第二章、运动生物力学教案1

1、运动生物力学教案班 次上课日期节 次上课时数累计时数教学场所09体教1班2011年9月8日3-42课时18课时12-40909体教2班2011年9月9日3-42课时18课时13-207授课内容第二章 人体惯性参数 运动学参数 教学目标使学生明确运动生物力学参数的特征量及特性。掌握人体惯性参数、运动学参数、的基本特性以及各类参数的采集方法。教学重点转动惯量的概念、公式以及其在运动中的应用教学难点运动学参数的采集教学方法讲授教学法：采用提问的方式对上节课的内容进行回顾，对本堂课进行启发式教学，讲解中展开相关内容，补充有关材料，通过语言向学生系统连贯地传授知识、技能，发展学生智力。讨论教学法：在教师

2、指导下，让学生独立地阅读教材、收集资料，并进行群体性的讨论。讨论教学法以学生自己的活动为中心，可以激发学生对知识的探讨以及对学习的兴趣，达到师生互动。案例教学法：教师通过对教材中的典型事例进行分析，使学生掌握科学知识和科学方法。课前复习、提问班级学生姓名题 目09体教1班杨亚辉运动生物力学的发展前景？09体教2班景洁涛在海拔高的地方举办奥运会，对哪些项目有影响？09体教2班邝鹏飞为什么体操运动员会选择身材比较矮小的？ 教学内容：l 教学常规：师生问好、登记考勤等l 导入部分：复习：运动生物力学概念、运动生物力学学科概述；提问问题：运动生物力 学的发展前景？ 宣布本节课内容，提出问题：大家知不知

3、道自己的头有多重？讨论：怎么才能知道自己的头的重量？引发学生兴趣。 举例解决学生问题，引出本节课知识点（古代一科学家，最早用六具冰冻的男尸研究人体，他把男尸的头全部割下来，放在体重计上称重量，这就是最早的运动生物力学研究。现在科学家已经推算出人的头占体重的百分比，所以要想知道头的重量，只需要用体重乘以这个百分数）；然后以火亮运动为例，说明无论是重量，还是时间，力等等，都是我们今天要讲的运动参数。l 主要部分：第一节.人体惯性数参数 一、 人体惯性参数特征（一）人体惯性参数特征量 1. 质量(m)：衡量物体平动惯性大小的物理量，是恒量、是标量。 绝对质量 人体各环节的质量叫做各环节的绝对质量。

4、例 相对质量=绝对质量/人体质量。例 ² 提问：姚明为什么在运动场上显得比较笨拙？（质量越大的物体，惯性越大，静止的时候不容易启动，运动的时候不容易停下来）² 讨论：体操运动员程菲的上肢相对质量大，还是篮球运动员姚明的上肢的相对质量大？ 2. 重量(G) 环节绝对重量：人体环节的重量称为环节绝对重量; 环节相对重量：环节绝对重量与人体总重量之比叫做环节相对重量例 重量与质量的关系：G=m*g(重力加速度）提问：在海拔高的地方举办奥运会，对哪些项目有影响？（海拔越高，重量加速度越下，地球对人体的吸引力越小，对于跳高，跳远的项目来说，容易取得好成绩，所以墨西哥奥运会上，有很多成

5、绩打破世界记录。）3人体质心（重心） 人体总质心：人体整体质量分布的中心。 人体重心：人体各环节所受地球引力的合力作用点。² 质心和重心物理意义不同，计算结果一致。 纵长环节的质心（重心）大致位于纵轴上，靠近近侧端关节。 4环节质心（重心）位置 环节质心（重心）半径系数:即近侧端关节中心至环节质心（重心）的距离与环节长度的比值。 5. 转动惯量(I) 衡量物体（人体）转动惯性大小的物理量。 设物体（人体）转动部分由n个微小质量mi构成，微小质量距转轴的距离分别为xi。质量是衡量平动物体惯性大小的物理量，转动惯量是衡量转动惯性大小的物理量。² 思考：质量大小与平动的关系？转动

