不变，又称惯性定律。 （二）牛顿第二定律 当物体所受到的合外力不为零时，物体的运动状态会发生改变。 （三）牛顿第三定律 即作用力与反作用力定律 。,LOREM IPSUM DOLOR,二、牛顿运动定律在人体运动中的应用 （一）运动中合理利用惯性可以省力 （二）克服重物惯性需要遵循骨骼肌活动顺序原理 （三）增加人体对外界的作

7、用力可以增大外界对人体的反作用力,第三节,人体运动的静力学,一、力系平衡条件与人体平衡的类型 平衡是物体速度和方向不变的状态。 静态平衡 动态平衡。,LOREM IPSUM DOLOR,（一）力系平衡条件 1.共点、共线力系 2.平面汇交力系 3.平面平行力系 4.空间一般力系 共点、共线力系的平衡只要满足合力为零 其他力系的平衡条件均为合力为零，合力矩为零。,（二）人体平衡类型 1.平衡时重心与支撑点的位置关系分类 2.平衡时保持平衡的能力分类,上支撑平衡 下支撑平衡 混合支撑平衡,稳定平衡 有限稳定平衡 不稳定平衡 随遇平衡,LOREM IPSUM DOLOR,二、稳定性及其影响因素 （一

8、）稳定性 稳定性是指人体和物体抵抗各种干扰作用保持平衡的能力。 一是人体静止时抵抗各种干扰的能力，这种能力称为静态稳定性。 二是指人体重心偏移平衡位置后，干扰因素除去时，人体仍能恢复到初始平衡范围，此为人体平衡的动态稳定性。,LOREM IPSUM DOLOR,（二）影响人体下支撑稳定性的因素与评价指标 1. 影响人体下支撑稳定性的因素 （1）支撑面大小：支撑面大，稳定度大；支撑面小，稳定度小。 （2）重心的高低：在支撑面不变的情况下，人体的重心位置越低，稳定度越大；重心位置越高，稳定度越小。,比较重心高低和支撑面大小,2. 人体下支撑稳定性的评价指标 （1）稳定角：是指重力作用线和重心至支撑

9、面边缘相应点的连线间的夹角 。 重心高度相同， 支撑面越大，稳定角越大； 支撑面相同， 重心越高， 稳定角越小。,LOREM IPSUM DOLOR,（2）稳定系数：稳定系数是指稳定力矩与倾倒力矩的比值。 稳定系数大于1时，物体能抵抗外来翻倒力矩，平衡不被破坏； 稳定系数小于1时，物体抵抗不住外来的翻倒力矩，平衡将遭到破坏，物体会翻倒。,犯罪高手MV 中迈克尔杰克逊倾斜45,三、人体平衡与稳定的特点 1. 人体不能绝对静止 2. 人体形状可变 3. 人体内力起重要作用 4. 心理因素的影响 5. 感觉系统在保持人体平衡中的作用,LOREM IPSUM DOLOR,第四节,人体运动的转动力学,L

10、OREM IPSUM DOLOR,人体各环节的运动都是骨骼肌牵引骨围绕着关节运动轴的转动。 把人体看做刚体,一、转动运动学 （一）人体转动的转动轴 刚体转动时，刚体上的各点都做圆周运动形成大小不等的同心圆，各圆的中心都位于同一条直线上，这条直线叫做转动轴。,LOREM IPSUM,当人体围绕固定在地面上的运动器械转动时，器械就是人体的转动轴，称为实体轴。 当人体局部肢体或整体转动时所围绕的是位于人体内部的某特定的直线，则为非实体轴。 有支点、有实体轴 的转动,支点无实体轴的转动 无支点、无实体轴,复合轴的旋空,（二）角运动学 1. 角位移 是描述物体转动时位置变化的物理量。国际单位为弧度，通常

11、可用表示。 2. 角速度 连接运动点和圆心的半径在单位时间内转过的弧度叫做“角速度”。国际单位为弧度/秒，用字母表示。 3. 角加速度 是描述刚体角速度的大小和方向对时间变化率的物理量，国际单位是“弧度/秒平方”，用字母表示，计算公式为= / t。,LOREM IPSUM DOLOR,二、转动动力学 产生转动的条件必须满足合外力矩不为零。 （一）转动定律 1. 转动惯量 又称惯性距、惯性矩(俗称惯性力矩)，是刚体绕轴转动时惯性的量度，用以描述物体保持原有转动状态的能力。 只决定于刚体的形状、质量分布和转轴的位置，而同刚体绕轴的转动状态无关。,郑秀媛的中国人体惯性参数模型标准。 环节的转动惯量（

12、I）等于环节中质点的质量（m）乘以质点到转轴的垂直距离（r）的平方。即I=mr2，单位为千克米平方（kgm2）。,LOREM IPSUM DOLOR,人体转动惯量会随不同的位置的转轴和身体姿势的改变而发生相应的改变。 例如跳水动作过程中人体伸展、两折、三折时的转动惯量会随着转动半径的减小而依次减小。,LOREM IPSUM DOLOR,2. 转动定律 当物体受到合外力矩（M）的作用而发生转动时，则转动体的转动惯量（I）乘以角加速度（）的乘积等于作用于转动体的合外力矩，即M=I。,刚体转动的角加速度与它所受的合外力矩成正比， 与刚体的转动惯量成反比.,LOREM IPSUM DOLOR,（二）动

