跳远起跳腿的受力分析及通信电源系统探讨

PAGE跳远起跳腿的受力分析摘要:通过对起跳腿的受力分析和能量转换的研究，得出以下结论：就运动学特征而言，起跳过程是发生在起跳脚与地面之间的一次类似于非完全弹性碰撞物理现象；膝关节缓冲动作是“冲力矩”对膝关节作用的结果；推导出机械能与肌肉做功能量转换模拟图，表明肌肉被拉伸后所储备的能量可能是碰撞发生后能量上传的结果。关键词:起跳过程碰撞缓冲冲力矩能量转换ResearchonForceandEnergyConversionofTake-offFeetAbstract:Accordingtotheresearchonforceandenergytransformationoftalk-offprocess,theresultshows:Onfaceofcharacterofthekinesiology,thetake-offprocessissimilarasaphysicalphenomenonoftheUnelasticCollectionthathappensbetweenthetalk-offfootandfloor;Theamortizationmotionofkneeisactionofimpactforcetorque;Thispaperdeducedtheanalogpictureofmechanicalenergyandenergyconversionofmuscles,itshowsthatwhenthemusclewerestretched,thestoredenergyistheresultofenergytransmitsupfromcollisionafterithappened.Keywords:talk-offprocesscollisionamortizationimpactforcetorqueEnergyConversion

前言:伸肌群的退让性收缩能力是体育运动中一切爆发性用力动作获得最佳力学效果的主要因素，这一点，在跳跃起跳中表现的尤为显著[1]。伸肌群退让性收缩的结果就表现为腿部缓冲动作，退让性收缩与缓冲动作实际上属于本质与现象的关系。但退让性收缩的发生机理存在着不同的说法。有教材认为缓冲的发生机制是重力的作用[4]；有些认为是惯性力的作用[5]。还有些其认为是外力矩的作用的结果[2]；也有学者认为是肌肉克服的是冲击惯压外力[1]。可见，缓冲过程的受力非常复杂，下面将从起跳脚的受力变化与能量转换的角度来研究起跳过程。1研究方法1.1文献资料法查阅有关起跳机制、运动生物力学和起跳技术分析的研究文献和专著，并对其进行收集、整理、归纳和推导。1.2调查法通过个别调查法，就某些概念和理论的鉴定对有关专家进行访谈。2结果与分析2.1起跳过程的肌肉工作状态与动作阶段划分任何一种跳跃的起跳都是受人意识支配的，都是人体肌肉主动收缩（内力），通过运动支撑器官与地面相互作用（产生外力）的必然结果[6]，故我们不能把起跳过程等视为物理学上所描述的理想化的非完全弹性碰撞。但就运动学特征而言，把起跳过程的外部特征视为发生在起跳脚与地面之间的一次类似于非完全弹性碰撞的物理现象，并将其分为两个阶段：第一阶段为起跳脚与地面开始接触到屈肌退让收缩结束的能量吸收阶段（挤压阶段）；第二阶段为能量释放阶段（形变恢复）。在第一阶段，起跳脚与地面冲撞挤压后由于内部应力使二者均发生形变，如地面的凹陷、跳高鞋海绵垫的塑性形变、膝关节的弯曲等等。在这一过程中，膝关节肌群为了阻止膝关节的弯曲而发生了退让性收缩，也就是我们通常所说的缓冲。表1起跳过程的肌肉工作状态和动作阶段划分外力矩与肌力矩力关系外力矩与肌力矩力关系大于等于小于碰撞起跳阶段划分能量吸收阶段能量释放阶段肌肉收缩形式退让收缩等长收缩克制收缩技术表现形式着地缓冲蹬伸肌肉力量逐渐增大最大依次减小表1中起跳过程的第一阶段是着地缓冲阶段，肌肉工作类型为退让收缩和等长收缩。