體育教育多媒體課件

體育教育多媒體課件第五章運動生物力學(xué)應(yīng)用第一節(jié)人體平衡的生物力學(xué)分析一、基本概念與原理（一）力與力系力是物體間的相互作用。運動生物力學(xué)中涉及到的力主要是發(fā)生在人體與環(huán)境之間的相互作用，如人體與地面、人體與器械以及人體與流體介質(zhì)之間的相互作用。力有三要素：大小、方向和作用點。力是矢量，有大小和方向。力的單位是牛頓（1=1千克.米/秒2，即）力系是作用于物體上的一組力，一般在運動中作用于人體的是多個力，構(gòu)成了力系。根據(jù)這一組力的分布形式不同，可以分為共線力系、共面力系和空間力系。如果在力系的作用下，物體的運動狀態(tài)不發(fā)生變化，則該力系稱為。

約束是指對物體運動的限制。如果物體不受約束將可以自由移動，稱為自由體，如騰空中的運動員，自由下落的物體等。約束是由于物體與其它物體相接觸而是其運動受到限制所致。這種相互接觸阻止物體移動，如作單杠懸垂的運動員懸垂于單杠，單杠便成為約束，人體站立地面，地面阻止人體下落，地面成為約束，對于人體上相互連接的各環(huán)節(jié)，關(guān)節(jié)、韌帶和肌肉都是約束。受到約束的物體稱為非自由體。

約束反力是指由于約束而作用于物體的反作用力，其大小等于物體施加在約束上的力，方向與施加的力相反。

主動力指與約束反力作用相反的力。它使物體運動或有運動趨勢，如物體受到的重力，人體或器械對物體所施加的推力、拉力等。（二）約束、約束反力、主動力（三）力的可傳性原理（圖5-1-1）力可沿其作用線任意移動，而不改變其對物體的效應(yīng)。如圖所示，物體在點A首道一個力F，若沿著力F的作用線，將力的作用點移至B點，其作用效果不變。因為在B點加入一組平衡力F’和F”作用效果不變，即三個力F，F(xiàn)’F”與一個力F等效，而F與F”大小相等方向相反，沿著同一條作用線，也是一組平衡力，可以去掉，而不改變作用效果，如此只剩下作用在B點的F”，其作用與原來的F相同。所以作用在A點與作用在B點對物體的效應(yīng)相同。FF’F”(a)BAF(b)BAF’(c)（圖5-1-1）（四）力的平移定理1．力矩、力偶矩力矩是量度力對物體作用時產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效果的物理量。

力F對點O的力矩定義式為：（圖5-1-2）

M=rxF

力矩的大小為：

M=F.r.sinθ力矩的方向根據(jù)右手螺旋法則判定，即右手握拳，四指由r的方向轉(zhuǎn)向F

的方向，外展的大拇指所指的方向為力矩的方向。如果僅討論平面力矩，則通常規(guī)定產(chǎn)生逆時針方向轉(zhuǎn)動（或轉(zhuǎn)動趨勢）的力矩為正值，而產(chǎn)生順時針方向轉(zhuǎn)動（或轉(zhuǎn)動趨勢）的力矩為負值。dOrFθ（圖5-1-2）力偶是指一對大小相等，方向相反的平行力，力偶的作用是產(chǎn)生力偶矩，即力偶產(chǎn)生的力矩。力偶矩為：（圖5-1-3）

M=Fd

其中F為力偶中的一個力，d為力偶中兩平行力之間的距離。（圖5-1-3）F2F1=F2dF1F力可以平行于作用線移動到任一點，但需要增加一個力偶，其力偶矩等于原力對于新作用點的力矩。如圖（圖5-1-4）在分析人體運動時經(jīng)常根據(jù)力的平移定理，將力平行移動，以使分析簡化。2.力的平行定理二、人體平衡的力學(xué)條件（圖5-1-4）BAF

F’

BF”A

F

dBM=FdF’作用于人體的力系可以簡化為一個合外力和一個合外力矩，當(dāng)力系平衡時滿足下列條件：

ΣF=0ΣM=0當(dāng)ΣF=0時，人體沒有平動的加速度，當(dāng)ΣM=0時，人體沒有轉(zhuǎn)動的角加速度，兩個條件同時滿足人體即達到平衡。如果力系為三維力系，平衡時：

如果力系為一維力系，適當(dāng)選擇矩心則力矩為零，平衡時：ΣFx=0。ΣFx=0,ΣFy=0,ΣFz=0,ΣMox=0,ΣMoy=0,ΣMoz=0,如果力系為二維力系，平衡時：

