运动生物力学

运动生物力学任课教师：李再菊第一章 运动生物力学概论第二章 人体运动实用力学基础第三章 骨、肌肉的力学特性及人体基本活动第四章 人体运动数据采集及处理第五章 动作技术的生物力学第一章 运动生物力学概论二、运动生物力学的任务和内容四、运动生物力学的发展简史 一、运动生物力学的概念三、运动生物力学的指导思想 一、运动生物力学的概念运动生物力学的概念：是以人体的解剖学、人体的生理学、力学的理论与方法，研究人体运动器系的生物力学特性和人体运动动作的力学规律以及器械机械运动力学规律的科学。 最佳运动技术：是考虑个人的身体形态、机能、心理素质和训练水平来应用一般技术原理，已达到最理想的运动成绩。 动作技术原理：指完成某项动作技术的基本规律，它适应于任何人，不考虑运动员的性别、体型、运动素质的发展水平和心理素质的差异，是具有共性特点的一般规律。二、运动生物力学的任务和内容 (一 )运动生物力学的任务有以下几点： 1、研究运动员身体结构和机能的生物力学特征，以生物力学的观点来研究运动器科学官系统、呼吸系统、循环系统和神经系统的结构及身体运动素质的力学特征，并考虑不同年龄、性别训练水平和心理特点来评价其运动能力2、研究各项动作技术，确立动作技术原理，建立动作技术模式指导教学和训练，在体育教学中，讲清楚动作技术原理是非常重要的，要使学生懂得怎样做何为什么要做3、 结合运动员个人的身体形态、机能和运动素质等的特点，研究适合个人的最佳运动技术和进行动作技术诊断，对高水平运动员的动作技术进行生物力学分析，可以总结出共性的一般原理，对各个运动员的动作技术进行诊断，发现其个人的技术特点和存在的问题，提出改进技术的措施。4、探索预防运动创伤和康复手段的力学依据 通过对人体结构和机能的力学研究和对动作技术的生物力学分析，能揭示运动器官的形态结构与机能相一致的关系。 5、 设计和改进运动器械 运动实践中，人体位移或器械的飞行，都是人体育运动场地或器械两物体相互作用的结果(二 )运动生物力学的内容： 1、运动生物力学概论 2、人体运动实用力学基础3、骨、肌肉及人体基本活动的生物力学基础4、人体运动数据采集级处理5、动作技术的生物力学分析三、运动生物力学的指导思想1、发展的观点2、对立统一的观点3、内外力相互作用中内力起主导作用的观点4、低级运动形式受控于高级运动形式的观点。高级运动形式即思维活动。人体的机械运动又表现为两种形式：人体自身发生的形变；相对于其周围的环境而发生的位因此，在研究活体系统的运动时要注意到各种力对生物体所做的功，即消耗于整体的位移，又消耗于自身的形变。这正是我们用生物力学和力学的观点来研究人体运动的可行性与必要性。 运动生物力学发展简史1最早对人和动物运动的力学问题进行研究的是古希腊哲学家和自然科学家阿里士多德2最早提出：大脑 -运动冲动 -神经 -肌肉 -关节运动理论的是意大利著名医生加伦3提出人体运动必须服从力学定律的观点的是：意大利科学家达芬奇。4第一部运动生物力学著作是：意大利医生解剖学家阿鲍列里论动物的运动。5最早采用照相技术对人体运动进行研究的是法国生理学家马勒。6影片分析萌芽是指 1877年美国的麦布里奇第一次用 24架照相机按顺序拍摄了骑马奔跑的连续动作。7首次提出从神经控制论观点来研究人体运动的是苏联的伯恩斯坦。论动物的结构8因对肌肉力学进行分析而获得诺贝尔奖是英国的生理学家希尔。第一章 人体运动实用力学基础第一节 人体运动的运动学 为了方便研究人体的运动，必须对人体进行简化处理，建立人体的简化模型，下面就介绍几种常见的简化模型。