教材所说的在着地瞬间肌肉克服的外力（冲力）最大，但并不是说此时的肌肉力量是最大的，根据离体肌肉拉伸过程的力学研究显示：当一块完全激活的肌肉或肌纤维，以适宜的速度从一个恒定长度拉伸到另一长度时，在其末端记录到的力，要大于同样长度的最大等长活动的力，且拉伸结束时肌肉力比同样长度下的最大等长活动力大2倍，即所谓的“拉伸过程的力增强现象”[3]。所以，膝关节肌群的最大肌力可能出现在等长收缩结束和克制收缩开始的一瞬间，之后膝关节肌群力量慢慢减小，脚离地时为零。退让收缩阶段外力矩是始终大于肌力矩的，随着肌肉被拉长和缓冲动作幅度的增大，在等长收缩阶段二者相当。第二阶段是蹬伸阶段，肌肉工作类型为克制性收缩。随着蹬伸动作的完成，肌肉力量图1图1重力矩与地面支撑力矩的膝关节模拟图2缓冲阶段1起跳腿着地3蹬伸阶段d2d1髋关节GON1N2N3地面x2.2起跳过程中的受力分析潘慧炬在修正复杠杆模型的研究中认为在蹬伸阶段股四头肌起主要作用，复杠杆只在伸膝后半程起一定作用，但在退让收缩阶段复杠杆可能发挥较大作用[8]。依照“复杠杆模型”对膝关节的外力矩进行模拟设计，图1是起跳过程的各阶段的重力矩和地面支撑力矩的模拟图，N为支撑力，G为重力，d为力臂，O点为膝关节（本模型没有考虑膝关节重心高度的变化和摩擦力在碰撞过程的作用）。从图1中可知膝关节受重力矩（MG=G×d1）与地面支撑力矩（MN=N×d2）同时作用。据右手法则对力矩的方向和正负做出判断：1、起跳着地：重力矩和地面支撑力矩方向均向内，为负，所以起跳脚着地时两力矩是重叠作用的；2、缓冲阶段：当膝关节缓冲超过踝关节时，重力矩方向向内，为负，但支撑力矩向外，为正，所以两力矩有抵消的现象；3、蹬伸阶段：随着蹬伸动作的进行，两力矩的方向向外，为正，为人体离地提供动力。可见，着地时地面对腿部的冲力实际上是地面支撑力矩和重力矩同时作用的结果。研究显示地面对人体的冲击力，其值能达到体重的14倍[3]，所以把缓冲动作看作是重力作用的结果的说法是不准确的。冲力随着退让性收缩的结束而随之减小并消失，但其能量发生了转换。至于认为是惯性力作用的说法也不太确切，惯性力是加速运动参照系（非惯性参照系）内物体出现的运动状态的变化，为了应用牛顿定律解释而引进“虚拟力”，称惯性力[2]。它没有施力者，不符合力的三要素，当然也就不能说是惯性力造成了腿部的缓冲动作，但惯性力对肢体摆动和人体补偿运动的研究是很有意义的。王保成教授提出的“冲击惯压外力”的作用，说明了膝关节肌群做退让性收缩所受的是一个复杂的变化的合外力。《体育科学词典》提及外力矩与屈肌力矩的作用，它的力学系统的确立是下肢局部环节，把缓冲作为以膝关节为轴的转动过程，而局部环节的转动一般只提及重力矩和肌力矩，所以认为膝关节被迫缓冲是“冲力矩”对膝关节作用的结果，即重力矩与地面支撑力矩的共同作用。当物体受外力作用时，其内部会发生不同的应力分布与出现变形形态。应力是物体在外因（如受力、温度等）影响下发生状态和体积改变时，其内部任一截面上所受的力，属内力。应力的传递伴随着能量的转换，应力的特点是往薄弱环节聚集，当人体的某一个面或是某一点的应力超出承受范围就会出现形变形态。在应力的传递过程中，人体关节是应力集中的主要部位，在起跳过程中，膝关节肌群的退让性收缩是为了防止应力过大而使膝关节过分弯曲，因此，加强其肌群的退让工作能力在跳跃项目的训练中是非常有意义的。2.3碰撞过程中的功能量转换有人（周成之，王保成，1985年）认为人体腾空的动力，来源于运动器官肌肉快速收缩所产生的“爆发能量”，而不是“力”[6]。所以对起跳过程中的能量转换来探讨是非常有意义的。3.3.1人体肌肉组织对机械能的吸收和释放图2机械能与肌肉做功能量转换模拟图碰撞总能吸收的能图2机械能与肌肉做功能量转换模拟图碰撞总能吸收的能肌肉负功肌肉正功T2（s）Wt10既然肌肉在拉伸过程中没有热产物，说明肌肉本身没有消耗能量去做负功，但其肌力、SEC的应变能和其做正功的能力却增加了两倍。