第五章 运动生物力学应用-人体平衡2

1、游游运动生物力学运动生物力学游永豪游永豪合肥师范学院合肥师范学院 体育科学系体育科学系Telel-mailE-mail：游 人体平衡的生物力学分析人体平衡的生物力学分析 第五章 运动生物力学应用 第一节第一节游内容提要内容提要一、人体平衡概述一、人体平衡概述1 1二、人体平衡的力学原理二、人体平衡的力学原理2 2三、影响人体平衡的因素三、影响人体平衡的因素3 3四、人体平衡的生物力学分析举例四、人体平衡的生物力学分析举例4 4游一、人体平衡概述一、人体平衡概述（一）（一） 人体重心的概念人体重心的概念 l物体的重心是物体所受重力的合力作用点，

2、人体的重心也物体的重心是物体所受重力的合力作用点，人体的重心也就是人体所受重力的合力作用点。就是人体所受重力的合力作用点。l意义：意义：l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，都需要根据运动时误动作等，都需要根据运动时人体重心的变化规律人体重心的变化规律。l特别是分析特别是分析静力性动作静力性动作，判定平衡的稳定性及分析动作的合，判定平衡的稳定性及分析动作的合理性时，必须从理性时，必须从人体重心相对于支撑面的位置人体重心相对于支撑面的位置来确定。来确定。游一般物体的重心比较恒定，而人体重心是变化的。一般物体的重心比较恒

3、定，而人体重心是变化的。人体重心变化人体重心变化不仅在一段时间内，要受不仅在一段时间内，要受肌肉和脂肪肌肉和脂肪的增长的增长或消退等因素的影响，即使在每一瞬间，也要受到或消退等因素的影响，即使在每一瞬间，也要受到呼吸、呼吸、消化和血液循环消化和血液循环等因素的影响，特别是在运动中，要受到等因素的影响，特别是在运动中，要受到人体姿势变化人体姿势变化的影响，随着姿势的改变而改变，有时甚至的影响，随着姿势的改变而改变，有时甚至能够移出体外。能够移出体外。游（二）人体平衡的分类（二）人体平衡的分类 1. 根据根据支点相对于人体重心的位置支点相对于人体重心的位置不同不同，将人体平衡分为以下，将人体平衡分

4、为以下3种：种： （1 1）上支撑平衡）上支撑平衡： 当人体处于平衡，且当人体处于平衡，且。 如体操中的各种悬垂动作。如体操中的各种悬垂动作。 游（2）下支撑平衡）下支撑平衡：当人体处于平衡，当人体处于平衡，。例如，站立、平衡木上的平衡动作及田径、例如，站立、平衡木上的平衡动作及田径、游泳、举重等各类平衡动作。游泳、举重等各类平衡动作。（3）混合支撑平衡）混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，是一种多支撑点的平衡状态，例如，肋木侧身平衡。例如，肋木侧身平衡。游 根据根据平衡的稳定程度平衡的稳定程度把人体平衡分为把人体平衡分为4 4种：种：（1 1）稳定平衡）稳定平衡：其特点是当偏离平衡位置时

5、，重心升高，产生的重力：其特点是当偏离平衡位置时，重心升高，产生的重力矩使物体向平衡位置运动，回到平衡位置后，合力为零，合力矩为零。矩使物体向平衡位置运动，回到平衡位置后，合力为零，合力矩为零。（2 2）不稳定平衡）不稳定平衡：其特点是偏离平衡位置时，重心降低，产生的重力：其特点是偏离平衡位置时，重心降低，产生的重力矩使物体继续倾倒。仅在下支撑平衡动作出现。矩使物体继续倾倒。仅在下支撑平衡动作出现。（3 3）有限度的稳定平衡）有限度的稳定平衡：其特点是在一定限度内的偏离平衡位置时，：其特点是在一定限度内的偏离平衡位置时，人体重心升高，产生的重力矩使人体向平衡位置移动，最终恢复平衡，人体重心升高