一 人体的简化模型(一 )退化模型（可变刚体系）这种模型是把人体的 200多个环节简化为若干个环节， (15个环节 ) ，并把每个环节抽象为刚体（用理想的几何图形的特征代表人体的环节）组成可变刚体系。各个环节都有理想的几何外形，再根据人体环节的几何数据（长、高、宽）和惯性数据（质量、惯量、质心位置）对给出的参数进行数学表达。 形状如图 （二）瘦化模型（可变质点系）当人体各个环节的运动效应不明显时，可以把环节的运动看作一个质点的运动或者说把环节运动看作环节质心的运动，这样，上面的模型可以简化为一个由 15个质点组成的质点系。（三）简单模型（质点）就是把人体看作一个质点，分析人体重心的轨迹。如跳高、跳远就是把人体看作一个质点。条件：人体各环节的运动效应不明显，相对于整个人体整体运动而言可以忽略。（四）随机模型 以观察、统计为基础而建立的数学模型。二 运动的相对性及参考系辩证唯物主义认为运动是绝对的。但是，如何对物体运动进行描述是摆在我们面前的一个问题。（一）运动的相对性我们之所以判断汽车是运动的是因为我们把它跟自己或者路边的树木或建筑物而言，汽车是运动的，这说明运动是绝对的，而不是相对的。运动具有相对性，为此我们对物体的机械运动界定为一个物体相对于另一个物体的位置改变。（二）参考系与坐标系1 、参考系：描述物体运动时选定的参照物体或物体群。惯性参考系：相对于地球静止或作匀速直线运动的参考系；非惯性参考系：相对于地球作变速运动的参考系。2 、 坐标系：在体育运动中常用的坐标系市直角坐标系。这种坐标系通常有三种：一维坐标：描述直线运动；二维坐标：描述平面运动；三维坐标：描述空间运动。三 人体运动的基本概念和运动形式（一）轨迹、路程、位移1、轨迹：质点运动的路径。例：百米跑中，人体总质心的轨迹是一条直线；跳远时人体总质心的轨迹为抛物线。2、路程、位移路程为标量；位移为矢量。（二）人体的运动形式关于人体运动的运动形式有两种划分方法：1、把人体简化为质点按质点运动轨迹分为直线运动和曲线运动； 2、把人简化为刚体，按机械运动的形式分为平动、转动和复合运动1、直线运动和曲线运动匀速直线运动1直线运动 匀变速直线运动变速直线运动非匀变速直线运动圆周运动 (轨迹是一个圆 )2曲线运动 斜抛体运动：轨迹为抛物线2、平动、转动、复合运动1平动：刚体上任一两点的连线保持平行而且长度不变的运动。包括直线平动和曲线平动直线平动 曲线平动 2转动：运动过程中，物体上各点都绕同一条直线（即转轴）做圆周运动。3复合运动：平动和转动相结合的运动。在研究中，通常将复合运动分解为平动和转动两部分分别讨论。四 人体的速度和加速度（一） 速率、速度1、速率和速度都是用来描述物体运动快慢的物理量。速率是标量； 速度是矢量。2、瞬时速度：是物体某一时刻或通过运动轨迹上某一点的速度，又叫即时速度。在我们对运动技术进行生物力学分析时，往往关心的就是瞬时速度和瞬时速率，例如在投掷项目中器械的出手速度，瞬时速度的计算方法为：逐渐逼近法和极限分割法。为了描述运动员的速度变化特点，通常采用的分段测量运动员的平均速度，如：把 100米分为 10段、 20段、 100段、 1000段 每段为 10米、 5米、 1米、 0.1米 每段长度愈短求出的平均速度越接近瞬时速度，当时间间隔 t接近 0时，平均速度就等于瞬时速度。（二）加速度速度只是研究描述物体运动快慢的物理量，而速度的变化应用加速度来描述。加速度瞬时加速度：和求瞬时速度的方法一样又叫加速度平均加速度： a 恒定不变 为匀变速直线运动（三）运动的合成与分解如果我们在研究物体的运动时，遇到比较复杂的情况如物体的复合运动，应该怎么处理？ 为什么我们可以对运动进行合成与分解呢？ 这是因为物体的运动遵循一定的原理。1 、 运动的独立性原理又称为运动的叠加原理。