6、惯性大小与转动的关系？n 转动惯量的影响因素：例 1. 质量分布对转动惯量的影响： 讨论：为什么体操运动员会选择身材比较矮小的？怎么区分生鸡蛋和熟鸡蛋？2. 转动轴对转动惯量的影响：例 转动轴的位置不同，转动半径R也不同。转动位置越远离转轴，转动惯量I越大。链球链球对转动轴的转动半径大，（转动惯量）大，转动困难。（提问：为什么链球旋转起来比较困难）引申：1.空翻类运动项目的运动员身高普遍较矮，转动惯量就小，容易转动,所以体操运动员人矮小。 2.空翻类动作难度的判定与运动员的动作姿势有关，直体难于屈体；屈体难于团身。6. 回转半径（转动半径R） 假设绕某转动轴转动的物体全部集中在离轴某一距离的一

7、点上，用这一点来代表整个物体的质量，这时它的转动惯量如果恰好与原物体相对此轴的转动惯量相等，则称这个距离为回转半径（R），也叫转动半径，用公式表示为：（二）人体惯性参数的标准化（环节的划分方法）人体环节包括头、躯干、四肢等。由于这些环节在人体运动过程中相互间位置不断的调整和改变，会直接影响环节质心和人体质心的位置，因此确定环节的划分方法十分重要。 环节划分方法有两种：一种是以人体的结构功能为依据，分割环节的切面通过关节转动中心，并以关节中心间的连线作为环节的长度；另一种是以人体体表骨性标志点作为划分环节的参考标志，并以此确定环节长度。² 第一种符合运动规律，但在人体测量时不易准确确定

8、划分点；而后一种划分方法尽管易于测量，但不如前者能更好地满足运动生物力学研究的基本要求。（三）人体惯性参数的特性1. 人体重心位置 影响因素有6个：² 性别：女子重心的相对高度比男子低0.5%-2%。（女子下身比较肥胖）例 ² 年龄：随着年龄的增长相对重心高度会下降（讨论：一岁左右的孩子为什么容易摔倒？下肢力量薄弱，重心比较高）例 ² 运动专项对人体重心产生影响：滑冰、足球和短跑等下肢肌肉肥厚运动员的相对重心位置较低，而体操、游泳、赛艇等上肢肌肉肥厚运动员的相对重心位置较高。 讨论：篮球运动员的相对重心位置较高吗？² 体型：人体肌肉和骨骼的发达程度以及脂

9、肪积蓄 程度，都影响人体整体的质量分布。² 姿势：当环节向某方向运动时，身体重心随之向该方向移动，在某些情况下，特别是当前屈后仰时，身体总重心甚至移出体外。² 生理与心理：由于人体在变换姿势或心理紧张时，内脏器官及其肌肉质量的位移、血液的重新分布等原因，使得人体总重心的位置不会固定不变。但是，这种变化是很小的，一般不会超过身高的1%。2. 人体转动惯量特点 具有可变性、瞬时性 人体转动惯量会随着各环节的质量及其在空间分布情况和转轴位置的变化而变化。（可变性） 利用人体转动惯量的可变性，可以通过变换转动轴或通过改变姿势来改变转动惯量，以完成各种动作。例如：跳水 对人体某一姿势

10、转动惯量的计算和测量，只能说明某一瞬间的情况。（瞬时性）二、人体惯性参数模型（一）人体惯性参数测量方法 主要分三类：尸体测量法，活体测量法，数学模型计算法。 1. 尸体测量法 测量方法采用称重法和悬挂法（如右图）。样本数量少，加之切割技术的复杂、方法不统一，因而所得到的结果在推广时必然会受到限制。2活体研究 活体研究的传统方法有：水浸法、称重法、数学模型法、放射性同位素法、CT 法、MRI（核磁共振）法等许多新的研究方法。 (1)水浸法 根据阿基米德原理， 优点是：简单易行，费用少 缺点是：误差较大，精度不够(2)称重法（平衡板法） 利用力矩平衡方程 简便易行和直接测量人体整体和环节重量参数的

