第三四節(jié)人體運(yùn)動的改變及其

1、一、人體運(yùn)動中的內(nèi)外力及其關(guān)系一、人體運(yùn)動中的內(nèi)外力及其關(guān)系（一）人體力學(xué)系統(tǒng)中的內(nèi)力和外力力的概念 l力（F）是物體間的相互作用。其三要素是力的大小、力的方向、力的作用點(diǎn)；遵循矢量相加法則。l力可以改變物體的運(yùn)動狀態(tài)（外效應(yīng)），即改變物體速度的大小或方向，也可以改變物體的形狀（內(nèi)效應(yīng)）。1.人體內(nèi)力與外力l力學(xué)系統(tǒng)：研究人體運(yùn)動的力學(xué)問題時所確定的研究對象。l內(nèi)力：若將人體看作一個力學(xué)系統(tǒng)，人體內(nèi)部各部分相互作用的力 。（1）肌張力、組織粘滯力等（2）內(nèi)力不能引起整體運(yùn)動狀態(tài)的改變l外界對人體作用的力稱人體外力。它可以引起人體由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動狀態(tài)。人體外力內(nèi)力與外力的區(qū)別 l由于研究對象的

2、不同，同一個內(nèi)力既可看作內(nèi)力又可看作外力 內(nèi)力與外力的相互關(guān)系l內(nèi)力是人體運(yùn)動的必要條件，但內(nèi)力只有通過外力才能使人體產(chǎn)生整體運(yùn)動人體內(nèi)力與外力的相對性及相互關(guān)系2.人體受力特點(diǎn)l人體受力按作用面分為集中力和分布力l集中力：作用于人體的一點(diǎn)l分布力：作用于人體的一定面積，人體受力基本都是此類（重力、浮力，支撐力）。l分布力合成集中力是為方便研究，如將重力、浮力集中于重心、浮心。l按力的作用線與人體質(zhì)心的位置關(guān)系，有可分為正心力和偏心力。l正心力：力的作用線通過質(zhì)心（重力）。l偏心力：力的作用線不通過質(zhì)心，在人體占多數(shù)。（二）體育運(yùn)動常見的人體外力（1）重力l地球?qū)θ梭w的引力，人體各部分所受地球

3、引力的矢量合成。Wmgl質(zhì)量（物質(zhì)屬性）與重量的關(guān)系與重力加速度有關(guān)l墨西哥首都墨西哥城，海拔2259米。1.不利項目：長跑、競走、劃船、公路自行車等。2.有利項目：短跑、跳躍等。l美國的吉姆美國的吉姆海因斯在海因斯在100100米決賽中首次突破米決賽中首次突破1010秒秒大關(guān)，成績?yōu)榇箨P(guān)，成績?yōu)? 9秒秒9595，直到，直到19831983年才被卡爾文年才被卡爾文史史密斯以密斯以9 9秒秒9393刷新。刷新。l200200米決賽，美國的托姆米決賽，美國的托姆史密斯以史密斯以1919秒秒8 8破破2020秒秒大關(guān)，成績?yōu)榇箨P(guān)，成績?yōu)?919秒秒8383。l400400米，美國選手李米，美國選手

4、李伊萬斯，跑出了伊萬斯，跑出了4343秒秒8686的成的成績，創(chuàng)世界紀(jì)錄。保持至今?？?，創(chuàng)世界紀(jì)錄。保持至今。l跳遠(yuǎn)，美國的鮑勃跳遠(yuǎn)，美國的鮑勃比蒙，成績比蒙，成績8 8米米9090。由鮑威爾。由鮑威爾在在19911991年的日本東京田徑世錦賽上打破。年的日本東京田徑世錦賽上打破?？稍谶\(yùn)動中合理利用l上坡跑l蹲杠鈴l綁沙袋高抬腿（2）彈力l是接觸力，發(fā)生在直接接觸的物體之間。l在恢復(fù)形變的過程中施力于人體l若人體平衡，則彈力N與重力W等值、共線、反向。 （3）摩擦力l兩相互接觸的物體作相對運(yùn)動或有此趨勢時產(chǎn)生的力。l靜摩擦力l滑動摩擦力l滾動摩擦力靜摩擦力l相互接觸的物體有相對滑動趨勢，在接觸

