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1、1第五章第五章 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)應(yīng)用第一節(jié)第一節(jié) 人體人體平衡平衡的生物力學(xué)分析的生物力學(xué)分析2(一)人體平衡中重心的概念(一)人體平衡中重心的概念 人體重心是人體各環(huán)節(jié)受重力的集中點(diǎn)(人體重心是人體各環(huán)節(jié)受重力的集中點(diǎn)(COGCOG)。)。而人體質(zhì)心則是質(zhì)量的中心(而人體質(zhì)心則是質(zhì)量的中心(COMCOM)。)。 人體重心變化的主要因素是身體姿勢(shì)的改變。人體重心變化的主要因素是身體姿勢(shì)的改變。3 原理:力矩合成原理原理:力矩合成原理 公式中:公式中:X,Y分別為總重心的橫、縱坐標(biāo)分別為總重心的橫、縱坐標(biāo) Pi為環(huán)節(jié)相對(duì)重量為環(huán)節(jié)相對(duì)重量 xi,yi為環(huán)節(jié)質(zhì)心的橫、縱坐標(biāo)為環(huán)節(jié)質(zhì)心的

2、橫、縱坐標(biāo)iiiixPXPxPPX, 1,iiiiyPYyPPY同理:, 在相片上測(cè)量人體重心的原理和方法在相片上測(cè)量人體重心的原理和方法 4環(huán)節(jié)相對(duì)重量和半徑系數(shù)環(huán)節(jié)相對(duì)重量和半徑系數(shù)l lL Lr = l /LPi = Pi /P近側(cè)端近側(cè)端遠(yuǎn)側(cè)端遠(yuǎn)側(cè)端5 以人體左下角邊緣處以人體左下角邊緣處O O點(diǎn)為原點(diǎn)繪出直角坐標(biāo)系點(diǎn)為原點(diǎn)繪出直角坐標(biāo)系(OXYOXY)。)。 確定各環(huán)節(jié)點(diǎn)位置。確定各環(huán)節(jié)點(diǎn)位置。 確定頭和手的重心位置。頭的重心在耳廓上緣中點(diǎn)正確定頭和手的重心位置。頭的重心在耳廓上緣中點(diǎn)正面觀時(shí)在兩眉間,手的重心在中指的掌指關(guān)節(jié)處。面觀時(shí)在兩眉間,手的重心在中指的掌指關(guān)節(jié)處。 連接關(guān)節(jié)

3、點(diǎn)構(gòu)成人體棍圖。連接關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成人體棍圖。 開(kāi)始測(cè)量各環(huán)節(jié)的相片長(zhǎng)度開(kāi)始測(cè)量各環(huán)節(jié)的相片長(zhǎng)度( (以毫米為單位以毫米為單位) ),填入環(huán),填入環(huán)節(jié)長(zhǎng)度一欄內(nèi)。節(jié)長(zhǎng)度一欄內(nèi)。 把各環(huán)節(jié)重心至近側(cè)端距離占環(huán)節(jié)長(zhǎng)度的百分比填把各環(huán)節(jié)重心至近側(cè)端距離占環(huán)節(jié)長(zhǎng)度的百分比填入一欄內(nèi)。見(jiàn)表入一欄內(nèi)。見(jiàn)表4 41 1中具體的布拉溫中具體的布拉溫菲舍爾環(huán)節(jié)菲舍爾環(huán)節(jié)相對(duì)重心位置數(shù)據(jù)。相對(duì)重心位置數(shù)據(jù)。 方法方法6 環(huán)節(jié)長(zhǎng)度乘以環(huán)節(jié)相對(duì)重心位置百分比,填入環(huán)節(jié)質(zhì)環(huán)節(jié)長(zhǎng)度乘以環(huán)節(jié)相對(duì)重心位置百分比,填入環(huán)節(jié)質(zhì)近側(cè)端實(shí)長(zhǎng)一欄內(nèi)。近側(cè)端實(shí)長(zhǎng)一欄內(nèi)。 按環(huán)節(jié)質(zhì)心到近側(cè)端實(shí)際長(zhǎng)度一欄的數(shù)據(jù),在照片按環(huán)節(jié)質(zhì)心到近側(cè)端實(shí)際長(zhǎng)度一