所以本文推断，肌肉被拉伸后所储备的能量是碰撞发生后能量上传的结果，且碰撞过程中损失的机械能在理论上应等于人体各环节所吸收的机械能、热能和塑性形变能之和，据此，推导出机械能与肌肉做功能量转换模拟图，如图2所示：1、在0～t1时段为碰撞后能量上传至SEC存储能量的过程，同时也是肌肉做负功的过程，且存储的能量与肌肉负功的数值相当；2、在t1～t2时段是肌肉拉伸后主动收缩做2倍正功过程。由此可见膝关节的缓冲过程是肌肉传递和转换能量的主要阶段。当然，肌肉做正功的能量不仅仅是来源于SEC存储的能量，肌肉主动收缩也消耗来自体内的能量来做功。起跳腿肌群与离体肌肉不同之处在于，其分布在踝、膝和髋三大关节，长短跨度和收缩的起止时间也不一样，所以能量转换时间也可能不同步，但肌肉的作用时间和能量转换总体集中在上述的两个时间段。在着地过程，身体所承受的冲击力，使被动解剖组织（韧带、软骨等）和肌肉吸收了碰撞后的机械能，且会给机体带来伤害，这就激活了肌肉消耗机械能的能力，肌肉这种能力可能对保护被动解剖结构非常有利。3.3.2碰撞后的能量转换与训练指导起跳的能量不仅仅来自于碰撞过程的能量转换，其中一部分也来自于肌肉的主动收缩。据肌肉组织对机械能的吸收与释放来看，碰撞过发生后总机械能的转变方式如下，如图3所示：碰撞前总机械能碰撞前总机械能热能被动解剖组织和肌肉所吸收的机械能塑性形变能起跳能量肌肉主动收缩能量图3起跳能量的转换图流体交换碰撞发生后，除接触碰撞区附近的地面发生的塑性变形、屈曲、褶皱、穿透（鞋钉），起跳脚周围流体参与的能量交换与吸收之外，其余能量将转化为被动解剖组织和肌肉吸收的机械能。所以起跳能量的来源是碰撞发生后被动解剖组织和肌肉所吸收的机械能和肌肉主动收缩产生机械能之和。在起跳技术的训练过程中，我们要尽量提高机械能的合理转换。首先提高运动员的屈肌力量和退让工作能力，并给予合理的能量吸收和转换时间，并不是起跳时间越短越好；同时减少塑性形变的发生；再者提高运动辅助器械的刚性，如钉鞋鞋底的设计即要防止应力给人体带来的伤害，又要减少能量的损失。

3结论通过对起跳腿工作过程中的受力分析和能量转换的研究，得出以下结论：3.1起跳不等同于物理学上理想化的碰撞，但就运动学特征而言，起跳过程是发生在起跳脚与地面之间的一次类似于非完全弹性碰撞物理现象，并将起跳过程分为能量吸收阶段和能量释放阶段。3.2膝关节缓冲动作是“冲力矩”对膝关节作用的结果。“冲力矩”实际上是重力矩和地面支撑力矩的共同作用。3.3推导出机械能与肌肉做功能量转换模拟图，表明肌肉被拉伸后所储备的能量是碰撞发生后能量上传的结果，而起跳能量的来源是碰撞发生后被动解剖组织和肌肉所吸收的机械能和肌肉主动收缩产生机械能之和。

参考文献［1］王保成.王川.田径运动理论创新探索.[M]北京体育大学出版社.2003：50-70.［2］中国体育科学学会.香港体育学院.体育科学词典[M]高等教育出版社.2002：102-115.［3］弗拉基米尔M.扎齐奥尔斯基.运动生物力学.[M]人民体育出版社.2004：56-68.［4］运动生物力学编写组.运动生物力学.[M]高等教育出版社.2000：303-307.［5］全国体育学院教材委员会.田径运动高级教程.[M]人民体育出版社.1994：36-37.［6］周成之.王保成.人体起跳机制和起跳效果的研究.[J]西安体育学院学报.1985，04：1-3［7］张文明等.基于ANSYS/LS-DYNA的桥梁碰撞分析.[J]中国水运.2006，6（11）：21-23.［8］潘慧炬.人体膝关节复杠杆模型的修正.[J]体育科学.2000，20(2):88-90.通信电源系统探讨摘要：通信电源系统，是用一些电源设备按照通信枢纽站主要用电设备用电要求，组成的一个连续提供电能量的设备整体。组成电源系统的电源设备分为四类：基础电源，引入电源，不间断电源，变换器电源。通信电源系统的工作原理，是以浮充电源为核心，以市电和自备发电设备为依托，利用各种电源设备，组成一个完整可靠的浮充供电系统，向通信设备供电。通信电源系统存在四种供电方式，也就是：浮充供电系统的集中供电方式，分散供电方式，并列供电方式，混合供电方式。关键词：通信电源系统，电源设备的分类，通信电源系统的工作原理，通信电源系统的四种供电方式。

