體育教育多媒體課件

體育教育多媒體課件第五章運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)。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(yùn)動(dòng)中作用于人體的是多個(gè)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生變化，則該力系稱為。

約束是指對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的限制。如果物體不受約束將可以自由移動(dòng)，稱為自由體，如騰空中的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)受到限制所致。這種相互接觸阻止物體移動(dòng)，如作單杠懸垂的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)力指與約束反力作用相反的力。它使物體運(yùn)動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，如物體受到的重力，人體或器械對(duì)物體所施加的推力、拉力等。（二）約束、約束反力、主動(dòng)力（三）力的可傳性原理（圖5-1-1）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)。如圖所示，物體在點(diǎn)A首道一個(gè)力F，若沿著力F的作用線，將力的作用點(diǎn)移至B點(diǎn)，其作用效果不變。因?yàn)樵贐點(diǎn)加入一組平衡力F’和F”作用效果不變，即三個(gè)力F，F(xiàn)’F”與一個(gè)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(diǎn)的F”，其作用與原來的F相同。所以作用在A點(diǎn)與作用在B點(diǎn)對(duì)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(duì)物體作用時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量。

力F對(duì)點(diǎn)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?yàn)榱氐姆较?。如果僅討論平面力矩，則通常規(guī)定產(chǎn)生逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)（或轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)）的力矩為正值，而產(chǎn)生順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)（或轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)）的力矩為負(fù)值。dOrFθ（圖5-1-2）力偶是指一對(duì)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(gè)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(dòng)到任一點(diǎn)，但需要增加一個(gè)力偶，其力偶矩等于原力對(duì)于新作用點(diǎn)的力矩。如圖（圖5-1-4）在分析人體運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常根據(jù)力的平移定理，將力平行移動(dòng)，以使分析簡(jiǎn)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(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：

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。如果力系為三維力系，平衡時(shí)：

如果力系為一維力系，適當(dāng)選擇矩心則力矩為零，平衡時(shí)：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(shí)：

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(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。因而,人體重心的問題在體育動(dòng)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(diǎn)，人體的重心也就是人體所受重力的作用點(diǎn)。人體由頭、軀干、上臂、前臂、手、大腿、小腿和足等多個(gè)環(huán)境組成。每個(gè)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(diǎn)，人體的重心是人體全部環(huán)節(jié)所受重力合力的作用點(diǎn)。對(duì)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(gè)點(diǎn)上，人體重心是變化的，這種變化不僅在一段時(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)能夠移出體外。（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，這種平衡狀態(tài)稱為上支撐平衡。如體操中的各種懸垂動(dòng)作。（圖5-1-6）（二）人體平衡的分類1．根據(jù)支點(diǎn)相對(duì)于重心的位置關(guān)系分類根據(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：

L

GF

d（圖5-1-6）（3）混合支撐平衡：是一種多支撐點(diǎn)的平衡狀態(tài)，這時(shí)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。（2）下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支點(diǎn)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(dòng)作及田徑、游泳舉重等各類平衡動(dòng)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(shí)，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(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：人體在外力作用下偏離平衡位置后，當(dāng)外力撤除時(shí)，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(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。例如單臂手倒立動(dòng)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(shí)，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(shí)，人體失去平衡，這種平衡叫做有限度的穩(wěn)定平衡。其特點(diǎn)是在一定限度能的偏離平衡位置時(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：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(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。

1．支撐面

支撐面是由各支點(diǎn)所包圍的面積。支撐面也大，平衡的穩(wěn)定性越好，因?yàn)橹灰矬w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(dòng)的范圍大，即在較大的活動(dòng)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)靜止由于呼吸活動(dòng)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(shí)刻發(fā)生變化，肌肉收縮時(shí)個(gè)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(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)，重力作用線未超越支撐面邊界線時(shí)，人體就要提前傾倒。

3．人體姿勢(shì)的改變可以調(diào)節(jié)平衡人體在有翻倒趨勢(shì)時(shí)往往會(huì)改變體姿，各環(huán)節(jié)會(huì)繞相鄰關(guān)節(jié)發(fā)生位移。當(dāng)人體失去平衡時(shí)，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(dòng)作，是一系列復(fù)雜的反射過程，通常是自動(dòng)完成的。例如用右臂提起重物時(shí)，身體和身體重物的共同重心要右移，此時(shí)身體必然會(huì)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(yùn)動(dòng)叫作補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。當(dāng)身體偏離平衡位置較遠(yuǎn)時(shí)，補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)也維持不了平衡，這時(shí)還可以通過改變支撐面來重新獲得平衡，如落地動(dòng)作，人體失去平衡前傾時(shí)，向前邁出一步，擴(kuò)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)。

4．心理因素的影響在力學(xué)因素相同的情況下，人體實(shí)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(dú)木橋時(shí)，就有可能失去平衡（假定獨(dú)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(wú)法協(xié)調(diào)工作，是人體失去平衡。所以心理因素對(duì)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(dòng)作常見與體操、冰上運(yùn)動(dòng)和武術(shù)等項(xiàng)目中，它是以單足支撐，身體處于水平狀態(tài)的平衡動(dòng)作，按著力的分布狀況屬于一維力系。（圖）

（五）人體平衡動(dòng)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(duì)人體的作用力N，兩個(gè)力沿著同一條作用線，此時(shí)人體平衡的條件為：

ΣFx=N–G=0，N=G.坐標(biāo)系原點(diǎn)選在力的作用線上，力矩為零。穩(wěn)定性能：燕式平衡動(dòng)作為單腿支撐，支撐面小，身體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在該動(dòng)作中，由于頭和軀干的水平位，使身體重心由向前移動(dòng)的趨勢(shì)，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(xiàng)目中是難度較高的動(dòng)作之一，需要很大的臂力才能完成。要求兩手