4、欄的數(shù)據(jù),在照片上的環(huán)節(jié)上點(diǎn)出環(huán)節(jié)質(zhì)心位置。頭手的位置不必計(jì)算,上的環(huán)節(jié)上點(diǎn)出環(huán)節(jié)質(zhì)心位置。頭手的位置不必計(jì)算,可以直接點(diǎn)出。可以直接點(diǎn)出。 從照片上測(cè)量各環(huán)節(jié)質(zhì)心的坐標(biāo)。從照片上測(cè)量各環(huán)節(jié)質(zhì)心的坐標(biāo)。 把人體模型中已知的環(huán)節(jié)相對(duì)重量數(shù)據(jù)添入表內(nèi)(把人體模型中已知的環(huán)節(jié)相對(duì)重量數(shù)據(jù)添入表內(nèi)(P P)。)。 計(jì)算出各環(huán)節(jié)對(duì)軸之矩計(jì)算出各環(huán)節(jié)對(duì)軸之矩Px,PyPx,Py。 求出求出Px,PyPx,Py的和,即為人體總重心位置。的和,即為人體總重心位置。 在照片上點(diǎn)出總重心。在照片上點(diǎn)出總重心。7XOY8(二)人體平衡的分類(二)人體平衡的分類q上支撐平衡(懸垂平衡)上支撐平衡(懸垂平衡)q下支撐平

5、衡(倒立平衡)下支撐平衡(倒立平衡)q混合支撐平衡(肋木側(cè)平衡)混合支撐平衡(肋木側(cè)平衡)1 1、根據(jù)人體重心與支撐點(diǎn)的位置關(guān)系、根據(jù)人體重心與支撐點(diǎn)的位置關(guān)系2 2、根據(jù)平衡的穩(wěn)定性(穩(wěn)度)、根據(jù)平衡的穩(wěn)定性(穩(wěn)度)-保持平衡的能力保持平衡的能力穩(wěn)定平衡(吊袋、懸垂穩(wěn)定平衡(吊袋、懸垂 )有限度的穩(wěn)定平衡(人下支撐平衡)有限度的穩(wěn)定平衡(人下支撐平衡)不穩(wěn)定平衡(單臂倒立)不穩(wěn)定平衡(單臂倒立)隨遇平衡(球的平衡)隨遇平衡(球的平衡)平衡平衡物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。它包括靜止和物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。它包括靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)。包括靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡。勻速直線運(yùn)動(dòng)。包括靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡。(二)人體平

6、衡的分類(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置不同,將人體平衡分為以下3種:種: (1 1)上支撐平衡:當(dāng)人體)上支撐平衡:當(dāng)人體處于平衡,且支點(diǎn)在人體重心處于平衡,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。如體操中的各種懸支撐平衡。如體操中的各種懸垂動(dòng)作。垂動(dòng)作。 (2 2)下支撐平衡:當(dāng)人體處于平)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、游立、平

7、衡木上的平衡動(dòng)作及田徑、游泳、舉重等各類平衡動(dòng)作。泳、舉重等各類平衡動(dòng)作。 (3 3)混合支撐平衡:是一種多)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)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。重心的下方。例如,肋木側(cè)身平衡。 根據(jù)平衡的穩(wěn)定程度把人體平衡分為根據(jù)平衡的穩(wěn)定程度把人體平衡分為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),: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

8、運(yùn)動(dòng),回到平衡位置后,合力為零,合力矩為零。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),: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。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)。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):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,出某一定限度的偏離平衡位置時(shí),人體重心降低,產(chǎn)

9、生的重力矩使人體更加偏離平衡位置。產(chǎn)生的重力矩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(lái)位置時(shí),重心:其特點(diǎn)是偏離原來(lái)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。高度不變,不產(chǎn)生使物體位置移動(dòng)的重力矩。13(三)平衡中的基本力學(xué)概念(三)平衡中的基本力學(xué)概念 1. 1.力作用的效果力作用的效果: :運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化或形狀發(fā)生改變。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化或形狀發(fā)生改變。 力使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的效應(yīng)稱為力的力使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的效應(yīng)稱為力的外效應(yīng)外效應(yīng)或運(yùn)動(dòng)效應(yīng)或運(yùn)動(dòng)效應(yīng); 力使物體形狀發(fā)生改變的效應(yīng)稱為力的力使物體形狀發(fā)生改變的效應(yīng)稱為力的內(nèi)效應(yīng)或變內(nèi)效應(yīng)或變