5、面上阻止其相對滑動的力。l兩物體即將滑動時的靜摩擦力稱為最大靜摩擦力。l表達(dá)式為Fmax=0N（0為靜摩擦系數(shù)，N為正壓力） 滑動摩擦力 l當(dāng)物體沿接觸面滑動時，所產(chǎn)生的阻礙滑動的力l公式為f=N。對同一物體來講靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù) l摩擦角：約束全反力與接觸面法線之間的夾角滾動摩擦力 l當(dāng)物體沿接觸面滾動時，所產(chǎn)生的阻礙滾動的力l產(chǎn)生原因是滾動的物體在和接觸面相互作用時總有一些形變?？朔輭尽?公式為 F=W.K/R(k摩擦系數(shù)，R半徑，W重量) 在雪天時輪胎應(yīng)放氣，增大與地面的摩擦力。 選擇題l在水平力在水平力F F作用下，重力為作用下，重力為G G的的物體勻速沿墻壁下滑，若物體物體勻

6、速沿墻壁下滑，若物體與墻之間動摩擦因數(shù)為與墻之間動摩擦因數(shù)為，則，則物體所受的摩擦力的大小為物體所受的摩擦力的大小為( ( ) ) A.F B.F+G C.G D.(F2+G2)1/2 習(xí)題l假設(shè)足球運(yùn)動員試圖胸部停球后直接帶著球跑進(jìn)對方球門，若球與運(yùn)動衣之間的摩擦系數(shù)為，求：運(yùn)動員至少要以多大的加速度跑，球才不會下落；若摩擦系數(shù)0.3，則加速度的值為多大？l解：設(shè)人對球水平方向的支撐反作用力為N，則有：N=ma，又f=N ma 若球不落，則fG，即 mamg,a=g/ 將摩擦系數(shù)0.3代入， 得a= g/9.8/0.3=32.67(m/s2）答：運(yùn)動員向前跑的加速度至少為32.67 m/s2

7、討論l當(dāng)你騎車加速前進(jìn)的過程中，自行車前后輪所受的摩擦情況你能說清楚嗎？ （4）支撐反作用力l人體處于支撐狀態(tài)時，力作用于支點(diǎn)（支撐面）上，支點(diǎn)又反作用于人體，這種反作用力稱支撐反作用力。1、靜力性支撐反作用力 2、動力性支撐反作用力 靜力性支撐反作用力l重力對支點(diǎn)產(chǎn)生壓力，支點(diǎn)則對人體產(chǎn)生反作用力，它是一種約束反力，稱靜力性支撐反作用力。 動力性支撐反作用力 l人體處于支撐狀態(tài)時，局部環(huán)節(jié)作加速運(yùn)動，給予支點(diǎn)以作用力，則支點(diǎn)給人體一個反作用力，稱動力性支撐反作用力。1.加速垂直離開支點(diǎn) 2.加速垂直朝向支點(diǎn) 3.加速斜向離開支點(diǎn) 加速垂直離開支點(diǎn) l站在磅秤上豎直上跳，此時加速度向上，即N-

