運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)應(yīng)用人體平衡

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)應(yīng)用人體平衡第1頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

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2頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二內(nèi)容提要一、人體平衡概述1二、人體平衡的力學(xué)原理2三、影響人體平衡的因素3四、人體平衡的生物力學(xué)分析舉例4第3頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一、人體平衡概述（一）人體重心的概念

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)。意義：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)人體重心的變化規(guī)律。特別是分析靜力性動(dòng)作，判定平衡的穩(wěn)定性及分析動(dòng)作的合理性時(shí)，必須從人體重心相對(duì)于支撐面的位置來確定。第4頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二一般物體的重心比較恒定，而人體重心是變化的。人體重心變化不僅在一段時(shí)間內(nèi)，要受肌肉和脂肪的增長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)中，要受到人體姿勢(shì)變化的影響，隨著姿勢(shì)的改變而改變，有時(shí)甚至能夠移出體外。第5頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（二）人體平衡的分類

1.根據(jù)支點(diǎn)相對(duì)于人體重心的位置不同，將人體平衡分為以下3種：

（1）上支撐平衡：

當(dāng)人體處于平衡，且支點(diǎn)在人體重心的上方。

如體操中的各種懸垂動(dòng)作。

第6頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（2）下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，支點(diǎn)在人體重心的下方。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。（3）混合支撐平衡：是一種多支撐點(diǎn)的平衡狀態(tài)，有的支撐點(diǎn)在人體重心上方，有的支撐點(diǎn)在人體重心的下方。例如，肋木側(cè)身平衡。第7頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

根據(jù)平衡的穩(wěn)定程度把人體平衡分為4種：（1）穩(wěn)定平衡：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。（2）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)生的重力矩使物體繼續(xù)傾倒。僅在下支撐平衡動(dòng)作出現(xiàn)。（3）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)，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，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。（4）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)生使物體位置移動(dòng)的重力矩。第8頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二5.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)。二、人體平衡的力學(xué)原理第9頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二6.力的平移定理（1）力矩、力偶矩力矩為力與力臂的乘積。如力對(duì)于O點(diǎn)的力矩為M如圖所示。力矩的方向按右手螺旋法則，即四指沿矢徑r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)榇怪庇谄矫嫦蛲?。通常?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，反之為負(fù)。第10頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二力偶是指一對(duì)大小相等、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。力偶中二力之和為0，即力偶無(wú)合力。力偶可以產(chǎn)生力偶矩。M=Fd

M=Fd，式中d為力偶臂，是力偶兩力作用線之間的垂距，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)。第11頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（2）力的平移定理力可平行于自身移動(dòng)到任意一點(diǎn)，但需增加一個(gè)力偶，其力偶矩等于原力對(duì)新作用點(diǎn)的力矩。如圖，作用于點(diǎn)A的力可用作用于點(diǎn)B的力和力偶矩M來代替。5-9第12頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二7.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，叫做取研究對(duì)象。然后把施力物體對(duì)研究對(duì)象的作用力全部畫出來（受力圖）。第13頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二例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)運(yùn)動(dòng)的影響。解：如圖5-10所示后蹬動(dòng)作中身體受到4個(gè)力的作用。（1）重力G（2）地面支撐力N（3）地面摩擦力f（4）空氣阻力F。把N、f、F三力平移至重心O點(diǎn)，并加上相應(yīng)的力偶矩，如圖5-11所示。5-105-11第14頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（二）力學(xué)條件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)力系平衡時(shí)滿足下列條件時(shí)，人體即處于平衡狀態(tài)，即：

ΣF=0ΣM=0當(dāng)ΣF=0時(shí)，人體沒有平動(dòng)的加速度；當(dāng)ΣM=0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)到平衡。燕式平衡第15頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（一）影響人體平衡的力學(xué)因素人體平衡的穩(wěn)定性是人體處于有限穩(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。三、影響人體平衡的因素1．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。支撐面越大，物體平衡的穩(wěn)定性就越好。2．重心高度：重心越低，穩(wěn)定性越好。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)定角越大穩(wěn)定性越好，反之則越差。3．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。第16頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二

例2:運(yùn)動(dòng)員體重70kg，兩腳間距為0.5m，對(duì)手將一個(gè)196N的力從側(cè)面水平地作用于他，作用點(diǎn)距地面的高度為1.0m。若該運(yùn)動(dòng)員受推力過程中姿勢(shì)不改變，試求：（1）重力作用線在支撐面正中央的穩(wěn)度系數(shù)；（2）若該運(yùn)動(dòng)員將重力作用線移到離左腳B點(diǎn)5cm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）若運(yùn)動(dòng)員將兩腳間距增大至1m時(shí)，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)為穩(wěn)定力矩與翻倒力矩之比值。穩(wěn)度系數(shù)K>1時(shí)，平衡沒有被破壞；K=1時(shí)，處于臨界狀態(tài)；當(dāng)K<1時(shí)，平衡被破壞。這里的穩(wěn)定力矩一般是指重力矩，是人體的體重和重力臂二者的乘積。第17頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二（二）影響人體平衡的生物學(xué)因素穩(wěn)定角、穩(wěn)度系數(shù)等指標(biāo)僅適用于剛體。對(duì)于人體這個(gè)具有高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的生物力學(xué)系統(tǒng)，評(píng)定其動(dòng)作的穩(wěn)定程度還需要考慮有關(guān)的生物學(xué)特點(diǎn)。1．人體不能絕對(duì)靜止由于呼吸活動(dòng)和血液循環(huán)必然造成人體總重心位置在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，肌肉的張力在任何時(shí)候都不可能恒定，因此身體的姿勢(shì)不可能絕對(duì)靜止。第18頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2．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(wú)力平衡負(fù)荷，所以翻倒線永遠(yuǎn)位于支撐面邊界線之內(nèi)，重力作用線未超過支撐面邊線時(shí)，人體就要提前翻倒。3．人體具有一定的自身平衡調(diào)節(jié)能力4．人體平衡受心理因素的影響5．人體平衡動(dòng)作消耗肌肉的生理能第19頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二超級(jí)嬰兒金雞獨(dú)立第20頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二四、人體平衡的生物力學(xué)分析舉例（一）直角支撐直角支撐常見于雙杠和吊環(huán)項(xiàng)目中，它是以雙臂支撐整個(gè)身體，使軀干與下肢呈直角的平衡動(dòng)作。受力分析：重力G、器械對(duì)人體的作用力N1、N2。人體平衡的力學(xué)條件：

5-13第21頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期二局部環(huán)節(jié)的肌肉作用：肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)周圍的肌群主要起固定兩臂作用。下肢重力矩由相應(yīng)的肌群以一定的拉力矩對(duì)抗。保持下肢水平姿勢(shì)股四頭肌的拉力矩與足和小腿重力矩平衡；小腿和大腿的重力矩是由髂腰肌、股直肌、縫匠肌等的拉力矩來平衡，腹肌完成固定工作。穩(wěn)定性分析：該動(dòng)作屬于下支撐平衡，由于下肢的重力矩使身體有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，在兩臂能支撐體重的前提下，腹肌對(duì)完成動(dòng)作起主要作