10、形效應(yīng)形效應(yīng)。14 2.剛體剛體在任何情況下形狀和大小始終不變的在任何情況下形狀和大小始終不變的物體。物體。 剛體內(nèi)任意兩點(diǎn)的距離始終保持不變。剛體是一剛體內(nèi)任意兩點(diǎn)的距離始終保持不變。剛體是一個(gè)理想化的個(gè)理想化的力學(xué)模型力學(xué)模型。 3.3.力系力系作用于物體上的若干個(gè)力(一組力)作用于物體上的若干個(gè)力(一組力)v若兩力系對(duì)同一物體作用效果相同若兩力系對(duì)同一物體作用效果相同等效力系等效力系;v一個(gè)復(fù)雜力系用一個(gè)簡(jiǎn)單力系等效替換的過(guò)程一個(gè)復(fù)雜力系用一個(gè)簡(jiǎn)單力系等效替換的過(guò)程力系的簡(jiǎn)化力系的簡(jiǎn)化。v若一個(gè)力系可用一個(gè)力等效替換,則該力叫若一個(gè)力系可用一個(gè)力等效替換,則該力叫合力合力;力系中的各力叫

11、力系中的各力叫分力分力。v若作用于物體上的力系使物體保持平衡,則該力系若作用于物體上的力系使物體保持平衡,則該力系稱為稱為平衡力系平衡力系。此時(shí)力系所滿足的條件稱。此時(shí)力系所滿足的條件稱平衡條件平衡條件。15 1.1.自由體自由體可以在空間作任意運(yùn)動(dòng)的物體??梢栽诳臻g作任意運(yùn)動(dòng)的物體。 2.2.非自由體非自由體由于受到周圍物體的限制(或阻礙)由于受到周圍物體的限制(或阻礙)而不能作任意運(yùn)動(dòng)的物體而不能作任意運(yùn)動(dòng)的物體。 3.3.約束約束事先對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)所加的限制條件事先對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)所加的限制條件。 4.4.約束反力約束反力約束作用于非自由體的力。(簡(jiǎn)稱:約束作用于非自由體的力。(簡(jiǎn)稱:約束力約

12、束力或或反力反力) 除約束力外,非自由體上所受到的所有促使物體運(yùn)除約束力外,非自由體上所受到的所有促使物體運(yùn)動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨的力,稱為動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨的力,稱為主動(dòng)力主動(dòng)力。 約束力是由主動(dòng)力引起的,故它是一種約束力是由主動(dòng)力引起的,故它是一種被動(dòng)力被動(dòng)力。4 4、平衡中的約束與約束反力、平衡中的約束與約束反力16平衡的力學(xué)條件平衡的力學(xué)條件:0iF 0iM 0Fx 0Fy 0Fz對(duì)剛體上任意一點(diǎn)17公公理理一一 二二力力平平衡衡公公理理 作用于剛體上的兩個(gè)力,使剛體平衡的必要作用于剛體上的兩個(gè)力,使剛體平衡的必要與充分條件是:與充分條件是:這兩個(gè)力這兩個(gè)力大小相等、方向相反、大小相等、方向相反、沿同

13、一條直線。沿同一條直線。 此公理提供了一種最簡(jiǎn)單的平此公理提供了一種最簡(jiǎn)單的平衡力系。對(duì)于剛體此條件是充要條衡力系。對(duì)于剛體此條件是充要條件,但對(duì)變形體只是必要條件而不件,但對(duì)變形體只是必要條件而不是充分條件。是充分條件。ABFF5.5.平衡中的力學(xué)公理平衡中的力學(xué)公理18公公理理二二 加加減減平平衡衡力力系系公公理理 在作用于剛體上的已知力系上,加上或去掉在作用于剛體上的已知力系上,加上或去掉任意個(gè)平衡力系,不改變?cè)ο祵?duì)剛體的作用效任意個(gè)平衡力系,不改變?cè)ο祵?duì)剛體的作用效果。果。該公理是力系簡(jiǎn)化的理論依據(jù)。該公理是力系簡(jiǎn)化的理論依據(jù)。ABFF19推推論論一一 力力的的可可傳傳性性原原理理

