運(yùn)動生物力學(xué)

1、運(yùn)動生物力學(xué),重大體育學(xué)院,副教授：落云柯,Tel: 13452815691,第一章 緒 論,一、運(yùn)動生物力學(xué)的概念,生物力學(xué)： 是研究活體系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動規(guī)律的 科學(xué)。,運(yùn)動生物力學(xué)：是研究體育運(yùn)動中人體機(jī)械運(yùn) 動規(guī)律的科學(xué)。,人類工程、勞動、整形、康復(fù)、運(yùn)動,理論生物力學(xué),應(yīng)用生物力學(xué),運(yùn)動生物

2、力學(xué)（Sport Biomechanics）,把體育運(yùn)動中各項(xiàng)動作技術(shù)的研究課題，賦予生物學(xué)和力學(xué)的觀點(diǎn)及方法，使復(fù)雜的體育動作技術(shù)奠基于最基本的,生物學(xué)和力學(xué)的規(guī)律之上，并加以數(shù)學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)及運(yùn)動技術(shù)原理的形式加以定量描述。,人體運(yùn)動是自然界中最復(fù)雜的現(xiàn)象之一。,動作技術(shù)原理：是指完成某項(xiàng)動作技術(shù)的基本規(guī)律,最佳運(yùn)動技術(shù)：是因人而異，對某運(yùn)動員能獲得最 佳成績的技術(shù),人體的機(jī)械

3、運(yùn)動表現(xiàn)為兩種形式： 一是人體自身發(fā)生的形變，即人體各環(huán)節(jié)之間相對的位移運(yùn)動；二是相對于其周圍環(huán)境而發(fā)生的位移運(yùn)動。,包括：簡單的機(jī)械運(yùn)動 復(fù)雜的高級運(yùn)動形式——思維活動。,牛頓力學(xué)定律適用于剛體運(yùn)動。,二、運(yùn)動生物力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容,2、研究各項(xiàng)動作技術(shù)，確立動作技術(shù)原理，建立動 作技術(shù)模式來指導(dǎo)教學(xué)和訓(xùn)練,（一）運(yùn)動生物力學(xué)的任務(wù),3、結(jié)合運(yùn)動員個(gè)人的身體形態(tài)、機(jī)能和運(yùn)動員素質(zhì) 等的特

4、點(diǎn)，研究適合個(gè)人的最佳動作技術(shù)方案和 進(jìn)行動作診斷,1、研究運(yùn)動員身體結(jié)構(gòu)和機(jī)能的生物力學(xué)特征,4、探索預(yù)防運(yùn)動創(chuàng)傷和康復(fù)手段的力學(xué)依據(jù),5、研究、設(shè)計(jì)和改進(jìn)運(yùn)動器械,（二）運(yùn)動生物力學(xué)的內(nèi)容,運(yùn)動生物力學(xué)是生物力學(xué)的一個(gè)分支，由于課時(shí)有限，我們主要介紹一下幾方面。,1、運(yùn)動生物力學(xué)概論,2、人體運(yùn)動實(shí)用力學(xué)基礎(chǔ),3、骨、肌肉及人體基本活動的生物力學(xué)（骨杠桿、關(guān)節(jié)）,4、人體運(yùn)動數(shù)據(jù)采集和處理（高速攝像，測力臺）等,5、動

5、作技術(shù)的生物力學(xué)分析（步態(tài)、體操、棒球、擊劍）,三、運(yùn)動生物力學(xué)的簡史,公元前古希臘哲學(xué)和自然科學(xué)家阿里斯多德Aristotle (384 - 322 B.C.),觀察人和動物的運(yùn)動幻燈,15世紀(jì)末，意大利科學(xué)家列奧納爾德達(dá)芬奇Leonardo da Vinci (1452 - 1519),尸解，提出運(yùn)動服從力學(xué)定律，為避免教會迫害，著作幾百年后才被發(fā)現(xiàn)。,鮑列里,17世紀(jì)意大利醫(yī)生、解剖學(xué)家鮑列里Giovanni Borelli (1

6、608-1679)著作《論動物的運(yùn)動》 “De Motu Animalium”(The Movement of Animals),(Borelli, 1680),被稱為生物力學(xué)奠基之父Founder of biomechanicsFather,鮑列里,(Borelli, 1685),(Borelli, 1680),杠桿原理測定人體重心,空間位移三種形式：蹬離地面、蹬離介質(zhì)和拉引。,麥布里奇,美國攝影師麥布里奇Edward Muy

7、bridge (1830-1904),“Horse in Motion”,高速攝影先驅(qū)Pioneer in high-speed photography,用24部像機(jī)排成一列，記錄馬奔跑的動作,從1987年第11屆國際生物力學(xué)大會開始設(shè)立麥布里奇“杰出貢獻(xiàn)獎”,馬勒,Among the first to record movement quantitativelyWith high speed filmPneumatic dev

8、ices,(Marey),1882年馬勒Etienne Jules Marey (1838-1904),首先用高速攝影和風(fēng)力裝置來記錄和研究運(yùn)動,(Marey, 1895),馬勒 風(fēng)力（阻力）測量,A pneumatic force platform Ground reaction force (GRF),(Marey, 1895),馬勒測力臺,Lower extremity kinematicsGRF,(Marey, 1895

9、),馬勒高速攝影，影片測量,步態(tài) Walking,下肢運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)合測力臺數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。,In jumping, simultaneous recordingGRF Displacement,(Marey, 1895),馬勒,縱跳研究中同時(shí)記錄測力臺和位移數(shù)據(jù),(Marey, 1895),馬勒 測量鳥飛行數(shù)據(jù),布拉溫和菲舍餌,20世紀(jì)初德國學(xué)者布拉溫和菲舍餌用解剖尸體的方法測定人體各部分的重量和重心,再根據(jù)速度、加速度計(jì)算人體