8、mg=ma Nmg。經(jīng)常出現(xiàn)在人體垂直向上擺臂、蹬離地面時，如跳高時兩臂的向上擺動。 加速垂直朝向支點(diǎn) l站在磅秤上豎直下蹲，加速度向下 mg-N=ma N=mg-mal也就是Nmg,在人體各種動作中較常見。 加速斜向離開支點(diǎn) l加速斜向離開支點(diǎn)，支撐反作用力也會增大，并與水平面成一定角度。例如：短跑的后蹬階段 l人體或器械在流體介質(zhì)內(nèi)運(yùn)動，與流體發(fā)生接觸，并相互作用的力。l有時作為阻力，有時是動力。l迎面空氣阻力：F=CSV2 /2 (S為橫截面積，V為流體與人體的相對速度，C為迎面阻力系數(shù)) （5）流體作用力 解：解：郵車空氣阻力郵車空氣阻力 滾動摩擦阻力滾動摩擦阻力 故郵車所需功率故郵車

9、所需功率 （六）向心力和離心力 向心力：作用于進(jìn)行圓周運(yùn)動的物體并指向圓心。 公式為F=ma=mV2R，F(xiàn)=m2R 離心力與向心力是一對相反力，即F離=F向=m2R。向心力與離心力之間的關(guān)系為： 具有瞬時關(guān)系，等大反向。 作用點(diǎn)：向心力作用在圓周運(yùn)動的人體上，離心力作用在維持物體上。討論 松手后，作圓周運(yùn)動的鏈球飛出是受向心力的結(jié)果。（二）力矩l力矩又稱為轉(zhuǎn)矩。力(F)和力臂(r)的乘積(M)。即：M=Fr。l在平面力系中，把形成逆向轉(zhuǎn)動效果的力矩定義為正，反之為負(fù)。（三）動量l物體平動的量度。在經(jīng)典力學(xué)中，動量是物體質(zhì)量m和速度v的乘積 。K=mVl在國際單位制中，動量的單位是千克米每秒，符

10、號是kgm /s。動量的單位跟沖量的單位是相同的：1N1kgm/s2，所以1Ns1kgm/sl動量對時間的變化率等于所受到的合外力lF=ma=mdv/dt=dK/dtl動量是矢量，方向與速度方向相同。l跳遠(yuǎn)時，要跳在沙坑里，以延長作用時間，保證安全 。l接迎面飛來的籃球，手接觸到球以后，兩臂隨球后引至胸前把球接住，以延長籃球與手的接觸時間，減小籃球?qū)κ值淖饔昧?。（五）沖量l沖量是表述力對質(zhì)點(diǎn)作用一段時間的積累效應(yīng)的物理量，是改變質(zhì)點(diǎn)機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)的原因。是過程量。l質(zhì)點(diǎn)在時間t內(nèi)持續(xù)受到方向不變的力F的作用，則在這段時間里力F的沖量為Ft，記作I=Ft。動量定理l描述物體機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)變化規(guī)律的基

11、本定理之一l物體在運(yùn)動過程中，在某段時間內(nèi)動量的改變K等于所受合外力在這段時間內(nèi)的沖量Il表達(dá)式：K I 或：F(t-t0)=mV-mV0動量定理在體育運(yùn)動的應(yīng)用l牛頓定律強(qiáng)調(diào)瞬時性，動量定理則強(qiáng)調(diào)時間的累積效應(yīng)，因此，可簡化計算過程。1.體育運(yùn)動中力的計算例：體重50kg的運(yùn)動員，從3m高處自由下落，腳接觸地面0.1s后靜止，求：人體受到的沖擊力多大？計算l體重為60kg的體操運(yùn)動員，從3.2m處做單杠下法，落到海綿墊上，經(jīng)0.4s停止，此時重心離墊高0.7m，求兩腳所受到的平均沖力是多少？2.體育運(yùn)動中運(yùn)動的原則l為了減小外界對人體的沖擊力，通常需延長力的作用時間。l汽車安全氣囊，可大大減

