許麗--運動生物力學(xué)作業(yè)

1、 運動生物力學(xué)作業(yè)題目：健美操運動中的運動生物力學(xué) 姓名： 許 麗 學(xué)號： 1411042111 導(dǎo)師： 顧耀東 健美操運動中的運動生物力學(xué) 摘要 運動生物力學(xué)作為生物力學(xué)的分支學(xué)科，它首先研究人體內(nèi)部運動器官運動和外部的人體整體運動的力學(xué)特性;其次研究人體內(nèi)部運動器系運動和外部人體整體運動間的力學(xué)關(guān)系，從而構(gòu)成對人體運動行為生物力學(xué)規(guī)律的本質(zhì)把握。 不同體育項目運動生物力學(xué)特征也有所不同。 在健美操動作中，騰起類運動研究關(guān)鍵在于騰空高度問題，需考慮用力、作用時間及騰起角等因素。 轉(zhuǎn)體類動作主要技術(shù)特點是合理控制身體姿勢，減小轉(zhuǎn)動半徑以減小轉(zhuǎn)動慣量，增加角速度。 總之，各類動作的技術(shù)特征均是建

2、立在相應(yīng)力學(xué)原理上的，具有一定規(guī)律性。引言運動生物力學(xué)研究體育運動中的人體運動問題，主要任務(wù)是運用力學(xué)方法使復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)學(xué)化，進而對人體運動現(xiàn)象進行客觀而定量的描述和解釋。 其力學(xué)基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)和材料力學(xué)，其生物學(xué)基礎(chǔ)是人體運動器系的結(jié)構(gòu)與功能， 如骨、韌帶、腱的幾何尺寸、強度特征及關(guān)節(jié)運動的自由度， 也包括肌肉在各種收縮(向心、離心和等長) 條件下的力學(xué)特征， 據(jù)此而建立生物力學(xué)原理以評價人體運動技術(shù) 1。本文檢索萬方數(shù)據(jù)庫和 PUBMED 近 3 年與各種體育運動項目的運動生物力學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)，概述運動生物力學(xué)在各體育運動，尤其是健美操運動中的應(yīng)用及特征。1 運動生物力學(xué)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀運動生物力

3、學(xué)的技術(shù)分析和研究水平有賴于研究儀器的發(fā)展， 需要向同步化、計算機化和動作技術(shù)最佳化等方面發(fā)展，理論研究將偏重于計算方法的準(zhǔn)確和簡練。 關(guān)于肌肉功能方面的研究， 由于國內(nèi)使用等動測試系統(tǒng)起步較晚， 因此很難與運動實踐相結(jié)合；對于肌肉模型方面的研究較少，因此關(guān)于肌肉力學(xué)方面的研究受到限制。 總之，多種方法結(jié)合、 多領(lǐng)域的綜合研究是運動生物力學(xué)的發(fā)展趨勢2。運動生物力學(xué)是一門應(yīng)用性很強的邊緣性學(xué)科，其理論框架還不完善、實驗手段也不成熟，新問題層出不窮，這就需要創(chuàng)新理論與方法去解決新問題，并不斷地完善學(xué)科理論。 由于學(xué)科的邊緣性特點，新理論、新方法、 新技術(shù)的移植引入是運動生物力學(xué)創(chuàng)新的一個很重要的

4、途徑。 譬如，引入 CT 技術(shù)測量人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)3， 引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立運動技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 4， 引入混沌理論對肌電信號進行處理 5， 引入Kane 方法計算上肢鞭打動作的三維運動模型6， 引入最優(yōu)化理論計算人體環(huán)節(jié)重量參數(shù)等7。事實上， 運動生物力學(xué)從一開始就不是競技體育的專利，但是，運動生物力學(xué)的快速發(fā)展卻主要歸因于競技體育的需要8， 可以說競技體育是運動生物力學(xué)在過去很長一段時間內(nèi)的主要研究對象， 它也為競技體育的發(fā)展起到了極大的推進作用； 而為大眾健康服務(wù)的研究領(lǐng)域是運動生物力學(xué)進一步發(fā)展的一個新增長點，具有極高的研究價值和應(yīng)用前景，是運動生物力學(xué)科研走入市場的最佳切入點。2