10、運(yùn)動的力。,謝琴諾夫等,蘇聯(lián)運(yùn)動生物力學(xué)的奠基人謝琴諾夫等建立神 經(jīng)肌肉控制的理論。,人體運(yùn)動通過大腦控制，和運(yùn)動感覺神經(jīng) 的反 饋，來修正完成動作。,希爾,Muscular forceHill equation: force-velocity,希爾A.V. Hill (1920s - 1930s),用離體青蛙縫匠肌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究并推導(dǎo)肌肉力量計(jì)算方程，著名的Hill方程，獲得諾貝爾獎。,v = b(F0 - F)/(F+a),

11、國際會議,1967年在瑞士召開第一次國際生物力學(xué)研討會，以后每兩年一次。,1973年成立了國際生物力學(xué)學(xué)會。,我國1980年成立中國體育科學(xué)學(xué)會，同時(shí)成立運(yùn)動生物力學(xué)學(xué)會。,第二章 人體運(yùn)動實(shí)用力學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 人體運(yùn)動的運(yùn)動學(xué),如物體運(yùn)動的軌跡、路程、位移所描述的即空間特性。物體運(yùn)動的先后次序，延續(xù)時(shí)間等特點(diǎn)謂時(shí)間特性。,即近似地看成質(zhì)點(diǎn)或剛體多剛體系統(tǒng)。,任何物體的機(jī)械運(yùn)動都是在一定的空間和時(shí)間中進(jìn)行的。人體和器械的運(yùn)動也不例外

12、。,運(yùn)動學(xué)特征：,人體和器械進(jìn)行簡化處理：,一、運(yùn)動的相對性及參考系,（一）運(yùn)動的相對性,（二）參考系與坐標(biāo)系,描述物體運(yùn)動時(shí)選作為參考的物體或物體群叫做參考系,跑常取地面為參考系；體操運(yùn)動把體操器械作為參考系；為了拍攝記錄動作，設(shè)置桿作為參考系；人體某環(huán)節(jié)的運(yùn)動時(shí)，多選用人體總重心或鄰近環(huán)節(jié)作為參考系。,直角坐標(biāo)系分一維、二維、三維三種。,慣性參考系：,把相對于地球靜止的物體或相對于地球做勻速直線運(yùn)動的物體作為參考標(biāo)準(zhǔn)的參考系叫慣性參

13、考系。,非慣性參考系：,把相對于地球作變速運(yùn)動的物體作為變速運(yùn)動的物體作為參考標(biāo)準(zhǔn)的參考系叫非慣性參考系。,二、人體運(yùn)動的形式和基本概念,（一）   軌跡·路程·位移,1.     軌跡：即質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的路徑,2. 路程·位移,路程 ：質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡的全長。 路程只有數(shù)值的大小，沒有方向，是標(biāo)量。,位移：其大

14、小等于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的始點(diǎn)到終點(diǎn)的直線距離， 其方向由始點(diǎn)指向終點(diǎn)，是矢量。,路程和位移是用來描述物體運(yùn)動范圍的。,（二）   人體運(yùn)動的形式,（2）曲線運(yùn)動 1》圓周運(yùn)動 2》斜拋物體運(yùn)動,按質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡可分為：1、 直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動,（1）直線運(yùn)動 1》勻速直線運(yùn)動 2》變速直線運(yùn)動,按機(jī)械運(yùn)動形式

15、可分為：2、平動·轉(zhuǎn)動和復(fù)合運(yùn)動,在運(yùn)動過程中，如果物體上各點(diǎn)都繞同一直線（即轉(zhuǎn)軸）做圓周運(yùn)動，這種運(yùn)動就叫轉(zhuǎn)動。而 只能簡化成剛體來處理。,如果在運(yùn)動過程中，剛體上任意兩點(diǎn)的連線保持平行，而且長度不變，那么這種運(yùn)動就叫做平動。在研究物體平動時(shí)可以將物體簡化成質(zhì)點(diǎn)處理。,人體的運(yùn)動往往不是單純的平動和轉(zhuǎn)動，絕大 多數(shù)的運(yùn)動包括平動和轉(zhuǎn)動。復(fù)合運(yùn)動分解為重心的平動和轉(zhuǎn)動。,（1）平動：,（2）轉(zhuǎn)動：,（3）復(fù)合運(yùn)動：,

16、三、人體運(yùn)動的速度和加速度,（一）速率和速度,1、速率：速率是路程與通過這段 路程所經(jīng)歷的時(shí)間之比。,2、速度：速度是位移與通過這段 位移所經(jīng)歷的時(shí)間之比。,描述位置變化快慢的物理量，單位“米/秒”,,,ΔS,3、瞬時(shí)速度：物體在某一時(shí)刻或 通過運(yùn)動軌跡上某一點(diǎn)的速度 稱為瞬時(shí)速度，又叫即時(shí)速度。,在體育實(shí)踐中，經(jīng)常提到的初速度、末速

17、度都是瞬時(shí)速度。,（二） 加速度,描述速度變化快慢的物理量，單位“米/秒2”,1.      平均加速度,2.      瞬時(shí)加速度,1.    運(yùn)動的獨(dú)立性原理,若一物體同時(shí)參與幾個(gè)運(yùn)動（稱為分運(yùn)動），則每個(gè)分運(yùn)動不受其它分運(yùn)動的影響。,（三）   運(yùn)動的合成與分解,,,,,小

