運(yùn)動生物力學(xué)

1、運(yùn)動生物力學(xué)運(yùn)動生物力學(xué)任課教師：李再菊 第一章 運(yùn)動生物力學(xué)概論 第二章 人體運(yùn)動實用力學(xué)基礎(chǔ) 第三章 骨、肌肉的力學(xué)特性及人體基本活動 第四章 人體運(yùn)動數(shù)據(jù)采集及處理 第五章 動作技術(shù)的生物力學(xué) 第一章 運(yùn)動生物力學(xué)概論 二、運(yùn)動生物力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容 四、運(yùn)動生物力學(xué)的發(fā)展簡史 一、運(yùn)動生物力學(xué)的概念三、運(yùn)動生物力學(xué)的指導(dǎo)思想 一、運(yùn)動生物力學(xué)的概念一、運(yùn)動生物力學(xué)的概念 運(yùn)動生物力學(xué)的概念：是以人體的解剖學(xué)、人體的生理學(xué)、力學(xué)的理論與方法，研究人體運(yùn)動器系的生物力學(xué)特性和人體運(yùn)動動作的力學(xué)規(guī)律以及器械機(jī)械運(yùn)動力學(xué)規(guī)律的科學(xué)。最佳運(yùn)動技術(shù)：是考慮個人的身體形態(tài)、機(jī)能、心理素質(zhì)和訓(xùn)練水平來應(yīng)

2、用一般技術(shù)原理，已達(dá)到最理想的運(yùn)動成績。動作技術(shù)原理：指完成某項動作技術(shù)的基本規(guī)律，它適應(yīng)于任何人，不考慮運(yùn)動員的性別、體型、運(yùn)動素質(zhì)的發(fā)展水平和心理素質(zhì)的差異，是具有共性特點的一般規(guī)律。二、運(yùn)動生物力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容二、運(yùn)動生物力學(xué)的任務(wù)和內(nèi)容 (一)運(yùn)動生物力學(xué)的任務(wù)有以下幾點： 1、研究運(yùn)動員身體結(jié)構(gòu)和機(jī)能的生物力學(xué)特征，以生物力學(xué)的觀點來研究運(yùn)動器科學(xué)官系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及身體運(yùn)動素質(zhì)的力學(xué)特征，并考慮不同年齡、性別訓(xùn)練水平和心理特點來評價其運(yùn)動能力2、研究各項動作技術(shù)，確立動作技術(shù)原理，建立動作技術(shù)模式指導(dǎo)教學(xué)和訓(xùn)練，在體育教學(xué)中，講清楚動作技術(shù)原理是非常重要的，

3、要使學(xué)生懂得怎樣做何為什么要做3、結(jié)合運(yùn)動員個人的身體形態(tài)、機(jī)能和運(yùn)動素質(zhì)等的特點，研究適合個人的最佳運(yùn)動技術(shù)和進(jìn)行動作技術(shù)診斷，對高水平運(yùn)動員的動作技術(shù)進(jìn)行生物力學(xué)分析，可以總結(jié)出共性的一般原理，對各個運(yùn)動員的動作技術(shù)進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)其個人的技術(shù)特點和存在的問題，提出改進(jìn)技術(shù)的措施。4、探索預(yù)防運(yùn)動創(chuàng)傷和康復(fù)手段的力學(xué)依據(jù) 通過對人體結(jié)構(gòu)和機(jī)能的力學(xué)研究和對動作技術(shù)的生物力學(xué)分析，能揭示運(yùn)動器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)與機(jī)能相一致的關(guān)系。 5、設(shè)計和改進(jìn)運(yùn)動器械 運(yùn)動實踐中，人體位移或器械的飛行，都是人體育運(yùn)動場地或器械兩物體相互作用的結(jié)果(二)運(yùn)動生物力學(xué)的內(nèi)容： 1、運(yùn)動生物力學(xué)概論 2、人體運(yùn)動實用力