13、量矩定理 假定转动惯量为I的刚体在外力矩M的作用下，经过了时间t，转动角速度从1变成了2，则这个过程中角速度变化量为2-1，角加速度=（2-1）/t，代入转动定律公式中得到：M=I=I（2-1）/t，推导得出Mt= I2-I1。此式中的Mt是冲量矩，单位Nms；I是动量矩（H），单位kgm2/s。 作用在刚体上的冲量矩等于动量矩的变化。,三、转动定律的应用 1. 增大肌对关节的拉力矩 通过增加肌收缩力和肌力臂，能增加角速度和角加速度。,粗壮的大腿肌具有较大的力量和力臂 能产生较大的角速度和角加速度,2. 减小转动惯量 由M=I可以看出，当肌力矩一定时，减小环节对轴的转动惯量，可以达到增大转动角

14、速度或角加速度的目的。 短跑时需折叠大、小腿， 以减小下肢对髋关节转动轴的转动惯量，以便快速向前摆腿。,LOREM IPSUM DOLOR,自由体操腾空,第五节 骨与关节生物力学,LOREM IPSUM DOLOR,一、骨的概述 （一）骨的组成和分类 颅骨29块 躯干骨51块 四肢骨126块,LOREM IPSUM DOLOR,2. 骨的分类 按照形态特点可分为： 长骨、短骨、扁骨和不规则骨,LOREM IPSUM DOLOR,（二）骨的结构 骨的器官水平结构 以长骨为例，骨的构造包括 骨质、骨膜、骨髓三部分。,LOREM IPSUM DOLOR,2. 骨的微细结构 长骨骨皮质的主要结构单位

15、哈佛系统又称为骨单位,LOREM IPSUM,3. 骨的血管、淋巴管和神经,4. 骨组织 由细胞和细胞间质组成 骨组织细胞包括： 骨细胞 成骨细胞 骨原细胞 破骨细胞 骨基质分为 有机质 无机质,LOREM IPSUM DOLOR,（一）骨受载荷形式,二、骨的生物力学特征,（1）拉伸：拉伸载荷是自骨的表面向外施加相等而反向的载荷，在骨内部产生拉应力和拉应变。例，单杠悬垂时上肢骨的受力。,（2）压缩：压缩载荷为加于骨表面的向内而反向的载荷，在骨内部产生压应力和压应变。例，举重举起后上肢和下肢骨的受力。,上肢压缩力,（3）弯曲：使骨沿其轴线发生弯曲的载荷称为弯曲载荷。在弯曲负荷下，骨骼内不同时产生

16、拉应力（凸侧）和压应力（凹侧）。在最外侧，拉应力和压应力最大，向内逐渐减小，在应力为零的交界处会出现一个不受力作用的“中性轴“。例，负重弯举（杠铃）时前臂的受力。,小腿弯曲力,（4）剪切：标准的剪切载荷是一对大小相等，方向相反，作用线相距很近的力的作用，有使骨发生错动（剪切）的趋势，在骨骼内部的剪切面产生剪应力。例，人体运动小腿制动时，股骨髁在胫骨平台上的滑动产生剪应力。,（5）扭转：骨骼受到外力偶的作用而受到的载荷，在骨的内部产生剪应力。 如作转身动作时，下肢骨受到的扭转作用。 在生理状态下，扭转载荷常见于前臂、脊柱的旋转与骨关节的旋转活动中。 例，掷铁饼出手时支撑腿的受力。,骨力学包含两个

17、最基本元素，即应力和应变 1.骨的应力 概念：当外力作用于骨时，骨以形变产生内部的阻抗以抗衡外力，即是骨产生的应力。 特点：应力的大小作用于骨截面上的外力与骨横断面面积之比，单位为Pa=N/m2，即牛顿/平方米。,（二）骨的应力与应变,2.应变 概念：骨的应变是指骨在外力作用下的局部变形。 其大小等于骨受力后长度的变化量与原长度之比，即形变量与原尺度之比。一般以百分比来表示(下图)。,3.应力-应变曲线,表示应力和应变之间的关系。 应力-应变曲线分成两个区：弹性变形区和塑性变形区。 在弹性变形区内的载荷不会造成永久性形变（如骨折）。 弹性区末端点或塑性区初始点称屈服点。 该点对应的应力是产生骨

18、最大应力的弹性形变，亦称为弹性极限。 塑性区：屈服点以后的区。 此时已出现结构的损坏和永久变形。 当载荷超过弹性极限后，骨发生断裂即骨折。,导致骨折所需的应力叫骨的最大应力或极限强度。 在应力-应变曲线弹性区的斜率叫弹性模量或杨氏模量(Youngs Modules)，表示材料抗形变的能力。 一般而言，弹性模量是一个常数。 弹性模量越大，产生一定应变所需的应力越大。,青少年期 骨折愈合期,（三）机械应力对骨生长的影响,沃尔夫（Wolff）定律 ：物理功能的改变引起骨的吸收和形成，因此改变了骨的内部结构和外部的几何形状。 塑形与重建是骨组织中对机械应力作用响应的两个主要生理过程。,骨组织的更新,长

19、跑运动员拇外翻,LOREM IPSUM DOLOR,（四）骨疲劳,疲劳性骨折 概念：指骨长期承受反复负荷(如长时间的行军、锻炼)后发生微损伤而逐渐形成的骨折。它是由于损伤的不断积聚，超过机体的修复能力，继而产生疲劳性骨折或应力性骨折。 特点：骨折和修复同时进行。,（1）疲劳性骨折的好发部位 最常发生在下肢骨， 其次是上肢骨和躯干骨。 下肢骨骨折可发生在股骨、髌骨、腓骨、 胫骨、内踝、距骨、跖骨、跟骨等处，其中，以胫骨、腓骨和跖骨更多见。,（2）疲劳性骨折的生物力学原理 有关疲劳性骨折的发生原因， 目前不同学者持有不同的观点。 概括起来有以下几种观点： 其一，肌疲劳是导致疲劳性骨折发生的一个重要原因。 其二，肌牵拉是导致疲劳性骨折另一原