11、优点。(3)放射性同位素法（又称射线扫描法） 具有诸多优点，并且将躯干分为三段，实验样本量大，所得结果已为运动生物力学工作者广泛应用。 (4)CT 法（利用计算机 X 射线断层照相术） 郑秀瑗等利用计算机 X 射线断层照相术，计算面积 ；水浸法测出体积，用天平称重最后计算出每一种组织与器官的平均密度；尸体解剖法确定人体各环节划分的分界点。 (5)核磁共振成像法（MRI法） 利用原子核中电子运动的磁场现象，透过电脑重组而将磁场情形转换成密度不同的影像，将人体组织结构展现出来。比CT更精细。 3. 数学模型计算法 用几何图形来模拟人体环节，如：将头部模拟成正椭圆球，将躯干模拟成正椭圆柱，将四肢模拟

12、成平截正圆锥体等。（二）人体惯性参数模型1. 布拉温-菲舍尔模型 1889年德国学者布拉温和菲舍尔的研究成果。2. 松井秀治模型 日本松井秀治于1958年的研究成果（分男女）。3. 昌特勒模型 这是由美国宇宙医学研究实验室和美国空军等单位共同完成的。美国国家技术情报服务处于1975年公布。4. 扎齐奥尔斯基模型 前苏联B.M.扎齐奥尔斯基和B.H.谢鲁杨诺夫于1978年用放射性同位素扫描的方法对100名青年学生进行测试，得到的。5. 中国人参数模型 郑秀瑗等人采用CT法首次获得了中国正常人体的惯性参数，填补了空白。把环节划分为9个部分第二节 运动学参数一、运动学参数特征 人体的运动是在一定的时

13、间和空间维度上进行的，人体运动的运动学是对人体运动的定量描述，研究人体或器械运动的轨迹、速度、和加速度等。从而揭示人体运动或器械的外部状况，对运动进行外显特征的比较。（一） 运动学参数 时间参数、空间参数、时空参数 1时间参数（时刻、时间、频率）（1）时刻 是人体位置的时间量度，是时间上的一个点。（2）时间 是运动结束时刻与运动开始时刻之差值，过程量。例 ² 时间与时刻的区别？² 博尔特百米跑领先记录9秒69，是时间还是时刻？分析博尔特百米跑² 百米记录打破情况：² 国籍² 姓名² 比赛成绩² 日期 ² 牙买加&#

14、178; 博尔特² 9.69² 2008年8月16日² 牙买加² 博尔特² 9.72² 2008年6月1日² 牙买加² 鲍威尔² 9.74² 2007年9月9日² 牙买加² 鲍威尔² 9.77² 2006年8月18日² 牙买加² 鲍威尔² 9.77² 2006年6月11日² *美国² 贾斯汀-加特林² 9.77² 2006年5月12日² 牙买加² 鲍威尔&#

15、178; 9.77² 2005年6月14日² +美国² 蒂姆-蒙哥马利² 9.78² 2002年9月14日² 美国² 格林² 9.79² 1999年6月16日² 加拿大² 多诺万-贝利² 9.84² 1996年7月27日² 美国² 伯勒尔² 9.85² 1994年6月7日² 美国² 刘易斯² 9.86² 1991年8月25日² 美国² 伯勒尔² 9.90&#

16、178; 1991年6月14日² 美国² 刘易斯² 9.92² 1988年9月24日² 美国² 史密斯² 9.93² 1983年7月3日² 美国² 史密斯² 9.95秒² 1968年10月14日² 德国² 哈里² 10.0秒² 1960年6月21日² 美国² 威利-威廉姆斯² 10.1² 1956年8月3日² 美国例 ² 杰西-欧文斯² 10.20² 193

17、6年6月20日例 ² 加拿大² 威廉斯² 10.30² 1930年8月9日例 例 讨论：人类百米的极限是多少？（3）频率 是动作重复性的度量，频率就是单位时间内重复进行的动作次数。频率=次数/单位时间 例如：步频、心率2空间参数 ：路程、位移、角位移（1）路程 指人体从一个位置移到另一个位置时，人体运动的实际路线的长度。 标量（2）位移 例 表示人体在整个运动过程中位置总的变化， 是矢量，是对运动的直线量度。 提问：绕 400m.操场跑一圈，位移是多少？路程是多少？（3）角位移（转动角） 定义：描述人体转动的空间物理量，人体整体或环节绕某轴转动时转过的角