18、球的垂直（自由落體）運(yùn)動不受水平運(yùn)動的影響。,V,1.       速度矢量的合成和分解,（2）速度的分解,（1）速度的合成,合速度的大小,合速度的方向,,,,,,,,Vx,Vy,X,Y,V,,θ,1.       質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合運(yùn)動,（2）    質(zhì)點(diǎn)速度合成定理,（1）  質(zhì)點(diǎn)的

19、絕對運(yùn)動、相對運(yùn)動和牽連運(yùn)動 的概念。,絕對運(yùn)動： 運(yùn)動著的質(zhì)點(diǎn)（動點(diǎn)）相對于靜參考 系的運(yùn)動，稱為絕對運(yùn)動。,相對運(yùn)動：動點(diǎn)相對于動參考系的運(yùn)動，稱為相 對運(yùn)動。,牽連運(yùn)動：動參考系相對于靜參考系的運(yùn)動，稱 為牽連運(yùn)動。,,（3）質(zhì)點(diǎn)加速度合成定理,當(dāng)人體在轉(zhuǎn)動，而上臂相對于人體作徑向運(yùn)動時(shí)

20、， 就出現(xiàn)科氏加速度。,1、牽連運(yùn)動為平動時(shí) 點(diǎn)的加速度合成。,2、牽連運(yùn)動為轉(zhuǎn)動時(shí) 點(diǎn)的合成定理。,其數(shù)值為角速度 與動點(diǎn)的相對速度 的矢積的二倍,方向由 確定,（四）   運(yùn)動的描述方法,1.       運(yùn)動方程,用數(shù)學(xué)公式（運(yùn)動方程）來描述物體運(yùn)動規(guī)律的一種

21、方式。,勻變速直線運(yùn)動規(guī)律,若質(zhì)點(diǎn)初始時(shí)刻t0=0,且 X0=0,如果是自由落體,V0=0， a=g=9.8米/秒2,豎直上拋運(yùn)動,勻減速直線運(yùn)動,向上為正,例題P33,已知：標(biāo)槍運(yùn)動員 V0=6米/秒， t=0.1秒, X=1.2米 , 求：Vt,解：,=120米/秒2,又根據(jù)公式,得,（米/秒）,答：標(biāo)槍出手速度為18米/秒。,根據(jù)：,例題,跳水運(yùn)動員從10米跳臺垂直入水，人體重心高度距跳臺為0.6米，求重心落到

22、水面的時(shí)間以及人體入水時(shí)的速度。（空氣和水的阻力不計(jì)）。,解：,已知： H=10+0.6=10.6（米）,（秒）,（米/秒）,答：重心落到水面的時(shí)間為1.47秒，入水時(shí)的速 度 為14.4米/秒。,求：Vt,2.       圖象法,（5）       各類曲線的特點(diǎn),描寫運(yùn)動的另一種方法是在坐標(biāo)

23、紙上繪制曲線,（1）       運(yùn)動軌跡曲線,（2）       位移時(shí)間曲線（勻速、變速）,（3）       速度時(shí)間曲線（勻速、勻變速、變速）,（4）       加速度（非勻速）曲線,有直線

24、，曲線之分，直線又有水平傾斜之分，傾斜程度表示變化快慢。,因此，我們可根據(jù)不同項(xiàng)目、不同動作不同 運(yùn)動員的曲線進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析,3.       表格法,表格法就是把待求量及已知量用表格列出。,例如：自由落體,時(shí)刻 t （秒）,下落位置 S （米）,0 0,1

25、 4.9,2 19.6,3 44.1,4 78.4,5

26、 122.5,6 176.4,,,,四、人體和機(jī)械的斜拋運(yùn)動,拋射運(yùn)動泛指物體在獲得一定初速度后進(jìn)入空氣中的運(yùn)動，它受到重力和空氣的作用，按一定軌跡運(yùn)動——具有恒定加速度的平面曲線運(yùn)動。,根據(jù)初速度的方向，可分為 上、下、斜上、斜下拋。,體育運(yùn)動中拋物線運(yùn)動相當(dāng)普遍。,（一） 斜拋運(yùn)動的基本公式,在X和Y方向上，物體在任一時(shí)刻的速度為,沿豎直方向（沿Y軸）的

27、位移公式,沿水平方向（沿X軸）的位移公式,,,,,,,,,,,,,,,X,Y,V0,V0x,V0y,V,Vx,Vy,,H,0,θ,（二）   體育運(yùn)動中常見的斜上拋運(yùn)動,1.      拋點(diǎn)與落點(diǎn)在同一水平面上的斜上拋運(yùn)動,因?yàn)椋篩=0，,速度同基本公式,X=S,常常需要討論以下幾個(gè)問題：,（3）    水平射程S：指

28、拋點(diǎn)到落點(diǎn)的水平位移,（1）    全程飛行時(shí)間T：,最高點(diǎn)Vy=0,上拋、下落時(shí)間相等,（2）   最大高度H：,指拋體在豎直方向上達(dá)到的最大高度，他等于在t時(shí)間內(nèi)的豎直位移,例題：,設(shè)足球運(yùn)動員用20米/秒的初速度，向與水平面成30°角的方向，將足球從地面踢出，求足球可能達(dá)到的最大高度，以及在空間飛行的時(shí)間和飛行的最大距離？,解：已知 V0=20米/秒

29、 θ = 300 g=10米/秒2,足球向上的初速度為：,V0y=V0sin30o=20×0.5=10米/秒,上升最大高度：,H=V0y2/2g=102/2×10=5（米）,上升最大高度的時(shí)間：,t=V0y/g=10/10=1（秒）,空中飛行總時(shí)間：,T=2t=2×1=2（秒）,水平方向的速度為：,V0x=V0cos30o=20×0.866=17.32(米/秒）,球的最大飛行距離：,