引言多年来，电源界对通信电源系统的认识，是以秦棣祥先生为代表，典型文章是《通信电源系统介绍》参看《通信电源技术》杂志2001年10月增刊P1-P2，秦棣祥《通信电源系统介绍》一文参看《通信电源技术》杂志2001年10月增刊P1-P2，秦棣祥《通信电源系统介绍》一文两个概念是，通信局站电源和通信电源。两个系统是，交流供电系统和直流供电系统。三级电源是，第一级:电源变电站、市电、备用发电机，保证能源供应。第二级电源:交流不间断电源和直流不间断电源，保证不间断。第三级电源:通信设备上的电源，有集中供电方式和分散供电方式。文献中，把一个简单的供电整体，描绘成了一个复杂的设备堆。到底什么是通信电源系统？不得而知。本来介绍的是一个概念，变成了两个概念；一个系统，却变成了两个系统等等。本人从事通信电源基层工作多年，实践中感到以上说法，没有抽象出任何新的电源概念。这些设备之间似乎只有简单的罗列关系，通信电源系统的性质和任务是什么？等问题更是无从说起。给现场工作者的印象是，令人难以理解的混乱；因此，对秦先生的观点不敢苟同。可以说，缺乏基本理论，概念不清,是多年来通信电源行业的病根，至今没有引起我们的重视。近年来，虽然电源技术设备受到电子技术的影响发展很快；但是，有人形象的说，通信电源界对自身的认识仍然停留在上世纪50年代。本人十分赞成这种说法，电源行业同任何其他行业一样，基本理论体系的建立十分重要，否则再高深的技术研究也不会有出路，只有庸人自扰。下面是本人对“通信电源系统”的认识和体会，愿共同探讨。一关于通信电源系统的定义所谓系统是同类事物按照一定的关系组成的整体。通信电源系统，是用一些电源设备按照通信枢纽站主要用电设备用电要求，组成的一个连续提供电能量的整体。通信电源系统，是枢纽站主要通信电源设备的能源供给系统。它具有其他能电源供给系统的一般性，又有自己的特殊性。它的一般性是提供合格的电能源；它的特殊性是不间断供电。显然，组成通信电源系统的设备，都是电源设备。这些电源设备是按照通信行业对电能源的特殊要求组成的。能源性是通信电源系统的基本性质，连续供电是通信电源系统的基本任务。二通信电源系统的组成电源系统是由电源设备组成的。当前电源设备的分类也是混乱的，这里我们把电源分为四类：基础电源，引入电源，不间断电源，变换器电源。1.基础电源：指能够产生电能量的设备或输出电能量的端子。如，油机，各种电池，蓄电池，市电等；2.引入电源：指能够对电能量进行分配，导引，计量，关断的设备。如，交直流配电盘，电缆，刀闸，容断器，计量器，等；3.不间断电源：由整流器和蓄电池并联组成，可以在一定时间内不间断供电的装置，可以认为这是一类特殊的电源设备（这种电源设备我们也称为浮充电源）；4.变换器电源：能使电能量形式变换的电源设备。变压器，整流器，逆变器，变频器，直流变换器等。严格说只有自身产生电能量才能称电源，比如，基础电源和不间断电源。不过在日常生活中，存在某些习惯叫法，仅靠传导和变换电能量的设备也称电源，比如，引入电源和变换器电源。电源设备的这种分类既适用于一般电源系统，也适用于通信电源系统。三.通信电源系统的供电原理我们可以这样描述通信电源系统的供电原理：为了给通信设备持久的提供电能量，以浮充电源为核心，以市电和自备发电设备为依托，利用电源设备，组成一个完整可靠的浮充供电整体，保证通信设备用电。以上通信电源系统的供电原理，涉及两个基本概念，即：浮充电源和浮充供电系统。简单解释如下：1.