5、運動生物力學(xué)在不同體育項目中的應(yīng)用及特性2.1 運動生物力學(xué)在健美操中的應(yīng)用及特性 近年來， 國內(nèi)健美操運動，尤其是競技健美操運動發(fā)展迅速。 但作為一門相對獨立的學(xué)科， 對其基礎(chǔ)理論的研究卻是相對滯后的，特別是對其重要理論基礎(chǔ)運動生物力學(xué)的研究更是如此。健美操的靜止姿勢與用力動作屬于靜力學(xué)的范疇， 主要研究在完成靜止動作和慢用力動作時作用在人體的諸力的平衡條件。 它涉及到力、力矩和力偶及其合成與分解的問題。 人體平衡的條件是合外力與合外力矩同時為零； 平衡穩(wěn)定性的大小與支撐面的大小和穩(wěn)定角的大小成正比，與重心的高低成反比。 騰起類動作主要是指各種起跳騰空的動作，包括俯撐騰起、單腿起跳、雙腿起跳

6、等各種形式的動作。 在健美操動作中，騰起類動作研究的關(guān)鍵在于騰空的高度問題， 需考慮作用力、作用時間及騰起角等因素9。為了突出競技健美操獨一無二的項目特色， 其轉(zhuǎn)體類動作均為繞人體縱軸的旋轉(zhuǎn)。 此類動作的主要技術(shù)特點是合理控制身體姿勢， 減小轉(zhuǎn)動半徑以減小轉(zhuǎn)動慣量，增加角速度，這有利于人體的旋轉(zhuǎn)。 倒地類動作主要是指由站立自由倒地成俯撐等類型的動作。 在騰起類和轉(zhuǎn)體類中也含有許多與其相同的技術(shù)環(huán)節(jié)。其關(guān)鍵技術(shù)在于落地緩沖。 擺腿類動作主要是指腿的擺越及全旋動作， 擺動幅度是這類動作的基本質(zhì)量標(biāo)。準(zhǔn)。 動作開始時，腿的高低、身體重心向支撐臂反方向偏離的程度、 旋轉(zhuǎn)慣性的大小等都會影響動作的幅度和

7、身體維持動態(tài)平衡的穩(wěn)度。 在動作的前半部分應(yīng)使身體重心遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸， 使身體獲得大的位能和足夠的動能； 而在動作的后半部分， 為了合理利用轉(zhuǎn)動動能，又必須做腿的加速和制動動作， 這是完成這類動作的主要技術(shù)特征。 屈體類動作較少，主要考慮動量守恒和動量傳遞定律及人體各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系原理。 總之，各類動作的技術(shù)特點均是建立在相應(yīng)力學(xué)原理之上的，具有一定的規(guī)律性。 但是在進行研究的時候要考慮到其相對性， 因為完成動作的主體是人， 不是剛體， 存在著個體差異(如身體素質(zhì)、心理素質(zhì)等)， 要考慮運動員的個人特點， 因人而異、區(qū)別對待， 同時還要考慮狀態(tài)反射等生理學(xué)因素。 只有全面和深入地研究，才能抓住根本

8、規(guī)律，促進運動水平的提高9。黃璐等10根據(jù)相關(guān)體育理論， 把競技健美操跳躍類難度動作的完成過程分為 3 個階段：起跳階段、騰空階段和落地階段。 起跳階段要求運動員在起跳瞬間獲得最大的向上或斜向上方向的速度， 以使騰空階段獲得足夠的高度和充足的時間，為此，運動員必須在身體離開地面時使所有關(guān)節(jié)迅速伸展， 不僅包括趾、踝、膝、髖關(guān)節(jié)的依次伸展， 還包括肩、肘等上肢關(guān)節(jié)的配合擺動。 當(dāng)各關(guān)節(jié)做向上加速運動時，對施力部位產(chǎn)生反作用力，并通過肌肉收縮作用于地面，從而增大了起跳力， 使人體在離地瞬間獲得足夠大的垂直速度。 另外，運動員身體各關(guān)節(jié)的全面伸展，還能使人體重心的相對位置在起跳前升高，縮短起跳時間。

