运动生物力学的概念.pdf

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1、 运动生物力学的概念 YUKI was compiled on the morning of December 16,2020 一运动生物力学的概念：运动生物力学的概念是研究体育运动中人体及器械机械运动规律的科学。二动能与势能的正确利用(高水平运动员动作的特征）：1.高水平运动员在完成投掷动作时有效地利用了助跑速度。2.高水平运动员超越器械动作时间短，身体背弓大器械被充分引向身体后方。3.高水平运动员较好的利用了身体的动能及肌肉的弹性势能。三人体运动的形式：如果将人体简化为质点，人体运动可分为：直线运动和曲线运动。如果将人体简化为刚体，人体运动可分为：平动，转动和复合运动。2.斜抛物体的运动：

2、1.定义：运动轨迹为抛物线 2.斜抛运动的构成：水平方向：匀速直线运动 竖直方向：竖直上抛运动 四牛顿第一定律（惯性定律）：1.定义：任何物体，在不受力作用时，都保持静止或匀速直线运动状态。2.应用（保持跑速，动作连贯）牛顿第二定律及其应用 1.定义 F=ma 2：几点注意 是运动学量 F 是动力学量，他们都是矢量力是产生运动的原因，并且加速度方向与力的方向一致。2.牛顿第二定律中的物体是被当做质点的 3.加速度与力同时出现同时消失，反应的是瞬时关系。应用：加速跑，超重，失重，弯道跑 五牛顿第三定律及其应用：1.定义 Fab=-Fba 2.应用：加速跑，起跳，投掷链球 六动量与冲量 1.动量：

3、K=mv 2.冲量：I=Ft 动量定理在体育中的应用 1：落地缓冲动作：要减少对人体的冲力，就得延长力的作用时间。七人体平衡的力学条件 人体平衡的力学条件是人体所受的合外力为零和合外力矩为零。表达式为：F=0，M=0 如：燕式平衡，单杠支臂悬垂 八人体重心的概念：1.概念：人体全部环节所重力的合力的作用点，就叫人体重心 2.研究人体重心的意义：评定一个体育动作的质量，分析其技术特征和纠正错误动作等。都需要从人体重心的变化规律去分析，无论是动力性的动作还是静力性的姿势，探索其运动规律时，都离不开人体重心。3.特点：人体中心不想物体那样恒定在一个点上，不仅在一段时间内，要受肌肉和脂肪的增长或消退等

4、因素的影响，即使在每一瞬间，也要受呼吸，消化，血液循环等因素的影响，特别是在体育运动中，要受人体姿势变化的制约，随姿势的改变，有时甚至移出体外。例如：体操中的“桥”，背越式跳高的过杆动作等。九人体平衡的分类:1:根据支点相对中心位置分类：1：上支撑平衡：当人体处于平衡，切支撑点在人体重心上方，如：体操中的各类悬垂动作。2：下支撑平衡：当人体处于平衡，切支撑点在人体重心的下方，下支撑平衡在体育动作中最为常见 如：站立，自由体操和平衡木的平衡动作以及田径，武术等。3：混合支撑平衡：是一种多支撑点的平衡状态，这时有的支撑点在人体重心上方，有的支撑点在人体重心下方。如：肋木侧身平衡 根据平衡的稳定度分

5、类：稳定平衡，不稳定平衡，随遇平衡，有限度的稳定平衡。1:稳定平衡：人体在外力作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体自然恢复平衡位置，而不需要通过肌肉收缩恢复平衡。如果物体偏离平衡位置的结果是物体重心升高，则该平衡是稳定平衡，多数上支撑平衡属于稳定平衡。如：单杠支臂悬垂 2：人体在外力的作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体不仅不能回到原来的平衡位置，而是更加偏离平衡位置。如果物体偏离平衡位置的结果是物体的重心降低，则该平衡是稳定平衡，多数下支撑平衡属不稳定平衡。如：单臂手倒立 3：随遇平衡：人体在外力的作用下，偏离平衡位置后，当外力撤除时，人体既回不到原来的平衡位置，也不继续偏离原位

6、置，而是在新位置上保持平衡。在体育中很少见。如：连续完成两个前滚翻。4：有限度的稳定平衡：人体在外力作用下，一定限度内偏离平衡位置，当外力撤除时，人体回到平衡状态，但如果偏离平衡位置超过某一限度时，人体失去平衡。如：太极拳中的推手。十：影响平衡稳定的力学因素 1：支撑面 2：中心高度 3：稳定角：重力作用线同重心与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，越差。稳定角为零，人体处于临界状态。如蹲踞式起跑，“预备”中运动员尽可能将重心抬高并前移，以减小前进方向的稳定角，以便快速破坏稳定平衡。4：平衡角 5：稳定系数：该系数表明了物体依靠重力抵抗翻到作用的能力。K1，平衡不破坏