ΣFx=0,ΣFy=0，

ΣMox=0,ΣMoy=0.三、人體平衡的生物力學(xué)分析（一）人體重心的概念

評定一個體育動作完成的質(zhì)量，分析其技術(shù)特征以及糾正錯誤動作等，都需要根據(jù)運動時人體重心的變化規(guī)律。特別是分析靜力性動作，判定平衡的穩(wěn)定性及分析動作的合理性時，必須從人體重心相對于支撐面的位置來確定。因而,人體重心的問題在體育動作分析中占有很重要的地位。物體的重心是物體所受重力的作用點，人體的重心也就是人體所受重力的作用點。人體由頭、軀干、上臂、前臂、手、大腿、小腿和足等多個環(huán)境組成。每個環(huán)節(jié)都有各自的重心，環(huán)節(jié)的重心是環(huán)節(jié)所受重力的作用點，人體的重心是人體全部環(huán)節(jié)所受重力合力的作用點。對于一般形狀固定物體，例如鐵餅、標(biāo)槍、鉛球、足球的物體的重心位置是固定的。而人體重心不像上述物體那樣恒定在一個點上，人體重心是變化的，這種變化不僅在一段時間內(nèi)，要受肌肉和脂肪的增長或消退等因素的影響，即使在每一瞬間，也要受到呼吸、消化和血液循環(huán)等因素的影響，特別是在運動中，要受到人體姿勢變化的影響，隨著姿勢的改變而改變，有時能夠移出體外。（1）上支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支點在人體重心的上方，這種平衡狀態(tài)稱為上支撐平衡。如體操中的各種懸垂動作。（圖5-1-6）（二）人體平衡的分類1．根據(jù)支點相對于重心的位置關(guān)系分類根據(jù)支點相對于人體重心的位置不同，將人體平衡分為以下3種：

L

GF

d（圖5-1-6）（3）混合支撐平衡：是一種多支撐點的平衡狀態(tài)，這時有的支撐點在人體重心上方，有的支撐點在人體重心的下方。例如，肋木側(cè)身平衡。（2）下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支點在人體重心的下方，這種平衡狀態(tài)稱為下支撐平衡。例如，站立、平衡木上的平衡動作及田徑、游泳舉重等各類平衡動作。（1）穩(wěn)定平衡：人體在外力作用下偏離平衡位置后，當(dāng)外力撤除時，人體自然回復(fù)平衡位置，而不需要通過肌肉收縮恢復(fù)平衡，這種平衡是穩(wěn)定平衡。其特點是當(dāng)偏離平衡位置時，重心升高，產(chǎn)生的重力矩使物體向平衡位置運動，回到平衡位置后，合力為零，合力矩為零。（2）不穩(wěn)定平衡：人體在外力作用下偏離平衡位置后，當(dāng)外力撤除時，人體不僅不能回復(fù)原來的平衡位置，而且更加偏離平衡位置，這種平衡叫做不穩(wěn)定平衡。其特點是偏離平衡位置時，重心降低，產(chǎn)生的重力矩使物體繼續(xù)傾倒。例如單臂手倒立動作。2．根據(jù)平衡穩(wěn)度分類根據(jù)平衡的穩(wěn)定程度可以把人體平衡分為一些4種：（3）有限度的穩(wěn)定平衡：人體在外力作用下在一定限度內(nèi)的偏離平衡位置時，當(dāng)外力撤除是，人體回到-平衡狀態(tài)，但是當(dāng)偏離平衡位置超過某一限度時，人體失去平衡，這種平衡叫做有限度的穩(wěn)定平衡。其特點是在一定限度能的偏離平衡位置時，人體重心升高，產(chǎn)生的重力矩使人體向平衡位置移動，最終恢復(fù)平衡，但超出某一定限度的偏離平衡位置時，人體重心降低，產(chǎn)生的重力矩使人體更加偏離平衡位置。（4）隨遇平衡：物體在外力作用下偏離平衡位置，當(dāng)外力撤除后，物體及不回到原來位置，也不繼續(xù)偏離新位置，而是在新位置上保持平衡。其特點是偏離原來位置時，重心高度不變，不產(chǎn)生使物體位置移動的重力矩。