9、 騰空階段：迅速有力的起跳和以及由此獲得的充分的轉(zhuǎn)動能量為完成騰空階段動作提供了保障。 在騰空高度和騰空時間一定的情況下， 轉(zhuǎn)動力矩成了這時運動員完成轉(zhuǎn)動動作的重要條件。 在整個騰空階段，運動員正是依賴自身肌肉工作的質(zhì)量以及肢體各環(huán)節(jié)的運動狀態(tài)， 來完成空中的外觀造型的。 對于整個跳躍類難度動作來說，空中造型的保持尤為重要， 它將直接影響裁判員的評價。 因此，運動員在該階段要快速騰空到最高點且迅速達(dá)到不同跳躍動作的造型要求， 接著放慢姿態(tài)變化的速度以鞏固其視覺效果，最后迅速完成各種落地造型。另外，運動員在完成跳躍類復(fù)合型難度動作時，不同空中造型姿態(tài)保持的難度是不一樣的。 因為在相同條件下的轉(zhuǎn)動

10、角速度越小， 轉(zhuǎn)動相同角度就需要越長的時間，對身體內(nèi)部控制能力的要求就越高。 落地階段：落地作為整個跳躍類難度動作的后續(xù)過程， 其穩(wěn)定性直接受起跳階段和騰空階段動作完成情況的影響， 反過來落地動作的完成情況也直接影響著整個跳躍類難度動作的效果。 規(guī)則中對完成難度動作進行了總體描述，全部動作包括難度動作在內(nèi)，必須表現(xiàn)出正確的形態(tài)和身體的標(biāo)準(zhǔn)位置， 其主要體現(xiàn)在軀干、后背、骨盆的穩(wěn)定性以及腹肌的收縮，上體的標(biāo)準(zhǔn)位置，頸部的姿態(tài)，肩與頸相對于脊椎的位置關(guān)系，雙腳相對于踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)位置關(guān)系， 全部關(guān)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)位置形態(tài)。 可以說，跳躍類難度動作是競技健美操四類難度動作中最重要的一類。 從生物力學(xué)的

11、角度看，當(dāng)完成落地階段所要求的各種條件達(dá)到理想程度以后， 身體內(nèi)力對于動作的控制和整個動作的完成至關(guān)重要。 所以運動員在這一階段要加強有關(guān)跳躍類難度動作的理論學(xué)習(xí)，在大腦中形成“ 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格”的動作表象，在訓(xùn)練中盡量用意志控制動作， 同時要樹立“ 完美完成動作”的思想，最終實現(xiàn)動作完成的最佳效果10。2.2 運動生物力學(xué)在其他運動項目中的應(yīng)用及特性 競技蹦床：羅炯11認(rèn)為蹦床著網(wǎng)角度影響著網(wǎng)穩(wěn)定性，因此應(yīng)盡早完成翻騰和轉(zhuǎn)體，早點打開身體準(zhǔn)備落網(wǎng)。 蹬伸壓網(wǎng)時要求力值上升速率快、力值大、持續(xù)時間較長的特點， 因此加強運動員髖、膝、踝三關(guān)節(jié)處的肌肉在半蹲狀況下的蹬伸爆發(fā)力訓(xùn)練及擺臂與蹬伸的配合訓(xùn)練至

12、關(guān)重要。 對離網(wǎng)時機、離網(wǎng)角度的撐握要特別注意，這對兼顧騰空高度和空中動作的翻騰周數(shù)在總能量不很充分的情況下尤其重要。葛衛(wèi)忠等12利用 Kinitech 等速康復(fù)肌力測試系統(tǒng)對青少年男子短跑運動員膝關(guān)節(jié)屈伸肌群進行等速測試。 結(jié)果表明，青少年男子短跑運動員膝關(guān)節(jié)峰力矩變化規(guī)律與成年人相一致， 但左右側(cè)膝關(guān)節(jié)屈伸肌群做功能力發(fā)展不平衡，屈伸肌群運動達(dá)峰力矩角度、達(dá)峰力矩的時間存在顯著差異。王琨等13運用生物力學(xué)理論和實驗研究方法， 對跳遠(yuǎn)運動員起跳過程中起跳腿肌肉群表現(xiàn)出的專項能力特點進行研究。 結(jié)果表明，髖關(guān)節(jié)伸肌群離心收縮能力對起跳十分重要；起跳表現(xiàn)出“ 前支撐蹬伸”特征； 起跳過程中膝關(guān)節(jié)

