運(yùn)動生物力學(xué)流體力學(xué)

1、 一、流體概念：凡是沒有固定形狀且易流動的物體。 二、易流動性：相對固體而言，其原因：流體靜止時，不能承受切向應(yīng)力，任何微小切向應(yīng)力使流體發(fā)生連續(xù)不斷變形，因此較固體而言具有流動性。 一、重度：即流體單位體積重量。用r表示重度，為r=G/V 二、密度:流體單位體積質(zhì)量。 p=m/v 三、 二者關(guān)系 ：r=p*g 四、流體可壓縮性和不可壓縮性 流體可分為：液體力學(xué) （以水為代表 ） 氣體力學(xué) （以空氣為代表 ） 體育運(yùn)動中水和空氣視為不可壓縮性流體。 粘滯性是當(dāng)流體運(yùn)動時，流體內(nèi)部顯示出內(nèi)磨擦力性質(zhì)。粘滯性為流體本身固有特性，一切流體均有一定粘滯性，不同流體其粘滯性大小也不同。 理想流體:可以忽

2、略或假定沒有粘滯性的流體。 粘性流體:凡是不能忽略粘滯性的流體。 流體質(zhì)點(diǎn):是指一個流體的分子微團(tuán) 。 連續(xù)介質(zhì)”模型:歐拉(Enler)于是1753年提出的不考慮流體的微觀分子結(jié)構(gòu)，而是將流體視為無窮多個流體質(zhì)點(diǎn)稠密而無間隙所組成的連續(xù)介質(zhì)。 由于流體被看作是空間各點(diǎn)連續(xù)介質(zhì)，因此流體宏觀運(yùn)動的參數(shù)，如壓力、速度、密度等，都可用空間坐標(biāo)(X、Y、Z)和(T)的函數(shù)，利用參數(shù)之間定量關(guān)系，進(jìn)而得出流體平衡和運(yùn)動的規(guī)律。 一、流體壓強(qiáng) : 作用在流體單位面積上的壓力強(qiáng)度，用P表示，即P=F/A，其單位是N/M2， F為總壓力，A為總壓力的作用面積。 二、流體靜壓強(qiáng) 當(dāng)流體處于靜止或相對靜止時，流

3、體的壓強(qiáng)稱為流體靜壓強(qiáng). 特性一：流體靜壓強(qiáng)的方向必沿作用面的內(nèi)法線方向。 特性二：流體靜壓強(qiáng)的數(shù)值與作用面在空間的方位無關(guān)，即任一點(diǎn)的壓強(qiáng)無論來自何方均相等。 通過無限小面積 A到自由面(僅受到大氣壓強(qiáng)作用液面)作一垂直圓柱體，柱體高為H。圓柱體處于平衡狀態(tài)。 Z軸方向的平衡條件為：FZ=0 P*d*A-P0*d*A-r*h*d*A=0 簡化得 P=P0+r*h P=P0+p*g*h 根據(jù)公式，當(dāng)H增加時P上升， 其斜率大小由密度R決定。 兩液面壓強(qiáng)差為P-P0=p*g*h 一、定律：物體在流體中減輕的重量，等于它排開同體積流體重量。 二、浮力的大小、方向和作用點(diǎn)位置 設(shè)在液體中有一立方體物

4、體，在物體上取坐標(biāo)軸 ，立方體上下面面積為A， 上端在液體深度H1處，下端在液體深度H2處。 液體作用在物體上、下端面壓強(qiáng)為: PZ1=P0+r*h1 PZ2=P0+r*h2 根據(jù)靜壓強(qiáng)特性一，作用在上端面的PZ1是垂直向下的，而作用在下端面PZ2是垂直向上的。同時PZ2PZ1 因?yàn)镠2H1，物體所受到的垂直總壓力為：FZ=(PZ2-PZ1)*A=r*h2*A-r*h1*A=r*h*A 而hA是物體體積，因此 FZ=r*v 根據(jù)流體靜止性質(zhì)，F(xiàn)X=0 FY=0 因此作用在物體上的垂直總壓力XF2即浮力等于物體排開液體重量。 方向:垂直向上。 作用點(diǎn)位置:處于物體體積幾何重心，即”浮心”。 1人

