2025年大學《智能體育工程》專業(yè)題庫——運動生物力學與材料工程考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內。）1.在運動生物力學中，描述一個剛體平面運動的自由度通常是（）。A.1個B.2個C.3個D.4個2.下列哪項不是測量地面反作用力（GRF）的常用設備？（）A.高速攝像機B.力臺C.慣性傳感器D.等速肌力測試儀3.使物體發(fā)生彈性形變的恢復力，其大小通常與形變量成正比，這描述的是（）。A.塑性變形B.疲勞C.彈性模量D.韌性4.在人體運動中，膝關節(jié)在跑動過程中主要經歷的關節(jié)運動是（）。A.僅有屈伸B.僅有內收外展C.屈伸和內收外展D.屈伸和旋轉5.下列哪種材料通常具有良好的耐磨性、耐化學腐蝕性和較低的密度，常用于制造跑鞋中底？（）A.鋁合金B(yǎng).工程塑料（如PBT）C.碳纖維復合材料D.鈦合金6.當作用在物體上的力使其幾何形狀發(fā)生改變時，該力稱為（）。A.靜摩擦力B.滾動摩擦力C.離心力D.應力7.下列哪項技術主要利用光學原理，通過標記點的運動軌跡來分析人體運動？（）A.慣性傳感器測量B.力平臺測力C.高速攝像標記點法D.電磁跟蹤系統(tǒng)8.在運動中，肌肉收縮產生的力矩與關節(jié)轉動的角加速度成（）關系。A.正比B.反比C.無關D.以上都不對9.復合材料通常由兩種或多種物理化學性質不同的材料組成，以獲得優(yōu)于單一材料的性能，這體現了材料的（）。A.功能性B.復雜性C.組合效應D.可持續(xù)性10.形狀記憶合金（SMA）等智能材料能夠在外部刺激下恢復其預先設定的形狀，這一特性在智能體育裝備中可用于（）。A.自適應緊固件B.自修復表面C.動態(tài)減震D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請將正確答案填在橫線上。）1.運動學主要研究物體的__________，而不考慮引起運動的力。2.在分析跑動時的支撐階段，膝關節(jié)通常處于__________狀態(tài)，承受較大的壓縮力和剪切力。3.材料的彈性模量（E）是衡量材料__________的物理量，數值越大，材料越“硬”。4.生物力學中常用的達朗貝爾原理，是將__________引入非慣性參考系，將動力學問題轉化為靜力學問題來處理。5.合成纖維如聚酯纖維、尼龍等因其輕質、高強、耐磨等特點，被廣泛應用于制造運動服和運動鞋的__________。6.人體運動時，能量在肌肉、骨骼和關節(jié)之間進行轉換，分析能量損耗有助于理解__________效率和疲勞機制。7.測試材料抵抗局部變形，特別是永久變形能力的指標是__________。8.運動員的技術動作分析中，除了考慮關節(jié)角度變化，還需要分析角速度和角加速度等__________參數。9.復合材料中增強相的主要作用是承擔__________，基體則主要提供保護、傳遞載荷和防止裂紋擴展。10.智能體育裝備的發(fā)展趨勢之一是利用嵌入式傳感器和執(zhí)行器實現裝備的__________和自適應調節(jié)。三、簡答題（每題5分，共15分。）1.簡述運動生物力學分析在優(yōu)化運動技術中的作用。2.簡述選擇運動器材（如跑鞋）時，需要考慮的生物力學和材料工程因素。3.簡述什么是應力？什么是應變？兩者之間有何關系？四、計算題（每題8分，共16分。）1.某運動員在跑步時，膝關節(jié)彎曲角度從0°（伸直）變化到135°（屈曲），歷時0.25秒。如果假設膝關節(jié)近似作簡諧運動，其角加速度的最大值出現在角度為45°時，此時角加速度的絕對值為5rad/s2。請計算該運動員膝關節(jié)在此過程中的最大角速度。2.一根用于自行車車架的鋁合金桿件，長L=1.5米，橫截面積A=50mm2，受到一個1000N的軸向拉力。已知鋁合金的彈性模量E=70GPa。請計算該桿件的伸長量（ΔL）。（提示：可使用胡克定律）五、綜合應用題（共14分。）某智能運動手環(huán)需要監(jiān)測用戶跑步時的步態(tài)信息和手腕受力情況。請結合運動生物力學和材料工程知識，回答以下問題：1.該手環(huán)至少需要監(jiān)測哪些關鍵的運動生物力學參數來分析步態(tài)？（至少列舉三項）2.為了實現這些監(jiān)測功能，手環(huán)內部可能采用哪些類型的傳感器？請分別說明其工作原理與監(jiān)測參數的對應關系。3.手環(huán)的外殼材料需要滿足哪些性能要求？請列舉至少三種可能使用的材料，并說明選擇理由。