運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)課講稿第四章第一節(jié)

人體平衡動(dòng)作的力學(xué)原理

一、基本概念

（一）力與力系

1．力是物體之間的相互作用，這種作用可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。人體運(yùn)動(dòng)中的力主要是人體與地面、器械、流體的相互作用。

第2頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

2．

力的三要素：大小、方向、作用點(diǎn)。力是矢量。FA力的單位：國際單位制--牛頓(N)AB第3頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3．力系：是反映作用于物體上的一組力。在實(shí)際體育運(yùn)動(dòng)中，作用于人體的力是非孤立的力，而是力系。

第4頁,共54頁，2024年2月25日，星期天力系分類空間力系平面力系平面匯交力系平面力偶系平面平行力系平面任意力系平面特殊力系空間任意力系空間特殊力系平面匯交力系平面力偶系平面平行力系第5頁,共54頁，2024年2月25日，星期天說明：①匯交力系：作用線的延長線相交于一點(diǎn)的力系。

②平行力系：作用線互相平行的力系。

③平衡力系：在力系作用下，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變的力系。F1F2F3A匯交力系F1F2A平行力系B第6頁,共54頁，2024年2月25日，星期天力的合成、分解依據(jù)平行四邊形法則(三角形法則)YXF1F2RRF1F2RF1F2第7頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（二）約束、約束反力、主動(dòng)力

1．約束

是指阻止物體自由移動(dòng)的限制。這里涉及到自由體和非自由體。在力的作用下可任意方向移動(dòng)的物體叫自由體，如：騰空運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員。反之叫非自由體。實(shí)際中遇到大都是非自由體，物體相互接觸或相互聯(lián)系而使該物體的移動(dòng)受的限制，則稱物體受到約束。第8頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2．

約束反力是指作用于物體的力，其大小等于物體加在約束上的力，方向與之相反。約束反力的方向總是同阻礙物體運(yùn)動(dòng)的方向相反。第9頁,共54頁，2024年2月25日，星期天約束與約束反力

繩索,鏈條,皮帶等柔性體對物體的約束稱為柔體約束。因柔體只能承受拉力,不能承受壓力,即只能限制物體沿柔體伸長方向的運(yùn)動(dòng),故柔體的約束反力沿柔體的中心線背離物體,表現(xiàn)為為拉力。第10頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

3．體育運(yùn)動(dòng)中，常見的約束有三種：①.無摩擦的理想約束。這種約束只阻止物體沿接觸面的法向（豎直方向）移動(dòng)，如站在水平地面上的運(yùn)動(dòng)員，其受的約束反力即地面給它的彈力。

N第11頁,共54頁，2024年2月25日，星期天②.有摩擦的約束。這種約束不僅阻止物體沿垂直表面方向移動(dòng),而且阻止物體作水平方向的移動(dòng)，如跑動(dòng)中支撐腿的支撐反力。fN第12頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

③.物體與接觸面無直接接觸，而是通過中間物體間接形成的約束。如吊環(huán)運(yùn)動(dòng)員通過懸索作用于房頂；滑冰運(yùn)動(dòng)員通過冰刀施力于冰面。第13頁,共54頁，2024年2月25日，星期天4．

主動(dòng)力

是指與約束反力性質(zhì)相反的力，它使物體運(yùn)動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)的趨勢。

如：物體所受的重力，人或器械對物體所施的推力、拉力等。第14頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（三）力的可傳性原理

力可沿其作用線任意移動(dòng)，而不改變其對物體的效應(yīng)。ABFF1F2第15頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（四）力的平移定理1．力矩、力偶矩①力矩：轉(zhuǎn)動(dòng)效果。②力偶：大小相等，方向相反。③力偶矩：轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢。第16頁,共54頁，2024年2月25日，星期天①力矩