13、伸肌群的主動向心收縮能力對人體產(chǎn)生必要制動和適宜的騰起垂直速度具有重要意義； 起跳初始階段(起跳過程 8% 的時間里) 膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的屈肌力矩，即表現(xiàn)出膝關(guān)節(jié)屈肌群的主動收縮。寧遼貞等14通過對普通高校女生鉛球出手角度的實驗，確定出其最佳出手角度的分布范圍及特點。 認(rèn)為對某個具有一定身體力量素質(zhì)和技術(shù)水平的群體來說，最佳出手角度的分布有其特征，普通高校女生的出手角度并不是傳統(tǒng)理論所預(yù)言的 38° 42°， 要比此值小， 由于受身體力量素質(zhì)、技術(shù)水平等因素制約，為了保證出手速度(第一重要因素)，出手角度就不能過大。3 運動損傷的生物力學(xué)分析3.1 膝關(guān)節(jié)運動損傷的生物力學(xué)分

14、析 膝關(guān)節(jié)的骨由股骨、脛骨、髕骨及腓骨構(gòu)成， 上下杠桿長， 周圍肌肉少，是運動外傷中最易損傷的關(guān)節(jié)。 國家優(yōu)秀男子鐵餅運動員在完整旋轉(zhuǎn)擲鐵餅技術(shù)中的騰空階段， 右膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)扣著地極易發(fā)生損傷， 這個階段可能發(fā)生的運動損傷為右側(cè)外副韌帶和前后交叉韌帶損傷； 左膝雖然呈屈曲狀,但因處于騰空狀態(tài),左腳并未落地， 因此， 發(fā)生運動損傷的可能性不大。 在完整旋轉(zhuǎn)擲鐵餅技術(shù)中的過渡階段， 左膝關(guān)節(jié)、左踝關(guān)節(jié)隨著左腳的快速落地，易發(fā)生左膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶和內(nèi)側(cè)副韌帶損傷15?；@球運動的動作組合的多元性與全面對抗的激烈性決定了籃球運動員在比賽中必須以自身縱軸為核心展開全方位的立體爭奪16，這主要體現(xiàn)在運動員占位、

15、彈跳能力、軀干的合理碰撞等方面17。 膝關(guān)節(jié)是人體內(nèi)最大的、最復(fù)雜的關(guān)節(jié)18，是一個由脛股關(guān)節(jié)和髕股關(guān)節(jié)組成的雙關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，承受很大的力，并位于身體兩個最長的力臂之間，這使其在籃球運動中更易遭受損傷。李欣等19調(diào)查參加大學(xué)生籃球聯(lián)賽的部分高校籃球代表隊運動員膝關(guān)節(jié)患病情況。 結(jié)果證實膝關(guān)節(jié)損傷主要與其運動生物力學(xué)特點、 運動性疲勞以及運動員選材有關(guān)， 科學(xué)的訓(xùn)練與選材能有效減少籃球運動員膝關(guān)節(jié)損傷。鐵餅運動員經(jīng)常由于技術(shù)不正確和技術(shù)特點的要求而引起肌肉韌帶撕裂傷和勞損傷。 李元敬等20認(rèn)為旋轉(zhuǎn)開始階段， 由于女子鐵餅運動員膝關(guān)節(jié)左膝角較小， 從而增加了轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性， 右膝解稍大， 則有利于形成以

16、左側(cè)為軸的大半徑弧形擺動增加了轉(zhuǎn)動慣量，左膝彎曲左小腿外展外旋，身體逐漸向投擲方向扭轉(zhuǎn)，膝關(guān)節(jié)被迫向內(nèi)，脛骨旋外，此階段發(fā)生左膝內(nèi)側(cè)副韌帶損傷， 且附著在半月板上的內(nèi)側(cè)副韌帶深部較短且致密，因此它的較淺部先承受負(fù)荷并極易發(fā)生撕裂，常伴有膝內(nèi)側(cè)半月板損傷。 劉印凡等21的研究表明，鐵餅運動員右膝角減小， 可能是右膝內(nèi)側(cè)副韌帶和半月板損傷的重要因素；右膝關(guān)節(jié)的蹬伸，易出現(xiàn)股骨滑車軟骨軟化。3.2 肩關(guān)節(jié)運動損傷的生物力學(xué)分析李元敬等22采用問卷調(diào)查法和三維運動生物力學(xué)分析法， 調(diào)查了國家健將級女子鐵餅運動員騰空和過渡階段肩關(guān)節(jié)運動損傷原因。 結(jié)果表明，騰空階段，拉引角變化幅度大，投擲臂并沒有隨身體