30、S=V0xT=17.32×2=34.64（米）,答: (略),拋射點(diǎn)高于落點(diǎn)的斜上拋,出手高度不同，初速度不同的情況下，最佳拋射角度是不同的。最佳拋射角度不應(yīng)是指某一特定的角度。,如：鉛球投擲，有最佳角問題,拋點(diǎn)與落點(diǎn)不在同一水平面上的斜上拋運(yùn)動,五、運(yùn)動學(xué)量的特性,（一）   瞬時(shí)性（二）   矢量性（三）   相對性（四）   獨(dú)立性,第

31、二節(jié) 人體運(yùn)動的動力學(xué),在運(yùn)動技術(shù)研究中，不僅需要掌握各種動作在時(shí)間、空間上所表現(xiàn)出來的差異特征，而且更需要了解產(chǎn)生這些差異的內(nèi)在原因。,一、人體運(yùn)動中的力,如果把人體看成一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)，那么來自人體 外界作用于人體的力稱為人體外力。,（一）   力的概念,力是物體間的相互作用，力的作用離不開物體。,力的作用可使物體產(chǎn)生加速度和產(chǎn)生形變。,力的三要素：力具有方向性，線段的長度代表力的大小，線段的起點(diǎn)代表力的

32、作用點(diǎn)。,（二）  人體運(yùn)動的內(nèi)力和外力,若將人體看作一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)，那么，人體內(nèi)部各 部分相互作用的力稱為人體內(nèi)力。,（三）人體在運(yùn)動中所受到的外力,相互接觸的兩物體，在接觸面上發(fā)生的阻礙相對運(yùn) 動或相對運(yùn)動趨勢的相互作用力，稱為摩擦力。,1.重力,重力是指地球上的物體所受到的地球引力。,G=mg,重力是一個(gè)質(zhì)量力，它均勻地分布作用在物體的質(zhì)量上。,重力的大小也叫重量。物理學(xué)中，重量與質(zhì)量是

33、 兩個(gè)不同的概念。兩者的關(guān)系是：,2.摩擦力,摩擦力分為靜摩擦力、滑動摩擦力和滾動摩擦力。,（2）滑動摩擦力：,（1）靜摩擦力：,相互接觸的二物體有相對滑動趨勢，而又保持相對靜止時(shí)，在接觸面上產(chǎn)生阻止其出現(xiàn)相對滑動的力，稱為靜摩擦力。,當(dāng)兩個(gè)物體相互接觸并發(fā)生相對滑動時(shí)，二物體的接觸面上產(chǎn)生阻礙物體相對滑動的力，稱為滑動摩擦力。,受N和µ的影響,0≤fs≤fm,（3）滾動摩擦力：,當(dāng)物體沿著接觸面滾動時(shí)，所產(chǎn)生的阻礙滾動的力稱

34、滾動摩擦力。 F=W·k/R,,,,,,,W,R,F,,K：滾動摩擦系數(shù)R：半徑W：重量,勢壘,體育運(yùn)動中的應(yīng)用（釘鞋、鎂粉、潤滑油等）。人類之所以能行走、能跑，靠得是鞋底與地面之的摩擦力?？梢哉f沒有摩擦力人寸步難行。,3.彈性力,發(fā)生形變的物體，要恢復(fù)原來的形狀而作用在與它相接觸的物體上的力，叫做彈性力。,以物體發(fā)生形變?yōu)橄葲Q條件。,產(chǎn)生的彈性力可作用在人體上，加大人體運(yùn)動的速度或動作幅度,虎克定律,K為屈

35、強(qiáng)系數(shù)，單位 “牛噸/米”；彈力的方向與形變方向相反。,二、牛頓運(yùn)動定律及其應(yīng)用,（一）   定義,如舉重，動作中途停頓， 則會加大動作的難度，甚 至?xí)?dǎo)致動作的失敗。,任何物體，在不受力作用時(shí)，都保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速 直線運(yùn)動狀態(tài)。這就是牛頓第一定律。,保持一定的速度比改變速度要容易、省力的多，,特別注意動作的連貫性，盡可能避免平凡地改變運(yùn) 動速度，以減少不必要的負(fù)荷。,（二

36、）   牛頓第二運(yùn)動定律及其應(yīng)用,當(dāng)一個(gè)物體受到的合外力不為零時(shí)，物體運(yùn)動的加速度與合外力成正比，與其質(zhì)量成反比，加速度的方向與合外力的方向一致。,用公式表示為：,力的單位：牛頓,注意：對質(zhì)點(diǎn)， 方向性，,1（N）=1（kg） ×1（m/s2）,1（公斤力）=9。8（牛頓）,例題1：,某滑冰運(yùn)動員質(zhì)量為50公斤，當(dāng)不用力后，在20秒內(nèi)滑行了32米停下（假設(shè)作勻速減速運(yùn)動），求他在停下來的過程中，受到的平均阻

37、力為多少？,解：∵,∴ V0=2S/t=3.2(m/s),F=ma=50×(-0.16)=-8(N),Vt=0,答：略,已知：m=50kg；t=20s；s=32m,求：F,（一）牛頓第三運(yùn)動定律及其應(yīng)用,（4） 作用力與反作用力等值反向，沿同一直線這一規(guī)律， 不受相互作用的兩物體的運(yùn)動狀態(tài)的影響。,若物體A對物體B作用一力FAB，則物體B同時(shí)以力FBA反作用物體A，兩力的大小相等，方向相反，并在