定義：力與力臂的乘積冠以正、負(fù)號定義為力F對O點(diǎn)的力矩。O—轉(zhuǎn)動(dòng)的中心。稱為力矩中心，簡稱矩心d—轉(zhuǎn)動(dòng)中心到力作用線之間的距離稱為力臂(注意單位)表達(dá)式：Mo(F)=±F·d正負(fù)號規(guī)定：若力使物體繞矩心作逆時(shí)針轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)力矩取正號,反之取負(fù)號。BOF2dF1F3F4問題：圖示力F對O點(diǎn)的力矩應(yīng)取什么符號？第17頁,共54頁，2024年2月25日，星期天②力偶

由大小相等、方向相反、不共線的兩個(gè)力組成的力系稱為力偶。力偶對物體的效應(yīng)：只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，而無移動(dòng)效應(yīng)。第18頁,共54頁，2024年2月25日，星期天OrF第19頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

力偶矩方向的規(guī)定：右手螺旋法則右手拇指指向外法線方向?yàn)檎?+),反之為負(fù)(-)③力偶矩：

力偶使受力偶作用的物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢而產(chǎn)生的力矩稱為力偶矩。

第20頁,共54頁，2024年2月25日，星期天FAOdFAOdlAO==

把力F作用線向某點(diǎn)O平移時(shí)，須附加一個(gè)力偶，此附加力偶的矩等于原力F對點(diǎn)O的矩。證明：2.力的平移定理：第21頁,共54頁，2024年2月25日，星期天舉例：跑的受力分析

重力彈力摩擦力阻力阻力重力摩擦力彈力第22頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

跑的后蹬動(dòng)作的身體受力圖

人體受4個(gè)力的作用：

G：重力；N：彈力；f：摩擦力；F：空氣阻力。根據(jù)力的平移定理，可將N、F以及摩擦力三個(gè)力平移到重心O，并加上相應(yīng)力偶矩，如圖4-9所示，N′和力偶矩Nx代替N的作用，F(xiàn)′和Fh代替F的作用，

f′和

fH代替f的作用。

Fh+fH-Nx>0時(shí)人體向后旋轉(zhuǎn)，

Fh+fH-Nx=0時(shí)人體不旋轉(zhuǎn)，

Fh+fH-Nx<0時(shí)人體向前旋轉(zhuǎn)。第23頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（五）研究對象的受力分析

1．具體步驟為：

①確定研究對象；②畫出受力圖。

2．方法：我們所研究的對象主要為人體，在人體上畫出主動(dòng)力（重力及外加的力）和約束反力（所有外界物體與人體的接觸作用。由于約束反力的方向不易判斷，通常用約束反力的三個(gè)分量來代替，把未知的約束反力分解到直角坐標(biāo)系中。3．舉例：燕式平衡，單杠直臂懸垂，體操中‘旗’動(dòng)作。

第24頁,共54頁，2024年2月25日，星期天燕式平衡受力分析GN第25頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、力的合成與分解

(一)合力與分力已知分力求合力叫力的合成，已知合力求分力叫力的分解。

(二)力的合成方法

1．平行四邊形法則：同一點(diǎn)A作用的兩個(gè)力

F1和F2，以其作鄰邊畫平行四邊形，則平行四邊形的對角線即代表這兩個(gè)力的合力。

2．

投影法：矢量在任意軸上的投影等于矢量各分量在同一軸上投影的代數(shù)和。

（三）力的分解第26頁,共54頁，2024年2月25日，星期天圖示力合成方法：平行四邊形法則和投影法F1RF1F2ARF２F1xF1y第27頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三、力系的簡化與平衡

將作用于物體上的力系用一個(gè)合力，另加相應(yīng)的力矩來表示，這一過程稱為力系的簡化（了解）。

（一）共點(diǎn)力系的簡化與平衡

（二）共面力系的簡化與平衡

（三）空間力系的簡化與平衡第28頁,共54頁，2024年2月25日，星期天COyxhBаP134.例題5RyRxPPAGа第29頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)

人體整體平衡的生物

力學(xué)條件和特點(diǎn)

