第五章 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)應(yīng)用-人體平衡2

1、游游運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)游永豪游永豪合肥師范學(xué)院合肥師范學(xué)院 體育科學(xué)系體育科學(xué)系Telel-mailE-mail：游 人體平衡的生物力學(xué)分析人體平衡的生物力學(xué)分析 第五章 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)應(yīng)用 第一節(jié)第一節(jié)游內(nèi)容提要內(nèi)容提要一、人體平衡概述一、人體平衡概述1 1二、人體平衡的力學(xué)原理二、人體平衡的力學(xué)原理2 2三、影響人體平衡的因素三、影響人體平衡的因素3 3四、人體平衡的生物力學(xué)分析舉例四、人體平衡的生物力學(xué)分析舉例4 4游一、人體平衡概述一、人體平衡概述（一）（一） 人體重心的概念人體重心的概念 l物體的重心是物體所受重力的合力作用點(diǎn)，

2、人體的重心也物體的重心是物體所受重力的合力作用點(diǎn)，人體的重心也就是人體所受重力的合力作用點(diǎn)。就是人體所受重力的合力作用點(diǎn)。l意義：意義：l評(píng)定一個(gè)體育動(dòng)作完成的質(zhì)量，分析其技術(shù)特征以及糾正錯(cuò)評(píng)定一個(gè)體育動(dòng)作完成的質(zhì)量，分析其技術(shù)特征以及糾正錯(cuò)誤動(dòng)作等，都需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)誤動(dòng)作等，都需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)人體重心的變化規(guī)律人體重心的變化規(guī)律。l特別是分析特別是分析靜力性動(dòng)作靜力性動(dòng)作，判定平衡的穩(wěn)定性及分析動(dòng)作的合，判定平衡的穩(wěn)定性及分析動(dòng)作的合理性時(shí)，必須從理性時(shí)，必須從人體重心相對(duì)于支撐面的位置人體重心相對(duì)于支撐面的位置來確定。來確定。游一般物體的重心比較恒定，而人體重心是變化的。一般物體的重心比較恒

3、定，而人體重心是變化的。人體重心變化人體重心變化不僅在一段時(shí)間內(nèi)，要受不僅在一段時(shí)間內(nèi)，要受肌肉和脂肪肌肉和脂肪的增長(zhǎng)的增長(zhǎng)或消退等因素的影響，即使在每一瞬間，也要受到或消退等因素的影響，即使在每一瞬間，也要受到呼吸、呼吸、消化和血液循環(huán)消化和血液循環(huán)等因素的影響，特別是在運(yùn)動(dòng)中，要受到等因素的影響，特別是在運(yùn)動(dòng)中，要受到人體姿勢(shì)變化人體姿勢(shì)變化的影響，隨著姿勢(shì)的改變而改變，有時(shí)甚至的影響，隨著姿勢(shì)的改變而改變，有時(shí)甚至能夠移出體外。能夠移出體外。游（二）人體平衡的分類（二）人體平衡的分類 1. 根據(jù)根據(jù)支點(diǎn)相對(duì)于人體重心的位置支點(diǎn)相對(duì)于人體重心的位置不同不同，將人體平衡分為以下，將人體平衡分

4、為以下3種：種： （1 1）上支撐平衡）上支撐平衡： 當(dāng)人體處于平衡，且當(dāng)人體處于平衡，且。 如體操中的各種懸垂動(dòng)作。如體操中的各種懸垂動(dòng)作。 游（2）下支撐平衡）下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，當(dāng)人體處于平衡，。例如，站立、平衡木上的平衡動(dòng)作及田徑、例如，站立、平衡木上的平衡動(dòng)作及田徑、游泳、舉重等各類平衡動(dòng)作。游泳、舉重等各類平衡動(dòng)作。（3）混合支撐平衡）混合支撐平衡：是一種多支撐點(diǎn)的平衡狀態(tài)，是一種多支撐點(diǎn)的平衡狀態(tài)，例如，肋木側(cè)身平衡。例如，肋木側(cè)身平衡。游 根據(jù)根據(jù)平衡的穩(wěn)定程度平衡的穩(wěn)定程度把人體平衡分為把人體平衡分為4 4種：種：（1 1）穩(wěn)定平衡）穩(wěn)定平衡：其特點(diǎn)是當(dāng)偏離平衡位置時(shí)