4、學(xué)基礎(chǔ)3、骨、肌肉及人體基本活動的生物力學(xué)基礎(chǔ)4、人體運(yùn)動數(shù)據(jù)采集級處理5、動作技術(shù)的生物力學(xué)分析三、運(yùn)動生物力學(xué)的指導(dǎo)思想三、運(yùn)動生物力學(xué)的指導(dǎo)思想1、發(fā)展的觀點2、對立統(tǒng)一的觀點3、內(nèi)外力相互作用中內(nèi)力起主導(dǎo)作用的觀點4、低級運(yùn)動形式受控于高級運(yùn)動形式的觀點。高級運(yùn)動形式即思維活動。人體的機(jī)械運(yùn)動又表現(xiàn)為兩種形式：人體自身發(fā)生的形變；相對于其周圍的環(huán)境而發(fā)生的位因此，在研究活體系統(tǒng)的運(yùn)動時要注意到各種力對生物體所做的功，即消耗于整體的位移，又消耗于自身的形變。這正是我們用生物力學(xué)和力學(xué)的觀點來研究人體運(yùn)動的可行性與必要性。 運(yùn)動生物力學(xué)發(fā)展簡史1最早對人和動物運(yùn)動的力學(xué)問題進(jìn)行研究的是古希

5、臘哲學(xué)家和自然科學(xué)家阿里士多德2最早提出：大腦-運(yùn)動沖動-神經(jīng)-肌肉-關(guān)節(jié)運(yùn)動理論的是意大利著名醫(yī)生加倫3提出人體運(yùn)動必須服從力學(xué)定律的觀點的是：意大利科學(xué)家達(dá)芬奇。4第一部運(yùn)動生物力學(xué)著作是：意大利醫(yī)生解剖學(xué)家阿鮑列里論動物的運(yùn)動。5最早采用照相技術(shù)對人體運(yùn)動進(jìn)行研究的是法國生理學(xué)家馬勒。6影片分析萌芽是指1877年美國的麥布里奇第一次用24架照相機(jī)按順序拍攝了騎馬奔跑的連續(xù)動作。7首次提出從神經(jīng)控制論觀點來研究人體運(yùn)動的是蘇聯(lián)的伯恩斯坦。論動物的結(jié)構(gòu)8因?qū)∪饬W(xué)進(jìn)行分析而獲得諾貝爾獎是英國的生理學(xué)家希爾。 第一章第一章 人體運(yùn)動實用力學(xué)基礎(chǔ)人體運(yùn)動實用力學(xué)基礎(chǔ) 第一節(jié)第一節(jié) 人體運(yùn)動的運(yùn)

6、動學(xué)人體運(yùn)動的運(yùn)動學(xué) 為了方便研究人體的運(yùn)動，必須對人體進(jìn)行簡化處理，建立人體的簡化模型，下面就介紹幾種常見的簡化模型。 一一 人體的簡化模型人體的簡化模型 (一一 )退化模型（可變剛體系）退化模型（可變剛體系） 這種模型是把人體的200多個環(huán)節(jié)簡化為若干個環(huán)節(jié)，(15個環(huán)節(jié)) ，并把每個環(huán)節(jié)抽象為剛體（用理想的幾何圖形的特征代表人體的環(huán)節(jié)）組成可變剛體系。各個環(huán)節(jié)都有理想的幾何外形，再根據(jù)人體環(huán)節(jié)的幾何數(shù)據(jù)（長、高、寬）和慣性數(shù)據(jù)（質(zhì)量、慣量、質(zhì)心位置）對給出的參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)。形狀如圖 （二）瘦化模型（可變質(zhì)點系）（二）瘦化模型（可變質(zhì)點系）當(dāng)人體各個環(huán)節(jié)的運(yùn)動效應(yīng)不明顯時，可以把環(huán)節(jié)的運(yùn)

7、動看作一個質(zhì)點的運(yùn)動或者說把環(huán)節(jié)運(yùn)動看作環(huán)節(jié)質(zhì)心的運(yùn)動，這樣，上面的模型可以簡化為一個由15個質(zhì)點組成的質(zhì)點系。 （三）簡單模型（質(zhì)點）（三）簡單模型（質(zhì)點） 就是把人體看作一個質(zhì)點，分析人體重心的軌跡。如跳高、跳遠(yuǎn)就是把人體看作一個質(zhì)點。 條件：人體各環(huán)節(jié)的運(yùn)動效應(yīng)不明顯，相對于整個人體整體運(yùn)動而言可以忽略。 （四）隨機(jī)模型（四）隨機(jī)模型 以觀察、統(tǒng)計為基礎(chǔ)而建立的數(shù)學(xué)模型。 二二 運(yùn)動的相對性及參考系運(yùn)動的相對性及參考系 辯證唯物主義認(rèn)為運(yùn)動是絕對的。但是，如何對物體運(yùn)動進(jìn)行描述是擺在我們面前的一個問題。（一）運(yùn)動的相對性（一）運(yùn)動的相對性我們之所以判斷汽車是運(yùn)動的是因為我們把它跟自己或者