7、 K=1，临界状态 K1平衡被破坏 人体重量力矩越大，稳定系数越大，破坏平衡所需的外界翻到力矩也越大，即人体平衡的稳定性越好 如：摔跤，拳击，柔道项目中按体重分级，原因就在于此。十一：人体平衡的特点：1：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重心时刻变化。2：人体内力在维持平衡的作用 3:人体的补偿动作 4：人体具有自我控制，调节和恢复平衡的能力 5：心理因素的影响 十二：1：人体转动轴 就人体转动而言，通常称体外的转动轴为实体轴 实体轴：人体绕体外的运动器械转动时，器械就是人体转动的实体轴，例如体操中的单杠等。非实体轴：人体局部肢体或人体转动时所绕的位于人体内部的轴，也就是指人

8、体内的假想的轴 十三：动量矩定理的应用：1.人体环节的运动：人体的各种运动状态都以骨杠杆的转动为基础，而骨杠杆的转动状态的变化，则是肌肉拉力矩的作用结果。在体育动作中为增大环节的转动效果，通常可采用如下途径：减小转动惯量：当肌力矩一定时，减小环节或环节系对某轴的转动惯量，可以达到增加大转动角速度或角加速度的目的。故此，在环节绕关节轴的转动时，通常采用参与转动的环节或环节系的质量尽可能靠近转轴的方法，以减小他们对转轴的转动惯量，从而提高转动角速度或角加速度。十四：动量矩守恒定律：根据动量矩定理推论，当刚体所受的合外力矩为零时，其动量矩保持不变，这就是动量矩守恒定律，其数学表达式为：当 M=0 时

9、 I=恒矢量 十五：阿基米德原理：液体作用在沉没或漂浮物体上的总压力的方向垂直向上，大小等于物体所排开液体的重量，该力又称为浮力，作用线通过压力的几何中心，又称浮心。根据重力 G 与浮力 P 的大小，物体在液体中将有三种不同的存在方式：1.重力 G 大于浮力 P，物体将下沉到底，称为沉体 2.重力 G 等于浮力 P，物体可以潜没于液体中，称为潜体 3.重力 G 小于浮力 P，物体会上浮，直到部分物体露出液体面，使留在液面以下部分物体所排开的液体重量恰好 十六：片流和湍流，涡动和涡旋：1.片流（层流）：液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰 2.湍流（紊流）：液体流动不分层，做混杂紊乱流动 3.

10、涡旋：当液体通过非流线型物体时很容易在物体的尾部形成湍流，即尾部的流体在物体前后压强差的作用下产生逆向回流和明显的涡旋 十七：马格努斯效应：当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体飞行轨迹发生偏转的现象称作马格努斯效应。十八：1.摩擦阻力：由于流体的粘性所引起的阻力称为摩擦阻力。主要取决于运动物体的速度、浸入水面积和表面的粗糙程度等 2.形状阻力：由于流动时流束变形以及涡旋的出现等原因。在物体得前方和后方产生压强差所引起的阻力称为压差阻力 3.兴波阻力和碎波阻力：当运动员游进时破

11、坏了流体平衡而使流体振荡，使液面产生波浪所消耗的能量造成阻力，称为兴波阻力。当运动速度较快或划臂和打腿的动作会使波浪破碎形成飞沫，造成水花这部分最不能损耗而形成阻力称为破碎阻力 十九：骨的强度：1.定义：骨受力时抵抗破坏的能力，用极限应力表示（斜率、面积）2.影响骨的强度的因素：种族、性别、年龄、不同骨及骨的不同部位 3.骨的强度大小的排列顺序：剪切弯曲拉伸压缩 二十：1.骨组织的构成：成骨细胞，破骨细胞 2.沃尔夫定律：骨在需要的地方就生长，不需要的地方就吸收。即骨的生长、吸收、重建都与骨的受力状态有关。是十九世纪外科医生 朱利叶斯沃尔夫 的重大发现。二十一：1.肌肉的基本功能是将化学能转变

12、为机械能 2.肌肉的生物力学特性表现为：肌肉的收缩力，收缩速度 3.对肌肉的研究分为：离体肌，在体肌 二十二：1.收缩成分：由肌肉蛋白微丝与肌球蛋白微丝组成，兴奋时可产生张力，称主动张力 2.串联弹性成分：由肌腱、肌节间 Z 盘及肌微丝的结缔组织组成，当收缩成分兴奋后，使肌肉具有弹性，起缓冲作用 3.并联弹性成分：由肌内膜，肌束膜和肌纤维组成，当被牵拉时产生弹力，称被动张力 二十三：1.肌肉被动张力为零时，肌肉所能达到的最大长度称为肌肉的平衡长度 2.收缩元的张力随长度变化，表现最大张力时的长度称肌肉的静息长度，约为平衡长度的 125%（下肢）二十四：1.肌肉总张力=被动张力+主动张力 2.肌