浮充电源参看2001年第一期《电信快报》P41，康敏《浮充电源探讨》一文。这是电源技术中的一个新概念，大概意思如下：当整流器、蓄电池并联在一起向负载供电的时候，整流器、蓄电池之间的关系习惯叫做“浮充关系”。这时候，蓄电池处于“浮充状态”。这种状态存在一种特殊现象，即，如果整流器停止工作，因为蓄电池常处于饱和状态，所以，这个并联装置可以在一定时间内向负载供电。于是在连续供电的过程中，我们把并联在一起的整流器和蓄电池作为一个固定的组合。我们给这个固定的组合起名为：“浮充电源”。各种规格的整流器和蓄电池可以分别组合不同的浮充电源，选择合适的浮充电源是解决连续供电问题的重要工作。之所以提出浮充电源概念，不仅是因为，浮充电源在解决连续供电的问题上是通信电源系统的核心，具有特殊意义和重要作用。更重要的是，建立这一新概念，在观察电源问题时思路更清晰，在研究是连续供电的问题上十分方便。如图1。浮充供电系统解决一般电源连续供电问题时，浮充电源和其他电源设备组合使用存在一个基本架构，这个基本架构就是浮充供电系统。这个基本架构是电源技术的一种客观存在，它是电源技术的能源性决定的，并不以电子技术的发展而变化。构图2所示，就是这种供电系统的结构图。图中，圆形框，表示有源设备，即，市电、油机、浮充电源。矩形框，表示无源设备，即，交流屏、直流控制屏、变换器、稳压器。图中所表示的供电关系为，系统平时依靠市电供电，当市电中断后由油机发电接替，二者通过交流盘转换。交流电通过交流配电盘送入浮充电源，浮充电源中有处于饱和状态下的蓄电池，可以保证输入电源突然中断时，电能量输出一定时间内不中断。连续输出的电能量通过变换器可以变换出多种电压种类，提供负载需要。图中，直流控制屏和浮充电源的两个图形相切，表示这两个设备应当相距很近，以减少损耗。图中，浮充电源中的蓄电池一般情况下担负的任务是，瞬间交流中断。在非常情况下，有时交流中断时时间较长，有时次数频繁，或二者兼有之。考虑到这些情况浮充电源中的蓄电池应当具有足够的设计容量。显然，蓄电池容量的大小是系统安全性的最后保证。交流市电或油机二者都可以是一路或者多路。这个浮充供电系统，是一个全电源的集合，是一个“电源”的全息模型图。这个浮充供电系统，它可以起到连续供电的目的，因此它是一个连续供电系统。这个电源系统的核心，就是浮充电源。通信电源系统的工作原理，是以浮充电源为核心，以市电和自备发电设备为依托，利用各种电源设备，组成一个完整可靠的浮充供电系统，向通信设备供电。四.通信电源系统的四种供电方式在电源技术实践中，往往不仅使用一个浮充电源，浮充电源之间会出现集中，分散，并列，混合，四种不同情况下的组合。如图3。通信电源系统的集中供电方式：浮充电源只有一个，连续电流通过变换器向不同机群供电。这种方式往往只是一种理想状态。通信电源系统的分散供电方式：多个小型浮充电源分别置于各个机架上，这种方式即现在流行的机架电源。通信电源系统的并列供电方式：几个大型浮充电源分别组成不同的供电源系统，并列于地面上提供不同的直流电压供设备选用。比如同时有24 V，48V等系统。这种方式多出现于旧的局站，设备改造后的新旧设备并存状态。通信电源系统的混合供电方式：以一个大型浮充电源为主组成一个集中供电系统，另外个别设备从交流盘引出交流电，单独提供给小型浮充电源为该设备供电。这种方式应当属于一般通信局站的常用供电方式。以上浮充电源的集中，分散，并列，混合四种形式，构成了四种不同的供电系统，这四种不同的浮充供电系统，也正是通信电源系统的四种供电方式。了解以上内容，可以使我们对通信电源系统一目了然。在电源界，任何严格的连续供电都是采用的浮充供电技术，通信供电技术属于供电技术之一，自然也不例外。事实上不管我们是否承认，浮充供电技术，是目前国内外通信枢纽站保障连续提供电能源的唯一形式和方法。这种供电系统，在实践中已经运用了多年，为什么我们对这一形式熟视无睹呢？附图1：浮充电源原理示意图整流器蓄电池组整流