8、路邊的樹木或建筑物而言，汽車是運(yùn)動的，這說明運(yùn)動是絕對的，而不是相對的。運(yùn)動具有相對性，為此我們對物體的機(jī)械運(yùn)動界定為一個物體相對于另一個物體的位置改變。（二）參考系與坐標(biāo)系（二）參考系與坐標(biāo)系 1 、參考系：描述物體運(yùn)動時選定的參照物體或物體群。慣性參考系：相對于地球靜止或作勻速直線運(yùn)動的參考系；非慣性參考系：相對于地球作變速運(yùn)動的參考系。 2 、 坐標(biāo)系：在體育運(yùn)動中常用的坐標(biāo)系市直角坐標(biāo)系。這種坐標(biāo)系通常有三種：一維坐標(biāo)：描述直線運(yùn)動；二維坐標(biāo)：描述平面運(yùn)動；三維坐標(biāo)：描述空間運(yùn)動。三三 人體運(yùn)動的基本概念和運(yùn)動形式人體運(yùn)動的基本概念和運(yùn)動形式（一）軌跡、路程、位移（一）軌跡、路程、位移

9、 1、軌跡：質(zhì)點運(yùn)動的路徑。例：百米跑中，人體總質(zhì)心的軌跡是一條直線；跳遠(yuǎn)時人體總質(zhì)心的軌跡為拋物線。 2、路程、位移 路程為標(biāo)量；位移為矢量。 （二）人體的運(yùn)動形式（二）人體的運(yùn)動形式關(guān)于人體運(yùn)動的運(yùn)動形式有兩種劃分方法：1、把人體簡化為質(zhì)點按質(zhì)點運(yùn)動軌跡分為直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動； 2、把人簡化為剛體，按機(jī)械運(yùn)動的形式分為平動、轉(zhuǎn)動和復(fù)合運(yùn)動 1、直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動 勻速直線運(yùn)動1直線運(yùn)動 勻變速直線運(yùn)動 變速直線運(yùn)動 非勻變速直線運(yùn)動 圓周運(yùn)動(軌跡是一個圓)2曲線運(yùn)動 斜拋體運(yùn)動：軌跡為拋物線 2、平動、轉(zhuǎn)動、復(fù)合運(yùn)動 1平動：剛體上任一兩點的連線保持平行而且長度不變的運(yùn)動。包括直線平動和

10、曲線平動 直線平動 曲線平動 2轉(zhuǎn)動：運(yùn)動過程中，物體上各點都繞同一條直線（即轉(zhuǎn)軸）做圓周運(yùn)動。 3復(fù)合運(yùn)動：平動和轉(zhuǎn)動相結(jié)合的運(yùn)動。在研究中，通常將復(fù)合運(yùn)動分解為平動和轉(zhuǎn)動兩部分分別討論。四 人體的速度和加速度（一） 速率、速度 1、速率和速度都是用來描述物體運(yùn)動快慢的物理量。 速率是標(biāo)量； 速度是矢量。 2、瞬時速度：是物體某一時刻或通過運(yùn)動軌跡上某一點的速度，又叫即時速度。在我們對運(yùn)動技術(shù)進(jìn)行生物力學(xué)分析時，往往關(guān)心的就是瞬時速度和瞬時速率，例如在投擲項目中器械的出手速度，瞬時速度的計算方法為：逐漸逼近法和極限分割法。為了描述運(yùn)動員的速度變化特點，通常采用的分段測量運(yùn)動員的平均速度，如：

