第二章 運動力學基礎課件

第二章運動力學基礎

1第二章運動力學基礎掌握運動中的力合力矩及其表現(xiàn)形式，并明確力是物體運動狀態(tài)改變和形狀改變的原因；掌握影響人體平衡與穩(wěn)定的因素。熟悉牛頓運動定律的在人體運動中的應用；熟悉骨、關節(jié)、韌帶和肌腱的生物力學特性及其在康復治療中的應用。了解運動中力的合成與分解及其在人體運動中受力分析中的應用。學習目標2第二章運動力學基礎學習內(nèi)容第一節(jié)運動中的力與力矩一、運動中的力二、運動中的力矩第二節(jié)牛頓運動定律及其應用一、牛頓運動定律二、牛頓運動定律在人體運動中的應用第三節(jié)平衡與穩(wěn)定一、力系平衡條件與人體平衡類型二、穩(wěn)定性及其影響因素三、人體平衡與穩(wěn)定的特點第四節(jié)骨、關節(jié)生物力學一、骨的生物力學性質(zhì)二、關節(jié)生物力學三、肌腱和韌帶的生物力學3第二章運動力學基礎第一節(jié)運動中的力與力矩

力是一個物體對另一個物體的作用，是使物體產(chǎn)生形變或線運動狀態(tài)改變的原因。力矩則是力和力臂的乘積，是使物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的原因。4第二章運動力學基礎一、運動中的力

若將人體整體看做一個力學系統(tǒng)，則人體內(nèi)部各部分的相互作用，稱為內(nèi)力。外界作用于人體的力稱為外力。（一）內(nèi)力與外力的概念

外力：重力、支撐反作用力等。內(nèi)力：骨骼肌張力、關節(jié)約束力、韌帶張力等，其中骨骼肌的張力是人體內(nèi)力中的主動力。5第二章運動力學基礎運動中的內(nèi)力和外力的關系2、內(nèi)力可以改變外力的大小3、外力可用來增強內(nèi)力人體整體人體環(huán)節(jié)骨骼肌張力外力內(nèi)力1、內(nèi)力與外力是相對的6第二章運動力學基礎要獲得較大的反作用力作為人體運動的動力，必須加大人的蹬地力，這又取決于人體肌肉活動引起的對地面作用力的大小。肌肉活動是主動的，為了提高人體運動效果，最重要的是提高肌肉收縮的力量（內(nèi)力），以加大蹬地力從而得到一個大的反作用力（外力），使人體運動狀態(tài)發(fā)生變化。另外，實踐中采取一些措施，利用外部條件在一定程度上也可提高地面對人體的作用力，例如，在跑些、跳鞋上安上釘子，起跑時用起跑器等。7第二章運動力學基礎跳高起跳過程中的外力作用8第二章運動力學基礎起跑過程中的外力作用9第二章運動力學基礎力量訓練過程中人體肌肉收縮抵抗負荷的內(nèi)外力作用10第二章運動力學基礎（二）外力

器械的其他阻力肢體推動運動器械進行訓練時，除要克服器械重力外，還需要克服器械的慣性力、摩擦力或彈力所產(chǎn)生的阻力，其大小與肢體的推力大小相等，方向相反。

11第二章運動力學基礎意義：

各種外力經(jīng)常被用來作為康復訓練/治療的負荷，選擇的負荷要求與肢體運動的方向和力量相適應，這是增強肌力訓練的方法學基礎。12第二章運動力學基礎

人體運動中所受到的外力

a.

重力大小與方向：，方向：指向地球心。g=9.8m/s/s

13第二章運動力學基礎

b.

摩擦力概念，和特性。b1.靜摩擦力和最大靜摩擦力b2.滑動摩擦力14第二章運動力學基礎

c.