17、向投擲方向轉(zhuǎn)動，而是向后主動用力，這可能是發(fā)生肩鎖關(guān)節(jié)扭傷脫位的重要因素。 過渡階段，根據(jù)肩關(guān)節(jié)拉引角、肩軸角、肩速的變化看，此階段發(fā)生運動損傷的可能性較小。3.3 踝關(guān)節(jié)運動損傷的生物力學(xué)分析 踝關(guān)節(jié)是人體重要的負(fù)重關(guān)節(jié)， 其穩(wěn)定對較少損傷和保持運動功能具有重要的意義23。 當(dāng)羽毛球運動員在比賽場上不停地前后、左右跨步地移動或跳起扣殺時24，由于腳著地的瞬間,身體重心是處在不穩(wěn)定狀態(tài)，并常以足的前外側(cè)先著地, 接著過渡到全腳掌著地。 羽毛球運動員在跑動、急停、跳躍、扭轉(zhuǎn)時， 都會使足的平衡遭到破壞,而發(fā)生踝關(guān)節(jié)的內(nèi)、外翻轉(zhuǎn)。 如果這種被動的內(nèi)、外翻轉(zhuǎn)超越了踝關(guān)節(jié)正常的生理活動范圍, 就會使踝

18、關(guān)節(jié)受到傷害25。從運動學(xué)角度分析,踝關(guān)節(jié)是由脛距、腓距、脛腓三關(guān)節(jié)組合而成,且為單軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),可以沿著橫軸向前、向后作彎曲伸展。 由于羽毛球運動員必須向著來球方向快速移動,使得他幾乎是墊著腳尖移位24。 從靜力學(xué)的自由體圖分析,由于足(包括距骨) 可以被看作一個自由體， 而所有作用于該自由體的力可看成三個主要的共面力系，即重力、經(jīng)跟腱的地面反作用力以及在距骨圓頂上的關(guān)節(jié)反作用力26。 當(dāng)運動員全力蹬伸使足尖站起時，踝關(guān)節(jié)的下彎角度增加,其關(guān)節(jié)面作用力也隨之增大。 韓毅雄書中曾提到27，踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性是由距骨的形態(tài)、脛骨、腓骨間的連接韌帶來維持的， 一旦發(fā)生扭傷或脫位,勢必會使踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性降

19、低。 長此以往， 踝關(guān)節(jié)的距骨經(jīng)常脫位, 其接觸面也顯著減少，因而使其應(yīng)力逐漸增加，這就是導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)退化性關(guān)節(jié)炎的最大原因23。4 小結(jié)運動生物力學(xué)不僅廣泛地應(yīng)用于競技體育技術(shù)分析， 對提高運動員競技水平和訓(xùn)練能力起著不可替代的作用，更重要的是它應(yīng)用于人體健康研究，有著極好的發(fā)展前景。 另外，這門學(xué)科與數(shù)學(xué)、力學(xué)、計算機、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科緊密相關(guān)，具有現(xiàn)代科學(xué)邊緣性的特征，因此它的研究方法始終在不斷更新，存在著寬闊的發(fā)展空間。 近年來的運動生物力學(xué)文獻(xiàn)分析，運動力學(xué)與運動醫(yī)學(xué)結(jié)合的論文數(shù)量急劇增加， 質(zhì)量也相應(yīng)提高。 對人體運動的研究本來就需要兼顧運動的力學(xué)特征和生物特征， 所以運動力學(xué)與

20、運動醫(yī)學(xué)結(jié)合的研究是學(xué)科進一步發(fā)展的必然趨勢 28， 但目前國內(nèi)借助生物力學(xué)方法探討運動損傷的機制方面的研究尚不普遍29- 31。5、 參考文獻(xiàn)1、 華立君,楊東明.運動生物力學(xué)的研究現(xiàn)狀與展望J.牡丹江師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，32(4)：41-422、 杜潔, 徐連進, 蘇振新.我國運動生物力學(xué)研究現(xiàn)狀與分析J.河北體育學(xué)院學(xué)報，2005，19(1)：13-143、 鄭秀瑗， 賈書惠， 侯曼， 等.運動生物力學(xué)進展M.北京： 國防工業(yè)出版社，1998：81-1314、 嚴(yán)波濤, 吳延禧.運動生物力學(xué)信息變換的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究J.體育科學(xué)，1999，19(1)：15、 曲峰.肌電信

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