1．支撐面

支撐面是由各支點所包圍的面積。支撐面也大，平衡的穩(wěn)定性越好，因為只要物體重心的投影落在支撐面以內(nèi)，平衡就能夠保持，重心投影落在支撐面以外，平衡將被破壞。因此，支撐面越大，重心可以活動的范圍大，即在較大的活動范圍中可以保持平衡，支撐面越大平衡穩(wěn)定性越好就是從這個意義上說的。（三）人體平衡的影響因素人體平衡受支撐面，重心高度和體重的影響。3．體重對平衡穩(wěn)定性的影響體重影響著下支撐平衡的穩(wěn)定性，體重的影響體現(xiàn)在重力矩的作用上，重力矩起著穩(wěn)定力矩的作用，常用穩(wěn)度系數(shù)表示體重在平衡中的作用：K（穩(wěn)度系數(shù)）=M穩(wěn)（穩(wěn)定力矩）/M翻（翻到力矩）若K>1，平衡穩(wěn)定；

K=1，處于臨界狀態(tài)；

K<1，平衡被破壞。2．穩(wěn)定角

穩(wěn)定角的概念表示支承面和重心高度對平衡的影響。穩(wěn)定角是重力作用線和重心與支撐面相應(yīng)邊界連線之間的夾角。如圖，穩(wěn)定角越大，穩(wěn)定性越好，穩(wěn)定角決定了在該角度張開方向上的平衡穩(wěn)定性。人體平衡除了受力學(xué)因素的影響外，還受生物學(xué)因素的影響，主要受以下因素影響：1．人體不能絕對靜止由于呼吸活動和血液循環(huán)改變?nèi)梭w質(zhì)量的分布而改變了重力的分布，使得人體總重心位置時刻發(fā)生變化，肌肉收縮時個肌群肌纖維投入和退出工作的非完全有秩序性，造成人體肌肉張力不能保持恒定。(四)人體平衡的生物學(xué)因素2．人體有效支撐面小于支撐面由于人體軟組織和力量不太足的肌肉無力平衡負荷，所以翻倒線永遠位于支撐面邊界線之內(nèi)，重力作用線未超越支撐面邊界線時，人體就要提前傾倒。

3．人體姿勢的改變可以調(diào)節(jié)平衡人體在有翻倒趨勢時往往會改變體姿，各環(huán)節(jié)會繞相鄰關(guān)節(jié)發(fā)生位移。當(dāng)人體失去平衡時，通過改變體姿，可能恢復(fù)平衡。這種維持平衡和恢復(fù)平衡的動作，是一系列復(fù)雜的反射過程，通常是自動完成的。例如用右臂提起重物時，身體和身體重物的共同重心要右移，此時身體必然會向左傾斜，并將左臂引向一側(cè)，從而使身體和重物的總重心移向左側(cè)，以保持原來的平衡狀態(tài)。人體的這種運動叫作補償運動。當(dāng)身體偏離平衡位置較遠時，補償運動也維持不了平衡，這時還可以通過改變支撐面來重新獲得平衡，如落地動作，人體失去平衡前傾時，向前邁出一步，擴大支撐面而獲得平衡。人體的這種特殊的恢復(fù)平衡的能力，因人而異，取決于人體的身體素質(zhì)和運動技術(shù)水平。調(diào)節(jié)平衡的能力可以通過訓(xùn)練得以加強。

4．心理因素的影響在力學(xué)因素相同的情況下，人體實際平衡能力并不相同，例如在平衡木上走過，一般人都能夠保持平衡，但是如果通過架在深淵上的獨木橋時，就有可能失去平衡（假定獨木橋與平衡木寬度相同）。其原因是視覺因素造成了心理緊張，從而造成收縮肌群無法協(xié)調(diào)工作，是人體失去平衡。所以心理因素對人體平衡有重要影響，平衡能力訓(xùn)練中，心理訓(xùn)練也是重要內(nèi)容。1．燕式平衡（圖5-1-11）燕式平衡動作常見與體操、冰上運動和武術(shù)等項目中，它是以單足支撐，身體處于水平狀態(tài)的平衡動作，按著力的分布狀況屬于一維力系。（圖）

（五）人體平衡動作的生物力學(xué)分析（圖5-1-11）受力分析：人體受重力G和地面對人體的作用力N，兩個力沿著同一條作用線，此時人體平衡的條件為：

ΣFx=N–G=0，N=G.坐標(biāo)系原點選在力的作用線上，力矩為零。穩(wěn)定性能：燕式平衡動作為單腿支撐，支撐面小，身體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在該動作中，由于頭和軀干的水平位，使身體重心由向前移動的趨勢，可能使身體重心垂線超出支撐面而失去平衡。2．吊環(huán)十字支撐（圖5-1-12）

十字支撐在吊環(huán)項目中是難度較高的動作之一，需要很大的臂力才能完成。要求兩手