彈性力概念：由物體發(fā)生形變產(chǎn)生的力。彈性力的胡克定律：人體運動中所受到的外力在體育運動中的運用。15第二章運動力學基礎d、支撐反作用力人體處于支撐狀態(tài)時，人體重力作用于支撐面上，支撐面又反作用于人體，這種反作用稱為支撐反作用力。如果人體處于靜止狀態(tài)，為靜力性支撐反作用力；如果人體局部環(huán)節(jié)有運動，則支撐反作用力會不斷變化，稱為動力性支撐反作用力。16第二章運動力學基礎e、流體作用力人體在空氣和水中運動時，與流體發(fā)生接觸，并相互作用，流體對人體的作用即為流體作用力。人體在水中受到浮力作用，可以減輕肢體的重力作用，對于肌力不足或關節(jié)疼痛的患者，可以借助水的阻力和浮力進行康復訓練。17第二章運動力學基礎（三）內(nèi)力定義：

是指人體內(nèi)部各組織器官間相互作用的力。各種內(nèi)力總要相互適應，以維持最佳活動，同時也不斷和外力相抗衡以適應人體生活的需要。1）肌拉力2）各組織器官間的被動阻力3）各內(nèi)臟器官的摩擦力4）內(nèi)臟器官和固定裝置間的阻力5）血液淋巴液在管道內(nèi)流動時產(chǎn)生的流體阻力，在分流時產(chǎn)生的湍流等。18第二章運動力學基礎1）肌拉力這種力通過其在骨骼上的附著點，可以維持人體姿勢，引起人體內(nèi)部各部分、各環(huán)節(jié)間的相對運動。是人體內(nèi)力中最重要的主動力。

19第二章運動力學基礎2）各組織器官間的被動阻力

當一肢體做屈曲或伸展運動時，其相反方向的組織受到牽拉，尤其是拮抗肌的張力，此時必須做相應松弛，以保證運動的完成。20第二章運動力學基礎

3）各內(nèi)臟器官的摩擦力例如胃腸蠕動時候腸袢間的摩擦力（盡管很?。?，心臟搏動時與肺、縱隔和胸廓間的摩擦力等。

4）內(nèi)臟器官和固定裝置間的阻力如胃腸蠕動與腹膜、腸系膜、大血管間的阻力，食管的蠕動與縱隔間的阻力等。

5）血液淋巴液在管道內(nèi)流動時產(chǎn)生的流體阻力，在分流時產(chǎn)生的湍流等。21第二章運動力學基礎1.合力與分力

一個力如果它產(chǎn)生的效果與幾個力共同作用的效果相同，則這個力就叫那幾個力的合力，而那幾個力就叫這個力的分力。2.力的合成

求幾個已知力的合力，叫力的合成。3.力的分解

力的分解是力的合成的逆運算。（四）力的合成與分解平行四邊形法則是力的合成與分解的基礎22第二章運動力學基礎掌握物體受力的分析方法確定受力分析對象，取出隔離體確定場力（重力、電磁場力等）確定所有外力：動力，阻力（摩擦力、空氣阻力等），接觸力等。畫受力分析圖23第二章運動力學基礎abcd24第二章運動力學基礎當骨骼肌在某一平面產(chǎn)生力作用時，可將肌力分解為兩個垂直分量：一個沿著骨軸線作用，另一個垂直骨軸線。前者起穩(wěn)固關節(jié)的作用，因而叫穩(wěn)固分量，后者是使骨產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的分量，所以叫轉(zhuǎn)動分量。25第二章運動力學基礎1、力的時間累積效應作用于物體的合外力與其作用時間的乘積（F·Δt），稱為力的沖量。而將運動物體或人體具有的“運動量”，即質(zhì)量與速度的乘積（mv），稱為動量。動量定理：物體動量的增量等于其所受的沖量。

（五）力的時間和空間累積效應26第二章運動力學基礎動量定理和動量守恒定律：1.