5、，重心升高，產(chǎn)生的重力：其特點(diǎn)是當(dāng)偏離平衡位置時(shí)，重心升高，產(chǎn)生的重力矩使物體向平衡位置運(yùn)動(dòng)，回到平衡位置后，合力為零，合力矩為零。矩使物體向平衡位置運(yùn)動(dòng)，回到平衡位置后，合力為零，合力矩為零。（2 2）不穩(wěn)定平衡）不穩(wěn)定平衡：其特點(diǎn)是偏離平衡位置時(shí)，重心降低，產(chǎn)生的重力：其特點(diǎn)是偏離平衡位置時(shí)，重心降低，產(chǎn)生的重力矩使物體繼續(xù)傾倒。僅在下支撐平衡動(dòng)作出現(xiàn)。矩使物體繼續(xù)傾倒。僅在下支撐平衡動(dòng)作出現(xiàn)。（3 3）有限度的穩(wěn)定平衡）有限度的穩(wěn)定平衡：其特點(diǎn)是在一定限度內(nèi)的偏離平衡位置時(shí)，：其特點(diǎn)是在一定限度內(nèi)的偏離平衡位置時(shí)，人體重心升高，產(chǎn)生的重力矩使人體向平衡位置移動(dòng)，最終恢復(fù)平衡，人體重心升高

6、，產(chǎn)生的重力矩使人體向平衡位置移動(dòng)，最終恢復(fù)平衡，但超出某一定限度的偏離平衡位置時(shí)，人體重心降低，產(chǎn)生的重力矩但超出某一定限度的偏離平衡位置時(shí)，人體重心降低，產(chǎn)生的重力矩使人體更加偏離平衡位置。使人體更加偏離平衡位置。（4 4）隨遇平衡）隨遇平衡：其特點(diǎn)是偏離原來位置時(shí)，重心高度不變，不產(chǎn)生使：其特點(diǎn)是偏離原來位置時(shí)，重心高度不變，不產(chǎn)生使物體位置移動(dòng)的重力矩。物體位置移動(dòng)的重力矩。游5. 5. 力的可傳性原理力的可傳性原理力可沿其作用線任意移動(dòng)，而不改變其對(duì)物體的效應(yīng)。力可沿其作用線任意移動(dòng)，而不改變其對(duì)物體的效應(yīng)。二、人體平衡的力學(xué)原理二、人體平衡的力學(xué)原理游6. 6. 力的平移定理力的平

7、移定理（1 1） 力矩、力偶矩力矩、力偶矩力矩為力與力臂的乘積。如力對(duì)于力矩為力與力臂的乘積。如力對(duì)于O O點(diǎn)的力矩為點(diǎn)的力矩為M M如圖所示。力矩的方向按右手螺旋法則，即如圖所示。力矩的方向按右手螺旋法則，即四指沿矢徑四指沿矢徑r的方向轉(zhuǎn)向力方向，大拇指的的方向轉(zhuǎn)向力方向，大拇指的方向即為力矩方向。該力矩方向?yàn)榇怪庇谄椒较蚣礊榱胤较?。該力矩方向?yàn)榇怪庇谄矫嫦蛲?。通常?guī)定：力有使物體逆時(shí)針方向面向外。通常規(guī)定：力有使物體逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，則該力所產(chǎn)生的力矩為正，反轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，則該力所產(chǎn)生的力矩為正，反之為負(fù)。之為負(fù)。FdFrMsin游力偶力偶是指一對(duì)大小相等、方向相反的平行力。是指一對(duì)大

8、小相等、方向相反的平行力。 如汽車司機(jī)兩手作用于方向盤的力就是一個(gè)力偶。如汽車司機(jī)兩手作用于方向盤的力就是一個(gè)力偶。 力偶中二力之和為力偶中二力之和為0，即力偶無合力。，即力偶無合力。 力偶可以產(chǎn)生力偶可以產(chǎn)生力偶矩力偶矩。M=Fd M=FdM=Fd，式中，式中d d為力偶臂，是力偶兩力作用線之間的垂距為力偶臂，是力偶兩力作用線之間的垂距，如果力偶使，如果力偶使物體作逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，則力矩為正，反之為負(fù)。物體作逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，則力矩為正，反之為負(fù)。游（2 2）力的平移定理）力的平移定理如圖，如圖，作用于點(diǎn)作用于點(diǎn)A A的力可用作用于點(diǎn)的力可用作用于點(diǎn)B B的力和力偶矩的力和力偶矩M