13、肉长度小于平衡长度时：总张力=主动张力 3.肌肉长度大于平衡长度时：总张力=主动张力+被动张力 二十五：Hill 方程（肌肉收缩力速度曲线）：=b（T0-T）/(T+a）=a（V0-V）/(V+b)T：张力 V：速度 T0：最大张力 V0：最大速度 肌力随肌肉收缩速度的增加而下降 二十六：肌肉的激活状态：在神经脉冲的影响下，肌肉的收缩成分出现激活状态，因此把肌肉兴奋时其收缩成分力学状态的变化称为肌肉的激活状态 二十七：肌肉的松弛：被拉长的肌肉，其张力有随着时间的延长而下降的性质，这一特性称肌肉的松弛 二十八：载荷增大时肌肉收缩力学特性发生如下变化：1.动作潜伏期延长 2.收缩幅度减小 3.收缩

14、速度下降 二十九：肌肉与腱的生物力学性能对运动的影响：1.增加动作的力和速度 2.提高动作的经济性 3.对冲击载荷和振动载荷的缓冲 三十：肌肉的收缩形式：1.肌力矩小于阻力矩时肌群作退让性收缩，也叫离心收缩（肌肉的收缩力作复功）2.肌力矩等于阻力矩时肌群作等长性收缩 3.肌力矩大于阻力矩时肌群作克制性收缩，也叫向心收缩 三十一：人体基本运动形式：1.上肢：推、拉、鞭打 2.下肢：缓冲动作、蹬伸动作、鞭打动作 3.全身：摆动、躯干扭转、相向运动 三十二：关节活动顺序性原理：1.大小关节：肌肉生理横断面大的关节称大关节，反之称小关节 2.关节活动顺序性原理是：当需要客服大阻力时，或需要表现出大的运

15、动速度时，总之是作发力动作时总是：（1）大关节首先产生活动原理：大关节总是首先产生活动，原因是大关节的肌肉生理横断面大产生的肌力矩也大，因此在人体运动过程中它能首先克服阻力矩，使环节运动 2.关节活动顺序性原理的实际意义：大关节产生活动后，依据关节的大小表现出一定的先后顺序 3.小关节的活动也很重要：结束动作由小关节完成，结束动作完成的好坏直接影响到整个动作的质量（1）小关节是动作的支撑点，影响动作的稳定性（2）影响动作的完成时间，小关节主动参与动作可提高动作的速度，缩短完成动作的时间（3）可以精确的控制器械，如铁饼，标枪出手，篮球投篮等手指都有拨动动作前者加强器械飞行的稳定性，后者加大球飞行

16、的弧度。三十三：鞭打动作原理：1.动作：在克服阻力或自位体位移的过程中，肢体各环节依次加速和制动，使末端环节产生极大速度的运动形式称为鞭打动作。2.作用：在运动链末端产生极大的运动速度和打击力。3.原理：动量矩传递：做鞭打动作时，鞭根（近端环节）先加速挥动，获得动量矩。然后制动，在制动过程中，动量矩向鞭梢（末端环节）传递。由于鞭梢质量较小，因此获得较大的运动速度。4.例：投掷标枪，排球扣球 三十四：缓冲与蹬伸动作原理：1.缓冲动作（1）缓冲动作的意义：减少外力作用，遵循动量定理缓冲的机制为：通过延长力的作用时间，减少外力对人体的作用是完成动作技术的重要环节，缓冲动作的充分与否直接影响到动作完成

17、的质量 三十五：摆动动作原理：1.摆动动作的运动学特征 2.摆动动作的合理配合形式 3.摆动动作的作用（1）提高重心相对高度（2）增加起跳力 三十六：躯干扭转原理：1.力学原理：动量矩守恒 2.作用：增大摆动动作的幅度，速度及蹬地力 三十七：相向运动原理：1.相向运动产生的原因：（1）解剖学原因（2）力学原因 2.例：（1）跨栏（2）走步式跳远 三十八：划分动作阶段的依据：1.肌肉工作形式 2.作用力的性质 3.动作方向 4.动作的任务与性质 5.人体工作环境 三十九：确定动作技术的特征画面：1.定义：不同的动作阶段的临界画面称为动作技术的特征画面 2.意义：反应动作技术的好坏，如最大缓冲动作