動量與沖量的概念

①

動量（矢量性）

，單位：米.千克/秒（m.kg/s）。②

沖量（矢量性）單位：牛頓.秒（N.s）

27第二章運動力學基礎沖量的幾何含義：S=F*ttFS28第二章運動力學基礎動量定理物體在運動過程中，在某段時間內(nèi)動量的改變，等于所受合外力在這段時間內(nèi)的沖量。即：

29第二章運動力學基礎動量定理在運動中的應用1、在投擲項目中，為了增加器械的出手速度，即增加器械的出手動量，應增加在最后用力階段對器械的沖量。這要求在發(fā)揮最大力量的同時，延長力的作用時間。2、若要減少對人體的沖力，就得延長力作用的時間，各種落地緩沖動作就是典型的例子。

30第二章運動力學基礎2、力的空間累積效應力與力作用方向上移動距離的乘積（F·S），稱力對物體作了功。力作用方向與其引起的物體運動方向改變一致，力對物體所做的功為正功。物體的運動方向與力的作用方向相反，這時力所做的功為負功。功的國際單位是焦耳（J）。

31第二章運動力學基礎

通常講骨骼肌做功，是指骨骼肌做的機械功。肌將其貯存的化學能轉(zhuǎn)化為機械能，克服阻力使環(huán)節(jié)及外界物體產(chǎn)生位移。等長收縮運動中，環(huán)節(jié)不產(chǎn)生位移，沒有做機械功，此時骨骼肌消耗的能量完成了“生理功”。功和能之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，能的量值是通過做功來確定的，力對物體做的功等于物體機械能（動能和勢能）的增量。32第二章運動力學基礎

力矩（M）是作用于物體或人體的合力（F）與支點到力作用線距離（d）的乘積，即M=F×ｄ。一種情況：即大小相等，方向相反，作用線互相平行但不重合的兩個力作用在同一物體上，雖然其合力為零，但物體同樣會轉(zhuǎn)動，這一對力稱為力偶，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩稱為力偶矩。另一種情況：物體在無支撐情況下受到力的作用，這個力若不通過物體的重心，也會引起物體的轉(zhuǎn)動，這個力稱為偏心力，由其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩稱為偏心矩。力矩、力偶矩和偏心矩是人體或物體轉(zhuǎn)動的條件。

二、運動中的力矩33第二章運動力學基礎一、人體的簡化根據(jù)人體運動的特征，可將人體運動模型簡化為：質(zhì)點、剛體和多剛體系統(tǒng)等運動模型。1、質(zhì)點：具有一定質(zhì)量，忽略其大小形態(tài)的幾何點。研究地球繞太陽運動，地球可以當作質(zhì)點

研究地球的自轉(zhuǎn)，地球就不能當作質(zhì)點第二節(jié)牛頓運動定律及其應用

34第二章運動力學基礎2、剛體

是由相互間距離始終保持不變的許多質(zhì)點組成的連續(xù)體，它有一定形狀、占據(jù)空間一定位置，是由實際物體抽象出來的力學簡化模型。在運動生物力學中，把人體看作是一個多剛體系統(tǒng)。35第二章運動力學基礎

人體簡化以后的運動形式

人體運動的形式多種多樣。把人體簡化成質(zhì)點：分為直線運動和曲線運動。把人體簡化成剛體：分為平動、轉(zhuǎn)動和復合運動。

36第二章運動力學基礎牛頓第一定律：任何物體在不受外力作用（或所受合外力為零）時，物體將保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)不變。物體的這種性質(zhì)稱為慣性。牛頓第二定律：物體加速度（a）的大小與物體所受合外力（∑F）的大小成正比，與物體的質(zhì)量（m）成反比，即∑F=ma。牛頓第三定律（作用力與反作用力）：兩個物體相互作用時，物體甲對物體乙的作用力，F(xiàn)1與F2大小相等、方向相反、沿同一直線，即F1=-F2。二、牛頓運動定律