一、人體平衡的力學(xué)條件

人體平衡的力學(xué)條件是人體所受的合外力為零和合外力矩為零。表達(dá)式為：∑F=0，∑M=0

如：燕式平衡，單杠直臂懸垂。第30頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、人體平衡的類型

（一）人體重心的概念1．

研究人體重心的意義：評定一個(gè)體育動(dòng)作的質(zhì)量，分析其技術(shù)特征和糾正錯(cuò)誤動(dòng)作等，都需要從人體重心的變化規(guī)律去分析，無論是動(dòng)力性的動(dòng)作還是靜力性的姿勢，探索其運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，都離不開人體重心。第31頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3．

特點(diǎn)：人體重心不象物體那樣恒定在一個(gè)點(diǎn)上，不僅在一段時(shí)內(nèi)，要受肌肉和脂肪的增長或消退等因素的影響，即使在每一瞬間，也要受呼吸，消化、血液循環(huán)等因素的影響，特別是在體育運(yùn)動(dòng)中，要受人體姿勢變化的制約，隨姿勢的改變，有時(shí)甚至移出體外。例如；體操中的“橋”，背躍式跳高的過桿動(dòng)作等。2．

概念：人體全部環(huán)節(jié)所受重力的合力的作用點(diǎn)，就叫人體重心。第32頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（二）人體平衡的分類1．

根據(jù)支點(diǎn)相對重心位置分類：①上支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支撐點(diǎn)在人體重心的上方。如：體操中的各類懸垂動(dòng)作。②下支撐平衡：當(dāng)人體處于平衡，且支撐點(diǎn)在人體重心的下方。下支撐平衡在體育動(dòng)作中最為常見．如：站立，自由體操和平衡木的平衡動(dòng)作以及田徑、武術(shù)等。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)在人體重心下方。如：肋木側(cè)身平衡。第33頁,共54頁，2024年2月25日，星期天2．根據(jù)平衡的穩(wěn)度分類穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡隨遇平衡有限度的穩(wěn)定平衡第34頁,共54頁，2024年2月25日，星期天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)，人體自然恢復(fù)平衡位置，而不需要通過肌肉收縮恢復(fù)平衡。如果物體偏離平衡位置的結(jié)果是物體重心升高，則該平衡是穩(wěn)定平衡，多數(shù)上支撐平衡屬穩(wěn)定平衡。如；單杠直臂懸垂（圖4-1）。第35頁,共54頁，2024年2月25日，星期天②不穩(wěn)定平衡：

人體在外力的作用下，偏離平衡位置后，當(dāng)外力撤除時(shí)，人體不僅不能回到原來的平衡位置，而是更加偏離平衡位置。如果物體偏離平衡位置的結(jié)果是物體重心降低，則該平衡是穩(wěn)定平衡，多數(shù)上支撐平衡屬不穩(wěn)定平衡，僅在下支撐平衡動(dòng)作中出現(xiàn)。如；單臂手倒立。第36頁,共54頁，2024年2月25日，星期天③隨遇平衡：

人體在外力的作用下，偏離平衡位置后，當(dāng)外力撤除時(shí)，人體既不回到原來的平衡位置，也不繼續(xù)偏離原位置，而是在新位置上保持平衡。在體育中很少見，但也有。如：連續(xù)完成的兩個(gè)前滾翻。

第37頁,共54頁，2024年2月25日，星期天④有限度的穩(wěn)定平衡：

人體在外力作用下，一定限度內(nèi)偏離平衡位置，當(dāng)外力撤除時(shí)，人體回到平衡狀態(tài)，但如果偏離平衡位置超過某一限度時(shí)，人體失去平衡。如：太極拳中的推手。第38頁,共54頁，2024年2月25日，星期天三、人體平衡的穩(wěn)定性（一）概念：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)，抵抗各種破壞平衡的作用而保持平衡的能力。第39頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（二）影響平衡穩(wěn)定性的力學(xué)因素