18、，蹬伸的最大角度 四十：百米跑为什么采用蹲踞式起跑：短跑运动员采用蹲踞式起跑，选择为两腿能更快速有效地蹬伸创造条件的预备姿势 四十一：肌肉激活状态对百米跑起跑的影响：百米起跑，在“预备”时使伸下肢的各肌群产生“预张力”，这样可以提高反应速度和起跑能力。四十二：途中跑：跑的基本生物力学要素：1.步长：左右脚着地点之间在运动向上的距离2.步频（步时）：单位时间跑的步数（跑一步所用的时间）3.速度=步长*步频 四十三：跑步的生物力学原理：1.步长、步时的构成：（1）步长的构成：着地距离、后蹬距离、腾空距离（2）步时的构成：支撑时间和腾空时间 四十四：步长步时的合理组成：1.着地距离短：增大着地角，减

19、少阻力，有利于保持跑速（阻力冲量，动力冲量）2.缓冲时间长：缓冲动作充分，可增大膝关节活动范围，减小后蹬脚，提高蹬地效果 着地角着地瞬间，着地点与重心连线和水平方向的夹角 后蹬角离地瞬间，膝关节角 四十五：跑步时摆动动作的意义：1.良好的摆动技术，可减少着地时脚与地面的碰撞阻力（脚在着地瞬间获得较大的向后 运动的速度）2.摆动动作可提高蹬地力，有利于提高蹬地效果 3.摆动动作直接与步幅，步频有关 4.上肢的摆动动作，对下肢的快速摆动及提高步频起促进作用 四十六：蹬地动作技术原理：1.跑步的缓冲动作：主要由踝，膝关节完成，踝关节活动幅度 3438角，髋关节不参与缓冲，支撑阶段的开始及前半时期，髋

20、关节的伸展活动起主要作用，促使身体重心前移 2.支撑阶段的后半部分，特别是在蹬伸阶段，膝，踝关节的活动起主要作用。在蹬伸结束时，膝关节角在 150165之间 四十七：跳的一般原理：1.助跑：助跑的作用：（1）助跑速度是起跳后人体腾起速度的重要组成部分（跳远水平速度减少 10%15%，跳高水平速度减少 60%左右）2.为缩短起跳时间及增大起跳力创造条件 3.提高肌肉弹性势能 四十八：如何增大重心的垂直向上速度：1.增大重心上升的高度：（1）缓冲阶段起跳腿的屈曲下蹲使重心下降，增加了起跳过程中身体重心垂直位移的高度（2）肢体的摆动动作可大幅度地提高身体重心高度（3）起跳腿的提踵对身体重心升起高度起

21、重要作用 2.缩短助跑时间：加大助跑速度 腾起速度：起跳离地瞬间人体重心的速度 腾起角：起跳离地瞬间人体重心的速度与水平线的夹角 腾起高度：起跳离地瞬间人体重心的高度 四十九：跳高：1.影响跳高成绩的因素：跳高成绩的三个分量：H1腾起瞬间身体重心高度 H2重心腾起高度 H3超越横杆高度 总成绩：H=H1+H2-H3 助跑：弧线助跑的优点：延长身体重心在起跳过程中向上加速的垂直用力距离。因此有助于提高身体腾起速度，倒数第三步降低身体重心位置，也可增加重心向上加速的垂直用力距离 正确的起跳姿势：起跳时身体并不过早倒向横杆，两臂和摆动腿向正上方摆动，腾起瞬间身体质心在起跳点的正上方，这样的起跳技术较

22、合理，既有充分的起跳力，又有足够过杆的角动量 五十：助跑的作用：1.增大投掷时器械的初速度 2.提高肌肉的弹性势能 3.为人体动量向器械转移创造条件 五十一：投掷：1 全身各部分动作的配合原理：（1）关节活动顺序性：在投掷时人体各环节按照由下而上的方法及时间顺序进行活动，因此能产生良好的投掷效果（2）人体各环节同时结束用力：在投掷过程中，下肢稳固的支撑才能保证人体对投掷方向产生良好的用力状态，因此正确的投掷技术，在表现出大关节带动小关节活动的同时，还表现出大小关节同时结束用力状态的特点（3）身体重心位移及速度变化的规律：在投掷过程中，身体重心位移不间断的特点，这是人体给投掷物产生良好施力状态的必要条件，在投掷后身体重心速度有明显下降的现象，这是投掷过程中较好的实现了动量的传递，身体重心速度明显下降和重心位移不间断的要求，二者不矛盾，因为重心位移间断，表明用力间断或停顿，而重心速度下降仅表明位移量下降，并不一定间断 五十二：动能与势能的正确利用（高水平运动员动作的特征）：1.高水平运动员在完成投掷动作时有效得利用了助跑速度 2.高水平运动员超越器械动作时间短，身体背弓大器械被充分引向身体后方 3.高水平运动员较好地利用了身体的动能及肌肉的弹性势能