37第二章運動力學基礎

運動中很多動作可以借助慣性完成，巧妙地利用慣性，不但省力且減少能量消耗，減少運動性疲勞。因此，人體活動中保持動作的連貫性和動作間的連續(xù)性能起到省力的作用。例如，康復治療中偏癱患者自主從仰臥位到側(cè)臥位，可以利用健側(cè)肢體的慣性完成體位轉(zhuǎn)換例子。三、牛頓運動定律在人體運動中的應用（一）運動中合理利用慣性可以省力38第二章運動力學基礎

指在人體在克服外界阻力負荷運動時，需要遵循由大肌群首先活動，逐步過渡到中小肌群活動。因為大肌群能產(chǎn)生較大的力或力矩，有利于克服阻力物體的慣性，可以有效預防運動開始時的中小肌群的損傷。例如，搬動較重物體時應用下蹲通過大腿的肌群用力來克服重物的慣性，而不應用彎腰通過腰部肌群的用力克服重物的慣性。由于腰部肌群的力量弱，彎腰搬重物易導致腰部肌的急性損傷。（二）克服重物慣性需要遵循骨骼肌活動順序原理39第二章運動力學基礎

運動中，要使人體運動速度增加或減小，需要外界對人體的作用力增加或減小。根據(jù)作用力與反作用力定律，外界物體對人體的作用力增加或減小時，人體對外界的作用力也需要增加或減小。（三）增加人體對外界的作用力可以增大外界對人體的反作用力40第二章運動力學基礎第三節(jié)平衡與穩(wěn)定

一個物體如果受到幾個力的作用，這幾個力稱為力系。力系平衡的條件因力系的不同而有所差異，力系通常有以下4種情況。1.共點、共線力系2.平面匯交力系3.平面平行力系4.空間一般力系一、力系平衡條件與人體平衡類型（一）力系的平衡條件41第二章運動力學基礎平衡重心與支撐點關系平衡穩(wěn)定程度上支撐平衡下支撐平衡混合支撐平衡穩(wěn)定平衡有限穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡隨遇平衡人體平衡的類型（二）人體平衡的類型42第二章運動力學基礎

穩(wěn)定性是指人體和物體抵抗各種干擾作用保持平衡的能力。1、靜態(tài)穩(wěn)定性

人體靜止時抵抗各種干擾的能力。2、動態(tài)穩(wěn)定性

人體重心偏移平衡位置后，干擾因素除去時，人體仍能恢復到初始平衡范圍。二、穩(wěn)定性及其影響因素（一）穩(wěn)定性43第二章運動力學基礎1.影響人體下支撐穩(wěn)定性的因素支撐面大小:支撐面大，穩(wěn)定度大；支撐面小，穩(wěn)定度小。重心的高低:在支撐面不變的情況下，人體的重心位置低，穩(wěn)定度大；重心位置高，穩(wěn)定度小。（二）影響人體下支撐穩(wěn)定性的因素與評價指標44第二章運動力學基礎（1）定義：整個人體所受重力的合力的作用點，叫人體重心。它位于身體正中面上第三骶椎上緣前方7厘米處，大約在身高的55%～56%。

人體重心45第二章運動力學基礎（2）人體重心位置正常站立姿勢下人體重心位置。46第二章運動力學基礎人體重心位置，人體重心位置隨人體姿勢變化而改變。47第二章運動力學基礎人體重心的變化48第二章運動力學基礎人體重心可移動出身體之外。49第二章運動力學基礎為了訓練平衡功能差的患者的平衡能力，開始訓練時，可以先練習坐位（重心低支撐面較大）平衡，完成后練習立位平衡時，可先分開雙腿以加大支撐面使重心比較低，練習靜態(tài)和動態(tài)平衡，達到一定效果后，再逐漸過渡到并足訓練。應用50第二章運動力學基礎2、人體下支撐穩(wěn)定性的評價指標（1）穩(wěn)定角：穩(wěn)定角是指重力作用線和重心至支撐面邊緣相應點的連線間的夾角。重心高度相同，支撐面越大，穩(wěn)定角越大；支撐面相同，重心越高，穩(wěn)定角越小。穩(wěn)定角越大，物體的穩(wěn)定度越大，51第二章運動力學基礎52第二章運動力學基礎（2）穩(wěn)定系數(shù)：穩(wěn)定系數(shù)是指穩(wěn)定力矩與傾倒力矩之比值。穩(wěn)定系數(shù)表明物體依靠重力抵抗平衡受破壞的能力，穩(wěn)定系數(shù)大于1時，物體能抵抗外來翻倒力矩，平衡不被破壞；穩(wěn)定系數(shù)小于1時，物體抵抗不住外來的翻倒力矩，平衡將遭到破壞，即物體會翻倒。