6、，产生的重力矩使人体向平衡位置移动，最终恢复平衡，但超出某一定限度的偏离平衡位置时，人体重心降低，产生的重力矩但超出某一定限度的偏离平衡位置时，人体重心降低，产生的重力矩使人体更加偏离平衡位置。使人体更加偏离平衡位置。（4 4）随遇平衡）随遇平衡：其特点是偏离原来位置时，重心高度不变，不产生使：其特点是偏离原来位置时，重心高度不变，不产生使物体位置移动的重力矩。物体位置移动的重力矩。游5. 5. 力的可传性原理力的可传性原理力可沿其作用线任意移动，而不改变其对物体的效应。力可沿其作用线任意移动，而不改变其对物体的效应。二、人体平衡的力学原理二、人体平衡的力学原理游6. 6. 力的平移定理力的平

7、移定理（1 1） 力矩、力偶矩力矩、力偶矩力矩为力与力臂的乘积。如力对于力矩为力与力臂的乘积。如力对于O O点的力矩为点的力矩为M M如图所示。力矩的方向按右手螺旋法则，即如图所示。力矩的方向按右手螺旋法则，即四指沿矢径四指沿矢径r的方向转向力方向，大拇指的的方向转向力方向，大拇指的方向即为力矩方向。该力矩方向为垂直于平方向即为力矩方向。该力矩方向为垂直于平面向外。通常规定：力有使物体逆时针方向面向外。通常规定：力有使物体逆时针方向转动的趋势，则该力所产生的力矩为正，反转动的趋势，则该力所产生的力矩为正，反之为负。之为负。FdFrMsin游力偶力偶是指一对大小相等、方向相反的平行力。是指一对大

8、小相等、方向相反的平行力。 如汽车司机两手作用于方向盘的力就是一个力偶。如汽车司机两手作用于方向盘的力就是一个力偶。 力偶中二力之和为力偶中二力之和为0，即力偶无合力。，即力偶无合力。 力偶可以产生力偶可以产生力偶矩力偶矩。M=Fd M=FdM=Fd，式中，式中d d为力偶臂，是力偶两力作用线之间的垂距为力偶臂，是力偶两力作用线之间的垂距，如果力偶使，如果力偶使物体作逆时针方向转动的趋势，则力矩为正，反之为负。物体作逆时针方向转动的趋势，则力矩为正，反之为负。游（2 2）力的平移定理）力的平移定理如图，如图，作用于点作用于点A A的力可用作用于点的力可用作用于点B B的力和力偶矩的力和力偶矩M

9、 M来代替。来代替。5 - 9游7. 研究对象的受力分析研究对象的受力分析为了清晰地表示物体的受力情况，需要把研究的物体（受为了清晰地表示物体的受力情况，需要把研究的物体（受力体）从周围的物体（施力体）中分离出来，单独画出简力体）从周围的物体（施力体）中分离出来，单独画出简图，叫做图，叫做取研究对象取研究对象。然后把施力物体对研究对象的作用。然后把施力物体对研究对象的作用力全部画出来（力全部画出来（受力图受力图）。）。 游例例1 简化田径运动员跑步后蹬动作的身体受力图，并分析这些力对简化田径运动员跑步后蹬动作的身体受力图，并分析这些力对运动的影响。运动的影响。解：如图解：如图5-105-10所

10、示后蹬动作中身体受到所示后蹬动作中身体受到4 4个力的作用。（个力的作用。（1 1） 重力重力G G（2 2）地面支撑力）地面支撑力N N（3 3）地面摩擦力）地面摩擦力f f（4 4）空气阻力）空气阻力F F。把。把N N、f f、F F三三力平移至重心力平移至重心O O点，并加上相应的力偶矩，如图点，并加上相应的力偶矩，如图5-115-11所示。所示。5-105-11游（二）力学条件（二）力学条件作用于人体的力系可以简化为一个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，当力系平合外力和一个合外力矩，当力系平衡时满足下列条件时，人体即处于衡时满足下列条件时，人体即处于平衡状态，即：平

