运动生物力学_人体运动的运动学

1、 一、人体的简化 人体极为复杂，而人体的运动更为复杂，因此必须有条件把人体简化才能进行研究，这样便为分析人体动作提供方便。 （一） 质点(只有质量而没有形状大小) 1只涉及人体平动，不考虑人体转动和变形，可简化为质点。 2可把人体或器械的重心看做质点。 （二） 刚体(既考虑物体的质量又考虑物体的形状和大小) （三） 人体简化为物理模型的实用性和局限性 将人体简化为物理模型进行力学研究，这对学习研究带来很大方便，并且可以取得定量数据和资料进行分析，可以帮助我们认识一些问题和规律。然而复杂人体简化为质点或刚体后，所得到的数据与材料反馈到人体应用时还存在着较大的差距，为此需建立实体模型。 人体是一个

2、复杂的开放的巨系统。正确地反映出对人体运动时起主要作用的力学因素，建立人体的实体模型，是运动生物力学研究的方向。同一个实际对象，在研究不同物理现象时，很可能用不同模型代替。 目前体育动作研究工作的第一步“各因素关系”，对某些动作在这方面研究已积累了一些材料，但很多动作还未进行研究，故此建立人体实体模型将是一项艰巨的任务，我们在座的各位作为未来的体育工作者应朝着这个方向努力，在运动生物力学领域中有所建树。 一、运动的绝对性和描述运动的相对性 （一）运动的绝对性 自然界一切物质都是永恒地运动着、变化着，所有自然现象是物质运动的各种形式。从这种意义上来说运动是绝对的。 （二）运动的相对性 运动生物力

3、学就是机械运动，即物体随时间变化而导致空间的位移，是物质运动最基本的形式。 参照系又称参考系，是指描述人体是否运动时，所选定的作为参考标准的物体或物体群。根据研究问题的性质和方法的不同，可分为两类不同的参考系： （一）惯性参考系 惯性参考系是指以地球或相对于地球静止不动的物体、或作匀速直线运动的物体作为参考系，通常又称为静参考系。 （二） 非惯性参考系 非惯性参考系是指以相对于地球作变速运动的物体，或者说以相对惯性参考系做加速运动的物体作为参考系，通常又称为动参考系。 如； 在研究短跑运动中的摆臂动作时，以人体重心作为参考系，看臂随时间相对于人体重心的位置的改变。因为在完成体育动作时，人体躯干

4、或身体重心的位置是不断改变的，因此他们属于非惯性参考系。 虽然参考系能描述物体随时间变化的位置的改变，但参考系只是定性地表明人体或器械是处于静止或运动状态，却不能对物体或器械进行定量的描述。因此必须引进一个精确的描述物体运动位置变化的方法。 坐标系是指设置在参考系上的数轴，是参考系的数学抽象。它在性质上起着参考系的作用，而在数量上又能精确描述。它的三要素是：参照原点、参照方向、参照单位。 （一） 一维坐标系 （二） 二维坐标系（又称平面坐标系） （三） 三维坐标（ 空间坐标系 ） 1描述整体运动原点在起点 2环节相对重心的运动原点在重心 3环节相对关节点的运动原点在关节 4匀速直线运动的原点在

5、起点或支撑点 5绕定点转动的原点在定点 一、人体运动的分类 把人体简化为质点，可将人体运动分为直线运动和曲线运动；如把人体简化为刚体，可将人体运动分为平动、转动和复合运动。 变速直线运动：在任意相等时间内通过的路程并不都相等。 匀变速直线运动：当人体沿任意相等的时间内，速度变化量都相等。 自由落体的公式为： 1Vt=gt 2 H=1/2gt 3 Vt=2GH1/2 竖直上抛运动的公式： 1 t= V0/g； 2H=V20/2g。 平动：人体内任意两点的连线，在运动过程中始终保持平行。例如，滑冰运动员凳冰后在直线上依惯性滑行，即为直线运动。 转动：人体内的各点都绕同一轴线（转轴）作圆周运动。如投