12、小作用力，且又減小了壓強(qiáng)，可避免受傷。 l為了使人體或器械獲得較大的速度，通常需增大作用力并延長力的作用時間。l起跳前的下蹲、投擲項目的超越器械、跑的后蹬、游泳的“S”形劃水。l計算人體動力學(xué)參數(shù)l某體重為70kg的跳遠(yuǎn)運(yùn)動員踏跳前質(zhì)心水平速度為10.2 m/s ，豎直速度0.5m/s（向下），踏跳后水平速度為9.6 m/s ，豎直速度為4.0 m/s ，踏跳時間為0.045 s ，求：平均踏跳力F。l為了增大沖擊力，需縮短撞擊時間。l排球扣球、棒球擊球。動量守恒定律及其應(yīng)用如果系統(tǒng)不受外力或受外力的矢量和為零，則系統(tǒng)的總動量保持不變。論證（兩小球碰撞）l質(zhì)量m1和m2兩小球，在光滑平面上沿同

13、一直線作同方向運(yùn)動，如兩個小球發(fā)生碰撞，碰撞時間為t，設(shè)碰撞前速度分別為V1和V2，相互作用力分別為F1和F2，碰撞后速度為V1和V2 依動量定理：F1t m1 V1 m1 V1F2t m2 V2 m2 V2因?yàn)椋篎1F2則有：m1V1m2V2m1V1m2V2 碰撞前后系統(tǒng)的總動量保持不變，只是通過碰撞動量在系統(tǒng)間進(jìn)行了傳遞。 將人看作整體，動量可以在環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)或者環(huán)節(jié)與器械之間傳遞。（二）碰撞定律（二）碰撞定律o體育中大量存在碰撞現(xiàn)象o相對接近速度：碰撞前速度之差o相對分離速度：碰撞后速度之差o碰撞定律：兩物體碰撞后的相對分離速度是其碰撞前相對接近速度的e倍o表達(dá)式：e（V1V2）/(V1V

14、2)o0e1（碰撞恢復(fù)系數(shù)）贛南醫(yī)學(xué)院康復(fù)學(xué)院碰撞恢復(fù)系數(shù)的測定方法 將一種材料制成小球，另一材料制成平板且水平放置，將小球從H高處自由下落，測量其反彈高度h，則它們的恢復(fù)系數(shù)為： e(h/H)1/2討論討論o上旋的乒乓球以速度V，入射角與臺面發(fā)生碰撞。為什么反彈后形成強(qiáng)烈的前沖效果 Vx=V1sin+V Vy=eV1cos tg=tg/e+ V/ eV1cos 排球從2m高處落下，其反彈高度為1.28m，那么排球與地面的碰撞系數(shù)e是多少？贛南醫(yī)學(xué)院康復(fù)學(xué)院2. 體重70kg的跳高運(yùn)動員蹬踏起跳時，如果兩臂上擺的加速度為30m/s2，擺動腿上擺的加速度是20m/s2，根據(jù)松井秀治的數(shù)據(jù)：兩臂相

15、對重量為10，一條腿的相對重量為17.2，求：由于擺臂擺腿動作而增加的起跳力為多大？3.n質(zhì)量為55kg的人希望從靜止的繩上滑下，該繩只能承受40kg的力，求：該人要安全的滑下，其最小加速度為多大？（四）動量矩l描述物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)的量,又稱角動量。l繞定軸轉(zhuǎn)動的剛體對定軸的動量矩即剛體的角動量I，其中I為剛體對該軸的轉(zhuǎn)動慣量，為剛體繞該軸轉(zhuǎn)動的角速度。l矢量，方向與角速度方向一致。vr)v(MmmO質(zhì)點(diǎn)對于O點(diǎn)的動量矩為矢量，它垂直于矢徑r與動量mv所形成的平面，指向按右手法則確定，其大小為mvdOMDmO 2)v(M質(zhì)點(diǎn)M的動量對于O點(diǎn)的矩，定義為質(zhì)點(diǎn)對于O點(diǎn)的動量矩，即質(zhì)點(diǎn)的動量對固定點(diǎn)的動

