第二章运动力学基础教材

第二章运动力学基础一、运动中的力与力矩二、人体运动的动力学三、人体运动的静力学四、人体运动的转动力学五、骨与关节生物力学运动中的力与力矩一、运动中的力

力是一个物体对另一个物体的作用，是使物体产生形变或线运动状态改变的原因。

力矩则是力和力臂的乘积，是使物体转动状态改变的原因。一、牛顿运动定律牛顿第一定律任何物体在不受外力作用（或所受合外力为零）时将保持静止或匀速直线运动状态不变，又称惯性定律。牛顿第二定律当物体所受到的合外力不为零时，物体的运动状态会发生改变。

F=ma牛顿第三定律即作用力与反作用力定律。F=—F人体运动的动力学人体运动的动力学二、牛顿运动定律在人体运动中的应用（一）运动中合理利用惯性可以省力（二）克服重物惯性需要遵循骨骼肌活动顺序原理（三）增加人体对外界的作用力可以增大外界对人体的反作用力运动中的力与力矩（一）外力1.重力（G=mg）

重量与质量的区别？2.摩擦力（f=µFN）3.支撑反作用力（F1=—F2）4.流体作用力5.器械的阻力运动中的力与力矩（二）内力肌拉力骨骼肌借助肌腱附着于骨，产生对骨的拉力维持人体姿势，引起人体内各部分、各环节的相对运动，是人体内力中最重要的主动力。

运动中的力与力矩肌拉力线

肌拉力线经过冠状轴前方或后方，该关节分别做什么运动？经过矢状轴状轴上方或下方，该关节分别做什么运动？垂直轴呢？2.组织弹力当机体拉伸、压缩、扭转时会发生形变，弹力是机体形变做功的能力。运动中的力与力矩①可收缩成分：相当于骨骼肌中肌纤维成分②串联弹性元：主要是位于骨骼肌两端的肌腱③并联弹性元：包裹在整个骨骼肌表面和肌束、肌纤维表面的结缔组织。

希尔三元素模型运动中的力与力矩（三）力的合成与分解（四）力的时间与空间积累效应1.力的时间累积效应——冲量（F·Δt

）质量与速度的乘积称为动量（mv）。

动量定理：

物体动量的增量等于其所受的冲量。

运动中的力与力矩（1）人体运动中为了减小外界的冲击力，通常需要延长外力的作用时间。如落地缓冲。

（2）为了给物体或人体强大的冲力，要求与物体或人体接触（撞击）的时间要短。如用锤子钉钉子。（3）增大作用力和延长力的作用时间，可以使人体或器械获得更大的速度。如投掷垒球。运动中的力与力矩运动中的力与力矩2.力的空间累积效应——功（F·S）动能定理：

力对物体做的功等于物体机械能的增量。

二、运动中的力矩

力矩（M）是作用于物体或人体的合力（F）与支点到力作用线距离（d）的乘积，即M=F×ｄ。

分析：手握球做屈肘动作产生的力矩

运动中的力与力矩人体运动的静力学一、力系平衡条件与人体平衡的类型

动态平衡：是物体速度和方向不变的状态。

静态平衡

人体运动的静力学（一）力系平衡条件A.共点、共线力系B.平面汇交力系C.平面平行力系D.空间一般力系

A平衡只要满足合力为零。

BCD平衡条件均为合力为零，合力矩为零。人体运动的静力学（二）人体平衡类型平衡时重心与支撑点的位置关系分类平衡时保持平衡的能力分类

上支撑平衡下支撑平衡混合支撑平衡稳定平衡有限稳定平衡不稳定平衡随遇平衡人体运动的静力学二、稳定性及其影响因素（一）稳定性

稳定性是指人体和物体抵抗各种干扰作用保持平衡的能力。一是人体静止时抵抗各种干扰的能力，这种能力称为静态稳定性。二是指人体重心偏移平衡位置后，干扰因素除去时，人体仍能恢复到初始平衡范围，此为人体平衡的动态稳定性。

人体运动的静力学（二）影响人体下支撑稳定性的因素与评价指标1.影响人体下支撑稳定性的因素（1）支撑面大小：支撑面大，稳定度大；支撑面小，稳定度小。（2）重心的高低：在支撑面不变的情况下，人体的重心位置越低，稳定度越大；重心位置越高，稳定度越小。人体运动的静力学2.人体下支撑稳定性的评价指标（1）稳定角：是指重力作用线和重心至支撑面边缘相应点的连线间的夹角。重心高度相同，支撑面越大，稳定角越大；支撑面相同，重心越高，稳定角越小。人体运动的静力学（2）稳定系数：稳定系数是指稳定力矩与倾倒力矩的比值。稳定系数大于1时，物体能抵抗外来翻倒力矩，平衡不被破坏；稳定系数小于1时，物体抵抗不住外来的翻倒力矩，平衡将遭到破坏，物体会翻倒。人体运动的静力学三、人体平衡与稳定的特点1.人体不能绝对静止2.人体形状可变3.人体内力起重要作用4.心理因素的影响5.感觉系统在保持人体平衡中的作用人体运动的转动力学人体各环节的运动都是骨骼肌牵引骨围绕着关节运动轴的转动。把人体看做刚体，刚体转动时，刚体上的各点都做圆周运动形成大小不等的同心圆，各圆的中心都位于同一条直线上，这条直线叫做转动轴。一、转动运动学人体运动的转动力学当人体围绕固定在地面上的运动器械转动时，器械就是人体的转动轴，称为实体轴。当人体局部肢体或整体转动时所围绕的是位于人体内部的某特定的直线，则为非实体轴。有支点、有实体轴的转动有支点无实体轴的转动无支点、无实体轴的转动转动轴（一）人体转动的转动轴①有支点、有实体轴的转动②有支点无实体轴的转动①②③④无支点、无实体轴的转动①②③单轴转动④复合轴转动④③人体运动的转动力学（二）角运动学1.角位移是描述物体转动时位置变化的物理量。国际单位为弧度，通常可用°表示。2.角速度连接运动点和圆心的半径在单位时间内转过的弧度叫做“角速度”。国际单位为弧度/秒，用字母ω表示。3.角加速度是描述刚体角速度的大小和方向对时间变化率的物理量，国际单位是“弧度/秒平方”，用字母α表示，计算公式为α=Δω/Δt。人体运动的转动力学二、转动动力学产生转动的条件必须满足合外力矩不为零。