18、度。 方向：逆时针转动的为正，顺时针转动为负 单位：弧度（rad）、角度、周。 1 弧度=2/半径 2弧度=360度=1周3时空参数 （1）速度 (V ) 速度=位移/时间,是描述人体运动快慢和方向的物理量,矢量（2）速率 例 例 例 例 速率=路程/时间之比， 是描述人体运动快慢程度的物理量，标量例 例 飞行速度最快的羽毛球（3）角速度（） 指人体在单位时间内转过的角度。矢量。 角速度=角位移/时间t 表示物体转动的快慢与转动方向。 单位red/s。（4）加速度 指单位时间内人体速度的变化量，是描述人体运动速度变化快慢的物理量，用a表示。 直线运动中，速度方向在同一条直线上。 曲线运动中，由

19、于速度大小和方向均会发生改变，将a分解为两个分量，一个沿法线方向称法向加速度（an），一个沿切线方向称切向加速度(at) 。an =v2/r（5）角加速度 指人在单位时间内转过的角度。表示人体转动时角速度变化的快慢，用表示。指转动中角速度的时间变化率。如：转动人体在某一时刻（t1）角速度为1；在时刻（t2）角速度为2 ，则 =/t=(2-1)/ (t2 - t1) 。（二） 运动学参数相对性特征（参照系） 在研究问题时，涉及到位移、速度、加速度等都是相对于选定的参照系而言，只有确定了参照系，这些量才有确定的意义，这一性质特征可概括为相对性。 当我们在描述人体的运动情况时，一般需要选定一个或若干

20、个物体作为参考标准，观察人体与这个选定物体相对位置的变化情况，如果相对位置没有变化，说明人体是静止的；如果相对位置发生了变化，说明人体是运动的。1参照系又称参考系 参照系：指为了描述人体运动所选定的作为参考标准的物体或物体群。 （1）惯性参照系 指以地球或相对于地球静止不动的物体、或做匀速直线运动的物体作为参照系，通又称为静参照系。相对于地球都是静止不动的，均可称为惯性参照系。（2）非惯性参照系 指以相对于地球作变速运动物体，或者说以相对于惯性参照系做变速运动的物体作为参照系，通常称为动参照系。 在人体完成各种体育动作时，有时需要研究局部肢体的运动状态变化，在大多数情况下，是以人体躯干或身体重

21、心作为参照系，因为在完成体育动作时，人体躯干或身体重心的位置不断改变的，因此他们属于非惯性参照系。2坐标系 为了定量表示人体或器械的位置相对于参考系发生变化，就要用坐标系。 坐标系是具有参照原点、参照方向、参照单位的参照系。常用的有3种：（1）一维坐标系 最简单的是一维坐标坐标轴用OX表示。100m跑、游泳均朝一个方向运动等一般可近似看作在一维坐标上的运动。适用于游泳，跑步等整体动作的分析（2）二维坐标系 二维坐标系又称平面坐标系，若人体在空间的运动是在一个平面上，这个运动可以有两个方向。由原点引出两根互成直角的轴分别为ox轴和oy轴。 在平面问题中还可用极坐标系，它不用坐标轴的刻度，而是取固

22、定于参照系上的一点为原点O，称极点。由此引出一条射线称极轴，这就组成极坐标系。（3） 三维坐标系 三维坐标系又称空间坐标。判断人体的运动要从3个方向上看，由原点引出3条互相垂直的坐轴，分别用OX、OY、OZ表示 （三） 运动学参数的瞬时性特征 瞬时性是指人体在某一时刻或通过运动轨迹某一点时的运动学特征。瞬时运动学量可以了解运动关键点的特征与指标，比平均指标有了更详细的认识。 1瞬时速度与平均速度 瞬时速度是人体在某一时刻或通过运动轨迹某一点时的速度。瞬时速度是通过某一位置时的速度，比这个位置稍前或稍后一点都不一定以这个速度运动，只有通过这个位置时刻人体才是此速度。在体育实践中，瞬时速度是不可缺