38、同一直線上，即 FAB=-FBA,1.       正確理解和應(yīng)用牛頓第三定律應(yīng)注意的幾點(diǎn),（1）   作用力和反作用力分別作用在不同的物體上， 分別產(chǎn)生各自的效應(yīng)。,（2）   作用力和反作用力互為存在條件。,（3）   作用力和反作用力必是同種性質(zhì)的力

39、。,2.   第三運(yùn)動定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用,最重要的是提高肌肉收縮速度和力量，以加大蹬地力從而得到一個(gè)更大的反作用力，使人體運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化。,創(chuàng)造良好的作用條件,鞋釘、起跑器,（四）牛頓運(yùn)動定律在體育運(yùn)動中的應(yīng)用實(shí)例,,1.  向心力與離心力,公式,Fn=man=mV2/r,其中：an=V2/r 是向心加速度,圓周運(yùn)動速度方向沿切線不斷變化。,鏈球，正確解釋是，松手后鏈球不再受向心力的作用，

40、 因慣性的緣故沿切線方向飛出去。,單杠，為約束物對人體施加的向心力，是由于單杠的形變而產(chǎn)生的彈性力。,2.       支撐反作用力,在原地縱跳中，下蹲和蹬伸的過程，動態(tài)支撐反作用力是不斷變化的,靜態(tài)支撐反作用力,動態(tài)支撐反作用力,三、動量定理、動量守衡定律及其應(yīng)用,F為常量。沖量的單位為“牛頓·米/秒”,（一）   動量和沖

41、量,1.  動量,力學(xué)上就定義速度與質(zhì)量的乘積作為物體運(yùn)動量的量度，稱為動量。,動量是矢量，其方向與速度方向一致，單位為“千克·米/秒”（kg·m/s）。,2. 沖量,在力學(xué)中，將作用于物體上的外力與外力的作用時(shí)間的乘積，定義為力的沖量：,（二）   動量定理,物體在運(yùn)動過程中，在某段時(shí)間內(nèi)動量的改變量△K等 于所受合外力在這段時(shí)間內(nèi)的沖量I。即： △K=I,由 F=ma

42、 得：,即：,動量定理具有矢量性：,例題1：,質(zhì)量為0.3千克的棒球，以10米/秒的速度朝向運(yùn)動員飛來。被棒打擊后以15米/秒的速度反向運(yùn)動，設(shè)棒與球的接觸時(shí)間為0.001秒，求：（a）棒給球的沖量；（b）球所受的平均沖力。,解：,F △t= m Vt-m V0,=0.3× (-15-10),=-7.5（公斤·米/秒）,答? ?,F=7.5/0.001=7500（牛頓）,已知：m＝0.3kg；V0＝10m/s；V

43、t＝15m/s； △t＝0.001s,求： F △t； F,（三） 動量定理在體育運(yùn)動中的應(yīng)用,運(yùn)用動量定理還可以計(jì)算人體運(yùn)動中的一些力學(xué)參數(shù)。用測力臺測出踏跳力隨時(shí)間的變化曲線，就可以求出人體所受的沖量。,在投擲項(xiàng)目中，為了增加器械的出手速度，即增加器械 的 出手動量，應(yīng)增加在最后用力階段對器械的沖量。,正確的作法是，在保證發(fā)揮肌肉最大用力的同時(shí)，通過 延長力的作用距離來延長作用時(shí)間。要求在最后用力前 使身體盡可

44、能超越器械。,若要減少對人體的沖力，就得延長作用的時(shí)間，各種 落地緩沖動作就是典型的例子。,（四）   動量守衡定律及其應(yīng)用,任何物體系統(tǒng)在不受外力作用或所受外力和為零時(shí)，其總動量保持不變。,設(shè)質(zhì)量分別為m1,m2的兩個(gè)小球，在極光滑的玻璃槽中（摩擦力小到可忽略不計(jì)），沿同一直線作同方向運(yùn)動。初速度分別為V1，V2 ，如兩球發(fā)生碰撞，碰撞時(shí)間為△t，碰撞后速度分別為U1,U2(圖2-37）。在整個(gè)過程中，兩球

45、所受合外力為零。,mV2-mV1=0 即： mV2=mV1=常數(shù),F1△t=m1U1-m1V1,F2△t=m2U2-m2V2,∵F1= - F2,∴m1U1-m1V1= - (m2U2-m2V2),m1U1+m2U2 = m1V1 +m2V2,,,,,,V1,V2,m1,m2,系統(tǒng)所受的合外力為零，則系統(tǒng)的總動量保持不變。系統(tǒng)的內(nèi)力只能使動量在系統(tǒng)內(nèi)部個(gè)物體之間傳遞轉(zhuǎn)移。某環(huán)節(jié)動量的改變量傳遞到其它環(huán)節(jié)。,排球扣球、,鞭打動作、,振

46、浪動作等,四、人體運(yùn)動中的功能關(guān)系,正功和負(fù)功是外力對物體做功，還是物體克服阻力做，功沒有方向。,功的大小等于力與物體沿力的方向所發(fā)生的位移乘積。,,,,,,,,,α,F,W= F S cosα,功只有大小沒有方向是標(biāo)量。,功的單位是“焦耳” 1焦耳（J）=1牛頓·米（N · m）,功率：反映做功快慢的物理量。,平均功率:,瞬時(shí)功率：,功率的單位為“瓦特” 1瓦特=1焦?fàn)?秒,例題,一舉重運(yùn)動員