11、把100米分為10段、20段、100段、1000段每段為10米、5米、1米、0.1米每段長度愈短求出的平均速度越接近瞬時速度，當(dāng)時間間隔t接近0時，平均速度就等于瞬時速度。（二）加速度 速度只是研究描述物體運(yùn)動快慢的物理量，而速度的變化應(yīng)用加速度來描述。 加速度 瞬時加速度：和求瞬時速度的方法一樣又叫加速度 平均加速度：a 恒定不變 為勻變速直線運(yùn)動（三）運(yùn)動的合成與分解 如果我們在研究物體的運(yùn)動時，遇到比較復(fù)雜的情況如物體的復(fù)合運(yùn)動，應(yīng)該怎么處理？ 為什么我們可以對運(yùn)動進(jìn)行合成與分解呢？ 這是因為物體的運(yùn)動遵循一定的原理。 1 、運(yùn)動的獨立性原理又稱為運(yùn)動的疊加原理。 內(nèi)容：若一個物體同時參

12、與幾個運(yùn)動（稱為分運(yùn)動）則每一個分運(yùn)動不受其他分運(yùn)動的影響。物體的運(yùn)動是由各個彼此獨立分運(yùn)動疊加而成的，舉例說明（略）。這是物體運(yùn)動合成與分解的理論基礎(chǔ)。常用的方法是平行四邊形法則和直角坐標(biāo)法。對運(yùn)動合成與分解一般是速度的合成與分解。 2、速度矢量的合成與分解 1) 速度的合成：已知兩分運(yùn)動的速度（分運(yùn)動），求合運(yùn)動的速度。 2) 速度的分解速度的分解同樣遵循平行四邊形原則，即以合速度為對角線作平行四邊形而的分速度。一般采用正交分解法，即把合速度分解為豎直方向和水平分量。 不僅速度可以進(jìn)行合成與分解，任何矢量都可以進(jìn)行合成與分解，且遵循平行四邊形原則。在體育運(yùn)動中，人體運(yùn)動是非常復(fù)雜的。 3、

13、質(zhì)點的復(fù)合運(yùn)動 （1）質(zhì)點的絕對運(yùn)動：運(yùn)動著的質(zhì)點（動點）相對于靜參考系的運(yùn)動； （2）質(zhì)點的相對運(yùn)動：運(yùn)動著的質(zhì)點（動點）相對于動參考系的運(yùn)動； （3）質(zhì)點的牽連運(yùn)動：動參考系相對于靜參考系的運(yùn)動。 舉例：籃球行進(jìn)間投籃：籃球相對于人的運(yùn)動是相對的；籃球相對于地面的運(yùn)動是絕對運(yùn)動；人相對于地面的運(yùn)動是牽連運(yùn)動。 絕對運(yùn)動、相對運(yùn)動、牽連運(yùn)動的關(guān)系可以如下表示： 動點 相對運(yùn)動 絕對運(yùn)動 動系 牽連運(yùn)動 靜點（四）運(yùn)動的描述方法 在運(yùn)動生物力學(xué)，對運(yùn)動的描述采用運(yùn)動方程、圖象法和表格法。 1、運(yùn)動方程 運(yùn)動方程是人們根據(jù)對物體的研究加以總結(jié)，用數(shù)學(xué)公式（運(yùn)動方程）來描述物體運(yùn)動規(guī)律的一種公式。

14、如勻速直線運(yùn)動公式就能描述作勻速運(yùn)動的特殊規(guī)律，而自由落體公式，描述物體以每9.8米/秒2 加速度作勻加速運(yùn)動的特殊規(guī)律。 2、圖像法： 1運(yùn)動軌跡曲線 2位移時間曲線 3速度時間曲線 4加速度（非勻變速）曲線3、表格法四 人體和器械的斜拋運(yùn)動 自由落體和豎直上拋都是拋體運(yùn)動的特例，實際上在體育運(yùn)動中最常見的是斜拋體運(yùn)動（一）斜拋體運(yùn)動的基本公式設(shè)拋體的拋射出初速度為v0 ,與水平面成角。以拋射點為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，如圖所示： y 沿豎直方向（沿y軸）的位移公式：v0y v0 y= v0sint1/2gt2v0 y h x= v0cost v0 x= v0cos x v0y =v0sin-g