内容：若一个物体同时参与几个运动（称为分运动）则每一个分运动不受其他分运动的影响。物体的运动是由各个彼此独立分运动叠加而成的，举例说明（略）。这是物体运动合成与分解的理论基础。常用的方法是平行四边形法则和直角坐标法。对运动合成与分解一般是速度的合成与分解。2、 速度矢量的合成与分解1) 速度的合成：已知两分运动的速度（分运动），求合运动的速度。2) 速度的分解 速度的分解同样遵循平行四边形原则，即以合速度为对角线作平行四边形而的分速度。一般采用正交分解法，即把合速度分解为竖直方向和水平分量。不仅速度可以进行合成与分解，任何矢量都可以进行合成与分解，且遵循平行四边形原则。在体育运动中，人体运动是非常复杂的。3、质点的复合运动（ 1）质点的绝对运动：运动着的质点（动点）相对于静参考系的运动；（ 2）质点的相对运动：运动着的质点（动点）相对于动参考系的运动；（ 3）质点的牵连运动：动参考系相对于静参考系的运动。 举例：篮球行进间投篮：篮球相对于人的运动是相对的；篮球相对于地面的运动是绝对运动；人相对于地面的运动是牵连运动。绝对运动、相对运动、牵连运动的关系可以如下表示：动点相对运动 绝对运动动系 牵连运动 静点（四）运动的描述方法在运动生物力学，对运动的描述采用运动方程、图象法和表格法。1、运动方程运动方程是人们根据对物体的研究加以总结，用数学公式（运动方程）来描述物体运动规律的一种公式。如匀速直线运动公式就能描述作匀速运动的特殊规律，而自由落体公式，描述物体以每 9.8米 /秒 2 加速度作匀加速运动的特殊规律。2、图像法： 1运动轨迹曲线 2位移时间曲线 3速度时间曲线 4加速度（非匀变速）曲线3、表格法四 人体和器械的斜抛运动自由落体和竖直上抛都是抛体运动的特例，实际上在体育运动中最常见的是斜抛体运动（一）斜抛体运动的基本公式设抛体的抛射出初速度为 V0 ,与水平面成 角。以抛射点为坐标原点建立坐标系，如图所示：Y 沿竖直方向（沿 Y轴）的位移公式：V0y V0 Y= V0sint1/2gt2V0 y H X= V0cost V 0x= V0cosX V0y =V0sin- gt由以上四个运动方程，我们可以计算出抛物线运动的抛射距离、高度和飞行时间等参数。 （二）体育运动中常见的斜上抛运动 (P193页 )1、抛点与落点在同一水平面上的斜上抛运动。例如足球中发球门球。根据抛射体运动的基本公式，它的运动方程为：因为此时Y=0,X=S(水平位移值 )得：0 = V0sint1/2gt 2S = V0cost速度分量公式： V0x = V0cosV0y = V0sin- gt2、 抛点高于落点的斜上抛运动设抛点比落点高 h ， 如图所示：首先，把抛点取为坐标原点，建立直角坐标系。（ 1）全程飞行时间 T（ 即腾空时间）T = t1 + t2 t1为上升到最高点 D所需要时间： t1 = V0sin/gt2 为由最高点 D下落到落点 C所需时间，这个过程在竖直属于自由落体运动，下落的总位置为 H+h， 由自由落体运动方程：S = gt2/2 可得 H+h = gt22/2即下落的时间 t2 = 2(H+h)/gH = gt12/2 H = V02sin2/2g将 H = V02sin2/2g 代入 t2 = 2(H+h)/gt2 = (V 02sin2+2gh)/g 2故全程飞行时间 ： T = t1 + t2T =（ V0sin+ V 02sin2+2gh ） /gS1 =（ V02sin cos+ V 0cos V 02sin2+2gh ） /g水平距离 : S1 = V0cosT 实践距离： Sm = S1 + S2 （ S2