9、 M來代替。來代替。5 - 9游7. 研究對(duì)象的受力分析研究對(duì)象的受力分析為了清晰地表示物體的受力情況，需要把研究的物體（受為了清晰地表示物體的受力情況，需要把研究的物體（受力體）從周圍的物體（施力體）中分離出來，單獨(dú)畫出簡(jiǎn)力體）從周圍的物體（施力體）中分離出來，單獨(dú)畫出簡(jiǎn)圖，叫做圖，叫做取研究對(duì)象取研究對(duì)象。然后把施力物體對(duì)研究對(duì)象的作用。然后把施力物體對(duì)研究對(duì)象的作用力全部畫出來（力全部畫出來（受力圖受力圖）。）。 游例例1 簡(jiǎn)化田徑運(yùn)動(dòng)員跑步后蹬動(dòng)作的身體受力圖，并分析這些力對(duì)簡(jiǎn)化田徑運(yùn)動(dòng)員跑步后蹬動(dòng)作的身體受力圖，并分析這些力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。運(yùn)動(dòng)的影響。解：如圖解：如圖5-105-10所

10、示后蹬動(dòng)作中身體受到所示后蹬動(dòng)作中身體受到4 4個(gè)力的作用。（個(gè)力的作用。（1 1） 重力重力G G（2 2）地面支撐力）地面支撐力N N（3 3）地面摩擦力）地面摩擦力f f（4 4）空氣阻力）空氣阻力F F。把。把N N、f f、F F三三力平移至重心力平移至重心O O點(diǎn)，并加上相應(yīng)的力偶矩，如圖點(diǎn)，并加上相應(yīng)的力偶矩，如圖5-115-11所示。所示。5-105-11游（二）力學(xué)條件（二）力學(xué)條件作用于人體的力系可以簡(jiǎn)化為一個(gè)作用于人體的力系可以簡(jiǎn)化為一個(gè)合外力和一個(gè)合外力矩，當(dāng)力系平合外力和一個(gè)合外力矩，當(dāng)力系平衡時(shí)滿足下列條件時(shí)，人體即處于衡時(shí)滿足下列條件時(shí)，人體即處于平衡狀態(tài)，即：平

11、衡狀態(tài)，即： 當(dāng)當(dāng)F=0 F=0 時(shí)，人體沒有平動(dòng)的加速時(shí)，人體沒有平動(dòng)的加速度；度；當(dāng)當(dāng)M=0M=0時(shí)，人體沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的角加時(shí)，人體沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度，兩個(gè)條件同時(shí)滿足人體即達(dá)速度，兩個(gè)條件同時(shí)滿足人體即達(dá)到平衡。到平衡。 燕式平衡燕式平衡游（一）影響人體平衡的（一）影響人體平衡的力學(xué)因素力學(xué)因素是人體處于有限穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)，抵抗各種破是人體處于有限穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)，抵抗各種破壞的作用而保持平衡的能力。壞的作用而保持平衡的能力。三、影響人體平衡的因素三、影響人體平衡的因素 1 1支撐面：支撐面：支撐面是由各支撐部位的表面及它們所包圍的面積。支撐面是由各支撐部位的表面及它們所包圍的面積。支撐面越大