1、支撐面第40頁,共54頁，2024年2月25日，星期天（二）影響平衡穩(wěn)定性的力學(xué)因素

2、重心高度

穩(wěn)定角：重力作用線同重心與支撐面相應(yīng)邊界的連線之間的夾角。穩(wěn)定角越大，穩(wěn)定性越好；穩(wěn)定角越小，穩(wěn)定性越差；穩(wěn)定角為零，人體處于臨界狀態(tài)。如蹲距式起跑‘預(yù)備’中運(yùn)動(dòng)員盡可能將重心抬高并前移，以減小前進(jìn)方向的穩(wěn)定角，以便快速破壞平衡。

θθ第41頁,共54頁，2024年2月25日，星期天3、體重

穩(wěn)度系數(shù)：穩(wěn)定力矩（重力矩）與翻倒力矩（外力矩）之比，常用來表示體重在平衡時(shí)的作用。穩(wěn)度系數(shù)K=穩(wěn)定力矩/翻倒力矩該系數(shù)表明了物體依靠重力抵抗翻到作用的能力。

第42頁,共54頁，2024年2月25日，星期天穩(wěn)度系數(shù)：

K＞1，平衡不破壞；

K=1，臨界狀態(tài)；

K＜1，平衡被破壞。人體重力矩越大，穩(wěn)定系數(shù)越大，破壞平衡所需的外界翻到力矩也越大，即人體平衡的穩(wěn)定性越好。如:摔交、拳擊、柔道項(xiàng)目中按體重分級的原因之一就在于此。第43頁,共54頁，2024年2月25日，星期天1m0.5m1m0.5m1m1mGGGFFFABABAB第44頁,共54頁，2024年2月25日，星期天四、人體平衡的生物學(xué)因素（一）人體不能絕對靜止。由于呼吸活動(dòng)和血液循環(huán)必然造成人體總重心時(shí)刻變化。（二）人體有效支撐面小于支撐面，由于人體軟組織和力量不太大的肌肉無力平衡負(fù)荷，所以翻倒線永遠(yuǎn)位于支撐面邊界之內(nèi)，重力作用線未超過支撐面邊界時(shí)，人體就要提前傾倒。（三）人體姿勢的改變可調(diào)節(jié)平衡，人體在有翻倒趨勢時(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，則可能會(huì)恢復(fù)平衡。（四）心理因素的影響，由于視覺因素造成心理緊張，造成收縮肌群無法協(xié)調(diào)工作導(dǎo)致人體失去平衡。典型的受心理因素影響的項(xiàng)目是平衡木。第45頁,共54頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)人體平衡動(dòng)作的

生物力學(xué)分析

第46頁,共54頁，2024年2月25日，星期天

在考慮整體平衡的基礎(chǔ)上，研究人體局部平衡有助于我們更深刻的了解肌肉參與工作的方式和程度，以便確定更科學(xué)合理的姿勢，以幾個(gè)基本平衡動(dòng)作進(jìn)行分析：

第47頁,共54頁，2024年2月25日，星期天一、燕式平衡

燕式平衡動(dòng)作常見于體操、冰上運(yùn)動(dòng)和武術(shù)等項(xiàng)目中，它是以單腳支撐，身體處于水平狀態(tài)的平衡動(dòng)作。1．

受力分析：2．

人體平衡條件：3．

局部環(huán)節(jié)的肌肉作用：主要收縮肌群三角肌、斜方肌、臀大肌的作用，就是平衡相應(yīng)環(huán)節(jié)的重力矩。4．

穩(wěn)定性能：不穩(wěn)定。第48頁,共54頁，2024年2月25日，星期天二、吊環(huán)十字支撐1．

受力分析：2．

平衡條件：3．

局部環(huán)節(jié)的肌肉作用：肩關(guān)節(jié)內(nèi)收肌群（胸大肌和背闊?。┑睦嘏c身體重力矩保持平衡。肩胛下肌、大圓肌、三角肌等