5、體和運(yùn)動器械的浮態(tài)。 液體中的物體，受到兩個力作用，即G和F浮。 當(dāng)GP時，物體將沉入液體底部，即為沉體。 當(dāng)G=P時，物體全部沒入液體，為潛體。 當(dāng)GP時，物體半沉半浮在液石上，即為浮體。 人體或器械多處于浮體和潛體中，浮體例如:游泳、賽艇、帆板等。 一、平衡條件 ：1、重心與浮心在同一鉛垂線上；2、重力與浮力相等 二、浮體平衡的穩(wěn)定性 根據(jù)重心和浮心穩(wěn)定性可分為3種情況: 第一：重心在浮心下面時，物體平衡是穩(wěn)定的。 第二：重心在浮心上面時，物體的平衡可能是穩(wěn)定的，也可能是不穩(wěn)定的。 第三：重心與浮心重合時，物體的平衡是穩(wěn)定的， 密封容器內(nèi)的靜止液體:由于部分邊界上承受外力而產(chǎn)生的液體靜壓強(qiáng)

6、，將以不變數(shù)值傳遞到液體內(nèi)所有點(diǎn)上去。 脊柱具有穩(wěn)定性和靈活性的功能，可以利用流體靜壓強(qiáng)傳遞。 一、流體的分類 1、 按流體通過空間固定點(diǎn)時，其運(yùn)動參數(shù)是否隨時間變化 。可分為:定常流動；非定常流動 2、按與空間坐標(biāo)變量關(guān)系可將流體分為:一維流動、二維流動、三維流動 （一）流線和跡線 1、流線概念:在流體運(yùn)動過程中，在一定瞬間依次排列的一系列流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方向線稱為流線。 2、跡線概念：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡，叫做跡線。 3、流線與跡線的區(qū)別： 第一：流線僅代表各個流體質(zhì)點(diǎn)在同一時刻T的運(yùn)動速度和方向，而跡線只是流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡。 第二: 流線因時間T而異，與流體質(zhì)點(diǎn)無關(guān)，而跡線因質(zhì)點(diǎn)而異，與時間

7、T無關(guān)。 （二）流管和流束 流束：流管內(nèi)的流線族。 （三）過流斷面和流量 過流斷面:用A表示過流斷面面積，其概念為流管或流束的一個橫斷面，且該斷面上所有各點(diǎn)的流線均與斷面為相交。 流量:單位時間內(nèi)通過流管中巡過流斷面的流體量，以Q表示:Q=VA 。V 代表平均速度。 根據(jù)流體流過每個過流斷面的流體質(zhì)量是不變的，即 p1v1A1=p2v2A2=常數(shù)。這就是流體運(yùn)動的連續(xù)方程式。 如果是不可壓縮流體。則P 保持不變。即為: V1A=V2A2=Q 設(shè)有一很微小的流束，流體運(yùn)動是定常的，在流管上取兩個斷面。在1-2斷面上，過流斷面是 A1，壓力是P1,速度是V1(每一點(diǎn)上)，在3-4斷面上是 A2，P

8、2，V2。H1 和H2分別是1-2和3-4斷面相對于某一基準(zhǔn)面的幾何高度。當(dāng)經(jīng)過t 時間后，在斷面1-2處的流體流到1-2，而3-4的流體流到3-4，其移動距離lv1t;l2v2t 根據(jù)動能定理，外力在t 時間內(nèi)做功之和等于此段時間內(nèi)能量的增量 ，外力在t時間內(nèi)對1-2和3-4斷面間的流體所作功有： 1、壓力做功: P1A1 v1t-p2A2 V2t=Qt(p1-p2) 因?yàn)榱黧w是連續(xù)的，且不可壓縮,所以 Q=A1V1=A2V2 負(fù)號表示力的方向與運(yùn)動方向相反。 2、重力做功:因?yàn)槭嵌ǔＡ?，故? rA1L1(h1-h2)=rQt(h1-h2) 式中A1L1=A2L2=A1V1t=Qt 因?yàn)樗?/p>

9、講的是理想流體，假定沒有磨擦力，所以在t時間內(nèi)獲得的能量增量為:m(v22-v12)/2=Qt(v22-v12)/2， 于是就有： rQt(h1-h2)+Qt(P1-P2)=PQt(V22-V12)/2 全式除以t 并以r=pg 代入得： pgh1+P1+1/2pv12=pgh2+P2+1/2pv22 即:pgh+P+1/2pv2=C 或:gh+P/p+v2/2=C (二) 伯努利方程的物理意義 1、gh表示單位質(zhì)量流體的位置勢能,由重力產(chǎn)生勢能。 2、P/p表示單位質(zhì)量流體的壓力勢能，由壓強(qiáng)產(chǎn)生的勢能。 3、v2/2表示單位質(zhì)量流體的動能，它是由速度產(chǎn)生的動能。 1、層流：當(dāng)流體在圓管內(nèi)流動