47、以150公斤的力將100公斤的杠鈴舉起，杠鈴的垂直位移為2米，求杠鈴受合力所做的功？,解：先算正功，再算負(fù)功，然后求和。,正功： W正=150×9.8×2=2040（J）,負(fù)功： W負(fù)=100×9.8×2=1960（J）,合力所做的功,W合 = W正 －W負(fù)=2040 – 1960 = 980（J）,答：,已知：,求：,機(jī)械能,1、動能,平動動能,轉(zhuǎn)動動能,2、勢能,重力勢能,彈性勢能,能量是

48、標(biāo)量，單位與功的單位相同為：“焦?fàn)枴?功能原理,質(zhì)量為 m 的物體在恒力 F 的作用下，在光滑的桌面移動一段距離 S 后，速度由 V0 逐漸增大到 V,根據(jù) 牛頓第二定律：F=ma,勻加速直線運(yùn)動定律 Vt2-V02=2as 即：,把F、S代入功的公式得：,∴,力對物體所做的功等于物體動能的增量。,機(jī)械能守恒和轉(zhuǎn)化定律,如果系統(tǒng)只有保守力（重力、彈性力）的作用，其它合外力為零，則系統(tǒng)總機(jī)械能保持不變。,即：E2-E1=0

49、 E2=E1,或：,例如 單杠大回環(huán)，重心軌跡是圓，半徑為R，求最低點(diǎn)的速度。（不考慮單杠彈性、磨擦力、空氣阻力）,解：由機(jī)械能守恒公式得：,答：,第三節(jié)       人體運(yùn)動的靜力學(xué),靜力學(xué)是研究物體系在外力作用下處于平衡狀態(tài)的性質(zhì)和行為的力學(xué)分支。,一、人體平衡,（1）力矩的概念 力矩亦稱“轉(zhuǎn)矩”（力對點(diǎn)之矩）。表示力對物體作用時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效果

50、的物理量。,（一）   平衡動作的定量分析,,,,,,,,,r,F,0,d,p,,θ,,,Z,M0= F·d = F r sinθ,力矩是力F與0點(diǎn)到力作用線垂距的乘積。,1.力矩、力偶和力偶矩,從轉(zhuǎn)軸的正面看去，力矩使物體轉(zhuǎn)動逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。,只有與軸既不平行也不相交的力才能使物體轉(zhuǎn)動，而且起作用的僅是在垂直轉(zhuǎn)軸平面內(nèi)的分力,,,,,,,,,,,,z,o,f,f1,f2,（2） 

51、;力偶和力偶矩的概念,大小相等、方向相反、作用線相互平行但不重合的兩個(gè)力作用在物體上，物體同樣會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，這一對力稱為力偶。,F,,,,,F,d,M = ±F d,逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。,力和力偶臂的乘積為力偶矩；,2.受力分析,在研究人體或器械的平衡問題時(shí)，首先要對研究的對象進(jìn)行受力分析，即確定研究對象受到哪些力的作用，力的作用點(diǎn)和方向等。,,,,,T,N,G,肋木側(cè)平衡,吊環(huán)十字支撐,受力分析,3、力的平移定理,可以把力

52、平移到重心上，并且不改變對身體的作用效果，但必須附加上一個(gè)力偶，此力偶等于原力對重心之矩。這種分析方法也叫力向重心簡化。,在分析運(yùn)動時(shí)，往往需要了解力對整個(gè)人體的作用情況，通常把力平移到重心上加以分析。,d,跳遠(yuǎn)起跳,跳馬推手動作分析時(shí)力向重心的簡化。,,,M=F d,4、平衡的力學(xué)條件,當(dāng)物體保持平衡時(shí)，作用在物體上的一切外力相互平衡，也就是物體所受合外力為零，所受合外力矩為零。,“燕式”平衡,保護(hù)帶,5、力系的簡化和平衡,（1）共線

53、力系的簡化和平衡,（2）平面匯交力系的簡化和平衡,（3）共面平行力系的簡化和平衡,例題：P99,體重為G1的舉重運(yùn)動員將重G2的杠鈴放置在足支點(diǎn)前a處的肩上，求足支點(diǎn)的反作用力R和重力作用線間的垂直距離b,解：本題屬平面平行力系問題，可由平衡方程求解。,由,得：,R－G1－G2= 0,G2=R－G1,R a－G1(a+b) = 0,由,得：,即：,,,,,,,G2,G1,R,a,b,（4）共面一般力系的簡化和平衡,合力和合力偶(主矢和主

54、矩）：,非平衡共面一般力系的簡化結(jié)果是一個(gè)合力和一個(gè)合力偶。,共面一般力系平衡時(shí)，三種形式：,A、B、C 是平面內(nèi)任意三點(diǎn)（不共線）。,例題：田經(jīng)運(yùn)動員后蹬中受力情況,5、下支撐靜力性動作穩(wěn)定性的判定,（3）穩(wěn)定角：所謂穩(wěn)定角就是重心 垂直投影線（或稱重 力線）和重力至支撐面邊緣相應(yīng)點(diǎn)的連線間的夾角。穩(wěn)定角愈大，

55、物體的穩(wěn)定程度愈大，即物體在某方位上平衡穩(wěn)定性的儲備能力愈大。,（1）支撐面：在下支撐物體的平衡中，都有一定的支撐面。 支撐面愈大，總的來講物體平衡的穩(wěn)定性也 愈大。,（2）重心的高低：重心愈低，穩(wěn)定性就愈大。,（4）平衡角,一個(gè)物體是否失去平衡，取決于該物體重心