53第二章運動力學基礎FhGr穩(wěn)定系數(shù)的計算54第二章運動力學基礎結(jié)論：K>1，K<1當K>1時，物體本身重力產(chǎn)生的恢復力矩足以對抗傾倒，當K<1時，物體恢復力矩對抗不了傾倒力矩，物體傾倒，平衡破壞。所以，物體越重，其穩(wěn)定力矩越大，抗傾倒的能力越強。55第二章運動力學基礎人體不能絕對靜止：人體的呼吸、循環(huán)運動使得人體重心不是定點。另一方面人體肌張力任何時候不能恒定。人體形狀可變：由于人體支撐面邊緣均為軟組織，有效支撐面面積要小于“理論”支撐面的面積。人體自身的姿勢自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)：人體有翻倒趨勢時，依靠反射性地改變身體姿勢，可以保持原有平衡。三、人體平衡與穩(wěn)定的特點56第二章運動力學基礎人體保持平衡穩(wěn)定的補償動作57第二章運動力學基礎人體的補償作用達瓦孜58第二章運動力學基礎人體內(nèi)力起重要作用：內(nèi)力可以通過對外界環(huán)境（人體或物體）的主動作用，從而影響人體的平衡。心理因素的影響：緊張心理反應對人體平衡穩(wěn)定性的影響最為明顯。感覺系統(tǒng)在保持人體平衡中的作用：視覺、位覺與本體感覺等感覺系統(tǒng)起著重要作用。59第二章運動力學基礎第四節(jié)骨、關節(jié)生物力學

（一）骨受載荷形式

一、骨的生物力學性質(zhì)

拉伸載荷壓縮載荷彎曲載荷剪切載荷扭轉(zhuǎn)載荷復合載荷60第二章運動力學基礎骨的應力是指骨結(jié)構(gòu)受到外來載荷時其表面單位面積所受到的力。骨的應變是指骨在外力作用下的局部形變，包括線性應變和剪切應變。（二）骨的應力與應變曲線61第二章運動力學基礎應力較小時，在一定的范圍內(nèi)，應力與應變之間存在著一個線性關系，應力-應變曲線為直線，即應力與應變成正比關系，稱為彈性區(qū)。去除外部載荷移后，材料將恢復到原來的形狀，即不會造成永久形變。載荷持續(xù)增加時，骨最外層某些部位就會發(fā)生屈服，即彈性區(qū)末端點稱為屈服點。屈服點以后的曲線則變成了非線性，骨將產(chǎn)生永久變形，稱為塑性區(qū)。載荷持續(xù)增加，骨組織的結(jié)構(gòu)體將在某個部位失效（骨折，圖中C點為斷裂點），對應的應力稱為極限應力（C’）。62第二章運動力學基礎

在應力-應變曲線圖中的彈性區(qū)，材料的應力與應變之間存在著一定的關系，即應力/應變是常數(shù)，此常數(shù)為材料的彈性模量或楊氏模量，其大小等于這段直線的斜率。彈性模量或楊氏模量大小表示了材料抵抗變形的能力，稱為剛度。