10、流速較慢時，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動有條不紊，呈現(xiàn)出分層流動的狀態(tài)稱為層流。 2、湍流：當(dāng)管中流速增大，直到分層流動的狀態(tài)被破壞，發(fā)生互相混雜，并且有縱向脈動時，這種流動狀態(tài)稱為湍流。 3、渦旋：當(dāng)流體通過非流線型物體時很容易在物體的尾部形成湍流，即尾部的流體在物體前后壓強(qiáng)差的作用下產(chǎn)生逆向回流和明顯的渦旋。 流體總阻力的估算 FD=1/2CDpAV2 其中FD為流體阻力； p 為流體密度； CD 為阻力系數(shù)，與運(yùn)動物體形狀有關(guān)，A為與流動 流體相對的正面投影面積，V為人體或器械相對于流體的運(yùn)動速度。 1、摩擦阻力：由于流體的粘性所引起的阻力稱為摩擦阻力。 2、壓差阻力：由于流動時流束變形以及渦旋的出現(xiàn)

11、等原因，在物體的前方和后方產(chǎn)生壓強(qiáng)差所引起的阻力，稱為壓差阻力。 3、興波阻力：由于存在自由液面而產(chǎn)生波浪所引起的阻力稱為興波阻力。 4、慣性阻力 ：由于流體作非定常流動或運(yùn)動物體在流體中作加速運(yùn)動所引起的阻力。 物體在流體中運(yùn)動，動力有流體的反作用力和升力。 一、升力 1、較大沖角時的升力。F=1/2cLpAv2 CL代表為升力系數(shù)，與物體形狀有關(guān)，且隨沖角而變化。 2、零沖角和小沖角時的升力。 二、流體的反作用力 鐵餅或標(biāo)槍飛行的遠(yuǎn)度取決于什么? 出手速度，出手角度和出手高度，但實(shí)際上，空氣對它們的阻力是不容忽視的，因此僅上述三個因素是不完全的，還有出于傾角(器械軸與水平線間的夾角)沖角(

12、器械縱軸與氣流來流方向間的夾角)，壓力中心位置及旋轉(zhuǎn)效應(yīng)等。 通過對壓力中心等條件研究，以及飛行的上升和下降階段，器械質(zhì)心和壓力中心受力作用及其相互關(guān)系的變化，得出最佳的出手條件，才能提高運(yùn)動成績和訓(xùn)練效率。 一、流線型和水感 1、流線型 a、頭戴泳帽、把發(fā)髻理光；b、盡量將頭及胸部壓入水中，身體平直，使流體由身體周邊滑過；c、滑水時，要滾動身體讓肩膀垂直于水面，使截面最小，減小壓差阻力。 2、水感 二、劃水 1、屈肘滑水 屈肘經(jīng)由不同的深度、路線劃水，以劃到最多的靜水，獲得最大的推動力 2、手掌方位 從運(yùn)動生物力學(xué)角度改進(jìn)劃水技術(shù)可從以下三個方面著手：第一，加長3、4、5位相的劃水距離和迎水面積，可采用曲臂Z形或S形劃水路線，并使手掌微曲，加大劃水效果；第二，加快3、4、5位相的劃水頻率，曲臂可減小上肢轉(zhuǎn)動慣量，提高手掌的線速度值，從而增大反作用力沖量；第三，在各個位相利用手掌的沖角產(chǎn)生的升力效應(yīng)，此效應(yīng)既存在于前后方向，也存在于左右方向。 3、配速 三、打腿 1、打腿的推進(jìn)力產(chǎn)生的原理 2、潛水打腿 四、旋轉(zhuǎn)球的運(yùn)動軌跡 球體弧線飛行，屬于流體中轉(zhuǎn)動的物體，緊靠球體表面一層的液體將隨著球體轉(zhuǎn)動，由于流體內(nèi)摩擦的作用，較遠(yuǎn)的流體層也被帶動，形成球體周圍的環(huán)流。 這就把