56、垂直投影線是否落在支撐面內(nèi)。,平衡角等于某方位平面上穩(wěn)定角的總和。,（5）穩(wěn)定系數(shù),穩(wěn)定系數(shù),當(dāng)K＞1時(shí)，傾倒力矩不能使物體傾倒失去平衡。當(dāng)K＜1時(shí)，傾倒力矩將使物體傾倒,穩(wěn)定系數(shù)就定義為傾斜力開始作用時(shí)穩(wěn)定力矩與傾斜力矩的比值。,所以，決定下支撐平衡穩(wěn)定性的因素為： 穩(wěn)定角（重心高度，支撐面），人體（或物體）的重量。,（二）   平衡動作的定性分析,（3）   混合支撐平衡,1

57、、根據(jù)平衡物體重力與支撐點(diǎn)的位置關(guān)系， 平衡種類可分為：,（1）  上支撐平衡,（2）   下支撐平衡,支撐點(diǎn)在重心上方的平衡，如各種懸垂。,支撐點(diǎn)在重心下方的平衡，如手倒立。,既非完全上支撐，又非完全下支撐的平衡。如肋木側(cè)平衡。,2、平衡物體受到外力作用偏離其平衡位置時(shí)， 根據(jù)物體保持其平衡的可能性分為,（4） 有限度的穩(wěn)定平衡,（三）   人體平衡的特點(diǎn),

58、1、人體不能處于絕對靜止的狀態(tài)（射擊運(yùn)動員）2、人體內(nèi)力在維持平衡中的作用（燕式平衡）3、人體的補(bǔ)償動作4、人體具有自我控制、調(diào)節(jié)和恢復(fù)平衡的能力5、人體的平衡受心理因素的影響6、人體的平衡動作消耗肌肉的生理能,對于人體來說，既要符合剛體的平衡原理，但又具有人體的平衡的生物學(xué)特征。人體是受高級神經(jīng)系統(tǒng)控制的杠桿系統(tǒng)。他不僅可以保持平衡，而且在平衡遭到破壞時(shí)還能恢復(fù)平衡。（走鋼絲）,第四節(jié) 人體運(yùn)動的轉(zhuǎn)動力學(xué),人體各環(huán)節(jié)的運(yùn)動都

59、是繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動。,為了研究人體運(yùn)動的規(guī)律性，必須 在一定條件下將人體當(dāng)作剛體處理。,因而，轉(zhuǎn)動是人體最常見的運(yùn)動，是運(yùn)動生物力學(xué)研究的重要方面。,一、體育運(yùn)動中人體轉(zhuǎn)動動作的類型,（一）   轉(zhuǎn)動軸與轉(zhuǎn)動的類型,可分為：定軸轉(zhuǎn)動和動軸轉(zhuǎn)動。,剛體轉(zhuǎn)動時(shí)，剛體上的各點(diǎn)都做圓周運(yùn)動，形成大小 不等的同心圓，各圓的中心都位于同一直線上，這條 直線叫做轉(zhuǎn)動軸。,定軸轉(zhuǎn)動：繞相對于某參考系固定軸的

60、轉(zhuǎn)動。,動軸轉(zhuǎn)動：相對于某參考系其轉(zhuǎn)動軸的位置方向 是變化的。,（二）   人體轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動軸,習(xí)慣上把體外的轉(zhuǎn)動軸稱為實(shí)體軸，把體內(nèi)的轉(zhuǎn)動軸稱 為非實(shí)體軸。,2．  非實(shí)體軸 非實(shí)體軸是人體局部肢體或整體轉(zhuǎn)動時(shí)所繞的位于人體內(nèi)部的某特定的直線。,1．  實(shí)體軸當(dāng)人體繞固定在地面上的運(yùn)動器械轉(zhuǎn)動時(shí)，器械就是人體轉(zhuǎn)動的實(shí)體軸。例如：體操運(yùn)動員在

61、單杠、雙杠、高低杠上的各種轉(zhuǎn)動，這些器械就是人體轉(zhuǎn)動的實(shí)體軸。,（三）人體轉(zhuǎn)動動作的基本形式,4、無支點(diǎn)無實(shí)體軸的空中多軸向復(fù)合運(yùn) 動,單杠等,冰上旋轉(zhuǎn)，籃球、鐵餅、鏈球的轉(zhuǎn)體等,1、 有支點(diǎn)有實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動,2、有支點(diǎn)無實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動,3、無支點(diǎn)無實(shí)體軸的空中單軸轉(zhuǎn)動,前、后、側(cè)空翻,體操、跳水的空翻轉(zhuǎn)體,二、轉(zhuǎn)動運(yùn)動學(xué),（一）   角位移,在平動運(yùn)動學(xué)中常用的物理量有時(shí)間、位移、速 度、加速度、常稱之

62、為線量。在轉(zhuǎn)動運(yùn)動學(xué)中與 之相對的時(shí)間、角位移、角速度、角加速度，稱 之為角量。,常使用度、弧度、周等作為角位移的單位。,,,,,O,A（t1）,B（t2）,,（二）   角速度和線速度,物體在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度叫角速度。 角速度的單位為：“弧度/秒”。,平均角速度,瞬時(shí)角速度,線速度,（三）   角加速度,角加速度的單位為“弧度/秒2 ”,對運(yùn)動員單杠大回環(huán)的研究

63、表明，各階段的角速度 是變化的，大時(shí)可達(dá)到9.8弧度/秒，小時(shí)為3.4弧度/ 秒。如要深入研究，就必須引進(jìn)描述角速度變化的 物理量——角加速度。,定義角加速度如下： 如果在△T時(shí)間內(nèi)物體轉(zhuǎn)動角速度由ω0，變?yōu)棣兀?則角加速度：,對于勻變速轉(zhuǎn)動,在t0=0時(shí)，物體的角速度為ω0，在時(shí)刻t角速度為ω，角加速度為β，那么有：,由 得：,物體上各點(diǎn)作圓周運(yùn)動的切