11、衡状态，即： 当当F=0 F=0 时，人体没有平动的加速时，人体没有平动的加速度；度；当当M=0M=0时，人体没有转动的角加时，人体没有转动的角加速度，两个条件同时满足人体即达速度，两个条件同时满足人体即达到平衡。到平衡。 燕式平衡燕式平衡游（一）影响人体平衡的（一）影响人体平衡的力学因素力学因素是人体处于有限稳定平衡状态时，抵抗各种破是人体处于有限稳定平衡状态时，抵抗各种破坏的作用而保持平衡的能力。坏的作用而保持平衡的能力。三、影响人体平衡的因素三、影响人体平衡的因素 1 1支撑面：支撑面：支撑面是由各支撑部位的表面及它们所包围的面积。支撑面是由各支撑部位的表面及它们所包围的面积。支撑面越大

12、，支撑面越大，物体平衡的稳定性就越好。物体平衡的稳定性就越好。 2 2重心高度重心高度：重心越低，稳定性越好。重心越低，稳定性越好。稳定角稳定角是重力作用线和重心至支撑面相应边界的连线之间的夹角。稳定角越大是重力作用线和重心至支撑面相应边界的连线之间的夹角。稳定角越大稳定性越好，反之则越差。稳定性越好，反之则越差。 3 3体重体重：在摔跤、拳击、柔道等项目中运动员按体重分级的原因之一是体重：在摔跤、拳击、柔道等项目中运动员按体重分级的原因之一是体重对人体的稳定性也有影响。对人体的稳定性也有影响。游 例例2 2 :运动员体重运动员体重70kg70kg，两脚间距为，两脚间距为0.5m0.5m，对手

13、将一个，对手将一个196N196N的力从侧面水平地作用于他，作用点的力从侧面水平地作用于他，作用点距地面的高度为距地面的高度为1.0m1.0m。若该运动员受推力过程中姿势不改变，试求：。若该运动员受推力过程中姿势不改变，试求：（1 1）重力作用线在支撑面正中央的稳度系数；）重力作用线在支撑面正中央的稳度系数；（2 2）若该运动员将重力作用线移到离左脚）若该运动员将重力作用线移到离左脚B B点点5cm5cm处，试求运动员在左右两个方向上的稳度系数处，试求运动员在左右两个方向上的稳度系数（3 3）若运动员将两脚间距增大至）若运动员将两脚间距增大至1m1m时，试求重力作用线在正中央时的稳度系数。时，

14、试求重力作用线在正中央时的稳度系数。稳度系数稳度系数为为稳定力矩与翻倒力矩之比值稳定力矩与翻倒力矩之比值。稳度系数。稳度系数K1K1时，平衡没有被破坏；时，平衡没有被破坏；K=1K=1时，处于临界状态；当时，处于临界状态；当K1K L 肌肉拉力臂。需要强大的肌肉拉力臂。需要强大的肌肉力才能完成动作。高度的肌紧张集中在肩关节处，肌肉力才能完成动作。高度的肌紧张集中在肩关节处，肩关节内收缩，肩带肌群起固定作用，属于大强度的静肩关节内收缩，肩带肌群起固定作用，属于大强度的静力性用力动作。力性用力动作。游l人体可以做出形式样的各种动作，有的动作做起来简单，人体可以做出形式样的各种动作，有的动作做起来简单，但是需要运动员具备很大的肌肉力量，而有的动作对力但是需要运动员具备很大的肌肉力量，而有的动作对力量要求并不是太高，但是对运动员对人体组织器官的生量要求并不是太高，但是对运动员对人体组织器官的生物学特性要求很高。物学特性要求很高。l根据以上表述请思考：根据以上表述请思考： 吊环吊环“十字支撑十字支撑”和少林功夫和少林功夫 “一指禅一指禅”分别属于难分别属于难度？理由是什么？度