16、量矩在z軸上的投影等于質(zhì)點(diǎn)的動量對z軸的動量矩質(zhì)點(diǎn)對某軸的動量矩動量矩在軸上的投影是代數(shù)量對于平面問題，即質(zhì)點(diǎn)始終在某平面內(nèi)運(yùn)動的情形，動量矩矢量總是垂直于該平面，只需把它定義為代數(shù)量，并規(guī)定逆時針方向?yàn)檎?，順時針方向?yàn)樨?fù)。質(zhì)點(diǎn)系動量矩質(zhì)點(diǎn)系動量矩niniiiiiOOmm11ivr)v(ML為質(zhì)系中各質(zhì)點(diǎn)的動量對點(diǎn)之矩的矢量和，為質(zhì)系中各質(zhì)點(diǎn)的動量對點(diǎn)之矩的矢量和，或質(zhì)系動量對于點(diǎn)的主矩，稱為質(zhì)系對點(diǎn)的或質(zhì)系動量對于點(diǎn)的主矩，稱為質(zhì)系對點(diǎn)的動量矩。動量矩。質(zhì)點(diǎn)系對某定點(diǎn)的動量矩質(zhì)點(diǎn)系對某軸的動量矩vLvLvLmmLmmLmmLzzzOyyyOxxxO即質(zhì)點(diǎn)系對某固定點(diǎn)O的動量矩矢在通過該點(diǎn)的軸

17、上的投影等于質(zhì)點(diǎn)系對該軸的動量矩 剛體的動量矩剛體繞定軸轉(zhuǎn)動時的動量矩將繞定軸轉(zhuǎn)動的剛體看成一質(zhì)點(diǎn)系，則ziiiiiiiiiizzJrmrrmrvmvmML2)(zzJL 繞定軸轉(zhuǎn)動剛體對其轉(zhuǎn)軸的動量矩陣等于剛體對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)動角速度的乘積（六）沖量矩l沖量矩M(t2-t1)表示外力矩對物體轉(zhuǎn)動的累積效應(yīng)，是力矩和時間的乘積。l剛體動量矩的增加量等于它所受的沖量矩 M(t2-t1)=I2-I1 其中，M(t2-t1)稱沖量矩, I稱動量矩。l外力矩越大，作用時間越長，剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)的變化也越大。 l當(dāng)外力矩不是恒值時，如人體跨關(guān)節(jié)的肌肉力矩均隨時間、關(guān)節(jié)角度的變化而變化，是時間的函數(shù)，則沖

18、量矩可表示為積分式（七）功l功定義為力與位移的乘積。 公式記為W = F * S * cos l其中，W表示功，F(xiàn)表示力,為力與位移之間的夾角。l功為標(biāo)量，正負(fù)僅表示動力或阻力做功，不表示大小或方向。力對物體可表現(xiàn)為作正功、不作功或作負(fù)功（豎直上拋和自由落體時重力的作功）l對人體，肌肉克服外力使物體產(chǎn)生位移，則做了“功”。l若肌肉做等長收縮，則肌肉做了“生理功”。人體的生理功可轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，機(jī)械功為0時生理功不一定為0。（八）功率l是指物體在單位時間內(nèi)所做的功，是表示做功快慢的物理量。 公式為功率=功/時間，P=W/t=FVl單位是 “瓦”，符號是“w”。W表示功，單位是 “焦”，符號是“J”。t表示時間，單位是“秒”，符號是“s”。l最大功率一般用馬力(PS)或千瓦(kw)來表示，1PS=0.735kwl體育成績的高低及動作技術(shù)的優(yōu)劣，往往取決與完成動作進(jìn)程中肌肉功率的大小，即取決于人體肌肉有化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的速度。（九）機(jī)械能l是人體或器械做功的能力。包括動能和勢能。l人體因機(jī)械運(yùn)動所具有的能量叫機(jī)械能。l人體依靠化學(xué)能完成機(jī)械運(yùn)動。l人體的運(yùn)動過程就是能量轉(zhuǎn)換的過程。動能1