14、 作用在剛體上的力可沿其作用線任意移動(dòng),作用在剛體上的力可沿其作用線任意移動(dòng),而不改變?cè)摿?duì)剛體的作用。而不改變?cè)摿?duì)剛體的作用。 作用于剛體上的力的三要素為:作用于剛體上的力的三要素為:大小、方大小、方向、作用線。向、作用線。 作用于剛體上的力是:作用于剛體上的力是:滑動(dòng)矢量。滑動(dòng)矢量。AFABF20公公理理三三 力力的的平平行行四四邊邊形形法法則則 作用于物體某一點(diǎn)的兩個(gè)力的合力,亦作用作用于物體某一點(diǎn)的兩個(gè)力的合力,亦作用于同一點(diǎn)上,其大小和方向可由這兩個(gè)力為鄰邊于同一點(diǎn)上,其大小和方向可由這兩個(gè)力為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對(duì)角線來(lái)確定。所構(gòu)成的平行四邊形的對(duì)角線來(lái)確定。21FFR即即:

15、AR1F2F它是力系簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)它是力系簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)。21推推論論二二 三三力力平平衡衡匯匯交交定定理理 當(dāng)剛體受三個(gè)力作用而平衡時(shí),若其中任何當(dāng)剛體受三個(gè)力作用而平衡時(shí),若其中任何兩力的作用線相交于一點(diǎn),則其余一力的作用線兩力的作用線相交于一點(diǎn),則其余一力的作用線亦必交于同一點(diǎn),且三力的作用線在同一平面內(nèi)。亦必交于同一點(diǎn),且三力的作用線在同一平面內(nèi)。1A2A2F1F3A3F 說(shuō)明不平行三力平衡的說(shuō)明不平行三力平衡的必要條件。必要條件。 即:三力平衡必匯交。即:三力平衡必匯交。 三力匯交不一定平衡。三力匯交不一定平衡。22公公理理四四 作作用用與與反反作作用用公公理理 兩物體間相互作用的作用力和反

16、作用力總是兩物體間相互作用的作用力和反作用力總是同時(shí)存在,大小相等,方向相反,沿同一直線,同時(shí)存在,大小相等,方向相反,沿同一直線,分別作用在這兩個(gè)物體上。分別作用在這兩個(gè)物體上。 它是受力分析必需遵循的原則。它是受力分析必需遵循的原則。23公公理理五五 剛剛化化原原理理 當(dāng)變形體在已知力系作用下處于平衡時(shí),如果當(dāng)變形體在已知力系作用下處于平衡時(shí),如果把該物體變成剛體,則平衡狀態(tài)保持不變。把該物體變成剛體,則平衡狀態(tài)保持不變。 它建立了剛體力學(xué)與變形體力學(xué)的聯(lián)系它建立了剛體力學(xué)與變形體力學(xué)的聯(lián)系。 力可平行于自身移動(dòng)到任意一點(diǎn),但需增加一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

17、等于原力對(duì)新作用點(diǎn)的力矩。如個(gè)力偶,其力偶矩等于原力對(duì)新作用點(diǎn)的力矩。如所示。物體在點(diǎn)所示。物體在點(diǎn)A A受一個(gè)力受一個(gè)力F F,若在任一點(diǎn),若在任一點(diǎn)B B加上一加上一對(duì)平衡力和,并使對(duì)平衡力和,并使3 3個(gè)力的大小相等,作用線互相個(gè)力的大小相等,作用線互相平行,則和正好構(gòu)成一對(duì)力偶,它對(duì)物體只起轉(zhuǎn)動(dòng)平行,則和正好構(gòu)成一對(duì)力偶,它對(duì)物體只起轉(zhuǎn)動(dòng)作用。因此,作用于點(diǎn)作用。因此,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的力和的力和力偶矩力偶矩M M來(lái)代替。來(lái)代替。推推論論三三 力力的的平平移移定定理理25 解決力學(xué)問(wèn)題時(shí),首先要選定需要進(jìn)行研究的物解決力學(xué)問(wèn)題時(shí),首先要選定需要進(jìn)行研

