体育运动中的力学原理

1、如有你有帮助，请购买下载，谢谢！简析空中转体的原理 相信大家在体育比赛中都看到过运动员腾空跃起的美妙动作。 如体操，跳水， 跳高，蹦床等等。 特别是在体操和跳水两个项目中， 空中的动作更是令人眼花缭 乱，美不胜收。那么，我们在欣赏力与美完美结合的同时，有没有想过这空中动 作的力学原理呢？而这却是让许多科学家为之迷惑了很久的一个问题。 现在，就 让我带您一同去看看那其中的奥妙吧！ 为了方便描述人体在空中的姿态，我们先引入几个名词，如下图： 当人体处于直立状态时， 通过人体重心连接头脚的直线称为纵轴， 通过重心垂直 于人体纵对称面的轴称为横轴， 与这二轴垂直的称为矢状轴， 三轴的正向如图所 示。我

2、们先来看看跳水运动中的向前翻腾半转体的动作，如下图跳水运动员在离开跳板时， 利用身体略向前倾使跳板反力通过重心的后面来获得 一个向前翻腾的初始动量矩， 它平行于横轴， 因而人体似乎不能绕纵轴转体。 但 接下来运动员屈体， 并将上半身扭转 90。再伸开两臂成图中的姿态，在这个 过程小，由于下体对上体纵轴的转动惯量大， 故双腿的反方向转动很不明显。 以 后再利用伸开双臂的上体对纵轴的转动惯量大来扭转下体， 再收臂，最后到达图 中的姿态准备入水，这时人体已完成了 180 的转体动作。这是一个比较简单的 转体动作，下来我们将定量的研究一下体操运动员的空中转体空翻动作。 体操运动员的空翻动作1972 年

3、日本运动员冢原光男在第 20 届奥运会上第一次完成了单杠后空翻体 360下的精采动作，荣获奥远会单杠冠军，开创了体操运动个翻腾动作的新阶 段。（如图） 体操或跳水运动中， 身体绕横轴的转动称为空翻 （如前空翻， 后空翻） ，身体绕纵 轴的转动称为转体或旋转，也简称旋 （ 如左旋、右旋 ） 。在冢原光男以前，单杠的 下法就只有空翻动作， 没有转体。 自从他完成了空翻加转体的动作后， 各国远动 员纷纷研究并实践，创造出了许多“旋空翻”的动作。现在的高水平运动会上， 形形色色的旋空翻动作比比皆是。怎样才能实现旋空翻呢 ? 最容易想到的方法是在腾空的初始时刻获得绕纵轴的角速度，这格在腾空以后， 由于动

4、量矩守恒， 身体就有可能继续绕纵轴转动。 至于绕纵轴的初始角速度， 则 可通过腾空开始前身体受到绕纵轴的不对称力而获得。 例如，在跳水运动中， 起 跳时一脚在前一脚在后； 在单杠运动中， 让两手在不同的时间脱杠。 这种从腾空 一开始就有的转体运动称为“早旋” 。早旋的技术原理简单但难于掌握，例如单1页如有你有帮助，请购买下载，谢谢！杠运动中双手脱扛的时间差就很难控制； 此外，由于腾空前受力的不对称， 运动 员质心的运动也难于保证在预定方向。 另一种实现旋空翻的办法是在腾空的初始 阶段只有绕横轴的空翻， 但通过手臂的动作在空中发起旋转， 这种族转又名 “晚 旋”。仔细观察上图就会发现，运动员的旋

5、转是在空翻一周以后才开始的。晚旋 的方法比早旋容易掌危空中的翻腾动作也更加优美、 精彩，然而它的力学道理却 不简单。腾空过程中，整个身体的动量矩守恒，且平行于横轴。怎能产生绕纵轴 转动的角速度呢？国内外的学者对此问题有不少探讨然而并不是都找到了正确 的答案。有的资料上说； “后空翻转体是身体腾空以后才做转体动作，也就是 说，它完全靠肌肉内力来造成身体绕垂直轴的旋转。完成转体有两个动作要领：(1) 用力转头。腾空以后向转体方向快速用力转头是产生身体沿垂直轴旋转的第 一个动力来源 (因为)头的转动必然带动躯干的转动。 (2) 反向挥臂，形成力 偶。在用力转头的基础上， 用力挥臂以带动转肩， 是加速

6、躯干沿垂直轴转动的第 二个动力来源。 反向挥臂动作， 挥臂的两个力方向相反， 围绕总重心的垂直 轴形成了力偶，因此它能进一步加快身体转动的角速度。 ” 这种解释就值得怀疑， 因为第； 身体的内力只能改变身体各部的相对运动， 无法解释整体绕纵轴的转 动；第二，在动量矩守恒情况下，头、双臂的转动只能引起身体其他部分的反向 转动，而不会带动它们同方向转动。其实，只要正确运用动量矩定理，旋空翻的 力学机理也是不难弄清的。设运动员有绕横轴的初始角速度o 及初始动量矩G JY o ，在整个翻腾过程中，动量矩 G 守。为了空中发起旋转，运动员挥 动双臂图 3 所示。图3由于绕矢状轴的动量矩为零。 这时运动员

7、的纵轴将有一微小转角 ，其方向与双 臂动的方向相反。 于是动量矩 G 在纵轴上有投影 GZ 因而产生身体绕纵轴的旋转 角速度 Z 。如果将图 3所示的人体刚化，看成一个以 Z为称轴的对称刚体， 则应用一些刚体绕定点运动的知识就能清楚地分析运动的特征。 将总角速度沿 G 与 Z轴分解得 p及 s ，则人体的运动就可看成是人体纵轴绕 G的转动( 即空翻 )及人体绕纵轴的单方向转动 ( 即旋) 的合成，两种转动的角速度大小分别为p 及s 此外，如忽略由领臂动作引起的转动惯量的变化，由图 3 还可定量解出： GZ GsinJZ Z,G JY O, P O , S Z Psin所以， s/ P (JY /JZ 1)sin 当运动员直体时，约有 JY 10 13kg m2， Jz 1kg m2；当运动员直体领臂时， 约有 11 。代入式 得： S / P 2.5 。2页如有你有帮助，请购买下载，谢谢！总结以上可得下面几条结论。(1) 空翻中通过领臂动作可以实现“空中发起旋转顺空翻动作基本不受影 响。(2) 在前空翻情况下，领左臂可以产生左旋 ( z>0) ，领右臂可以产生右旋 z 0 。在后空翻情况下， 领左臂可以产生右旋 z 0 ，领右臂可以产生左旋 ( z >0)。(3) 旋转角速度可以大于空翻角速度。在直体情况下，空翻一周中可以旋转 二周；在屈体情况下，由