第五章运动生物力学应用【参考】.doc

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（王小虹） 一、基本概念与原理 （一）力与力系 力是物体间的相互作用。运动生物力学中涉及到的力主要是发生在 人体与环境之间的相互作用，如人体与地面、人体与器械以及人体与流体介质之间的相互作用。力有三要素：大小、方向和作用点。力是矢量，有大小和方向。力的单位是牛顿（1牛顿=1千克.米/秒2，即1N=1kg.m/s2） 力系是作用于物体上的一组力，一般在运动中作用于人体的是多个力，构成了力系。根据这一组力的分布形式不同，可以分为共线力系、共面力系和空间力系。如果在力系的作用下，物体的运动状态不发生变化，则该力系称为平衡力系。 （二）约束、约束反力、主动力 约束是指对物体运动的限制。如果物体不受约束将可以自由移动，称为自由体，如腾空中的运动员，自由下落的物体等。约束是由于物体与其它物体相接触而是其运动受到限制所致。这种相互接触阻止物体移动，如作单杠悬垂的运动员悬垂于单杠，单杠便成为约束，人体站立地面，地面阻止人体下落，地面成为约束，对于人体上相互连接的各环节，关节、韧带和肌肉都是约束。受到约束的物体称为非自由体。 约束反力是指由于约束而作用于物体的反作用力，其大小等于物体施加在约束上的力，方向与施加的力相反。 主动力指与约束反力作用相反的力。它使物体运动或有运动趋势，如物体受到的重力，人体或器械对物体所施加的推力、拉力等。 （三）力的可传性原理（图5-1-1） 力可沿其作用线任意移动，而不改变其对物体的效应。如图所示，物体在点A首道一个力F，若沿着力F的作用线，将力的作用点移至B点，其作用效果不变。因为在B点加入一组平衡力F’ 和 F” 作用效果不变，即三个力 F ， F’ F” 与一个力 F等效，而 F 与 F” 大小相等方向相反，沿着同一条作用线，也是一组平衡力，可以去掉，而不改变作用效果，如此只剩下作用在B点的F” ，其作用与原来的F相同。所以作用在A点与作用在B点对物体的效应相同。 （四）力的平移定理 1．力矩、力偶矩 力矩是量度力对物体作用时产生转动效果的物理量。 力 F 对点 O 的力矩定义式为：（图5-1-2） M = r x F 力矩的大小为： M = F . r . sinθ 力矩的方向根据右手螺旋法则判定，即右手握拳，四指由 r 的方向转向 F 的方向，外展的大拇指所指的方向为力矩的方向。如果仅讨论平面力矩，则通常规定产生逆时针方向转动（或转动趋势）的力矩为正值，而产生顺时针方向转动（或转动趋势）的力矩为负值。 力偶是指一对大小相等，方向相反的平行力，力偶的作用是产生力偶矩，即力偶产生的力矩。力偶矩为：（图5-1-3） M = F d 其中F 为力偶中的一个力，d 为力偶中两平行力之间的距离。 2．力的平移定理 力可以平行于作用线移动到任一点，但需要增加一个力偶，其力偶矩等于原力对于新作用点的力矩。如图（图5-1-4） 在分析人体运动时经常根据力的平移定理，将力平行移动，以使分析简化。 二、人体平衡的力学条件 作用于人体的力系可以简化为一个合外力和一个合外力矩，当力系平衡时满足下列条件： ΣF = 0 ΣM = 0 当ΣF = 0时，人体没有平动的加速度，当ΣM = 0时，人体没有转动的角加速度，两个条件同时满足人体即达到平衡。 如果力系为三维力系，平衡时： ΣFx = 0 , ΣFy = 0 , ΣFz = 0 , ΣMox = 0 , ΣMoy = 0 , ΣMoz = 0 . 如果力系为二维力系，平衡时： ΣFx = 0 , ΣFy = 0 ， ΣMox = 0 , ΣMoy = 0 . 如果力系为一维力系，适当选择矩心则力矩为零，平衡时： ΣFx = 0 。 三、人体平衡的生物力学分析 （一）人体重心的概念 评定一个体育动作完成的质量，分析其技术特征以及纠正错误动作等，都需要根据运动时人体重心的变化规律。特别是分析静力性动作，判定平衡的稳定性及分析动作的合理性时，必须从人体重心相对于支撑面的位置来确定。因而，人体重心的问题在体育动作分析中占有很重要的地位。 物体的重心是物体所受重力的作用点，人体的重心也就是人体所受重力的作用点。人体由头、躯干、上臂、前臂、手、大腿、小腿和足等多个环境组成。每个环节都有各自的重心，环节的重心是环节所受重力的作用点，人体的重心是人体全部环节