15、t由以上四個運(yùn)動方程，我們可以計算出拋物線運(yùn)動的拋射距離、高度和飛行時間等參數(shù)。 （二）體育運(yùn)動中常見的斜上拋運(yùn)動(p193頁) 1、拋點與落點在同一水平面上的斜上拋運(yùn)動。例如足球中發(fā)球門球。根據(jù)拋射體運(yùn)動的基本公式，它的運(yùn)動方程為：因為此時y=0,x=s(水平位移值)得： 0 = v0sint1/2gt2 s = v0cost 速度分量公式： v0 x = v0cos v0y = v0sin-gt 2、拋點高于落點的斜上拋運(yùn)動 設(shè)拋點比落點高h(yuǎn) ， 如圖所示： 首先，把拋點取為坐標(biāo)原點，建立直角坐標(biāo)系。 （1）全程飛行時間t（即騰空時間） t = t1 + t2 t1為上升到最高點d所需要時

16、間：t1 = v0sin/g t2 為由最高點d下落到落點c所需時間，這個過程在豎直屬于自由落體運(yùn)動，下落的總位置為 h+h，由自由落體運(yùn)動方程： s = gt2/2 可得 h+h = gt22/2 即下落的時間 t2 = 2(h+h)/g h = gt12/2 h = v02sin2/2g 將 h = v02sin2/2g代入t2 = 2(h+h)/g t2 = (v02sin2+2gh)/g2 故全程飛行時間 ： t = t1 + t2 t =（v0sin+ v02sin2+2gh ）/g s1 =（v02sincos+ v0cos v02sin2+2gh ）/g 水平距離: s1 = v

17、0cost 實踐距離： sm = s1 + s2 （ s2 為實測 ） 3、拋點低于落點的斜上拋運(yùn)動（學(xué)生自己推） 例如：跳馬第一騰空運(yùn)動的軌跡；籃球投籃。 t =（v0sin+ v02sin2-2gh ）/g s=（v02sincos+ v0cos v02sin2-2gh ）/g（三）拋射體運(yùn)動的規(guī)律1、影響拋射體遠(yuǎn)度的因素1 1) 當(dāng)拋點和落點在同一水平面上的斜拋體運(yùn)動 （學(xué)生自己推）p195 2)當(dāng)拋點和落點不在同一水平面上的斜拋體運(yùn)動 主要取決于出手的速度、角度、高度。 2、影響拋射體高度的因素：主要取決于：出手的速度與角度。五 、運(yùn)動學(xué)量的特性 （一）瞬時性 （二）矢量性 （三）相對

18、性 （四）獨立性以上四個特性不是孤立的，并且在同一問題中同時出現(xiàn)。作業(yè)作業(yè): 1在籃球比賽前在籃球比賽前,裁判員常用籃球的反彈高度來檢驗所用籃球充氣是否合適裁判員常用籃球的反彈高度來檢驗所用籃球充氣是否合適.若裁判員若裁判員將球從將球從1.6米的高度自由落下米的高度自由落下,且籃球與場地碰撞后以落地速度的且籃球與場地碰撞后以落地速度的7/8為初速度豎直向上彈起為初速度豎直向上彈起,求求:籃球的反彈高度籃球的反彈高度? 2運(yùn)動員垂直縱跳運(yùn)動員垂直縱跳,若蹬伸階段身體重心垂直位移若蹬伸階段身體重心垂直位移0.5米米,蹬伸時間蹬伸時間0.2秒秒,求求:他的起跳他的起跳速度和重心上升的高度速度和重心上升的高度. 3在射箭比賽中在射箭比賽中,射箭中靶前的速度為射箭中靶前的速度為40米米/秒秒,箭在靶中穿行箭在靶中穿行0.10米而靜止米而靜止,若箭在靶若箭在靶中的運(yùn)動為勻減速運(yùn)動中的運(yùn)動為勻減速運(yùn)動,求求:中靶后箭的加速度和運(yùn)動時間中靶后箭的加速度和運(yùn)動時間 4 4運(yùn)動員起跑后運(yùn)動員起跑后, ,在在2 2秒末達(dá)到秒末達(dá)到8 8米米/ /秒