12、，支撐面越大，物體平衡的穩(wěn)定性就越好。物體平衡的穩(wěn)定性就越好。 2 2重心高度重心高度：重心越低，穩(wěn)定性越好。重心越低，穩(wěn)定性越好。穩(wěn)定角穩(wěn)定角是重力作用線和重心至支撐面相應(yīng)邊界的連線之間的夾角。穩(wěn)定角越大是重力作用線和重心至支撐面相應(yīng)邊界的連線之間的夾角。穩(wěn)定角越大穩(wěn)定性越好，反之則越差。穩(wěn)定性越好，反之則越差。 3 3體重體重：在摔跤、拳擊、柔道等項(xiàng)目中運(yùn)動(dòng)員按體重分級(jí)的原因之一是體重：在摔跤、拳擊、柔道等項(xiàng)目中運(yùn)動(dòng)員按體重分級(jí)的原因之一是體重對(duì)人體的穩(wěn)定性也有影響。對(duì)人體的穩(wěn)定性也有影響。游 例例2 2 :運(yùn)動(dòng)員體重運(yùn)動(dòng)員體重70kg70kg，兩腳間距為，兩腳間距為0.5m0.5m，對(duì)手

13、將一個(gè)，對(duì)手將一個(gè)196N196N的力從側(cè)面水平地作用于他，作用點(diǎn)的力從側(cè)面水平地作用于他，作用點(diǎn)距地面的高度為距地面的高度為1.0m1.0m。若該運(yùn)動(dòng)員受推力過程中姿勢(shì)不改變，試求：。若該運(yùn)動(dòng)員受推力過程中姿勢(shì)不改變，試求：（1 1）重力作用線在支撐面正中央的穩(wěn)度系數(shù)；）重力作用線在支撐面正中央的穩(wěn)度系數(shù)；（2 2）若該運(yùn)動(dòng)員將重力作用線移到離左腳）若該運(yùn)動(dòng)員將重力作用線移到離左腳B B點(diǎn)點(diǎn)5cm5cm處，試求運(yùn)動(dòng)員在左右兩個(gè)方向上的穩(wěn)度系數(shù)處，試求運(yùn)動(dòng)員在左右兩個(gè)方向上的穩(wěn)度系數(shù)（3 3）若運(yùn)動(dòng)員將兩腳間距增大至）若運(yùn)動(dòng)員將兩腳間距增大至1m1m時(shí)，試求重力作用線在正中央時(shí)的穩(wěn)度系數(shù)。時(shí)，

14、試求重力作用線在正中央時(shí)的穩(wěn)度系數(shù)。穩(wěn)度系數(shù)穩(wěn)度系數(shù)為為穩(wěn)定力矩與翻倒力矩之比值穩(wěn)定力矩與翻倒力矩之比值。穩(wěn)度系數(shù)。穩(wěn)度系數(shù)K1K1時(shí)，平衡沒有被破壞；時(shí)，平衡沒有被破壞；K=1K=1時(shí)，處于臨界狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，處于臨界狀態(tài)；當(dāng)K1K L 肌肉拉力臂。需要強(qiáng)大的肌肉拉力臂。需要強(qiáng)大的肌肉力才能完成動(dòng)作。高度的肌緊張集中在肩關(guān)節(jié)處，肌肉力才能完成動(dòng)作。高度的肌緊張集中在肩關(guān)節(jié)處，肩關(guān)節(jié)內(nèi)收縮，肩帶肌群起固定作用，屬于大強(qiáng)度的靜肩關(guān)節(jié)內(nèi)收縮，肩帶肌群起固定作用，屬于大強(qiáng)度的靜力性用力動(dòng)作。力性用力動(dòng)作。游l人體可以做出形式樣的各種動(dòng)作，有的動(dòng)作做起來簡(jiǎn)單，人體可以做出形式樣的各種動(dòng)作，有的動(dòng)作做起來簡(jiǎn)單，但是需要運(yùn)動(dòng)員具備很大的肌肉力量，而有的動(dòng)作對(duì)力但是需要運(yùn)動(dòng)員具備很大的肌肉力量，而有的動(dòng)作對(duì)力量要求并不是太高，但是對(duì)運(yùn)動(dòng)員對(duì)人體組織器官的生量要求并不是太高，但是對(duì)運(yùn)動(dòng)員對(duì)人體組織器官的生物學(xué)特性要求很高。物學(xué)特性要求很高。l根據(jù)以上表述請(qǐng)思考：根據(jù)以上表述請(qǐng)思考： 吊環(huán)吊環(huán)“十字支撐十字支撐”和少林功夫和少林功夫 “一指禪一指禪”分別屬于難分別屬于難度？理由是什么？度