23、少、必须重视，只有通过了解瞬时速度才可以知道动作的临界状态的特征。 平均速度只能概括地粗糙地描述人体运动的快慢和移动的指向。要精确地了解人体在某一时刻或某一位置的运动情况需要运用瞬时速度来描述。2瞬时加速度与平均加速度 瞬时加速度是指人体运动在某一时刻或某一位置的加速度。 平均加速度为某一时间间隔内速度的变化率。² 在运动技术分析中，用瞬时速度或瞬时加速度来描述运动特征尤显重要。人体运动的瞬时特征是运动技术的关键，而不是平均值。但在长距离项目，为了制订比赛策略、进行战术安排时，常常取一定距离段的平均速度或平均加速度作为指标。二、运动学参数的采集 20世纪80年代一般采用高速电影摄影机

24、进行实地拍摄，缺点是从现场拍摄到结果分析整个过程时间较长。反馈时间长。 运动学参数包括位移、角位移、速度、角速度、加速度、角加速度等。1摄影（像）方法² 平面定点定机摄影（像）测量方法 它是将摄影（像）机固定在三角架上，在摄影机的空间位置、摄距（拍摄距离）、机高、取景范围、焦距、光圈等按规定选用合适并固定不变的条件下，拍摄人体和物体的平面运动的方法。² 平面跟踪摄像方法 是把摄像机架在三角架上后，采用非固定连接方法，摄像机可在三角架上左右、上下转动。拍摄时，摄像机的主光轴始终对准受测体，跟踪受测体的运动而转动。 适用范围： 可以测量运动范围大、动作周期距离长的运动项目，例如

25、三级跳远、撑竿跳高运动的全程、赛艇的一个划桨周期等。优点: 1.测量范围大; 2.测量体在画面上成像较大。缺点: 1.方法复杂、难度大 （分段拍摄比例尺、变化的速度不易跟踪）； 2.测量误差可能较大 （比例尺、速度的原因）。² 立体摄像测量方法 采用两台或多台摄像机，从不同角度对同一研究对象进行同步拍摄，然后把两台或多台摄像机所拍摄的平面录像进行数字化并把二维像坐标转换成实际空间的三维坐标，计算有关的运动学参数。（1）摄像机的选择 根据运动项目特征和技术分析的需要选择录像拍摄系统。录像拍摄系统从拍摄上可分为常速和高速。 常速录像拍摄系统：是指拍摄的录像信号和通常电视信号的拍摄速度一样

26、，即25帧/秒，般的家用数码录像机都是常速录像摄影机。如目前常用的有JVC、SONY、Panasonic等品牌的数码摄像机，选用时要尽量考虑像素较高的摄像机，以提高录像解析时的精度。高速录像拍摄系统：凡拍摄速度高于常速的都称为高速录像拍摄系统。 由于高速录像拍摄系统的价格一般较高，常速摄像机具有较合理的性能价格比，被国内较多的学校和科研单位采纳。（2）拍摄方法 根据项目特征和技术分析要求确定拍摄范围； 把摄像机固定在三角架上，对摄影机的摄距（拍摄距离）、机高、取景范围、焦距等按要求 选用合适并固定； 拍摄比例尺。比例尺一般用膨胀系数小的木材制成，其长度误差率应小于1%，通常用1米长、 5-10厘米宽的白色比例尺，其两端线外漆成黑色。将比例尺置于运动平面上进行拍摄。 拍摄所选定的运动动作，并做好记录。（3）平面拍摄注意事项 摄像机主光轴应与运动平面垂直，对准拍摄区域的中心。摄像机的机高一般应与取景高度的中点等高，在拍摄人体整体运动技术时，机高大体上与人体髋关节等高即可。另外，在场地条件允许的情况下应将摄像机安放在人体主要运动环节一侧。 摄像机尽可能远离运动平面，通常拍摄距离应为拍摄范围的56倍。 背景颜色应与人体颜色有较大的反差，使图像较清晰。 正确确定拍摄速度。 正式拍摄前，需拍摄比例尺。 拍摄时要作好备忘记录，如运动员参数、成绩、比例尺长度、拍摄距离、机高等。2图像解析与