6、掷铁饼的旋转动作。 复合运动：既有平动又有转动的运动。如走、跑、滑冰、滑雪都是一种复合运动，在研究中通常将复合运动分解为平动和转动两部分分别进行讨论，然后加以综合，以达到简化的。 （一）空间特征 空间特征是表明人体在运动时的空间位置以及描述人体运动的范围，包括路程和位移。路程是指人体从一个位置移到另一个位置时的实际运动路线的长度，它是一个标量，只有大小，没有方向。位移是指人体运动的起始点到终止点的直线距离，它是一个矢量，既有大小又有方向。 1、直线运动的位移和路程 在直线运动中，路程数值的大小等于位移数值的大小。例如，100m从起点跑到终点，其位移大小与路程大小是相等的。 在曲线运动中，位移数

7、值的大小并不等于路程数值的大小，一般小于路程。例如从起点绕400m田径场内跑一圈，经过的路程为400m，而位移则等于零。跑200m内道时，路程为200m，位移则为112.13m。 按三角形法则或平行四边形法则合成。 1时刻 时刻是人体或器械空间位置的时间量度，是时间上是一个点，它用于运动的开始、结束和运动过程中许多重要位相的瞬时。 例如,足蹬离起跑器时，表示蹬起跑器结束瞬时；跳高、跳远起跳时，表示足离地面的瞬时等。 时间是运动结束时时刻与开始时刻之差值，运动持续时间是运动始末两个时刻之间的时间间隔。 例如，击打棒球、乒乓球时，虽然时间很短，但此时击球的时间为t=t1-t0 1速度 速度是指人体

8、所经过的位移与通过这段位移所用时间之比，是描述人体运动快慢的物理量。在直线运动中为V=S/t，在曲线运动中V=r2-r1/t2-t1=r/t。 速率是指人体运动所经过的路程与通过这段路程所用的时间之比，是描述人体运动快慢程度的物理量，只有大小，不表明方向。 1瞬时性 2矢量性 3相对性 4独立性 一、平均速度和瞬时速度 （一）平均速度 在变速直线运动中，人体的位移与这段位移所需时间之比，称人体在这段时间内（或这段位移）的平均速度。 （二）瞬时速度 人体在某一时刻或通过运动轨迹某一点时的人体在这一时刻或这个点的瞬时速度。 （一）平均加速度 人体运动的速度变化量与这种变化所用的时间之比称加速度。即

9、a=V/t。 （二）瞬时加速度 瞬时加速度是小指人体运动在某一时刻或某一位置的加速度，当t趋于零（t不等于零）的极限值，人体的平均加速动即为瞬时加速度加速度。 1法向加速度（向心加速度） 人体作匀速圆周运动时沿切线方向的加速度，其公式为a=V2/R. 2变速圆周运动中的法向加速度和切向加速度 变速圆周运动是指物体运动不断变化的圆周运动。A=at+an。 （一）运动的独立性原理 人体或物体同时参与几个运动(分运动)，则每一个运动不受其他分运动的影响，人体或物体的运动是由各个彼此独立进行的运动叠加原理。 （1） 绝对速度：研究对象相对于静参考系的速度称绝对速度（Va）。 (2) 相对速度：研究对象

10、相对于动参考系的速度称相对速度（Ve） (3)牵连速度：动参考系原点相对于静参考系的速度称牵连速度（VT） 其三者的关系是Va=Ve+ VT。（举例说明） 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。 主要测量方法有：平面定点定机摄影法、平面定点跟踪摄影法、平面定轨跟踪摄影法、立体定点定机摄影法、立体定点定跟踪摄影法等。 1、摄像机的选择 拍摄频率：单位时间内所拍摄的画面数称拍摄频率。 1、根据项目特征和技术分析要求确定拍摄范围； 2、把摄像机固定在三角架上，对摄像机的拍摄距离、机高、取景范围、焦距等按要求选用合适并固定； 3、拍摄比例尺； 4、拍摄所选定的运动动作，并做好记

