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1、运动生物力学应用人体平衡运动生物力学应用人体平衡现在学习的是第1页，共23页 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 第一节第一节现在学习的是第2页，共23页内容提要内容提要一、人体平衡概述一、人体平衡概述1二、人体平衡的力学原理二、人体平衡的力学原理2三、影响人体平衡的因素三、影响人体平衡的因素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现在学习的是第3页，共23页一、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，人体的重心也就是人物体的重心是物体所受重力的合力作用点，人体的重
2、心也就是人体所受重力的合力作用点。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误动作等，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理性时，必，判定平衡的稳定性及分析动作的合理性时，必须从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。现在学习的是第4页，共23页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定，而人体重心是变化的。人体重心变化人
3、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或消退等的增长或消退等因素的影响，即使在每一瞬间，也要受到因素的影响，即使在每一瞬间，也要受到呼吸、消化和血液循环呼吸、消化和血液循环等等因素的影响，特别是在运动中，要受到因素的影响，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，的影响，随着姿势的改变而改变，有时甚至能够移出体外。随着姿势的改变而改变，有时甚至能够移出体外。现在学习的是第5页，共23页（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不同支点相对于人体重心的位置不同，将人体平衡分为以下将人体平衡分为以下3种：种：
4、（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，且支点在人体重心的支点在人体重心的支点在人体重心的支点在人体重心的上方上方上方上方。如体操中的各种悬垂动作。如体操中的各种悬垂动作。现在学习的是第6页，共23页（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，支点在人体重心的下方支点在人体重心的下方支点在人体重心的下方支点在人体重心的下方。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，有的支撑点在有
5、的支撑点在有的支撑点在有的支撑点在人体重心上方，有的支撑点在人体重心的下方。人体重心上方，有的支撑点在人体重心的下方。人体重心上方，有的支撑点在人体重心的下方。人体重心上方，有的支撑点在人体重心的下方。例如，肋木侧身平衡。例如，肋木侧身平衡。现在学习的是第7页，共23页 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种：种：（1）稳定平衡）稳定平衡：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：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。衡位置运动，回到平衡位置后，合力为零，合力矩为零。（2）不稳
6、定平衡）不稳定平衡：其特点是偏离平衡位置时，重心降低，产生的重力矩使物体：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。继续倾倒。仅在下支撑平衡动作出现。（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，人体重心升：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，但超出某一定限度的偏离高，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，产生的重力矩使人体更加偏离平衡位置。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
7、位置。（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，不产生使物体位：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。置移动的重力矩。现在学习的是第8页，共23页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现在学习的是第9页，共23页6.力的平移定理力的平移定理（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点的力矩为点的力矩为M如图所示。力矩的方向按右手螺旋法则，即四指如图所示。力矩的方
8、向按右手螺旋法则，即四指沿矢径沿矢径r的方向转向力方向，大拇指的方向即为力的方向转向力方向，大拇指的方向即为力矩方向。该力矩方向为垂直于平面向外。通常规定：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转动的趋势，则该力所产生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，反之为负。的力矩为正，反之为负。现在学习的是第10页，共23页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
9、偶可以产生力偶可以产生力偶矩力偶矩。M=Fd M=Fd，式中，式中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，如果力偶使物体作，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。逆时针方向转动的趋势，则力矩为正，反之为负。现在学习的是第11页，共23页（2 2）力的平移定理）力的平移定理力可平行于自身移动到任意一点，但需增加一个力偶，其力偶矩等于原力对新作用点的力可平行于自身移动到任意一点，但需增加一个力偶，其力偶矩等于原力对新作用点的力可平行于自身移动到任意一点，但需增加一个力偶，其力偶矩等于原力对新作用点的力可平行于自身移动到任意一点，但需增加一个
10、力偶，其力偶矩等于原力对新作用点的力矩。力矩。力矩。力矩。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 M来代替。来代替。5-9现在学习的是第12页，共23页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（受力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，单独画出简图，体）从周围的物体（施力体）中分离出来，单独画出简图，叫做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力全部画。然后把施力物体对研究对象的作用力全部画出来（出来（受力图受力图）。）。