18、究的物體,即體,即確定研究對(duì)象確定研究對(duì)象;然后考查和分析它的受力情況,;然后考查和分析它的受力情況,這個(gè)過(guò)程稱為進(jìn)行這個(gè)過(guò)程稱為進(jìn)行受力分析受力分析。 1.1.分離體分離體把研究對(duì)象解除約束,從周圍物體把研究對(duì)象解除約束,從周圍物體中分離出來(lái),畫(huà)出簡(jiǎn)圖。中分離出來(lái),畫(huà)出簡(jiǎn)圖。 2.受力圖受力圖將分離體所受的主動(dòng)力和約束反力將分離體所受的主動(dòng)力和約束反力以力矢表示在分離體上所得到的圖形。以力矢表示在分離體上所得到的圖形。6.6.平衡中的受力分析平衡中的受力分析263.3.受力分析的步驟受力分析的步驟q確定研究對(duì)象,取分離體;確定研究對(duì)象,取分離體;q先畫(huà)主動(dòng)力,明確研究對(duì)象所受周圍的約束,進(jìn)一

19、步先畫(huà)主動(dòng)力,明確研究對(duì)象所受周圍的約束,進(jìn)一步明確約束類型,什么約束畫(huà)什么約束反力。明確約束類型,什么約束畫(huà)什么約束反力。q必要時(shí)需用二力平衡共線、三力平衡匯交等條件確定必要時(shí)需用二力平衡共線、三力平衡匯交等條件確定某些反力的指向或作用線的方位某些反力的指向或作用線的方位。注意:(注意:(1 1)受力圖只畫(huà)研究對(duì)象的簡(jiǎn)圖和所受的全部)受力圖只畫(huà)研究對(duì)象的簡(jiǎn)圖和所受的全部力;(力;(2 2)每畫(huà)一力都要有依據(jù),不多不漏;()每畫(huà)一力都要有依據(jù),不多不漏;(3 3)不要)不要畫(huà)錯(cuò)力的方向,反力要和約束性質(zhì)相符,物體間的相互畫(huà)錯(cuò)力的方向,反力要和約束性質(zhì)相符,物體間的相互約束力要符合作用與反作用公

20、理。約束力要符合作用與反作用公理。27重重力力彈彈力力摩摩擦擦力力阻阻力力田勁運(yùn)動(dòng)員后蹬動(dòng)作的受力分析FGFhFNXhHFNGFFfFfHFNxOO28劉翔沖刺撞線瞬間劉翔沖刺撞線瞬間2930穩(wěn)定系數(shù)(穩(wěn)定系數(shù)(K) 穩(wěn)定力矩與翻倒力矩的比值。穩(wěn)定力矩與翻倒力矩的比值。(分(分k1,k=1,k1,k=1,k34.3N34.3N38(五)影響人體平衡與穩(wěn)定的生物學(xué)因素(五)影響人體平衡與穩(wěn)定的生物學(xué)因素1 1人體不能絕對(duì)靜止:人體不能絕對(duì)靜止:q呼吸循環(huán)使人體呼吸循環(huán)使人體重心不是定點(diǎn)重心不是定點(diǎn),而是波動(dòng)的面(射擊)。,而是波動(dòng)的面(射擊)。q肌肉張力任何時(shí)候不能恒定,因而人的姿勢(shì)不可能嚴(yán)格肌

21、肉張力任何時(shí)候不能恒定,因而人的姿勢(shì)不可能嚴(yán)格不變,肌肉疲勞時(shí)更明顯。不變,肌肉疲勞時(shí)更明顯。2 2人體不是形狀不變的剛體:人體不是形狀不變的剛體:人的人的有效支撐面積有效支撐面積小于小于“理論理論”支撐面支撐面(邊緣軟組織)。(邊緣軟組織)。人體有翻倒趨勢(shì)時(shí),會(huì)反射性地改變身體人體有翻倒趨勢(shì)時(shí),會(huì)反射性地改變身體姿勢(shì),一般是總重心向不適位移的相反方姿勢(shì),一般是總重心向不適位移的相反方向移動(dòng)(補(bǔ)償動(dòng)作)。向移動(dòng)(補(bǔ)償動(dòng)作)。393 3人體內(nèi)力作用:人體內(nèi)力作用: 在靜力平衡中,在靜力平衡中,肌力肌力外力外力外力矩維持平衡。外力矩維持平衡。肌力大小肌力大小是影響穩(wěn)定的重要因素是影響穩(wěn)定的重要因素。達(dá)瓦孜達(dá)瓦孜人體補(bǔ)償作用人體補(bǔ)償作用404 4心理因素:心理因素: 心理因素會(huì)改變大腦及其心理因素會(huì)改變大腦及其下部對(duì)下部對(duì)肌緊張肌緊張的調(diào)節(jié)

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