11、录。 1、摄像机主光轴应与运动平面垂直，对准拍摄区域的中心。 2、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5-6倍。 3、背景颜色应与人体颜色有较大的反差，使图像较清晰。 4、正确确定拍摄速度。 5、正式拍摄前，需拍摄比例尺。 6、拍摄时要做好备忘录，如运动员参数、成绩、比例尺长度、拍摄距离、机高等。一、图像解析 1、将拍摄在录像带上的图像转换为计算机可读的数字化图像文件。 2、解析比例尺确定图形尺寸与实际尺寸之间的比例系数。 3、利用图像解析软件确定人体各关节点的像空间坐标。 4、将人体各关节点的像空间坐标转换为真实空间中的坐标以及建立原始数据文件。 二、数据处理 1、数据平滑

12、2、数据分析 由已知两个或几个分运动的速度（分运动）求合运动的速度（合速度），称求速度的合成。 第一、 当两个运动速度方向一致而且平行时，则合速度为：V=v1+v2 第二、当两个运动速度方向互成直角时，则合速度大小为V=(V21+V22)1/2 第三、当两个运动速度方向不成直角，而成锐角，则合速度为V=(V21+V22+2V1V2cos)1/2。 由已知合速度求两个（或几个）分速度，称为速度的分解。速度分解也是按平行四边形法则进行，即以合速度为对角线画平行四边形，求出分速度。 在任一瞬时，运动物体的绝对加速度（aa）等于运动物体牵连加速度（ae）与相对加速度（at）的矢量和。在运动为平动时的加

13、速度合成定理：aa= ae+at 当牵连速度不是平动时的加速度合成时其绝对加速度表达式为： aa= ae+at+ac(ac为科里奥利加速度。)。 一、角位移 对人体而言，人体各点的半径在相同的时间内转过相同的角度。它是标量 。 （一）角速度 角速度是指人体在单位时间内转过的角度，用表示。平均角速度仅仅表示一定时间内转动的快慢和转向。 （二）角加速度 角加速度用以表示物体转动时角速度变化的快慢和指向，是转动中角速度的时间变化率。转动物体在某一时刻t1角速度为1，在时刻t2，角速度为2，在t时间内，角速度的变化为， 则=2-1/ t2- t1 1、线速度 人体绕转轴转动时，人体某一点的速度。如：人

14、体绕单杠转动时，人体重心的运动速度即为线速度。其公式为V=R. 2、角速度是从整体上描述转动物体转动的快慢，而用线速度则具体考察转动物体上某点的转动快慢。 在运动实践中，可以通过提高肩关节转动的角速度和伸直整个上肢以加大转动半径的方法来提高转动环节远端（手）的线速度。例如，排球扣球动作，先是屈臂在肩关节转动以提高角速度1，在扣球前，肘关节伸直，提高肘关节转动的角速度2，同时又增长了以肩关节为轴的转动半径，提高手运动的线速度，击球迅速（时间短），则击球所受之力极大。 1肌拉力角小，反映了该肌肉在收缩前被拉长，提高了肌肉的兴奋性，使肌肉收缩时增大了肌肉的收缩力。 2肌力提高有利于肌力矩加大，促进角

15、速度、角加速度的增大。 3转动物体角速度、角加速度的增大，又能增大转动物体远端的线速度。 一、平抛运动与斜抛运动 平抛运动：若将桌面的小球水平地击出，小球离开桌面以后将沿曲线运动.。 斜抛运动：可以看作是物体由于惯性斜向上（下）方向做匀速直线运动和竖直方向做自由落体运动的合成。 由公式s=v022sin2/g可看出，影响抛射体远度的因素有： 1V0是起跳离地瞬间人体重心的初速度。 2是起跳离地瞬间人体重心的初速度与水平面的夹角。 3 H是起跳离地瞬间人体重心与地面的垂直距离（与人体的身高、动作技术结构有关）。 4最适合的起跳角度是18-23度、铅球的出手角度为38-42度。 其公式为H=v20sin2a/2g 1V0起跳离地瞬间人体重心的初速度。 2.起跳离地