11、现在学习的是第13页，共23页例例1 简化田径运动员跑步后蹬动作的身体受力图，并分析这些力对运动的影响。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。解：如图解：如图5-10所示后蹬动作中身体受到所示后蹬动作中身体受到4个力的作用。（个力的作用。（1）重力重力G（2）地面）地面支撑力支撑力N（3）地面摩擦力）地面摩擦力f（4）空气阻力）空气阻力F。把。把N、f、F三力平移至重心三力平移至重心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5-11所示。所示。5-105-11现在学习的是第14页，共23页（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合外
12、力和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，当力系平衡时满足下列条件一个合外力矩，当力系平衡时满足下列条件时，人体即处于平衡状态，即：时，人体即处于平衡状态，即：F=0 F=0 F=0 F=0 M=0 M=0 M=0 M=0当当F=0 F=0 时，人体没有平动的加速度；时，人体没有平动的加速度；当当M=0M=0时，人体没有转动的角加速时，人体没有转动的角加速度，两个条件同时满足人体即达到平度，两个条件同时满足人体即达到平衡。衡。燕燕式式平平衡衡现在学习的是第15页，共23页（一）影响人体平衡的（一）影响人体平衡的力学因素力学因素l l人体平衡的稳定性人体平衡的稳定性人体平衡的稳定性
13、人体平衡的稳定性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。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，物体平支撑面越大，物体平衡的稳定性就越好。衡的稳定性就越好。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。稳定角越大稳定性越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
14、则越差。好，反之则越差。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对人体的稳定性也有：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。影响。现在学习的是第16页，共23页 例例2:运动员体重运动员体重70kg，两脚间距为，两脚间距为0.5m，对手将一个，对手将一个196N的力从侧面水平地作用于他，作用点距地面的高度的力从侧面水平地作用于他，作用点距地面的高度为为1.0m。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）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；（
15、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点点5cm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）若运动员将两脚间距增大至）若运动员将两脚间距增大至1m时，试求重力作用线在正中央时的稳度系数。时，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K1时，平衡没有被破坏；时，平衡没有被破坏；K=1时，处于时，处于临界状态；当临界状态；当K1时，平衡被破坏。时，平衡被破坏。这里的稳定力矩一般是指重力矩，是人体的体重和重力臂二者的乘积。这里的稳定力矩一般是指
16、重力矩，是人体的体重和重力臂二者的乘积。现在学习的是第17页，共23页（二）影响人体平衡的（二）影响人体平衡的生物学因素生物学因素稳定角、稳度系数等指标仅适用于刚体。对于人体这个具有高级稳定角、稳度系数等指标仅适用于刚体。对于人体这个具有高级神经活动的生物力学系统，评定其动作的稳定程度还需要考虑有神经活动的生物力学系统，评定其动作的稳定程度还需要考虑有关的生物学特点。关的生物学特点。1人体不能绝对静止人体不能绝对静止由于呼吸活动和血液循环必然造成人体总重心位置在一定范围内由于呼吸活动和血液循环必然造成人体总重心位置在一定范围内波动，肌肉的张力在任何时候都不可能恒定，因此身体的姿势不波动，肌肉的
17、张力在任何时候都不可能恒定，因此身体的姿势不可能绝对静止。可能绝对静止。现在学习的是第18页，共23页2 2人体有效支撑面小于支撑面人体有效支撑面小于支撑面由于人体软组织和力量不太足的肌肉无力平衡负荷，所以翻倒线由于人体软组织和力量不太足的肌肉无力平衡负荷，所以翻倒线永远位于支撑面边界线之内，重力作用线未超过支撑面边线时，永远位于支撑面边界线之内，重力作用线未超过支撑面边线时，人体就要提前翻倒。人体就要提前翻倒。3 3人体具有一定的自身平衡调节能力人体具有一定的自身平衡调节能力4 4人体平衡受心理因素的影响人体平衡受心理因素的影响5 5人体平衡动作消耗肌肉的生理能人体平衡动作消耗肌肉的生理能现
18、在学习的是第19页，共23页超级婴儿金鸡独立超级婴儿金鸡独立现在学习的是第20页，共23页四、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（一）直角支撑（一）直角支撑l直角支撑常见于双杠和吊环项目中，它直角支撑常见于双杠和吊环项目中，它是以双臂支撑整个身体，使躯干与下肢是以双臂支撑整个身体，使躯干与下肢呈直角的平衡动作。呈直角的平衡动作。l受力分析受力分析：重力：重力G G、器械对人体的作用力、器械对人体的作用力N1N1、N2N2。人体平衡的力学条件：人体平衡的力学条件：5-13现在学习的是第21页，共23页局部环节的肌肉作用局部环节的肌肉作用：肩关节和肘关节周围的肌群主要起固定：
19、肩关节和肘关节周围的肌群主要起固定两臂作用。下肢重力矩由相应的肌群以一定的拉力矩对抗。保持两臂作用。下肢重力矩由相应的肌群以一定的拉力矩对抗。保持下肢水平姿势股四头肌的拉力矩与足和小腿重力矩平衡；小腿和下肢水平姿势股四头肌的拉力矩与足和小腿重力矩平衡；小腿和大腿的重力矩是由髂腰肌、股直肌、缝匠肌等的拉力矩来平衡，大腿的重力矩是由髂腰肌、股直肌、缝匠肌等的拉力矩来平衡，腹肌完成固定工作。腹肌完成固定工作。稳定性分析稳定性分析：该动作属于下支撑平衡，由于下肢的重力矩使身：该动作属于下支撑平衡，由于下肢的重力矩使身体有顺时针转动的趋势，在两臂能支撑体重的前提下，腹肌对体有顺时针转动的趋势，在两臂能支撑体重的前提下，腹肌对完成动作起主要作用。完成动作起主要作用。现在学习的是第22页，共23页（二）（二）吊环十字支撑吊环十字支撑十字支撑在吊环项目中是难度较高的动作之一，需要很大的臂十字支撑在吊环项目中是难度较高的动作之一，需要很大的臂力才能完成。要求两手深握吊环，两臂侧平展与躯干成直角姿力才能完成。要求两手深握吊环，两臂侧平展与躯干成直角姿势支持着身体，见图势支持着身体，见图5-14。受力分析：重力受力分析：重力G、吊环对人体的作用、吊环对人体的作用力力T1、T2。人体平衡力学条件：人体平衡力学条件：5-14现在学习的是第23页，共23页