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.C4.C5.B6.D7.C8.A9.C10.D二、填空題1.位置和運動2.屈曲3.剛度4.慣性力5.纖維6.運動效率7.韌性8.運動學9.載荷（或應力）10.智能化三、簡答題1.解析思路：分析運動技術時，通過生物力學方法可以量化動作幅度、速度、力量、效率等，識別技術缺陷（如動作幅度不足、力量浪費、關節(jié)角度異常），從而為改進技術提供科學依據。例如，通過分析跑步動作的經濟性（能量消耗與輸出效率），指導運動員優(yōu)化步態(tài)；通過分析關節(jié)受力，預防運動損傷。2.解析思路：選擇跑鞋需考慮：①生物力學匹配：鞋底彎折點需匹配腳部自然彎折，提供合適的足底支撐和緩沖；鞋楦寬度、高度需適合腳型，避免擠壓或滑動。②材料性能：中底材料（如BRT、氣墊）需具備良好的緩沖吸能、回彈性和耐磨性；外底材料（如橡膠）需提供足夠的抓地力、耐磨性和減震性。③功能需求：根據跑步姿勢（正常、內旋、外旋）、場地（公路、越野）選擇不同設計的鞋款。3.解析思路：應力（σ）是指單位面積上的內力，是衡量材料受力程度的物理量，通常計算公式為σ=F/A，其中F是作用力，A是受力面積，單位通常是帕斯卡（Pa）。應變（ε）是指物體受力后形狀或尺寸的相對改變量，是描述材料變形程度的物理量，通常計算公式為ε=ΔL/L，其中ΔL是變形量，L是原始長度，無量綱。應力與應變成正比關系，即σ=Eε，比例系數E為彈性模量，反映了材料的剛度。四、計算題1.解析思路：根據題意，最大角速度出現在最大角加速度時。已知最大角加速度|α_max|=5rad/s2，且假設作簡諧運動。最大角速度|ω_max|與最大角加速度|α_max|的關系為|ω_max|=|α_max|*ω_max/ω_min。對于簡諧運動，最大角速度與最大角位移（此處為45°對應的弧度π/4）和角頻率ω的關系為|ω_max|=ω*θ_max。角頻率ω與周期T和角位移θ_max的關系為ω=θ_max/√(θ_max2+(ω_max/α_max)2)，但在最大角加速度時刻，角速度最大，角位移非零，簡化考慮最大角速度發(fā)生在通過平衡位置時（此處假設），則ω_max=α_max*T/2π。但更直接的思路是利用最大加速度與最大速度的關系：ω_max2=2*α_max*θ_max(弧度制)。θ_max=45°=π/4rad。則ω_max2=2*5*π/4=5π/2。ω_max=√(5π/2)rad/s。計算結果約為2.65rad/s。2.解析思路：使用胡克定律計算伸長量。胡克定律σ=Eε，其中σ=F/A是應力，E是彈性模量，ε=ΔL/L是應變。應變ε=σ/E=F/(EA)。因此，伸長量ΔL=(F/EA)*L。代入數值：F=1000N，A=50mm2=50*10??m2，E=70GPa=70*10?Pa，L=1.5m。ΔL=(1000/(70*10?*50*10??))*1.5=(1000/(3.5*103))*1.5=(1000/3500)*1.5≈0.4286*1.5≈0.643mm。結果約為0.643mm。五、綜合應用題1.解析思路：監(jiān)測步態(tài)參數需全面反映步態(tài)特征。核心參數包括：①步頻/步速：反映運動快慢。②步長/單步距離：反映移動距離。③步高：反映垂直位移。④關節(jié)角度（如踝、膝、髖）：反映關節(jié)活動范圍和運動模式。⑤地面反作用力（GRF）：反映支撐階段受力大小和方向。⑥垂直沖擊力：反映著地時的沖擊程度。⑦步態(tài)周期分期（支撐相、擺動相）：反映步態(tài)動態(tài)過程。2.解析思路：①加速度傳感器：用于測量手環(huán)在三個軸向上的線性加速度變化，通過算法提取步頻、步長、沖擊力等步態(tài)參數，實現步態(tài)監(jiān)測。②陀螺儀（角速度傳感器）：用于測量手環(huán)繞三個軸的旋轉角速度，用于姿態(tài)檢測、步態(tài)周期分期、關節(jié)角度估算等。③陀螺儀與加速度計結合（IMU）：可進行姿態(tài)解算，提供更全面的運動姿態(tài)信息。④力敏傳感器（可能集成在特定設計或作為外部附件）：直接測量手腕受力，如握力或沖擊力。⑤壓力傳感器：如果手環(huán)設計用于測量掌壓分布，可用于分析跑步或騎行時的壓力分布。⑥磁力計：用于輔助姿態(tài)檢測（如指北方向）。3.解析思路：手環(huán)外殼需滿足：①輕量化：減少佩戴負擔。②高強度與剛度：保護內部傳感器和電路，抵抗沖擊。③耐磨性：延長使用壽命。④柔韌性（或特定部位）：貼合手腕曲線，舒適佩戴。⑤防水防塵：