63第二章運動力學基礎

達到極限應力時的應力-應變曲線下面的面積表示導致骨折所需要的能量。一般骨在生理負荷范圍內(nèi)，骨產(chǎn)生彈性變形，當外力去除后，彈性區(qū)內(nèi)的能量能同時被骨釋放，使骨恢復原狀。但當骨不斷受到外力作用時，其應變能量不能被及時完全釋放，經(jīng)積累后可能會損壞材料的結(jié)構(gòu)。64第二章運動力學基礎骨的生長是破壞和重建兩個過程對立統(tǒng)一的結(jié)果。骨的塑形與重建是通過適應力的作用，這種適應性是按沃爾夫（Wolff）定律進行的。

適宜的載荷對骨有積極的影響，但過載、過用或過度沖擊性載荷可引起骨損傷甚至骨折發(fā)生。

（三）機械應力對骨生長的影響65第二章運動力學基礎運動中，骨會反復受力，超過某一生理限度時使骨組織受到損傷，造成骨的損傷為疲勞性損傷。在持續(xù)性緊張的骨骼肌運動中，首先引起骨骼肌疲勞，收縮能力降低，其結(jié)果是抵消作用于骨上的應力的能力也減弱，導致對骨的作用力過大，骨結(jié)構(gòu)在反復的應力刺激下導致結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生骨折。（四）骨疲勞66第二章運動力學基礎持續(xù)劇烈運動/大強度勞動骨骼肌疲勞貯存能量能力下降動作結(jié)構(gòu)特征改變骨受載荷異常應力分布改變高拉伸復合高壓縮斜行骨折斜行裂紋橫行骨折橫向裂紋疲勞性骨折的發(fā)生過程示意圖67第二章運動力學基礎骨的力學性質(zhì)還受到以下因素的影響。骨的大小和形狀骨折愈合：當骨折愈合開始時，骨痂在骨折處周圍形成套狀以穩(wěn)定骨折區(qū)。骨痂使截面積顯著增加，從而增加骨骼的強度和剛度。手術因素：有些外科手術造成骨缺損而使其力學性能明顯減弱。衰老與骨質(zhì)疏松：骨組織總量的減少和骨體積的輕度減少。（五）影響骨力學性能的其他因素68第二章運動力學基礎人類三種類型的杠桿（六）骨的杠桿功能69第二章運動力學基礎二、關節(jié)的生物力學

關節(jié)面形狀韌帶強弱骨骼肌力量關節(jié)負壓（一）關節(jié)穩(wěn)定性70第二章運動力學基礎

關節(jié)的存在使骨的杠桿作用得以實現(xiàn)，而提供骨杠桿轉(zhuǎn)動的力、力矩可來自多方面，如承載的負荷與環(huán)節(jié)重量、關節(jié)韌帶牽拉、肌收縮力等。

（二）關節(jié)的力和力矩71第二章運動力學基礎力學性能與固體材料特性和滲透性有關。滲透性是指液體流過多孔固體基質(zhì)時的摩擦阻力，是雙相材料的重要參數(shù)。關節(jié)軟骨損害、變性與關節(jié)載荷的頻率與量級有關。關節(jié)的先天性發(fā)育不良以及關節(jié)損傷等因素，可以導致應力集中。（三）關節(jié)軟骨生物力學特性72第二章運動力學基礎

脊柱是軀干的中軸、位于背部正中，由24塊椎骨、一塊骶骨和一塊尾骨，借椎間盤、韌帶和關節(jié)連接而成。為直立與行走需要，形成四個生理性彎曲。（四）脊柱生物力學73第二章運動力學基礎

1.脊柱結(jié)構(gòu)力學特性脊椎的功能單元是運動節(jié)段，包括2個椎體及其間的軟組織。（1）椎體（2）椎間盤

74第二章運動力學基礎

隨著年齡增長及外傷損害，椎間盤表現(xiàn)出老化與退變的特征，導致椎間盤的承載能力及其傳遞能力下降，繼而產(chǎn)生脊柱的功能性退化與可能性的損傷