64、向加速度 a 與角加速度 β 的關(guān)系,向心加速度與轉(zhuǎn)動角加速度之間的關(guān)系,三、轉(zhuǎn)動動力學(xué),3.對于人體整體的轉(zhuǎn)動，在騰空后是繞人體基本軸的轉(zhuǎn)動。,（一）   形成人體轉(zhuǎn)動的力學(xué)條件,從力學(xué)條件出發(fā)，人體轉(zhuǎn)動的條件是，作用在人體上的外力對某一轉(zhuǎn)軸的力矩的矢量和不為零，,即： ∑M≠0,1.繞實(shí)體軸的轉(zhuǎn)動條件是對該軸的合外力矩不為零,2.局部肢體繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動條件是阻力矩之和不為零。,單軸、雙軸、多軸。,（二） 

65、;  人體的轉(zhuǎn)動慣量,1.轉(zhuǎn)動慣性，,平動物體慣性的大小用物體的質(zhì)量來量度。轉(zhuǎn)動物體同樣也具有慣性。在力學(xué)中，物體轉(zhuǎn)動慣性的大小是用“轉(zhuǎn)動慣量”來描述的。,理論上，對于質(zhì)量為 m 的質(zhì)點(diǎn)，如果它離轉(zhuǎn)軸的垂直距離為 r ，那么這個(gè)質(zhì)點(diǎn)對該轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量,I = m r2,為：,一般物體可視為質(zhì)點(diǎn)的集合，轉(zhuǎn)動慣量為各質(zhì)點(diǎn)對該轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量的總和。,I = m1r12 + m2r22 +‥‥ + mnrn2 = ∑miri2

66、,（三）   局部肢體的轉(zhuǎn)動動作,為增大肢體的轉(zhuǎn)動效果，通常采用以下 途徑：1.增加肌肉對骨杠桿的拉力矩2.減小機(jī)體的轉(zhuǎn)動慣量,（四）   人體整體轉(zhuǎn)動動作,在體育運(yùn)動中，產(chǎn)生和加大人體整體的轉(zhuǎn) 動動作的方法通常有以下三種：1.利用助跑平動時(shí)身體某點(diǎn)的制動2.加大偏心力矩的作用3.利用動量矩的轉(zhuǎn)移加大轉(zhuǎn)動動作的效果,五、人體在無支撐狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動動作,1.肢體的相向運(yùn)動： （1）

67、在跑步中，肩軸同髖軸的相同轉(zhuǎn)動 （2）站在凳子上的人 （3）挺身式跳遠(yuǎn)的空中動作2.空中角速度的改變 騰空狀態(tài)中某些要求角速度變化的動作，可以通過改變轉(zhuǎn)動慣量I來實(shí)現(xiàn),（一）   動量矩守恒定律——騰空狀態(tài)時(shí)人體,轉(zhuǎn)動動作的基本力學(xué)原理,（二）   動量矩守恒定律的應(yīng)用,六、轉(zhuǎn)動作用在體育中的應(yīng)用,當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的球體在空氣飛行時(shí)，由于流體的作用，使球的飛行方向發(fā)生彎曲。,（一）&#

68、160;  定向作用,因此轉(zhuǎn)動體在不受外力矩作用時(shí)，具有保持其轉(zhuǎn) 軸方向不變的這一特性，稱為轉(zhuǎn)動體的定向作用。自行車、鐵餅、射出的高速旋轉(zhuǎn)子彈花樣滑冰的旋轉(zhuǎn)動作,（二）   彎曲作用,（三）   旋轉(zhuǎn)和反彈,1.不旋轉(zhuǎn)球體的反彈：（1）正撞時(shí)（2）斜撞時(shí)2.旋轉(zhuǎn)球體的反彈（1）前旋球體的反彈（2）后旋轉(zhuǎn)體的反彈（3）左、右側(cè)旋球體的反彈,第五章 動作技術(shù)的生物力學(xué)

69、,第二節(jié) 分析研究動作技術(shù)的一般方法,（一）劃分動作技術(shù)的范圍,（二）劃分動作階段 劃分動作階段的依據(jù) 1、肌肉工作形式等解剖學(xué)條件 2、作用力的性質(zhì) 3、動作方向 4、動作的任務(wù)和性質(zhì) 5、人體工作環(huán)境,一、了解動作技術(shù)的一般過程,（三）確定

70、動作技術(shù)的特征畫面,（四）明確各動作階段的相互影響及其作用,二、明確動作技術(shù)所要達(dá)到的目的,三、明確動作技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),四、揭示動作技術(shù)的生物力學(xué)特征,技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)，（美國女排的研究）,吊環(huán)正吊兩周的研究,五、做出結(jié)論,（一）揭示動作技術(shù)的一般測試結(jié)果,（二）揭示生物力學(xué)原理,（三）揭示高水平運(yùn)動員動作技術(shù)的生物力 學(xué)特征,（四）對完成動作技術(shù)做出生物力學(xué)診斷,,,,Edward Muybridge (1830-1

71、904),Pioneer in high-speed photography,“Horse in Motion” 1877年,,,,,,,Movement Analysis,,,,,,理想翼,黑禿鷲在翱翔時(shí)展開的翼,快速滑翔時(shí)的翼,后掠角,,原蟲門，海蝎子,無顎魚,有甲魚,多刺魚,較高等的有骨魚,Osteolepis,有肺魚,軟骨魚,殺人鯨,,生物材料研究,1、人造骨材料金屬—陶瓷—陶瓷包金屬—生物材料—生物降解材料,2、我