（一）转动定律1.转动惯量

又称惯性距、惯性矩(俗称惯性力矩)，是刚体绕轴转动时惯性的量度，用以描述物体保持原有转动状态的能力。

只决定于刚体的形状、质量分布和转轴的位置，而同刚体绕轴的转动状态无关。

人体运动的转动力学环节的转动惯量（I）等于环节中质点的质量（m）乘以质点到转轴的垂直距离（r）的平方。即I=mr2，单位为千克·米平方（kg·m2）。人体转动惯量简化模型人体运动的转动力学2.转动定律当物体受到合外力矩（ƩM）的作用而发生转动时，则转动体的转动惯量（I）乘以角加速度（α）的乘积等于作用于转动体的合外力矩，即ƩM=I·α。刚体转动的角加速度与它所受的合外力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比.人体运动的转动力学（二）动量矩定理假定转动惯量为I的刚体在外力矩M的作用下，经过了时间Δt，转动角速度从ω1变成了ω2，则这个过程中角速度变化量为ω2-ω1，角加速度α=（ω2-ω1）/Δt，代入转动定律公式中得到：M=I·α=I（ω2-ω1）/Δt，推导得出M·Δt=Iω2-Iω1。此式中的M·Δt是冲量矩，单位N·m·s；I·ω是动量矩（H），单位kg·m2/s。

作用在刚体上的冲量矩等于动量矩的变化。

人体运动的转动力学三、转动定律的应用1.增大肌对关节的拉力矩通过增加肌收缩力和肌力臂，能增加角速度和角加速度粗壮的大腿肌具有较大的力量和力臂能产生较大的角速度和角加速度人体运动的转动力学2.减小转动惯量由ƩM=I·α可以看出，当肌力矩一定时，减小环节对轴的转动惯量，可以达到增大转动角速度或角加速度的目的。短跑时需折叠大、小腿，以减小下肢对髋关节转动轴的转动惯量，以便快速向前摆腿。骨与关节生物力学一、骨的概述（一）骨的组成和分类颅骨29块躯干骨51块四肢骨126块骨与关节生物力学2.骨的分类按照形态特点可分为：长骨、短骨、扁骨、不规则骨骨与关节生物力学（二）骨的结构1.骨的器官水平结构以长骨为例骨的构造包括骨质、骨膜、骨髓骨与关节生物力学2.骨的微细结构长骨骨皮质的主要结构单位哈佛系统（骨单位）骨与关节生物力学3.骨的血管、淋巴管和神经骨与关节生物力学4.骨组织由细胞和细胞间质组成骨组织细胞包括：

骨细胞成骨细胞骨原细胞破骨细胞骨基质分为

有机质无机质骨与关节生物力学二、骨的生物力学特征（一）骨受载荷形式骨与关节生物力学骨与关节生物力学骨应力是指骨结构受到外来载荷时其表面单位面积所受到的力。骨的应变是指骨在外力作用下的局部形变，包括线性应变和剪切应变。（二）骨的应力与应变骨与关节生物力学骨的应力—应变曲线应力/应变=k（弹性模量，杨氏模量）骨与关节生物力学（三）机械应力对骨生长的影响

沃尔夫（Wolff）定律：物理功能的改变引起骨的吸收和形成，因此改变了骨的内部结构和外部的几何形状。

塑形与重建是骨组织中对机械应力作用响应的两个主要生理过程青少年期骨折愈合期骨组织的更新骨与关节生物力学长跑运动员拇外翻骨与关节生物力学（四）骨疲劳（五）影响骨力学性能的其他因素1．骨的大小和形状2．骨折愈合3．手术因素4．衰老与骨质疏松骨与关节生物力学（六）骨的杠杆作用阻力点在支点和动力点之间的杠杆为省力杠杆。支点在阻力点与动力点之间的杠杆为平衡杠杆。

动力点在支点与阻力点之间的杠杆为速度杠杆（费力杠杆）。

骨与关节生物力学三、关节生物力学（一）骨连结1.直接连结2.间接连结又称关节3.关节的类型骨与关节生物力学（二）关节的生物力学1．关节稳定性（1）关节面形状（2）韧带强弱（3）骨骼肌力量（4）关节负压2．关节的力和力矩3.关节软骨生物力学特性本章总